CN112147210A - 一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法、产品及应用 - Google Patents

一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法、产品及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种硼酸功能化介孔石墨烯‑二氧化硅复合材料的制备方法、产品及应用,所述产品的制备过程包括:首先制备GO@mSiO2和GLYMO‑APB;将制备的GO@mSiO2置于GLYMO‑APB中,加热反应离心收集清洗得硼酸功能化介孔石墨烯‑二氧化硅复合材料。所述复合材料具有高比表面积、亲水外表面、大量介孔以及硼酸功能化内孔壁,与复杂样品相互作用时,胰蛋白酶酶解产生的糖肽和肽段可以自由进入孔洞,只有糖肽与孔壁上的硼酸官能团结合,而蛋白质和漏切产生的大分子量的多肽由于尺寸排阻效应被排除在外。由于硼酸和聚糖结构之间的可逆共价相互作用,可以选择性地提取和富集复杂样品中的完整糖肽。

Description

一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法、 产品及应用
技术领域
本发明涉及糖复合材料技术领域,具体涉及一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法、产品及应用。
背景技术
蛋白质糖基化是有机体中最多样化和最重要的翻译后修饰之一,它可以改变蛋白质的功能,进而对各种生物过程产生深远的影响。而糖基化位点和糖链结构分析是全面并准确地理解糖基化作用的关键。为了同时获取位点和特异性糖肽信息,可以采用一种有效但具有挑战性的方法——完整糖肽鉴定法。近年来,完整糖肽鉴定法作为一个蓬勃发展的领域,吸引了人们的大量关注。
基于质谱(MS)分析的策略及其相应方法作为主要驱动因素,极大地促进了糖蛋白质组研究。然而,针对完整糖肽(包括N-糖肽和O-糖肽)的分析,比以去糖基化为中心的糖基化位点和聚糖的个体分析更具有挑战性。蛋白质糖基化具有低丰度、异质性和复杂性这几个特点,这对蛋白质糖基化分析带来了挑战。采用高效富集法,就可以在进行质谱分析之前完整地提取出糖肽,这对于糖肽鉴定而言至关重要。
在现行糖肽富集技术中,酰肼化学因其高特异性和选择性而获得最广泛的应用。然而,由于富集过程不可逆,人们无法回收完整糖肽。凝集素亲和层析法和亲水性相互作用液相层析法(HILIC)是富集完整糖肽的两种常用方法。然而,这两种方法的选择性和特异性相对较低,而且每一种凝集素只能分离出一部分聚糖,这导致HILIC法不能区分糖肽和多种亲水性非糖肽。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法、产品及应用,提出了一种新型富集策略,该策略使用硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料(表示为GO@mSiO2-GLYMO-APB)从复杂的生物样品中分离出完整的糖肽。这种复合材料具有多种优点,包括高表面积、介孔结构、协同效应和可逆共价相互作用,使得N-糖肽和O-糖肽能够高效且特异性地富集。
一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)制备介孔二氧化硅包覆石墨烯(GO@mSiO2);
(2)制备硼酸键合的3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液(GLYMO-APB);
(3)将步骤(1)制备的介孔二氧化硅包覆石墨烯置于3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液中,加热并搅拌反应2h,离心收集上清液,再次加入3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液,加热搅拌反应,反应完成后再次离心清洗得硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料(GO@mSiO2-GLYMO-APB)。
进一步地,所述步骤(1)包括以下步骤:
①氧化石墨烯置于水中分散均匀后调节pH值至11.8-12.8,加热搅拌过夜,离心弃上清,烘干得经过处理的氧化石墨烯;
