本课题组致力于质谱仪器装置与质谱分析方法的搭建，包括新型离子源的搭建与液质联用借口的开发；新型环境污染物检测；CO2捕集；手性、对映体的绝对构型分析；聚糖、蛋白质、寡核苷酸等生物分子解析等。

 

环境电离质谱技术

 

环境电离质谱（AMS）技术允许在大气压下电离未经处理的或简单前处理的样品，直接检测各类化合物。由于分析物的化学性质有很大差异，很难用一种AMS技术覆盖所有样品。例如，基于电喷雾机制的AMS技术一般用于广泛质量范围内的非挥发性极性化合物，而基于大气压化学电离（APCI）机制的AMS可以表征非极性或低极性化合物。

 

单源全覆盖电离分析

 

通过微波等离子体（tMPTI）的功率，进样温区等调控，实现软硬电离，源内碎裂，金属解吸等在一个离子源内简单实现。功率与进样位点可对等离子体温度产生影响，而调节流量、功率可对等离子体外观产生影响。

使离子源工作、进样状态处于高能量区域，可电离非极性、低极性化合物并得到分子离子峰，谱图与EI谱图基本一致。利用该离子源对EI代表物质多环芳烃（PAHs类，常见持续性污染物）进行测试，得到分子离子峰，谱图与NIST库中的EI谱图一致。

使微波等离子体离子源工作进样状态处于低能量区域，可实现软电离，出质子化峰，与ESI谱图一致。铜肽和缓激肽的电离产物都是质子化的单电荷离子，没有观察到明显的碎片离子；小分子糖类（三糖），RNA类（2RNA）同样可以检出；皮抑菌肽（皮炎平）可以在tMPTI的低能量区获得多电荷质子化离子，这与商业ESI的电离产物一致。

通过微波等离子体的功率、进样温区等调控，可实现可控碎片丰度的源内碎裂。实验表明，水杨酸甲酯的碎片离子随着微波功率的增加而在种类和丰度上发生变化。在这些碎片离子中，偶数电子离子（m/z 121, 153）与其ESI-CID谱完全一致，三个奇数电子离子m/z 92、120、152与EI谱一致。另外，tMPTI的功率对二钛碎片离子的丰度也有很大影响，可以帮助实现结构测定。

调节等离子体功率及能量区域可同时测到有机金属和解吸的单质元素，有望替代ICP金属解析的功能，实现重金属污染和反应中间体的检测。在同一张谱图中，可以同时测到有机金属和无机金属，同时，负离子模式卤素元素同样可以被解析电离。

 

探针辅助常压电弧电离质谱——食物样品的直接离子化分析

电弧等离子体离子源具有以下优点：分析化合物范围广，可测极性/非极性物质；装置小巧便携；无需样品前处理，常压敞开条件下即可进行测试等。

以电弧等离子体作为离子源，使用一次性微量注射器作为样品探针，吸取待测样品。将注射器针管搭在电弧上，使针管处于电弧两电极正中间并与电弧线垂直，针尖正对质谱入口。操作时轻推注射器将待测样品推至针尖，样品会热解吸、离子化，最终进入质谱被检测。

使用金属探针代替采样毛细管，可以减少样品以大颗粒的形式飞溅到质谱入口，以防离子传输管被堵塞；金属探针尖端因形状尖锐而具有大量密集电荷，可以提高样品的电离效率；由于样品有效电离，质谱中背景离子的强度可以忽略不计，从而大大改善了空气中的干扰粒子和复杂基质产生的高背景噪音的干扰，同时实现了脱基质和耐基质的效果。

 

热辅助中性双喷雾离子化技术——液质接口脱盐

在质谱分析中，非挥发性盐可以用来模拟生物样品本身的生理环境，进而维持生物样品的空间结构和生理活性，避免样品在分析过程中失活，还可以用来平衡分离体系的pH，使得药物粗品在分离分析过程中取得更好分离效果，因此非挥发性盐的使用在质谱分析中具有重要意义。然而，当使用常规质谱分析含盐样品时，盐会带来大量盐簇离子峰，压制待测物信号，形成离子抑制，导致待分析物检出限降低；盐还会堵塞质谱离子传输系统，如毛细管、采样锥等，并在这些地方结晶，给质谱带来严重损害。

为解决上述问题，本课题组开发了热辅助中性双喷雾离子化装置，仪器构建简单、安全，无需高压电，脱盐效率高，且能够长期使用。实验表明该装置可高效脱盐，能够实现八种药物在八种常用非挥发性盐体系下的检测；解决了脱盐装置难以长时间分析的难题，与液相色谱联用，可分析药物粗品中16种微量杂质，并确定结构；具有优异耐久度，易于维护，可稳定运行55 min，之后滴加去离子水清洗电热片表面，质谱信号在0.2 min内恢复。

 

