CN112147211A - 原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法 - Google Patents

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Abstract

针对现有技术中高通量筛选高产角鲨烯菌株中检测角鲨烯含量所存在的问题,本发明提供了原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法。本发明所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,包括(1)样品准备(在琼脂平板上将微生物菌落培养至合适大小)、(2)激光轰击烧蚀并解吸单菌落细胞形成气相分子羽流、(3)电喷雾接口产生的高压带电雾滴与气相分子羽流作用使代谢物带电、(4)带电的代谢物吸入质谱仪检测和(5)外标法计算含量五个步骤。本发明所述的方法基于激光烧蚀电喷雾电离质谱技术,实现了平板上菌落中角鲨烯的原位、免提取制备过程的检测,从而实现了高通量快速分析,填补了现有技术的空白,克服了现有技术中筛选高产角鲨烯菌株的技术瓶颈。

Description

原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法
技术领域
本发明属于分析检测领域,具体涉及角鲨烯含量的检测方法,尤其涉及一种原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法。
背景技术
角鲨烯(squalene,2,6,10,15,19,23-六甲基-2,6,10,14,18,22-二十四碳六烯)属于开链三萜,具有增强机体免疫能力、改善性功能、抗衰老、抗疲劳、抗肿瘤等多种生理功能,广泛应用于医药、美容、化妆品等领域。虽然角鲨烯广泛存在于动物、植物和微生物体内,但目前,深海鲨鱼的肝油仍是角鲨烯最主要的来源。随着渔业资源的日益枯竭及相关法规的日臻完善,促使人们努力寻找其它的角鲨烯来源。可能的角鲨烯来源包括从橄榄油、棕榈油、其他油类作物,或者从苋属植物、种籽、米糠、小麦胚芽中进行提取分离;然而,角鲨烯在植物中的含量极低,以重量计算占比大约为0.1到0.7%。研究人员通过筛选高产的微生物菌株或基因改造微生物菌株发酵获取角鲨烯,具有生产周期短、不受时间和地域限制以及生产过程安全可控等优点,为解决角鲨烯资源匮乏的问题开辟了一条新途径。
目前,筛选高产角鲨烯菌株的方法主要是通过非目标性的大量筛选,然后再检测其中角鲨烯的产量。由于目前检测角鲨烯的方法较为复杂,会耗费大量的时间,从而限制了产角鲨烯菌株的筛选效率。现有技术中,微生物的代谢分析通常需要将培养足够的菌体,然后将角鲨烯提取出来,进行细胞破壁、代谢物提取、纯化和衍生化等,再经过液相或气相色谱分离过程,才能进入质谱进行分析。因此,角鲨烯检测过程已成为高通量筛选高产角鲨烯菌株的技术瓶颈问题。
为了解决角鲨烯检测耗时长、步骤繁琐的技术问题,研究人员进行了相应的研究。其中,专利CN111307981A公开了一种快速测定角鲨烯的方法;该方法利用高效液相色谱法将检测时间缩短至3.5-6分钟,但其仍然需要先将角鲨烯从样本中提取出来,样品制备过程十分复杂。专利CN105699561A和CN108663453A公开了一种烟叶和高粱中角鲨烯的检测方法,分别利用超声辅助与NaOH-乙醇-水溶液等方法改进了角鲨烯提取制备过程,提高了角鲨烯检测效率,但同样需要先将角鲨烯从样品细胞中提取出来。专利CN103149303A公开了植物油中脂肪酸及角鲨烯的快速测定方法,首先利用正己烷将油脂溶解后,再利用KOH-甲醇对油脂进行处理,最后将上层样品进行GC-MS检测,过程繁琐。