②将步骤①经过处理的氧化石墨烯、十六烷基三甲基溴化铵和氨水溶液在水中进行混匀后得混合溶液,滴加正硅酸四乙酯溶液搅拌反应形成双液相体系和溶胀的十六烷基三甲基溴化铵胶束;
③取下层液体置于水中重新悬浮后离心、清洗所得固体;
④所得固体置于丙酮溶液中回流,产物经清洗真空干燥得所述介孔二氧化硅包覆石墨烯。
丙酮溶液中回流的目的在于除去产物中的有机相和模板,使用之前,将所得样品在65℃真空干燥过夜。
进一步地,所述步骤①中,利用氢氧化钠溶液调节pH为11.8-12.8,加热温度85℃;
进一步地,所述步骤②中十六烷基三甲基溴化铵、氨水溶液和经过处理的氧化石墨烯的混合质量比为0.5g∶0.8ml∶20mg,所述氨水溶液的质量百分比为28%,正硅酸四乙酯溶液为正硅酸四乙酯在环己烷混合溶液的体积分数为5%,正硅酸四乙酯溶液和混合溶液的体积比为1∶5。
进一步地,所述步骤③中离心速率为10000rpm/min,离心时间5min;所述步骤④中回流温度80℃,回流时间12h。
进一步地,所述步骤(2)包括以下步骤:
a.3-氨基苯硼酸(APB)溶于水,调节pH值至9.18,置于冰水浴中滴加3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GLYMO),之后将混合溶液加热搅拌反应;
b.步骤a反应结束后再次置于冰水浴中滴加3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GLYMO),再次加热搅拌反应得硼酸键合的3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液(GLYMO-APB),4℃以下保存备用。
冰水浴中滴加3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GLYMO)的目的在于避免其水解。
进一步地,所述步骤a中3-氨基苯硼酸和水的混合比例为25mg∶10mL,用氢氧化钠溶液调节pH值至9.18,3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的滴加量为20μL/10mL 3-氨基苯硼酸水溶液,加热温度40℃,加热反应时间6h;所述步骤b中3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的滴加量为20μL/10mL 3-氨基苯硼酸水溶液,加热温度65℃,加热反应时间6h。
进一步地,所述步骤(3)中两次加入的GLYMO-APB的量相同,GO@mSiO2和单次加入的GLYMO-APB的混合质量体积比为20mg∶5mL,两次加热反应温度75℃,加热反应时间2h。
本发明还提供上述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法所制备的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料。
本发明还提供上述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料在富集糖肽中的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
氧化石墨烯(GO)具有优良稳定性、高表面积、易改性等特点,因此本发明选择氧化石墨烯作为吸附剂的基质,以促进糖肽富集。但值得注意的是,未改性石墨烯材料具有较高的疏水性。因此,用二氧化硅包覆石墨烯,以得到更好的亲水性和较少的非特异性吸附。
所制备的GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料具有独特的结构——高比表面积、亲水外表面、大量介孔以及硼酸功能化内孔壁。当GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料与血清样品相互作用时,胰蛋白酶酶解产生的糖肽和肽段可以自由进入孔洞,只有糖肽与孔壁上的硼酸官能团结合,而蛋白质和漏切产生的大分子量的多肽由于尺寸排阻效应被排除在外。GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料的良好选择性不仅得益于硼酸和聚糖之间的可逆共价相互作用,可以选择性地提取和富集复杂样品中的完整糖肽,还得益于二氧化硅和聚糖之间亲水性相互作用的协同作用,此外,介孔石墨烯的高表面积和适当孔径特性也赋予了复合材料对糖肽的选择性。
