CN115453019A - 一种gc-tof-ms非靶标代谢组学分析方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种GC‑TOF‑MS非靶标代谢组学分析方法，包括以下步骤：代谢物前处理；样品检测；数据处理，本申请通过采用甲氧胺盐试剂在80℃孵育30min，和采用BSTFA在70℃孵育1.5h进行衍生化，可以将非挥发性组分转变为挥发性组分，使其可以应用于气相色谱的分析检测中。采用20mg/mL的甲氧胺盐酸盐吡啶溶液对干燥后的代谢物进行孵育，可以增加溶解效果，促进下一步的衍生化。同时通过测试QC样本，来判断整体实验的稳定性，可以合理判断整体实验的效果稳定性，评价实验方法的重现性。并且质谱检测中同时使用POS和NEG模式，可以扩大物质检测的覆盖度，增加样本的检出多样性。

Description

一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法及应用
技术领域
本发明涉及一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，涉及G01N，具体涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料。
背景技术
代谢组学是研究生物体内细胞代谢物的一门学科，代谢物能够更好的反应细胞所处的环境和细胞的营养状态，代谢物与外界因素对细胞的影响密切相关。代谢组学对某一生物或细胞在一定时期内的代谢产物进行定性和定量分析，然后通过数据分析，数据库比对，判断机体是否处于正常状态。采用气相色谱-飞行时间质谱联用对代谢产物进行检测分析，具有分离能力好，灵敏度高，分析速度快，操作方便的优势，但是部分物质难挥发或者在高温环境中不稳定易分解，本申请通过对样本中的试样进行前处理，可以使样品检测适用于气相色谱-质谱联用，使用GC-TOF-MS(气相-飞行时间-质谱仪)增加了检测的稳定性。
中国发明专利CN201510853787.0公开了一种测定生物体代谢产物的靶向代谢组学分析方法，通过挑选生物体内的多种代表性代谢产物，并与化合物的标准品进行比对，对各种代谢产物的差异进行分析，缩短了检测化合物的时间。但是仅针对代表性目标代谢物进行分析，检测范围较小。无法对所有代谢产物的差异进行覆盖。中国发明专利CN201110162895.5公开了一种基于气相色谱-质谱技术进行血清代谢组学研究的方法，采用气相色谱-质谱技术进行非目标性的血清代谢组学仪器分析，可对全组分进行分析检测，减小样本处理过程带来的误差，灵敏度更高，但是只能针对液体试样进行分析，对于生物组织类固体样本的分析效果不佳。
发明内容
为了增加生物代谢物样品分析检测的全面性，改善检测的稳定性，本申请的第一个方面提供了一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，包括以下步骤：
(1)代谢物前处理：从样本中提取代谢物，代谢物衍生化；
(2)样品检测：将前处理后的样品送入气相色谱-飞行时间质谱联用仪中进行检测，设置仪器参数，检测出峰；
(3)数据处理：使用数据分析软件对出峰数据进行分析，提取数据，与数据库比对定性，统计分析。
作为一种优选的实施方式，所述步骤1代谢物前处理，提取代谢物的具体方法，包括以下步骤：
A.取样品置于EP管中，加入预冷提取液，旋涡震荡20-50s；
B.冰水浴超声5-15min，然后放到离心机中离心10-20min；
C.将离心后的上清液取出150-200μL，各个样本混合成QC样本；
D.在真空浓缩器中干燥提取物。
作为一种优选的实施方式，所述步骤A中样品为血清液体样品，样品与预冷提取液的体积比为10：(40-50)。
作为一种优选的实施方式，所述步骤A中样品为肝脏组织样品，样品与预冷提取液的体积比为1mg：(10-15μL)。
作为一种优选的实施方式，所述步骤1代谢物前处理，代谢物衍生化的具体方法，包括以下步骤：
S1.向干燥后的提取物中加入甲氧胺盐试剂，混匀后，放入烘箱中70-80℃孵育20-50min；
S2.然后加入衍生化试剂，将混合物70-80℃孵育1-2h；
S3.冷却至室温，向步骤S2混合物中加入5μL FAMEs，上机检测。
作为一种优选的实施方式，所述预冷提取液为有机溶剂混合液，所述预冷提取液中含有体积分数为2-3％的核糖醇。
作为一种优选的实施方式，所述样品为血清液体样品时，预冷提取液为甲醇；所述样品为肝脏固体样品时，预冷提取液为甲醇与氯仿的混合溶液，体积比为3：1。
作为一种优选的实施方式，所述步骤1中样本选自固体样本或液体样本中的一种，优选的，在检测固体样本时，步骤B中需要加入钢珠研磨，研磨频率为40-50Hz，研磨时间为1-5min。
