CN112730323B - 一种新型杂化金属纳米材料，其制备方法及其在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型杂化金属纳米材料的制备方法，为Pt纳米颗粒包裹的Fe‑MOF杂化纳米颗粒，其为以Pt纳米颗粒为外壳，铁基金属有机骨架核心材料MIL‑88A即Fe‑MOF杂化纳米颗粒为内核的杂化纳米颗粒。本发明还公开新型杂化金属纳米材料的制备方法，及其在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用。本发明提供的Fe‑MOF/Pt杂化纳米颗粒具有合成方法简便，材料成本低廉，适合大规模工业合成生产。将可控制的表面结构和杂化组成的核壳结构金属纳米材料基质作为质谱中的基质材料，有效解决了小分子区段(m/z＜1000)质谱谱图的背景干扰和热点效应。

Description

一种新型杂化金属纳米材料，其制备方法及其在基质辅助激 光解吸离子化质谱中的应用
技术领域
本发明涉及微纳米材料的化学合成与应用领域，尤其涉及一种新型杂化金属纳米材料，其制备方法及其在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用。
背景技术
目前对血清样品的检测方法如毛细管电泳分析(CE)、生化分析方法(BCA)和酶联免疫吸附试验方法(ELISA)其结果均不理想，如只能检测到高浓度靶标物质，生化反应所需时间较长(BCA和ELISA检测方法反应约30分钟)，需要繁琐间接检测(如检测酶促反应产物)或试剂成本昂贵(如标记ELISA抗体)等问题。与这些方法相比，质谱(MS)能够高通量提取和测量分子信息(例如液相串联质谱能够准确识别小分子质量误差<50ppm)，作为生命科学检测的金标准定量工具，广泛用于制药，生物医学和病理学研究等方面。然而，MS检测之前需要经过严格的样品预处理程序，并由专业的操作人员进行样品的纯化或分离。另外，考虑到真实生物液体中检测时具有来自核酸、蛋白质和多肽的强烈信号干扰，难以对低丰度的毒素分子进行灵敏检测。激光解吸离子化质谱(LDI MS)固有的小分子灵敏分析能力，在当前技术进步的情况下使其成为一种独立的定量技术。并且LDI MS具有简化定量分析的巨大潜力，无需繁琐的色谱分离便能实现对小分子物质的超灵敏检测。因此，LDI MS作为一种特殊的MS检测方法可以解决样品预处理时的挑战，对快速、经济、有效地检测血清样品中的生物分子具有极大前景。
总之，该技术针对血清样本中小分子物质的检测限较低，间接检测或反应时间长这一现状，同时为了解决MS方法繁琐的样品预处理程序，其它蛋白质分子的干扰等问题。因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型杂化金属纳米材料，其制备方法及其在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是新型杂化金属纳米材料，其制备方法及其在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用，快速，经济，高效的直接检测标准样本和血清样本中小分子物质。
为实现上述目的，本发明提供了一种新型杂化金属纳米材料的制备方法，为Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒，其为以Pt纳米颗粒为外壳，铁基金属有机骨架核心材料MIL-88A即Fe-MOF杂化纳米颗粒为内核的杂化纳米颗粒。
进一步地，所述Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒中所述Pt纳米颗粒的直径为2-4nm,所述Fe-MOF杂化纳米颗粒的平均长度约为450nm，宽度约为320nm。
本发明提供一种如新型杂化金属纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用水热法，将富马酸和FeCl3·6H2O混合在水中，搅拌后，在85℃下自成核，制备出单分散的所述铁基金属有机骨架核心材料MIL-88A；
步骤2：在步骤1所得产物中加入聚乙烯吡咯烷酮PVP后在室温下搅拌，得到Fe-MOF@PVP复合物作为中间体；
步骤3：通过微乳化技术在所述Fe-MOF@PVP复合物上涂覆二氧化硅，将步骤2所得所述Fe-MOF@PVP复合物悬浮在乙醇中以形成分散均匀的溶液，在剧烈搅拌下将NH4OH溶液和正硅酸乙酯TEOS加入其中，将反应产物收集并表示为Fe-MOF@PVP@SiO2；
步骤4：在所述Fe-MOF@PVP@SiO2上引入氨基，将步骤3所得所述Fe-MOF@PVP@SiO2悬浮在乙醇中得分散液，将3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES滴入分散液中，搅拌后以形成氨基有机硅的光滑表面；
步骤5：将氨基官能化的所述Fe-MOF@PVP@SiO2溶于水中，加入Pt-PVP溶液得到金属-有机框架杂化材料Fe-MOF/Pt杂化物；
步骤6：重复步骤5合成不同粒径Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒。
进一步地，步骤1中，所述富马酸质量为5-10g，所述FeCl3·6H2O质量为1-2g，所述水的体积为100mL，搅拌1h，自成核时间为16-24小时。
进一步地，步骤2中，所述聚乙烯吡咯烷酮PVP的质量为0.2-0.4g，搅拌1-2小时。
进一步地，步骤3中，所述NH4OH溶液为2-4mL，所述TEOS为1-3μL。
进一步地，步骤4中，所述APTES为20-30μL，搅拌16-20小时。
进一步地，步骤5中，所述Pt-PVP溶液为3-6mL。
一种新型杂化金属纳米材料在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用，包括如下步骤：