本发明合成了一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料GO@mSiO2-GLYMO-APB,该材料具有高表面积、介孔结构、协同效应和可逆共价相互作用等优点,将该材料作为分析完整N-糖肽和O-糖肽的有效富集材料。本发明复合材料在高灵敏度和选择性富集糖肽方面表现显著,并且与质谱法的效果相同,可以鉴定复杂生物样品中的完整N-糖肽和O-糖肽。实验结果表明,本发明复合材料可高效富集N-糖肽和O-糖肽,即便来自人血清的复杂样本中含有高浓度的糖蛋白也能达到一样的效果,从而为富集完整糖肽提供了一种新思路。基于本发明的N-糖基化和O-糖基化全面分析将有助于更全面地分析蛋白糖基化,更好地理解糖蛋白功能,并拓宽糖蛋白质组学的研究范围。
附图说明
图1为GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料的表征图,其中图1A为195,000倍放大率下的TEM图像,图1B为43,000倍放大率下的TEM图像,图1C为SEM图像,图1D为氮吸附-解吸等温线,图1E为孔径分布,图1F为GO@mSiO2(黑色)和GO@mSiO2-GLYMO-APB(红色)的FT-IR光谱;
图2为基于GO@mSiO2-GLYMO-APB的糖肽与标准糖蛋白富集的性能图,其中图2A为IgG酶解物富集前的MALDI-TOF MS图,图2B为IgG酶解物由GO@mSiO2-GLYMO-APB富集后的MALDI-TOF MS图,图2C为IgG酶解物由GO@mSiO2富集后的MALDI-TOF MS图,图2D为通过不同质量的GO@mSiO2-GLYMO-APB富集到的鉴定糖肽的数量,图2E为从不同摩尔量的IgG酶解产物中富集鉴定到的糖肽数量,图2F为经GO@mSiO2-GLYMO-APB富集后,质量比为1:100的IgG和BSA酶解混合物的MALDI-TOF MS图,图2G为通过GO@mSiO2-GLYMO-APB富集的三种标准糖蛋白(fetuin,IgG和HRP)的糖肽鉴定结果。质谱图中的糖肽信号标记为红色*;
图3为使用GO@mSiO2-GLYMO-APB从人血清中富集N-和O-糖肽的表征图,其中图3A为鉴定出的N-和O-糖蛋白,糖位点,完整糖肽和糖链的数量,图3B为识别到N-糖基化位点的模序(NXS/T/C,其中N为天冬酰胺,X为除脯氨酸外的任何氨基酸,S为丝氨酸,T为苏氨酸,C为半胱氨酸)和O-糖基化位点的模序(糖链连接到丝氨酸(S)或苏氨酸(T)残基的氧原子上),图3C为与单种糖位点连接的N和O-聚糖的数量,图3D为位于单种蛋白质上的N-和O-糖基化位点的数量,图3E为人血清中N-和O-聚糖的组成分布,N-聚糖分为4组(高甘露糖型,复杂型/杂合型,岩藻糖基化型和唾液酸化型),O-聚糖分为6组(Tn抗原,Sialyl-Tn抗原,core1,Sialyl-T抗原,core2和扩展core2型,core3和扩展core3型),图3F为在人血清中鉴定出的前五种N-聚糖(上)和O-聚糖(下)及其相应的谱图,糖基化位点和糖蛋白数量。聚糖组合物以HNAF的形式表示,其中H是Hex,N是HexNAc,A是NeuAc,F是岩藻糖;
图4为人血清中N和O糖蛋白的展示图,其中图4A为在人血清中鉴定出的N-和O-糖蛋白交盖的维恩图,图4B为IGHG3形态图上N-和O-糖基化的简要概述,图4C为IGHG3的N-糖肽(左)和O-糖肽(右)的串联质谱及注释;
图5为不同结合缓冲液通过GO@mSiO2-GLYMO-APB富集后的IgG酶解产物的MALDI-TOF MS图,其中图5A为85%ACN/0.5%TFA(v/v)比例缓冲液富集结果图,图5B为85%ACN/1%TFA(v/v)比例缓冲液富集结果图,图5C为90%ACN/0.5%TFA(v/v)比例缓冲液富集结果图,图5D为90%ACN/1%TFA(v/v)比例缓冲液富集结果图,图5E为95%ACN/0.5%TFA(v/v)比例缓冲液富集结果图,图5F为95%ACN/1%TFA(v/v)比例缓冲液富集结果图;
图6为通过GO@mSiO2-GLYMO-APB用不同的结合缓冲液和不同的洗涤次数富集后的IgG酶解产物的MALDI-TOF MS图,其中图6A为90%ACN/1%TFA(v/v)比例缓冲液富集并洗涤3次结果图,图6B为90%ACN/1%TFA(v/v)比例缓冲液富集并洗涤6次,图6C为95%ACN/1%TFA(v/v)比例缓冲液富集并洗涤3次,图6D为95%ACN/1%TFA(v/v)比例缓冲液富集并洗涤6次;