自2004年电离技术的发展以来,多种电离质谱技术应用于微生物菌落的代谢分析;如电喷雾解吸电离质谱、纸喷雾电离质谱、低温等离子体探针质谱、实时直接分析质谱、电喷雾解吸电离质谱等。所述电离质谱技术具有样本用量少、制备简单、无需色谱分离等优势,可在短时间内完成单个样本的分析。然而,这些技术仍需要样品制备、基质掺杂、或强有机试剂萃取等过程,无法实现原始菌落及其周围环境的高通量原位分析。
发明内容
针对现有技术中高通量筛选高产角鲨烯菌株中检测角鲨烯含量所存在的问题,本发明提供了原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法。本发明所述的方法基于激光烧蚀电喷雾电离质谱技术,实现了平板上菌落中角鲨烯的原位、免提取制备过程的检测,从而实现了高通量快速分析,填补了现有技术的空白。
本发明的技术方案:
原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,包括以下步骤:
(1)样品准备:在琼脂平板上将微生物菌落培养至合适大小。其中,菌落培养的时间为10-24小时;培养得到的微生物菌落的直径为2-10mm,优选为3-5mm;平板上的菌落数小于200个。其中,所述的微生物菌落种类包含但不限于酵母、破囊壶菌、大肠杆菌、微藻。
(2)烧蚀气化:将步骤(1)准备的载有样品的平板放置于外置激光接口下方,利用激光轰击烧蚀并解吸单菌落细胞,使其中的代谢物形成气相分子羽流。其中,所述的样品平板放置于激光接口下方5-15mm处,形成的光斑直径为0.5-3mm;所述激光接口中固定的激光器为Nd:YAG固体脉冲激光器,所述激光的能量大于200mJ/cm2
所述激光器的脉冲激光形成聚焦光斑,作用于平板上微生物单菌落,高能量的脉冲激光能够瞬间烧蚀细胞壁、细胞膜和各种细胞器膜,同时解吸细胞内大量代谢物分子,形成气相分子羽流。所述的气相分子羽流在泰勒锥区域与带电雾滴发生相互作用,适合的试剂将使代谢物分子选择性电离,提高目标分子质谱分析的灵敏度。
(3)离子化:向外置电喷雾装置的进样针中加入液体试剂,步骤(2)产生的代谢物气相分子羽流与外置电喷雾接口出口处产生的高压带电雾滴与步骤(2)产生的代谢物气相分子羽流相互作用,使代谢物带电。所述进样针的进样速度为100~800nLmin-1;所述的外置电喷雾接口的出口处连接石英电喷针,所述石英电喷针的内径为50~75μm,出口处尖端的内径为5~30μm;所述石英电喷针施加1-10kV的电压,所喷出的高压带电雾滴为质量分数1-5%的甲酸铵。
该溶剂在高压电的作用下带上电荷,以100~800nL/min的流速进入电喷雾装置,最终在石英电喷针的出口处尖端形成稳定的泰勒锥,并产生高压带电雾滴。与现有技术中往往使用载气形成泰勒锥相比,避免了载气将激光解吸的样品分子无差别的带入质谱,导致质谱图谱峰多且复杂,抑制了目标分子的检测的技术问题。
(4)检测:将步骤(3)得到的带电的代谢物吸入质谱仪,进行角鲨烯的检测;所使用的质谱条件为:质谱型号:LTQ-XL,在正离子模式下采集数据,采集范围:m/z 50-2000,毛细管温度:270℃。其中,步骤(3)所述的石英电喷针出口处尖端与质谱仪的进样口的水平距离为5~10mm。
(5)采用外标法,根据相对吸收值计算角鲨烯的含量。
优选的是,步骤(2)中所述的样品平板放置于激光接口下方8-10mm处,形成光斑直径1-1.5mm;所述激光的能量为200-600mJ/cm2
优选的是,所述进样针的进样速度为150~300nLmin-1,所述石英电喷针施加4-8kV的电压,所喷出的高压带电雾滴为质量分数1-3%的甲酸铵。
本发明的技术效果:
(1)本发明所述的方法仅要求琼脂平板上长出微生物菌落即可(一般在10-24小时左右),无需进行扩大培养(一般需要3-7天),大幅减少了样品细胞的获取时间。
(2)本发明所述的方法培养出菌落细胞后,无需从细胞中提取角鲨烯并制备测试样品,从而免除了样品的制备过程,实现了菌落的原位分析,进一步节省了时间。
(3)本发明所述的方法仅需数秒即可完成角鲨烯的分析鉴定过程,而且可以对琼脂平板上的所有菌落进行依次检测,实现了原始菌落的高通量检测,填补了现有技术的空白。