作为一种优选的实施方式，所述步骤B中离心机的温度为1-4℃，转速为10000-12000rpm，离心力13800×g。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S1中甲氧胺盐试剂为将甲氧胺盐酸盐溶于吡啶中，甲氧胺盐酸盐的浓度为10-30mg/mL。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S2中衍生化试剂为硅烷类衍生化试剂，选自双(三甲基硅烷基)乙酰胺、双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺、N-(叔丁基二甲基硅烷基)-N-甲基三氟乙酰胺、N-甲基三氟乙酰胺、N-甲基-n-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺中的一种或几种的组合。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S2中衍生化试剂中含有体积分数为1-3％的三甲基氯硅烷。
申请人在实验过程中发现，在进行非靶标代谢组学分析中采用气相-质谱检测，样品中含有的部分不易挥发性组分不能被检测到，申请人通过在样品前处理时对样品进行孵育和衍生化，采用双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺在70℃衍生化1.5h可以将不易挥发的物质转化为易挥发性物质，从而可以进行稳定的气相-质谱检测。猜测可能的原因是：双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺中的硅烷可以取代非靶标代谢物中的活性氢，降低代谢物的极性，减少了氢键的束缚，另一方面可以增大代谢物的挥发性。并且双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺中的卤素基团为吸电子基可以增强电子云密度，保护不稳定基团，增加化合物的稳定性，在检测中具有良好的重现性。
本申请的第二个方面提供了一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法的应用，应用于生物样本中非靶标代谢物的检测中。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
(1)本申请所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，通过采用甲氧胺盐试剂在80℃孵育30min，和采用BSTFA在70℃孵育1.5h进行衍生化，可以将非挥发性组分转变为挥发性组分，使其可以应用于气相色谱的分析检测中。
(2)本申请所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，通过采用20mg/mL的甲氧胺盐酸盐吡啶溶液对干燥后的代谢物进行孵育，可以增加溶解效果的同时，保护羰基，促进下一步的衍生化。
(3)本申请所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，通过测试QC(含有全部样本中的所有种类物质)样本，来判断整体实验的稳定性，可以合理判断整体实验的效果稳定性，评价实验方法的重现性。
(4)本申请所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，质谱检测中同时使用POS和NEG模式，可以扩大物质检测的覆盖度，增加样本的检出多样性。
(5)本申请所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，采用加入体积分数为2-3％的核糖醇的预冷提取液方法，可以增加提取液对样本的提取效率，增加提取物中的提取种类。
附图说明
图1为实施例1所有QC样本TIC质谱检测叠图；
图2为实施例2所有QC样本TIC质谱检测叠图；
图3为实施例1空白样本TIC质谱检测叠图；
图4为实施例2空白样本TIC质谱检测叠图；
图5为实施例1QC样本在PCA主成分分析中的表现(一维)；
图6为实施例2QC样本在PCA主成分分析中的表现(一维)；
图7为实施例1QC样本在PCA主成分分析中的表现(二维)；
图8为实施例2QC样本在PCA主成分分析中的表现(二维)；
图9为实施例1QC样本的相关性；
图10为实施例2QC样本的相关性。
具体实施方式
实施例1
一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，包括以下步骤：
(1)代谢物前处理：从样本中提取代谢物，代谢物衍生化；
(2)样品检测：将前处理后的样品送入气相色谱-飞行时间质谱联用仪中进行检测，设置仪器参数，检测出峰；
(3)数据处理：使用数据分析软件对出峰数据进行分析，提取数据，与数据库比对定性，统计分析。
所述步骤1代谢物前处理，提取代谢物的具体方法，包括以下步骤：
A.取样品置于EP管中，加入预冷提取液，旋涡震荡30s；
B.冰水浴超声10min，然后放到离心机中离心15min；
C.将离心后的上清液取出180μL，各个样本混合成QC样本；
D.在真空浓缩器中干燥提取物。
所述步骤1代谢物前处理，代谢物衍生化的具体方法，包括以下步骤：
S1.向干燥后的提取物中加入甲氧胺盐试剂，混匀后，放入烘箱中80℃孵育30min；
S2.然后加入衍生化试剂，将混合物70℃孵育1.5h；
S3.冷却至室温，向步骤S2混合物中加入5μL FAMEs(饱和脂肪酸甲酯)，上机检测。