图7为通过不同质量的GO@mSiO2-GLYMO-APB富集IgG酶解产物(6μg)后的MALDI-TOF MS图,其中图7A为6μg结果图,图7B为15μg结果图,图7C为30μg结果图,图7D为60μg结果图,图7E为150μg结果图,图7F为300μg结果图,图7G为600μg结果图,图7H为900μg结果图。糖肽标记为红色*。;
图8为通过GO@mSiO2-GLYMO-APB富集后不同摩尔量的IgG酶解产物的MALDI-TOFMS图,其中图8A为20pmol结果图,图8B为10pmol结果图,图8C为1pmol结果图,图8D为100fmol结果图,图8E为10fmol结果图,图8F为1fmol结果图。糖肽标记为红色*;
图9为通过GO@mSiO2-GLYMO-APB富集具有不同质量比的IgG和BSA酶解混合物的MALDI-TOF MS图,其中图9A为1:5,图9B为1:50,图9C为1:100,图9D为1:200。糖肽标记为红色*。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
实施例1复合材料的制备
(1)GO@mSiO2的制备:将100mg氧化石墨烯加入到20mL去离子水中,并超声均匀分散(20分钟,开启5秒,关闭5秒)。然后利用0.1M的氢氧化钠溶液调节pH值至11.8至12.8,在85℃下机械搅拌溶液过夜,离心后无水乙醇清洗,烘干待用。随后将0.5g十六烷基三甲基溴化铵、质量分数为28%的氨水溶液0.8mL和经过碱性处理的氧化石墨烯20mg加入50mL去离子水中混合得混合溶液,并在室温下继续机械搅拌10min。然后将含正硅酸四乙酯500μL的环己烷溶液10mL滴加到混合溶液中,在机械温和搅拌下缓慢搅拌12h,形成双液相体系和溶胀的十六烷基三甲基溴化铵胶束。之后,用注射器抽出下层液体,加入去离子水重新悬浮,离心后抽出下层液体(10000转/分,5分钟)。然后,将分离的粉末用去离子水和乙醇洗涤三次,将合成的复合材料用丙酮溶液在80℃回流12h,以除去有机相和模板。最后,在进一步使用之前,将获得的样品在65℃真空干燥过夜。
(2)GLYMO-APB溶液(GA溶液)的制备:将50mg的APB溶解在20mL去离子水中。然后用0.1M氢氧化钠将pH调节至9.18。为了GLYMO的水解,APB溶液在冰浴中保持5min。然后滴加40μLGLYMO到混合物中。之后,混合物在40℃下搅拌反应6小时。通过冰浴将混合物降至0℃,再向混合物溶液中加入40μLGLYMO,然后,在65℃下进行6小时的反应。将GA溶液储存在4℃下以供进一步使用。
(3)GO@mSiO2-GLYMO-APB的制备
将20mg GO@mSiO2加入到已装有5mLGA溶液的烧瓶中,在75℃下充分搅拌,以使化合物反应。2h后,离心,收集上清液,再取5mLGA溶液加入到反应器中,在75℃下搅拌反应2h。离心后,将最终产物(GO@mSiO2-GLYMO-APB)从混合物中分离出来,用蒸馏水和乙醇多次洗涤。将制备好的GO@mSiO2-GLYMO-APB保存在4℃下以待后续实验。
实施例2性能验证
(1)用透射电镜(TEM,JEOL,日本东京)观察孔结构和形态,加速电压设置为120kV。使用GeminiSEM 500扫描电子显微镜(蔡司,德国),获得扫描电子显微镜(SEM)图像。使用ASAP 2010系统(Micromeritics,美国)对GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料进行氮吸附-解吸测量,采用静态容积法,在-196℃(液氮温度)下使用0.01至0.98的相对压力(P/P0)确定比表面积(BET)。采用Barrett-Joyner-Halenda(BJH)法计算吸附部分的分布曲线和孔径。使用Thermo Nicolet 380光谱仪和傅里叶变换红外光谱(FT-IR),对KBr颗粒样品(Nicolet6700,美国威斯康星州)进行分析。
(2)标准糖蛋白和人血清制备