附图说明
图1为本发明采用的检测装置的结构示意图之一。
图2为本发明采用的检测装置中电喷雾装置的结构示意图。
图3为本发明采用的检测装置的结构示意图之二。
图4为质谱仪采集的背景和菌落细胞代谢物的总离子流图。
图5为实施例3平板上裂殖壶菌单菌落代谢物的质谱指纹图(已除背景图)。
图6为实施例3裂殖壶菌菌落细胞代谢物中角鲨烯的串联质谱图。
图7为本发明采用外标法测定角鲨烯含量的标准曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
为了进一步清楚了解本发明,下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚和完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例,而不是全部的实施例。
实施例1:
原位分析微生物单菌落的激光电喷雾质谱装置,包括激光器1、电喷雾装置2、位移平台3和质谱仪4,所述激光器1位于位移平台3的正上方,所述电喷雾装置2位于位移平台3的前上方,所述质谱仪4位于位移平台3的后上方,所述电喷雾装置2位于质谱仪4的正前方。所述的位移平板3上设置用于培养目标菌株的样品平板27。所述的电喷雾装置2固定在圆孔支架18上;所述的圆孔支架18固定在三维微调节底座19上,所述的三维微调节底座19上设置前后微调节旋钮20、左右微调节旋钮21和上下微调节旋钮22。所述的位移平台3固定在水平平板23上,所述的水平平板23与质谱仪4固定相连;所述的位移平台3上设置左右微调节旋钮24、前后微调节旋钮25和上下微调节旋钮26。
所述电喷雾装置2由微型两通13、微型接头14、微型套筒15、熔融石英发射器16和熔融石英传输线17组成。两个所述微型接头14设置在所述微型两通13的两侧,并与之相连;每个所述微型接头14均连接一个所述微型套筒15。微型套筒15靠近质谱仪4的一侧设置石英发射器16;所述熔融石英发射器16的内径为50-75μm,所述石英发射器16出口处尖端的内径为5-30μm。所述的发射器16尖端与质谱仪4的进样口5的距离为5-10mm。微型套筒15远离质谱仪4的一侧设置熔融石英传输线17。所述的熔融石英传输线17远离电喷雾装置2的一端与进样针相连。所述进样针的针头施加1-10kV的高电压;所述进样针中加入溶剂试剂,进样流速为100-800nL/min。所述的质谱仪4的进样口5外接金属管28。
所述激光器1固定在光学平台6上,与质谱仪4的进样口5之间的垂直距离为25cm。所述激光器1为Nd:YAG固体脉冲激光器,所述脉冲激光的波长为532nm和1064nm,所述脉冲激光的激光能量大于200mJ/cm2,频率为10Hz。所述激光器1产生的脉冲激光在质谱仪4的进样口5下方5-15mm处的样品平板上形成0.5-3mm的光斑。所述激光器1的激光光路由入射角45°的平面反射镜7和平凸透镜8组成,所述平面反射镜7设置在平面反射镜架9上,所述平凸透镜8设置在平凸透镜架10上,所述平面反射镜7与激光器1、平凸透镜8之间的激光光路均设置套管11。所述套管11的外侧设有支杆12,用于支撑和固定套管11。
实施例2:平板上培养的海洋酵母单菌落中角鲨烯含量的测定
将涂布有50μL海洋酵母菌液的琼脂平板,在25℃培养箱中培养24小时,共生长出单菌落186个,最大直径约10mm,平均直径约5mm;将该平板放置于激光接口下方15mm处,设定Nd:YAG固体脉冲激光器,能量为600mJ/cm2,形成的激光光斑约0.5mm。激光轰击菌落细胞后形成的代谢物气相分子羽流与外置电喷雾接口(前端石英电喷针施加的电压为5kV,所述石英电喷针的内径为50μm;所述石英电喷针出口处尖端的内径为5μm;进样针中加入溶剂试剂的进样流速为100nL/min)所喷出的1%的甲酸铵的高压带电雾滴混合,进入LTQ-XL质谱仪中进行分析检测,检测条件为:在正离子模式下采集数据,采集范围:m/z50-2000,毛细管温度:270℃。
