新型非接触式电喷雾离子源的建立及其在单细胞植物激素检测中的应用

Plant hormones are a group of small compounds synthesized within plants. They regulate the metabolism of plant cells, as well as the growth and development of the whole plant, under extremely low concentrations. Most plant hormones exist at low levels of about pg/g - ng/g in plants, and show gradient distributions. Mass spectrometry based analysis methods are commonly focused on tissues or a certain amount of cells. Here, we propose a non-contact electrospray ionization based method for the analysis of plant hormones at single cell level. The electrodes are kept from the sample solution, avoiding their contact. Induced electric field is generated from the electrodes, which subsequently activates the sample solution to form electrospray. Ions are forced by the electric field to move toward the inlet of mass spectrometry for detection. Compared to conventional electrospray ionization source, the proposed source here avoided contamination caused by the contact of electrode with sample solution, and also avoided modification of the solution content caused by electrode reactions. Thus, the obtained detection results are more reliable. In addition, the non-contact mode reduces sample loss that might be brought about by the adsorption of targeted molecules onto the surface of the electrodes. This is beneficial to the improvement of sensitivity. The proposed method will be applied to the analysis of plant hormones in single root cells of Arabidopsis Thaliana. We believe that our method would be of great use in the field of cell biology in the future.

植物激素是植物体自身所合成的一类痕量有机物小分子，在极低浓度下就能够对植物细胞的新陈代谢和植物体的生长发育产生显著影响。它们在植物体内的含量极低，通常为ng/g，甚至pg/g水平，并且呈现出显著的梯度分布。目前，基于质谱的植物激素分析方法都是针对植物体的少量组织，或一定数量的细胞而获得的检测结果。本项目拟建立一种基于非接触式电喷雾离子源的单细胞植物激素检测方法。在离子化过程中，高压电极与样品溶液不直接接触，通过诱导电场作用于样品溶液，使得样品溶液中的待测离子在电场力的作用下向质谱进样口方向运动，形成电喷雾。相比于普通电喷雾离子源而言，本项目所建立的离子化方式有效地避免了电极接触可能带来的污染和电极反应对溶液组分造成的干扰。检测结果更为准确可靠。此外，非接触的特点也降低了由于电极表面吸附所带来的样品损失，有利于灵敏度的提高。本项目所建立的检测方法将被应用于拟南芥根尖细胞中植物激素的分析研究。

纳喷雾离子源是目前最为广泛使用的离子源之一。它具有灵敏度高、进样量少、基质耐受性强等特点。近年来，随着应用研究的不断深入，人们对纳喷雾的检测性能提出了更多、更高的需求。在本项目中，我们进行了新型纳喷雾离子源的研发，实现了纳喷雾检测性能的显著提升，并在此基础上进行了详尽的离子化机理研究，具体如下：. （1）使用极性反转高压策略实现了纳喷雾的发生（PR-nESI）。与普通纳喷雾相比，PR-nESI能够获得更高的质子化离子信号，信噪比提高了1−2个数量级。当样品中待测分子的浓度较低时，信噪比的增强效果更为显著。在含盐样品的检测中，PR-nESI还能够有效地抑制金属离子加合物的生成，简化谱图，让复杂样品中物质的指认更为简单易行。对于蛋白质样品，PR-nESI能够保持蛋白质的折叠结构不被破坏。此外，PR-nESI操作简单，不需要额外添加试剂来实现信号的增强。这些优势使得PR-nESI在分析检测以及生命科学领域具有较大的潜在应用价值。. （2）发展了一种基于PR-nESI离子源的蛋白质超多电荷离子生成方法。该方法利用强酸根阴离子与蛋白质分子的相互作用，改变蛋白质分子的结构，造成蛋白质分子结构的破坏，形成超多电荷离子。相比于其它蛋白质超多电荷离子产生方法而言，我们的方法使用普通无机盐作为多电荷试剂，更为方便；所需多电荷试剂的浓度低，盐在溶液中的浓度仅为1−10 mM级别；对生物样品的缓冲液体系具有更好的兼容性，在生物学领域具有较大的应用前景。. （3）深入研究了盐的阴离子在酸性条件下对蛋白质分子在ESI离子化过程中所带电荷数的影响，发现了强酸根阴离子在酸性条件下对蛋白质分子所带电荷数具有显著的增强效应。样品溶液的酸性条件对于强酸根阴离子的电荷增强效应有着至关重要的作用。进一步机理研究表明，在酸性条件下，强酸根阴离子会导致蛋白质分子结构的破坏，从而使得蛋白质分子能够带上更多电荷。本研究工作对于蛋白质在ESI离子化过程中的电荷调控研究具有一定的指导意义，尤其是涉及到酸性含盐体系中蛋白质分子的电荷调控问题时。