将标准蛋白和标准糖蛋白(牛血清白蛋白(BSA)/免疫球蛋白G(IgG)/胎球蛋白(fetuin)/辣根过氧化物酶(HRP))溶解于50mM碳酸氢铵(ABC)溶液中,将20μL人血清加入到180μLABC(50mM)中。将所有样品交替放置在沸水和冰中40次,使蛋白质变性。用10mM二硫苏糖醇(DTT)将提取出的蛋白在37℃下还原1h,用20mM碘乙酰胺(IAA)在室温下避光处烷基化0.5h。加入胰蛋白酶,酶/底物比为1:50(wt/wt),在37℃下摇晃培养一晚上。为了淬灭反应,向酶解产物中加入10%TFA(最终浓度为0.1%(v/v)),然后使用C18 Sep-Pak固相萃取柱(Waters,美国)对酶解后的产物进行脱盐。将标准蛋白和人血清的胰蛋白酶酶解产物进行冻干,并在-20℃下保存待用。为检测O-糖基化,将PNGase F加入到胰蛋白酶酶解样品(酶:蛋白=1:50,wt/wt)中,在37℃下反应一晚上,以去除大部分N-聚糖。接下来,将OpeRATOR(一种内源性蛋白酶,可消化丝氨酸或苏氨酸O-聚糖的N端蛋白)加入到PNGase F酶解样品中,酶:蛋白比例为1:1(单位:μg),37℃下反应12小时。最后,将上述两个步骤产生的各产物分别在-80℃下保存,以待完整O-糖肽检测。
(3)糖肽富集
将300μg实施例制备的复合材料加入到0.6mL微量离心管中,加入200μL结合缓冲液(90%ACN/1%TFA,v/v),摇晃离心管以洗涤复合材料,然后进行离心(10000×g,2分钟),去除流出液。将6μL已酶解的样品溶液(溶解在结合缓冲液中,1μg/μL)转移到装有结合缓冲液和复合材料混合物(200μL)的试管中,在4℃下摇晃6h后,用结合缓冲液洗涤复合材料6次。在4℃下,用含0.1%TFA的洗脱缓冲液振荡复合材料6以获得富集的糖肽。然后将糖肽再洗脱两次,每次用1%TFA在室温下培养5min。所得糖肽经冷冻干燥后保存,以待分析。
(4)MALDI-TOF MS分析
用干滴法将样品溶液放置在MALDI靶板上。将0.5μL样品溶液滴在MALDI板上,加入0.5μL DHB基质溶液(12.5mg/mL,20%ACN/H2O溶液中含0.1%TFA),风干样品。使用5800MALDI-TOF分析仪(AB Sciex,美国)进行MALDI-TOF-MS分析。所有质谱(每个光谱进行1500次激光射击)均在正反射模式下获得,m/z扫描范围为1500-3500,使用Data Explorer(4.5版)进行分析。
(5)LC-MS/MS分析和数据处理
使用纳流喷雾LC-MS/MS,在Orbitrap Fusion Tribrid系统(Thermo FisherScientific,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆)上检测完整糖肽,该系统配备了EASY-nLC TM1100系统(Thermo Fisher Scientific,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆),包括反相色谱柱。运行一次LC-MS时,将样品加载到C18柱(50cm×75μmi.d.柱)上,以300nL/min的流速进行分离。溶剂A是0.1%甲酸水溶液。溶剂B是含0.1%甲酸的乙腈。复合样品以梯度法持续共3h:1%-30%B进行165min,增加至45%B进行7min,在90%B持续1min后,再持续3min,然后还原至1%B进行4min。采用SCE-HCD-MS/MS分析样品。SCE-HCD-MS/MS的样本进行了分析。用于完整糖肽分析的参数如下所示:(1)MS:扫描范围(m/z)=350-2000;分辨率=120000;AGC目标=200000;最大注入时间=100ms;含电荷态=2-6;n次后动态排除,n=1;动态排除持续时间=15s;对每个所选前体分别用HCD-MS/MS进行检测;(2)HCD-MS/MS:隔离窗=2;探测器类型=Orbitrap;分辨率=15000;AGC目标=500000;最大注入时间=250ms;碰撞能量=30%;步进碰撞模式,能量差为±10%(轨道阱融合中的绝对值为10%)。
用J取代N-X-S/T/C(X≠P)序列中的N后,使用pGlyco 2.0软件对Orbitrap Fusion质谱仪得到的原始数据进行分析。参数设置:可变修饰:氧化[M]、乙酰基[ProteinN-term]、固定修饰:半胱氨酸碘乙酰化[C]、最大漏切数:2、母离子质量偏差:4ppm、碎片质量偏差:20ppm、酶:胰蛋白酶KR(赖氨酸、精氨酸)-C端。错误发现率(FDR)定为1%,并将其应用于所有数据。从UniProt下载人蛋白数据库(已审核的人类蛋白)(2018年8月,人类,20386项),并从Glycome DB提取聚糖数据库(http://www.glycome-db.org)。N-连接聚糖的结果必须选择N-连接核心五聚糖结构。此外,在O-糖基化数据结果中,去除含J的肽段。