步骤a：仪器与试剂的准备：基质辅助激光解吸离子化质谱，阳离子反射模式；
步骤b：将得到的Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒分散在水中，得到Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒分散液，用作激光解吸/电离质谱LDI MS分析的基质。
步骤c：配比标准分子溶解在去离子水中；
步骤d：在质谱靶板上进行样品制备，室温下干燥；
步骤e：对不同小分子物质进行检测；
步骤f：对质谱检测结果进行统计学分析，得出结论。
进一步地，步骤c中，所述标准分子为色氨酸、缬氨酸、甘露醇、丝氨酸、精氨酸、蔗糖、赖氨酸或谷氨酸中一种或多种。
本发明提供地Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒具有合成方法简便，材料成本低廉，适合大规模工业合成生产。将可控制的表面结构和杂化组成的核壳结构金属纳米材料基质作为质谱中的基质材料，有效解决了小分子区段(m/z＜1000)质谱谱图的背景干扰和热点效应。本发明中检测血清样品无需经过进一步纯化、提取或分离处理。每份生物样品仅需1微升就可高效、快速的检测分析样品中的小分子代谢物。该种检测方法具有灵敏度高、检测快速、成本低、检测通量高的特点，适用于多种小分子物质的检测，尤其是血清样品中微量小分子和代谢物的准确定量检测，可应用于多种生物医学安全检测中。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明制备得到的MOF/Pt杂化纳米颗粒的材料表征SEM图；
图2为本发明制备得到的MOF/Pt杂化纳米颗粒的材料表征TEM图；
图3为本发明制备得到的MOF/Pt杂化纳米颗粒用于LDI MS的图，使用MOF/Pt-1/2/3对葡萄糖(Glu)进行LDI MS分析的钠和钾加合峰的质谱图；
图4为本发明制备得到的MOF/Pt杂化纳米颗粒用于LDI MS的图，使用MOF/Pt-1/2/3对甘露醇(Man)进行LDI MS分析的钠和钾加合峰的质谱图；
图5为本发明制备得到的MOF/Pt杂化纳米颗粒用于LDI MS的图，使用MOF/Pt-1/2/3对谷氨酸(GA)进行LDI MS分析的钠和钾加合峰的质谱图；
图6为本发明制备得到的MOF/Pt杂化纳米颗粒用于LDI MS的图，使用MOF/Pt-1/2/3对检测苯丙氨酸，葡萄糖，蛋氨酸，谷氨酸和甘露醇的质谱图，
图7为本发明制备得到的MOF/Pt杂化纳米颗粒用于LDI MS的图，使用MOF/Pt-1/2/3在含有NaCl和牛血清白蛋白溶液(BSA)中检测苯丙氨酸，葡萄糖和甘露醇的质谱图；
图8为激光解吸离子化质谱技术检测血清样本中小分子物质健康血清样本的质谱图，分别为小分子；
图9为激光解吸离子化质谱技术检测血清样本中小分子物质良性疾病血清样本的质谱图；
图10为激光解吸离子化质谱技术检测血清样本中小分子物质癌症血清样本的质谱图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
采用逐层表面组装法制备Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒作为基质，包括以下步骤；
步骤1：采用水热法，富马酸5-10g和FeCl3·6H2O1-2 g混合在100mL水中，搅拌1小时后，在85℃下自成核16-24小时，制备出单分散的铁基金属有机骨架MIL-88A，表示为MOFFe-MOF，为核心材料；
步骤2：将步骤2所得产物中加入PVP0.2-0.4g后在室温下搅拌1-2小时，得到的Fe-MOF@PVP复合物作为中间体；
步骤3：通过微乳化技术在Fe-MOF@PVP上涂覆二氧化硅，将步骤2所得产物悬浮在乙醇中以形成分散均匀的溶液，在剧烈搅拌下将NH4OH溶液2-4mL和TEOS1-3μL加入其中，将反应产物收集并表示为Fe-MOF@PVP@SiO2；
步骤4：在Fe-MOF@PVP@SiO2上引入氨基，将步骤3所得产物悬浮在乙醇中，将APTES20-30μL滴入分散液中，搅拌16-20小时后以形成氨基有机硅的光滑表面；
步骤5：将氨基官能化的Fe-MOF@PVP@SiO2溶于水中，加入Pt-PVP溶液3-6mL得到金属-有机框架杂化材料Fe-MOF/Pt杂化物；
步骤6：重复步骤5合成不同粒径Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒。
步骤7：设计形态可控、性能可调的金属-有机框架杂化材料。
新型杂化金属纳米材料，即Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用，包括如下步骤：
步骤a：仪器与试剂的准备：基质辅助激光解吸离子化质谱，阳离子反射模式；
步骤b：将得到的Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒分散在水中，得到Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒分散液，用作激光解吸/电离质谱LDI MS分析的基质。
步骤c：配比标准分子溶解在去离子水中；
步骤d：在质谱靶板上进行样品制备，室温下干燥；
步骤e：对不同小分子物质进行检测；
步骤f：对质谱检测结果进行统计学分析，得出结论。
步骤c中，所述标准分子为色氨酸、缬氨酸、甘露醇、丝氨酸、精氨酸、蔗糖、赖氨酸或谷氨酸中一种或多种。
表征所用仪器
采用Hitachi S-4800获取扫描电子显微镜与能量色散X射线光谱结果，采用JEOLJEM-2100F获得透射电子显微镜结果。
表征结果为：