微波等离子体中的快速气相反应——新型环境污染物的预测

人造化学品生产的空前增长，被广泛用于食品、药品和工业材料，以提高人们的生活水平。然而，相当一部分化学品被释放到环境中后，经历复杂的氧化转化过程，产生新的毒物，这个过程往往需要漫长的时间。对苯二胺类物质(PPDs)是轮胎中常见的添加剂，为橡胶类产品提供了卓越的保护能力。然而其氧化产物作为新的有毒物质在道路径流和受径流影响的水域中普遍存在，导致太平洋西北部的银鲑在淡水溪流产卵之前严重死亡。如何预测可能的新型环境污染物，防止这类事件的发生，是亟待解决的关键科学问题。

通过微波等离子体（MPT），可以将环境中发生的氧化反应缩短到毫秒级别，同时通过在线质谱，时实监测反应过程及中间体。MPT可实现甲硫氨酸等硫醚和醇类化合物的快速氧化，并可以进行反应收集。对轮胎添加剂PPDs及其反应产物进行检测，并与环境中实测一一对应。利用该法快速氧化环境中排放的化合物，发现其与环境代谢产物一致；通过该方法观测到两种新型的潜在环境代谢物，其中一种已在西湖道路旁水体中测出。

 

MALDI-IMS原位分析——小鼠肾脏中TBC分布成像

三（2, 3-二溴丙基）异氰脲酸酯（TBC）在环境中具有远距离传输能力，通常来源于工业活动、电子废弃物处理厂和垃圾填埋场。TBC作为传统BFRs的替代品，具有持久性有机污染物特征，部分地区环境样本中TBC浓度对该区域生物具有一定健康风险。例如TBC可能对神经细胞造成影响进而影响生物激素表达，在鱼类体内的富集可产生生殖毒性和内分泌毒性，并造成线粒体损伤。

本课题组开发了基于MALDI-MS的TBC检测方法，负离子模式下使用不同基质检测TBC相关峰[2AgOTf+Br]^-信号强度。结果显示SA+AgOTf显示出较高灵敏度的[2AgOTf+Br]^-信号，组合型基质与样品的共结晶均匀。以NDA/AgOTf为基质，使用MALDI-MSI对暴露30天的小鼠肾组织中的TBC进行原位成像，发现TBC主要集中于肾皮质区，诱导小鼠肾小球萎缩。

 

微滴界面化学反应——二氧化碳捕集

微小液滴（μm）界面具有大量独特的性质，如高电场、反应物的部分溶剂化、反应物浓度的增加、极限pH值等，这些性质有利于气液界面处化学反应的自发加速、催化、分子识别等过程。胺与二氧化碳的反应是目前最常用和最重要的固碳反应之一。本课题组通过以碳酸氢铵为碳源，在电喷雾微滴中实现了胺与二氧化碳微滴反应的显著加速。

胺与CO₂的反应可以在CO₂ 微气泡上的界面被加速，NH₄HCO₃ 在微液滴内的分解导致CO₂ (g) 的微气泡的生成，随后生成的CO₂在气泡和液滴之间的界面与胺反应，形成氨基甲酸产物。由于CO₂气泡的形成显著增加了液滴的比表面积以及有效界面面积，胺和CO₂的反应可以更容易地克服活化能壁垒。因此，通过我们的方法获得的胺的RC显著高于仅将CO₂ (g) 直接引入雾化气体的方法。

 

捕集离子淌度质谱——寡糖异构体区分

聚糖结构具有高度复杂性，单糖结构单元的变化形成了单糖异构体和组成异构体，单糖连接位点的变化形成连接异构体，糖苷键的立体异构形成异头异构体，此外还存在非线性的组装方式等，因此聚糖在极少的原子空间内包含了大量的结构信息。目前对聚糖的研究远远落后于核酸、蛋白质，其中对聚糖结构的全面表征是糖科学进展中的主要障碍之一。

在本研究中，我们通过研究由铜离子、氨基酸和糖组成的复合物离子来区分低聚糖异构体。实验表明，被分析的三糖、四糖异构体均可通过电喷雾电离产生四种典型的Cu²⁺-组氨酸（His）-丝氨酸（Ser）复合物离子，即单核铜二聚体复合物离子[(Cu²⁺)(A)(L-His)-H]⁺、[(Cu²⁺)(A)(L-Ser)-H]⁺，单核铜三聚体复合物离子[(Cu²⁺)(A)(L-Ser)(L-His)-H]⁺，双核铜四聚体复合物离子[(Cu²⁺)₂(A)(L-Ser)(L-His)-H]⁺，该方法针对聚糖分析具有较好通用性。以二聚和四聚络合物离子的离子碰撞截面积(CCS)为坐标轴，通过一次测量即可建立一个三维坐标系，实验发现所有寡糖都对应不同的坐标，因此通过寡糖对应的三维坐标即可实现异构体区分。另外，由于三聚体离子独特的解离途径，可以使用基于质谱的动力学方法确定混合物中单个异构体的相对和绝对定量。

该法在三维坐标中可以快速鉴定寡糖的成分，使用标准添加法则可确定成分的绝对含量，因此在一次数据采集中得到多组数据，即可实现异构体的完整分析。该法在区分异头异构体、连接异构体、组成异构体及三元混合物中都得到了有效验证，且成功应用于乳制品饮料和果汁中聚糖异构体的鉴定和定量。