所述步骤A中样品为小鼠血清液体样品，样品与预冷提取液的体积比为10：41。样品量为100μL，预冷提取液为410μL甲醇，含有体积分数为2％的核糖醇。
所述步骤B中离心机的温度为4℃，转速为12000rpm，离心力13800×g。
所述步骤S1中甲氧胺盐试剂为将甲氧胺盐酸盐溶于吡啶中，甲氧胺盐酸盐的浓度为20mg/mL。甲氧胺盐试剂的加入量为30μL。
所述步骤S2中衍生化试剂为双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺，含有体积分数为1％的三甲基氯硅烷，衍生化试剂的加入量为40μL。
仪器为Agilent 7890气相色谱-飞行时间质谱联用仪配有Agilent DB-5MS毛细管柱(30m×250μm×0.25μm,J&W Scientific,Folsom,CA,USA)，GC-TOF-MS具体分析条件如下：
Figure BDA0003735373340000051
Figure BDA0003735373340000061
实施例2
一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，包括以下步骤：
(1)代谢物前处理：从样本中提取代谢物，代谢物衍生化；
(2)样品检测：将前处理后的样品送入气相色谱-飞行时间质谱联用仪中进行检测，设置仪器参数，检测出峰；
(3)数据处理：使用数据分析软件对出峰数据进行分析，提取数据，与数据库比对定性，统计分析。
所述步骤1代谢物前处理，提取代谢物的具体方法，包括以下步骤：
A.取样品置于EP管中，加入预冷提取液，旋涡震荡30s；
B.冰水浴超声10min，重复3次，然后放到离心机中离心15min；
C.将离心后的上清液取出100μL，各个样本混合成QC样本；
D.在真空浓缩器中干燥提取物。
所述步骤1代谢物前处理，代谢物衍生化的具体方法，包括以下步骤：
S1.向干燥后的提取物中加入甲氧胺盐试剂，混匀后，放入烘箱中80℃孵育30min；
S2.然后加入衍生化试剂，将混合物70℃孵育1.5h；
S3.冷却至室温，向步骤S2混合物中加入5μL FAMEs(饱和脂肪酸甲酯)，上机检测。
所述步骤A中样品为小鼠肝脏固体样品，样品与预冷提取液的体积比为1：10。样品量为50mg，预冷提取液为500μL甲醇与氯仿的混合溶液，体积比为3：1，含有体积分数为2％的核糖醇。
所述步骤B中加入钢珠研磨，研磨频率为45Hz，研磨时间为4min。
所述步骤B中离心机的温度为4℃，转速为12000rpm，离心力13800×g。
所述步骤S1中甲氧胺盐试剂为将甲氧胺盐酸盐溶于吡啶中，甲氧胺盐酸盐的浓度为20mg/mL。甲氧胺盐试剂的加入量为40μL。
所述步骤S2中衍生化试剂为双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺，含有体积分数为1％的三甲基氯硅烷，衍生化试剂的加入量为50μL。
仪器为Agilent 7890气相色谱-飞行时间质谱联用仪配有Agilent DB-5MS毛细管柱(30m×250μm×0.25μm,J&W Scientific,Folsom,CA,USA)，GC-TOF-MS具体分析条件如下：
Figure BDA0003735373340000071
对比例1
一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，具体步骤同实施例1，不同点在于所述步骤S1中甲氧胺盐试剂为将甲氧胺盐酸盐溶于甲醇中。
对比例2
一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，具体步骤同实施例1，不同点在于所述步骤S2中衍生化试剂中不含有三甲基氯硅烷。
性能测试
使用ChromaTOF软件(V 4.3x，LECO)对质谱数据进行了峰提取、基线矫正、解卷积、峰积分、峰对齐等分析。对物质定性工作中，使用了LECO-Fiehn Rtx5数据库，包括质谱匹配及保留时间指数匹配。最后，将QC样本中检出率50％以下或RSD＞30％的峰去除。
1.检测内标在QC样本中的峰面积，计算RSD值。测试结果见表1。内标溶液为：将10mg L-2-氯苯丙氨酸于10mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度，混匀。
实施例1，2仪器数据采集稳定。
表1
Area 实施例1 实施例2
QC1 23219017 20314900.5
QC2 24718487 22297805.6
QC3 21979159 23364113.9
QC4 21078573 23038050.4
Average 22748808.98 22253717.6
RSD 6.94％ 6.14％
表2
RSD
对比例1 8.62％
对比例2 9.05％
2.检测各个代谢物的保留时间指数。实施例1结果见表3，实施例2结果见表4。
表3
Figure BDA0003735373340000081
Figure BDA0003735373340000091
表4
FAMEs RT(min) Fiehn RI
C8 8.4647 262320