从图1和图2中可以看到合成的单分散Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒平均粒径为平均长度约为450nm，宽度约为320nm，Pt纳米颗粒直径为2-4nm。单分散Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒为表面粗糙六边形颗粒。单分散Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒大小均匀，表面粗糙，存在纳米裂缝，Pt纳米颗粒分布致密，不聚集。
小分子物质的检测步骤如下：
(1)仪器与试剂的准备：基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱，阳离子反射模式；所制备的金属-有机框架杂化材料为基质按一定比例稀释分析物溶液；
(2)在质谱靶板上进行分析物溶液制备，室温下干燥；
(3)在质谱仪下进行检测，并对质谱图像进行分析，如图3-7所示。
血清样本中小分子物质的检测
仪器与试剂的准备：基质辅助激光解吸电离质谱，阳离子反射模式；所制备的金属-有机框架杂化材料为基质，血清样本采用十倍稀释；
在质谱靶板上进行血清样本(健康血清样本,良性疾病血清样本,癌症血清样本)制备，室温下干燥；
在质谱靶板上进行Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒制备，室温下干燥；
在质谱仪下进行检测，并对质谱图像进行分析，如图8-10所示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型杂化金属纳米材料的制备方法，其特征在于，所述新型杂化金属纳米材料为Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒，其为以Pt纳米颗粒为外壳，铁基金属有机骨架核心材料MIL-88A即Fe-MOF杂化纳米颗粒为内核的杂化纳米颗粒；所述Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒中所述Pt纳米颗粒的直径为2-4nm,所述Fe-MOF杂化纳米颗粒的平均长度约为450nm，宽度约为320nm，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用水热法，将富马酸和FeCl3·6H2O混合在水中，搅拌后，在85℃下自成核，制备出单分散的所述铁基金属有机骨架核心材料MIL-88A；
步骤2：在步骤1所得产物中加入聚乙烯吡咯烷酮PVP后在室温下搅拌，得到Fe-MOF@PVP复合物作为中间体；
步骤3：通过微乳化技术在所述Fe-MOF@PVP复合物上涂覆二氧化硅，将步骤2所得所述Fe-MOF@PVP复合物悬浮在乙醇中以形成分散均匀的溶液，在剧烈搅拌下将NH4OH溶液和正硅酸乙酯TEOS加入其中，将反应产物收集并表示为Fe-MOF@PVP@SiO2；
步骤4：在所述Fe-MOF@PVP@SiO2上引入氨基，将步骤3所得所述Fe-MOF@PVP@SiO2悬浮在乙醇中得分散液，将3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES滴入分散液中，搅拌后以形成氨基有机硅的光滑表面；
步骤5：将氨基官能化的所述Fe-MOF@PVP@SiO2溶于水中，加入Pt-PVP溶液得到金属-有机框架杂化材料Fe-MOF/Pt杂化物；
步骤6：重复步骤5合成不同粒径Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的新型杂化金属纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述富马酸质量为5-10g，所述FeCl3·6H2O质量为1-2g，所述水的体积为100mL，搅拌1h，自成核时间为16-24小时。
3.如权利要求1所述的新型杂化金属纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述聚乙烯吡咯烷酮PVP的质量为0.2-0.4g，搅拌1-2小时。
4.如权利要求1所述的新型杂化金属纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述NH4OH溶液为2-4mL，所述TEOS为1-3μL。
5.如权利要求1所述的新型杂化金属纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述APTES为20-30μL，搅拌16-20小时。
6.如权利要求1所述的新型杂化金属纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述Pt-PVP溶液为3-6mL。
7.如权利要求1所述的新型杂化金属纳米材料在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：仪器与试剂的准备：基质辅助激光解吸离子化质谱，阳离子反射模式；
步骤b：将得到的Pt纳米颗粒包裹的Fe-MOF杂化纳米颗粒分散在水中，得到Fe-MOF/Pt杂化纳米颗粒分散液，用作激光解吸/电离质谱LDIMS分析的基质。
步骤c：配比标准分子溶解在去离子水中；
步骤d：在质谱靶板上进行样品制备，室温下干燥；
步骤e：对不同小分子物质进行检测；
步骤f：对质谱检测结果进行统计学分析，得出结论。
8.如权利要求7所述的新型杂化金属纳米材料在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用，其特征在于，步骤c中，所述标准分子为色氨酸、缬氨酸、甘露醇、丝氨酸、精氨酸、蔗糖、赖氨酸或谷氨酸中一种或多种。
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