实施例3结果与讨论
如图1所示,通过TEM和SEM扫描观察其形态。TEM图(图1A和图1B)显示了典型的介孔二氧化硅结构,表明介孔二氧化硅层成功地包覆在了片状石墨烯上。介孔结构不仅在TEM图中清晰显现,而且在SEM图(图1C)中也能明显观察到,这表明CTAB模板已被彻底去除,APB功能化过程并未对GO@mSiO2的结构造成任何破坏。
GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料的孔径、总孔体积、结构以及是否存在官能团(图1D-F)。BET试验结果显示,在图1D的典型IV型曲线中,在相对压力为0.4-0.5的情况下出现的一个急剧毛细管凝聚步骤表明二氧化硅材料具有典型的孔隙度。采用Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法计算得到的均匀孔径为11.67nm,这也反映在孔径分布曲线上(图1E)。复合材料的总孔体积为0.194cm3/g,比表面积(BET)为795.403cm2/g。结果表明,GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料具有大孔体积、高比表面积以及均匀的孔径分布。所得到的FT-IR谱(图1F)证实了GO@mSiO2-GLYMO-APB的结构以及官能团的存在。黑色曲线和红色曲线分别为GO@mSiO2和GO@mSiO2-GLYMO-APB的红外吸附光谱。在1451cm-1和1571cm-1处,苯环振动产生了峰。在1093cm-1和441cm-1处的强吸收峰被认为是介孔二氧化硅层的Si-O振动。在APB修饰过程后,黑色曲线和红色曲线之间出现了几个新峰,证明了官能团APB的存在。在1459cm-1处可以看到B-O变形和拉伸振动吸附的特征峰,这也表明APB对GO@mSiO2进行了修饰。上述所有证据均表明,成功合成了一种GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料,该复合材料具有独特的介孔二氧化硅结构,在包硅石墨烯片的介孔孔壁上修饰有APB。
GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料具有高比表面积、亲水性外表面、大量介孔和硼酸功能化内孔壁等独特特征,我们认为该复合材料对敏感糖肽分析非常有效,并能检索完整糖肽,使用该复合材料与基于质谱分析法的位点特异性糖肽分析方法的效果一致。
为了证明基于该复合材料的富集策略的有效性,首先以人IgG胰蛋白酶酶解产物作为模型生物样本,研究富集能力和特异性。如图2A所示,在未富集的情况下,大量非糖肽严重抑制了糖肽信号。然而,使用GO@mSiO2-GLYMO-APB富集后,几乎完全消除了非糖肽的干扰,且鉴定出18个对应于N-糖肽的显著峰(图2B),表明该策略对于富集完整糖肽具有优异表现。我们认为GO@mSiO2-GLYMO-APB复合材料的良好选择性不仅得益于硼酸和聚糖之间的可逆共价相互作用,还得益于二氧化硅和聚糖之间亲水性相互作用的协同作用,尽管这种亲水性亲和力还不足以完全消除非糖肽的干扰(图2C)。此外,介孔石墨烯的高表面积和适当孔径特性也赋予了复合材料对糖肽的选择性。此外,为了获得最佳富集效果,我们优化了包括结合溶液和洗涤次数在内的糖肽富集参数(图5和图6),发现90%ACN和1%TFA的结合缓冲液和6步洗涤法能得到最佳糖肽选择性。之后,我们从多方面进一步研究了糖肽的富集性能。首先,通过将不同数量的复合材料(6–900μg)与一定量的IgG胰酶酶解产物(6μg)进行培养来测定复合材料的吸附能力(图7)。如图2D所示,复合材料的容量高达1/50(IgG/GO@mSiO2-GLYMO-APB,W/W),由于在GO@mSiO2-GLYMO-APB超过300μg的情况下未获得明显改善的鉴定结果,最终选择该容量作为富集糖肽的最佳材料量。然后进行检出限实验,评估糖肽富集的敏感性(图8)。从图2E可以看出,该方法的检出限可以低至100fmol,显示了高灵敏度,说明该方法具有低丰度糖肽富集方面的应用前景。