C9 9.8447 323120
C10 11.2180 381020
C12 13.7967 487220
C14 16.1287 582620
C16 18.2607 668720
C18 20.1727 747420
C20 21.9367 819620
C22 23.5660 886620
C24 25.1033 948820
C26 26.4740 1006900
C28 27.8673 1061700
C30 29.5847 1113100
3.图1为实施例1所有QC样本TIC质谱检测叠图；图2为实施例2所有QC样本TIC质谱检测叠图，QC样本TIC出峰保留时间和峰面积都重叠很好，说明仪器稳定。
4.物质残留情况：通过对空白样品的检测可以考察在检测过程中物质残留情况。从图3-4中可以看到空白样品中无显著峰检出，说明物质残留控制的很好。不存在样品间的交叉污染。
5.PCA分析：图5为实施例1QC样本在PCA主成分分析中的表现(一维)；图6为实施例2QC样本在PCA主成分分析中的表现(一维)，图7为实施例1QC样本在PCA主成分分析中的表现(二维)；图8为实施例2QC样本在PCA主成分分析中的表现(二维)；在PCA分析图上，QC样本分布在±2std范围内，说明系统稳定性非常好，系统误差小。
6.QC样本的相关性：图9为实施例1QC样本的相关性；图10为实施例2QC样本的相关性，QC样本相关性越接近于1(应≥0.7)，说明整个方法稳定性越好数据质量越高。

Claims (10)

1.一种GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)代谢物前处理：从样本中提取代谢物，代谢物衍生化；
(2)样品检测：将前处理后的样品送入气相色谱-飞行时间质谱联用仪中进行检测，设置仪器参数，检测出峰；
(3)数据处理：使用数据分析软件对出峰数据进行分析，提取数据，与数据库比对定性，统计分析。
2.根据权利要求1所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述步骤1代谢物前处理，提取代谢物的具体方法，包括以下步骤：
A.取样品置于EP管中，加入预冷提取液，旋涡震荡20-50s；
B.冰水浴超声5-15min，然后放到离心机中离心10-20min；
C.将离心后的上清液取出150-200μL，各个样本混合成QC样本；
D.在真空浓缩器中干燥提取物。
3.根据权利要求2所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述步骤1代谢物前处理，代谢物衍生化的具体方法，包括以下步骤：
S1.向干燥后的提取物中加入甲氧胺盐试剂，混匀后，放入烘箱中70-80℃孵育20-50min；
S2.然后加入衍生化试剂，将混合物70-80℃孵育1-2h；
S3.冷却至室温，向步骤S2混合物中加入5μL FAMEs，上机检测。
4.根据权利要求2所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述预冷提取液为有机溶剂混合液，所述预冷提取液中含有体积分数为2-3％的核糖醇。
5.根据权利要求2所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述步骤1中样本选自固体样本或液体样本中的一种，优选的，在检测固体样本时，步骤B中需要加入钢珠研磨，研磨频率为40-50Hz，研磨时间为1-5min。
6.根据权利要求2所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述步骤B中离心机的温度为1-4℃，转速为10000-12000rpm，离心力13800×g。
7.根据权利要求3所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述步骤S1中甲氧胺盐试剂为将甲氧胺盐酸盐溶于吡啶中，甲氧胺盐酸盐的浓度为10-30mg/mL。
8.根据权利要求3所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述步骤S2中衍生化试剂为硅烷类衍生化试剂，选自双(三甲基硅烷基)乙酰胺、双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺、N-(叔丁基二甲基硅烷基)-N-甲基三氟乙酰胺、N-甲基三氟乙酰胺、N-甲基-n-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求3所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法，其特征在于，所述步骤S2中衍生化试剂中含有体积分数为1-3％的三甲基氯硅烷。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述GC-TOF-MS非靶标代谢组学分析方法的应用，其特征在于，应用于生物样本中非靶标代谢物的检测中。
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