采用外标法,计算每个海洋酵母菌落中角鲨烯的含量如表1。
表1海洋酵母菌落中角鲨烯的含量
Figure BDA0002696174170000051
实施例:3:平板上裂殖壶菌单菌落细胞中角鲨烯含量的检测
将涂布有30μL裂殖壶菌菌液的琼脂平板,在28℃培养箱中培养10小时,共生长出单菌落143个,最大直径约8mm,平均直径约3mm;将该平板放置于激光接口下方5mm处,设定Nd:YAG固体脉冲激光器,能量为200mJ/cm2,形成的激光光斑约3mm。激光轰击菌落细胞后形成的代谢物气相分子羽流与外置电喷雾接口(前端石英电喷针施加的电压为10kV,所述石英电喷针的内径为75μm;所述石英电喷针出口处尖端的内径为30μm;进样针中加入溶剂试剂的进样流速为800nL/min)所喷出的5%的甲酸铵的高压带电雾滴混合,进入LTQ-XL质谱仪中进行分析检测,检测条件为:在正离子模式下采集数据,采集范围:m/z 50-2000,毛细管温度:270℃。
采用外标法,计算单个裂殖壶菌菌落中角鲨烯的含量如表2。
表2裂殖壶菌菌落中角鲨烯的含量
Figure BDA0002696174170000052
实施例4:平板上小球藻单藻落细胞中角鲨烯含量的检测
将涂布有80μL裂殖壶菌菌液的琼脂平板,在33℃培养箱中培养18小时,共生长出单菌落173个,最大直径约8mm,平均直径约4mm;将该平板放置于激光接口下方10mm处,设定Nd:YAG固体脉冲激光器,能量为400mJ/cm2,形成的激光光斑约1mm。激光轰击菌落细胞后形成的代谢物气相分子羽流与外置电喷雾接口(前端石英电喷针施加的电压为4kV;所述石英电喷针的内径为60μm;所述石英电喷针出口处尖端的内径为15μm;进样针中加入溶剂试剂的进样流速为400nL/min)所喷出的3%的甲酸铵的高压带电雾滴混合,进入LTQ-XL质谱仪中进行分析检测,检测条件为:在正离子模式下采集数据,采集范围:m/z50-2000,毛细管温度:270℃。
采用外标法,计算单个小球藻藻落中角鲨烯的含量如表3。
表3小球藻藻落中角鲨烯的含量
Figure BDA0002696174170000061
实施例5:平板上大肠杆菌菌落细胞中角鲨烯含量的检测
将涂布有100μL的含有转基因角鲨烯合成能力的大肠杆菌突变株菌液的琼脂平板,在37℃培养箱中培养12小时,共生长出单菌落121个,最大直径约6mm,平均直径约2mm;将该平板放置于激光接口下方8mm处,设定Nd:YAG固体脉冲激光器,能量为300mJ/cm2,形成的激光光斑约0.5mm。激光轰击菌落细胞后形成的代谢物气相分子羽流与外置电喷雾接口(前端石英电喷针施加的电压为8kV;所述石英电喷针的内径为55μm;所述石英电喷针出口处尖端的内径为5μm;进样针中加入溶剂试剂的进样流速为300nL/min)所喷出的4%的甲酸铵的高压带电雾滴混合,进入LTQ-XL质谱仪中进行分析检测,检测条件为:在正离子模式下采集数据,采集范围:m/z 50-2000,毛细管温度:270℃。
采用外标法,计算单个大肠杆菌突变株菌落中角鲨烯的含量如表4。
表4大肠杆菌突变株菌落中角鲨烯的含量
Figure BDA0002696174170000071
实施例6:平板上酿酒酵母菌落细胞中角鲨烯含量的检测
将涂布有80μL的含有酿酒酵母菌液的琼脂平板,在30℃培养箱中培养20小时,共生长出单菌落156个,最大直径约6mm,平均直径约4mm;将该平板放置于激光接口下方12mm处,设定Nd:YAG固体脉冲激光器,能量为500mJ/cm2,形成的激光光斑约1.5mm。激光轰击菌落细胞后形成的代谢物气相分子羽流与外置电喷雾接口(前端石英电喷针施加的电压为1kV所述石英电喷针的内径为70μm;所述石英电喷针出口处尖端的内径为25μm;进样针中加入溶剂试剂的进样流速为150nL/min)所喷出的2%的甲酸铵的高压带电雾滴混合,进入LTQ-XL质谱仪中进行分析检测,检测条件为:在正离子模式下采集数据,采集范围:m/z 50-2000,毛细管温度:270℃。