此外,我们通过富集具有不同质量比(1:5、1:50、1:100、1:200的IgG/BSA,W/W)的IgG和非糖基化蛋白BSA的酶解产物中的糖肽,测定了该方法对糖肽的选择性(图9)。我们观察到,在存在100倍于最小干扰水平的BSA酶解产物的情况下,MALDI-MS仍能检测到较高强度的糖肽(图2F),显示了富集方法的高选择性和良好的抗干扰能力。此外,我们将基于GO@mSiO2-GLYMO-APB的策略应用于混合三种标准糖蛋白样本的糖肽分析,这三种标准糖蛋白分别是fetuin、IgG和HRP,均为N-糖基化蛋白和O-糖基化蛋白。利用最佳富集条件,我们成功地从含有三种标准糖蛋白的10μg酶解混合物中鉴定出17种完整N-糖肽和5个N-糖基化位点(图2G)。我们鉴定出的N-糖基化位点与UniProt记录的N-糖基化位点一致。此外,我们还使用相同的富集条件来富集和鉴定完整O-糖肽,共鉴定出7种完整O-糖肽和6个O-糖基化位点(图2G)。在7个O-糖基化位点中,T 284、S 297、T299为首次报道的位点,之前未纳入UniProt。以上结果显示,基于GO@mSiO2-GLYMO-APB的富集策略对于完整N-糖肽和O-糖肽分析均具有巨大的潜力。
在人血清中进行完整糖肽的高灵敏度、选择性富集和鉴定对于深层糖基化蛋白质组分析至关重要。然而,由于糖蛋白天生低浓度、以高丰度的非糖蛋白为主以及聚糖的多样性,全面分析完整N-糖肽和O-糖肽是一件具有挑战性的事情。受上述结果的启发,我们使用基于GO@mSiO2-GLYMO-APB的策略,对人血清中蛋白N-糖基化和O-糖基化进行了全面分析。采用阶梯能量HCD-MS/MS分析,从10名健康受试者的血清中提取出胰蛋白酶酶解产物(50μg)用于糖肽鉴定。以1%的错误发现率(FDR)作为鉴定截止值,使用pGlyco 2对N-糖肽和O-糖肽质谱进行分析。结果表明,在4项重复实验分析中,我们共鉴定出724种独特的完整N-糖肽,其中103种N-聚糖和167个N-糖基化位点来自108种N-糖蛋白(图3A)。通过对这两种酶消化策略进行三项实验分析,我们一共鉴定出153种独特的完整O-糖肽,其中30种O-聚糖和96个O-糖基化位点来自46种O-糖蛋白(图3A)(有关两种酶消化策略的详情,见上述实验部分)。根据上述鉴定结果,对人血清中的N-糖基化和O-糖基化进行全面分析。N-糖基化位点模序分析显示,54%的N-糖基化位点包含N-X-T模序,41%的N-糖基化位点包含N-X-S模序,只有8个N-糖基化位点包含N-X-C模序(图3B)。在96个O-糖基化位点中,39%发生在丝氨酸上,61%发生在苏氨酸上(图3B)。如图3C和3D所示,多个聚糖可以修饰一个糖基化位点(图3C),一种糖蛋白可以拥有多个糖基化位点(图3D),说明人血清中的N-糖基化和O-糖基化均具有较高的多样性。我们可以从N-聚糖组成分析中看出,在人血清中复合型/混合型占主导地位,而高甘露糖型极少(图3E)。此外,大多数N-聚糖被唾液酸化和岩藻糖基化(几乎3/4)。从O-聚糖组成的观察结果中可以推断,核心2及其相应的扩展结构占绝大多数(图3E)。图3F显示了人血清中最显著的5种N-聚糖和O-聚糖结构。结果表明,岩藻糖基化或唾液酸化的复合/混合型聚糖普遍存在。在超过1/3的N-糖基化位点和N-糖蛋白中发现了N-聚糖[Hex]5[HexNAc]4[NeuAc]1,呈现较高丰度。对于O-聚糖,我们认为唾液酸化T抗原(sT抗原,[HexNAc]1[Hex]1[NeuAc]1)在有机体中具有重要意义,并且在人类血清中广泛存在。
对N-糖基化和O-糖基化比较结果的进一步分析表明,在人血清中有15种糖蛋白被鉴定为N-糖基化和O-糖基化(图4A)。15种糖蛋白之一的重要糖蛋白——人免疫球蛋白G(IgG)的糖基化结构如图4B所示。结果表明,在重链伽马3上发现了一个N-糖基化位点(N227)和两个O-糖基化位点(S199,T122)。N-糖基化位点被14个N-糖基化结构修饰,表明在IgG重链伽马3上N-糖基化具有高度微异质性。S199和T122位点均被sT抗原的O-聚糖修饰,表明sT抗原在IgG中具有重要作用。以图4C为例,该图显示了来自IGHG3的完整N-糖肽和完整O-糖肽的两个质谱。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备介孔二氧化硅包覆石墨烯;
(2)制备硼酸键合的3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液;