 

MALDI组合型基质开发——植物蛋白糖组学与食物过敏研究

食物过敏在全球范围内日益多发，且食源性植物间普遍的交叉过敏反应会引发患者休克甚至死亡。研究表明，碳水化合物交叉反应决定簇(CCDs)，即N-聚糖的表位（α-1,3-岩藻糖和β-1,2-木糖修饰）在交叉过敏反应中起到决定性作用。然而，N-聚糖与食物过敏反应的相关性研究尚处于起步阶段，植物源N-糖链的指纹图谱信息仍处空白。因此，我们开发了适用于植物源N-聚糖高通量筛查的新型MALDI基质，以补足植物蛋白糖组学与食物过敏研究中的空白。

相比于常用的碳水化合物分析基质DHB，开发的SA/2-HTA组合型MALDI基质更均匀且检测更灵敏，并用于八种桃子的定性定量分析。我们从不同种桃子的不同组织中，均可检测出高达27种N-聚糖，首次实现了桃子聚糖指纹图谱的绘制，其中22种N-聚糖实现了定量分析（RSD<5%），体现了新型MALDI基质的高灵敏度和高重现性。我们发现，桃子中富含被α-1,3-岩藻糖和β-1,2-木糖修饰的N-聚糖，且其在果肉中的含量普遍高于果皮。此外，春花桃（早熟）中N-聚糖含量明显低于其他品种。

综上所述，我们设计并开发了SA/2-HTA作为新型组合型MALDI基质，并实现在负离子模式下对碳水化合物的高通量的检测。通过条件优化建立了利用SA/2-HTA对天然提取的果实N-聚糖实现灵敏、可靠的定性定量分析方法。并证实了N-聚糖可以作为食物过敏的潜在的生物标记物，为食物过敏问题提供了快速、简单的可行性筛查策略。

 

自由电子激光与氢氘交换质谱结合——

探究蛋白质与小分子结合前后构象变化及相互作用位点

氢氘交换是利用氘水中发生在蛋白质上氢和氘的自然交换。在蛋白中，单个位点的交换动力学受局部电子和溶剂环境以及高阶结构的影响。取代的氘作为蛋白质的标签，可以揭示蛋白质结构与构象信息。目前，氢氘交换质谱具有局限性。首先，其覆盖率低，受限于解离手段，不能充分解析所有氘代位点。其次，位点易扰动，现有解离手段激发蛋白质时间长，能量易发生转换产生热效应，对蛋白结构和氘代位点会产生扰动。最后，氘代后的蛋白质在水中容易被氢回交，干扰位点判断。

对此，我们利用相干光源自由电子激光（Free-Electron Laser,FEL），实现对蛋白质的极紫外光解离。自由电子激光与氢氘交换质谱结合具有以下优势。第一，解离激光波长可调，可以对蛋白质进行充分裂解，17kDa的蛋白序列覆盖度在90%以上，有效提升了氢氘交换质谱实验中的序列覆盖率。第二，1 ps的脉宽有助于缩短蛋白质激发到解离的时间，减少激发过程中的热效应，最大程度避免对构象和氘代位点的扰动。基于此，我们进行了对肌红蛋白和SH2结构域复合物的氢氘交换自由电子激光的分析实验和数据采集，探究结合前后蛋白质构象的变化以及辨明相互作用位点。

 

自由基诱导解离——精准定位寡核苷酸序列信息及修饰位点

生物内源性的寡核苷酸如miRNA，与植物动物的生长，器官的发育，细胞的凋亡、增殖和分化有关。外源性的寡核苷酸如反义寡核苷酸可作为药物分子转染mRNA使目标基因沉默，其修饰可以调节靶标亲和力和特异性，改善药代动力学特性，并降低对核酸酶降解的脆弱性。质谱技术利用不同核苷酸的质荷比不同，在不同的断裂点对寡核苷酸进行片段化，通过比较不同片段的m/z和Δm/z得到序列信息及修饰位点信息。质谱测序从同一位置产生多种不同类型的片段，提高了测序准确性。

我们针对现行的寡核苷酸测序技术的技术问题，开发了二氧化钛/锌铝水滑石类氧化物(TiO₂/ZnAl-LDO)纳米材料作为MALDI基质应用于寡核苷酸测序，提供了一种快速、高通量，谱图简单易解析且不与其他设备耦合的直接质谱测序方法。合成的TiO₂/ZnAl‑LDO材料兼有高紫外光吸收性能和电荷传导性能，在对寡核苷酸序列的测定中，水或甲醇作为TiO₂/ZnAl‑LDO纳米颗粒的溶剂在激光的诱导下在TiO₂/ZnAl‑LDO表面生成羟基自由基或甲醇自由基等活性分子，诱导寡核苷酸磷酸骨架的断裂，产生长度不同的碎片进入质谱进行检测。通过对碎片离子的分析，即可推测获得寡核苷酸序列信息和修饰位点。