采用外标法,计算单个酿酒酵母菌落中角鲨烯的含量如表5。
表5酿酒酵母菌落中角鲨烯的含量
Figure BDA0002696174170000072
综上可知,本发明所述的方法培养出菌落细胞后,通过脉冲激光形成的聚焦光斑作用于平板上微生物单菌落形成气相分子羽流,进而在泰勒锥区域与带电雾滴发生相互作用发生选择性电离,实现了菌落的原位、快速、高通量分析,克服了现有技术中筛选高产角鲨烯菌株的技术瓶颈。

Claims (10)

1.原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)样品准备:在琼脂平板上将微生物菌落培养至合适大小;
(2)烧蚀气化:将步骤(1)准备的载有样品的平板放置于外置激光接口下方,利用激光轰击烧蚀并解吸单菌落细胞,使其中的代谢物形成气相分子羽流;
(3)离子化:向外置电喷雾装置的进样针中加入液体试剂,外置电喷雾接口出口处产生的高压带电雾滴与步骤(2)产生的代谢物气相分子羽流相互作用,使代谢物带电;
(4)检测:将步骤(3)得到的带电的代谢物吸入质谱仪,进行角鲨烯的检测;
(5)采用外标法,根据相对吸收值计算角鲨烯的含量。
2.根据权利要求1所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:步骤(1)中平板上微生物菌落培养的时间为10-24小时;培养得到的微生物菌落的直径为2-10mm,平板上的菌落数小于200个。
3.根据权利要求2所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:步骤(2)中所述的样品平板放置于激光接口下方5-15mm处,形成的光斑直径为0.5-3mm;所述激光的能量大于200mJ/cm2
4.根据权利要求3所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:所述的样品平板放置于激光接口下方8-10mm处,形成光斑直径1-1.5mm;所述激光的能量为200-600mJ/cm2
5.根据权利要求2所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:步骤(3)中所述的外置电喷雾接口的前端连接石英电喷针,所述石英电喷针施加1-10kV的电压,所述进样针的进样速度为100~800nLmin-1,所喷出的高压带电雾滴为质量分数1-5%的甲酸铵。
6.根据权利要求5所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:所述石英电喷针施加4-8kV的电压,所述进样针的进样速度为150~300nLmin-1,所喷出的高压带电雾滴为质量分数1-3%的甲酸铵。
7.根据权利要求5或6所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:所述石英电喷针的内径为50~75μm,所述石英电喷针出口处尖端的内径为5~30μm。
8.根据权利要求7所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:步骤(4)中质谱仪所使用的质谱条件为:质谱型号:LTQ-XL,在正离子模式下采集数据,采集范围:m/z 50-2000,毛细管温度:270℃。
9.根据权利要求8所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:所述的石英电喷针出口处尖端与质谱仪的进样口的水平距离为5~10mm。
10.根据权利要求1所述的原位分析微生物菌落中角鲨烯含量的方法,其特征在于:所述的微生物菌落种类包含但不限于酵母、破囊壶菌、大肠杆菌、微藻。
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