(3)将步骤(1)制备的介孔二氧化硅包覆石墨烯置于3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液中,加热并搅拌反应2h,离心收集上清液,再次加入3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液,加热搅拌反应,反应完成后再次离心清洗得硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料。
2.根据权利要求1所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)包括以下步骤:
①氧化石墨烯置于水中分散均匀后调节pH值至11.8-12.8,加热搅拌过夜,离心弃上清,烘干得经过处理的氧化石墨烯;
②将步骤①经过处理的氧化石墨烯、十六烷基三甲基溴化铵和氨水溶液在水中进行混匀后得混合溶液,滴加正硅酸四乙酯溶液搅拌反应形成双液相体系和溶胀的十六烷基三甲基溴化铵胶束;
③取下层液体置于水中重新悬浮后离心,清洗所得固体;
④所得固体置于丙酮溶液中回流,产物经清洗真空干燥得所述介孔二氧化硅包覆石墨烯。
3.根据权利要求2所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤①中,利用氢氧化钠溶液调节pH为11.8-12.8,加热温度85℃。
4.根据权利要求2所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤②中十六烷基三甲基溴化铵、氨水溶液和经过处理的氧化石墨烯的混合比例为0.5g∶0.8ml∶20mg,所述氨水溶液的质量百分比为28%,正硅酸四乙酯在环己烷混合溶液的体积分数为5%,正硅酸四乙酯溶液和混合溶液的体积比为1∶5。
5.根据权利要求2所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤③中离心速率为10000rpm/min,离心时间5min;所述步骤④中回流温度80℃,回流时间12h。
6.根据权利要求1所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)包括以下步骤:
a.3-氨基苯硼酸溶于水,调节pH值至9.18,置于冰水浴中滴加3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷,之后将混合溶液加热搅拌反应;
b.步骤a反应结束后再次置于冰水浴中滴加3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷,再次加热搅拌反应得硼酸键合的3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液,4℃以下保存备用。
7.根据权利要求6所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤a中3-氨基苯硼酸和水的混合比例为25mg∶10mL,用氢氧化钠溶液调节pH值至9.18,3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的滴加量为20μL/10mL 3-氨基苯硼酸水溶液,加热温度40℃,加热反应时间6h;所述步骤b中3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的滴加量为20μL/10mL 3-氨基苯硼酸水溶液,加热温度65℃,加热反应时间6h。
8.根据权利要求1所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中两次加入的GLYMO-APB的量相同,GO@mSiO2和单次加入的GLYMO-APB的混合质量体积比为20mg∶5mL,两次加热反应温度75℃,加热反应时间2h。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料的制备方法所制备的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料。
10.一种根据权利要求9所述的硼酸功能化介孔石墨烯-二氧化硅复合材料在富集糖肽中的应用。
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