贵金属—多孔硅芯片对MALDI-TOF-MS的信号增强作用及其应用

摘要

血清中的低分子量物质中含有大量可用于疾病诊断的生物标志物。这些生物标志物主要为肽类标志物。目前对人类血清中肽类生物标志物的分析鉴定已经成为医学研究的热门领域。然而由于血清中肽段的含量很低，且有大量共存的高丰度大蛋白，因此很难通过质谱技术直接检测血清获得高质量的肽指纹图谱。因而，去除高分子量蛋白的干扰并提高样品分子在基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)中的解吸离子化效率，成为当前肽组学研究中急需的技术。多孔硅具有大的比表面积和良好的尺寸排阻效应，可以有效地富集血清中的低分子量物质。此外，当其与贵金属纳米颗粒复合在一起时，构成了贵金属-半导体接触界面，该复合材料不仅具有局域表面等离子共振效应，同时在光照时能提高二者之间的电荷转移能力，有利于MALDI的解吸离子化。基于贵金属-多孔硅半导体材料独特的物理、化学性质，本文初步探索了其对MALDI离子化效率的提高效果以及其在血清低分子物质分析中的应用。
　　(1)综述了肽组学研究的重要意义，以及生物质谱技术在肽组学研究中的应用。介绍了介孔材料在蛋白质富集方面的研究现状以及影响MALDI离子化效率的因素。综述了贵金属纳米颗粒以及半导体复合材料的光电性质及其应用。
　　(2)本文基于多孔硅的尺寸排阻效应及其半导体特性，结合了贵金属纳米颗粒独特的物理和化学性质，研发了一种新型的MALDI样品靶——金纳米颗粒修饰的多孔硅芯片。通过胰岛素模型样本探索了该芯片对检测信号的增强效果并用辣根过氧化物酶(HRP)的胰酶酶解液和牛血清白蛋白(BSA)的混合样本对人体的血液环境进行了模拟，验证了该芯片材料对大分子量蛋白的排阻效应以及对低丰度小分子物质的检测效果。此外，还将此技术应用于结直肠癌生物标志物的临床分析检测中。结果表明，点在此芯片上的血清样品可以通过MALDI-TOF-MS技术直接检测，并获得较高保真度的肽指纹图谱，联用统计学软件聚类分析得到正常人和癌症病人的区分度为80％，体现了该芯片材料在肽组学研究中的潜在应用。
　　(3)本文基于贵金属-半导体材料的独特性质，制备了钯纳米颗粒修饰的多孔硅芯片，研究了该样品靶对血清中肽段检测性能的提高效果，并系统探索了其对MALDI检测信号的增强机理。研究发现多孔硅具有很好的尺寸排除作用，可有效地抑制大蛋白的干扰，对小分子物质进行富集，并且多孔硅基底提高了表面粗糙度，有利于基质的分散并形成均匀的结晶，提高了MALDI的检测性能和重复性;钯纳米颗粒的局域表面等离子共振效应可以提高其对激光能量的吸收能力，并传递给样品，促进样品分子的解吸离子化;钯纳米颗粒与多孔硅半导体之间产生电荷转移现象，钯纳米颗粒中的电子传递给了半导体，并与多孔硅中的空穴复合，使得大量的正电荷积累在钯纳米颗粒的表面，对正离子检测模式下低分子量物质的解吸具有促进作用。

目录

声明

致谢

摘要

缩略语说明

第一章 综述

1．1 肽组学

1．1．1 肽组学的研究意义

1．1．2 肽组学的研究技术

1．2 生物质谱技术在肽组学中的应用

1．2．1 基质辅助激光解吸离子化质谱

1．2．2 表面增强激光解吸离子化质谱

1．2．3 表面辅助激光解吸离子化质谱

1．2．4 多孔硅上的解吸离子化质谱

1．2．5 纳米结构引发剂质谱

1．3 多孔纳米材料在肽组学中的应用

1．3．1 有序介孔硅材料

1．3．2 有序介孔碳材料

1．4 MALDI的信号增强机理

1．4．1 MALDI的离子化机理

1．4．2 影响MALDI离子化的因素

1．5 贵金属与半导体复合纳米材料

1．6 课题研究主要内容

第二章 金纳米颗粒修饰的多孔硅芯片对MALDI-TOF-MS的信号增强及应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器和试剂

2．2．2 PSi-GNPs芯片的制备及表征

2．2．3 质谱分析

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 PSi-GNPs芯片在MALDI-TOF检测中对肽段质谱信号的影响

2．3．2 PSi-GNPs芯片的信号增强机理

2．3．3 PSi-GNPs芯片的结构优化

2．3．4 PSi-GNPs芯片对HRP酶解液-BSA混合样本中肽段的检测

2．3．5 PSi-GNPs芯片对血清样本的肽指纹图谱检测

2．3．6 PSi-GNPs芯片对癌症患者的聚类分析

2．4 结论与展望

2．4．1 本章小结

2．4．2 研究展望

第三章 钯纳米颗粒修饰的多孔硅芯片对MALDI解吸离子化过程的增强机理研究及应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器和试剂

3．2．2 Pd-PSi芯片的制备及表征

3．2．3 MALDI-TOF-MS分析检测

3．3 实验结果和讨论

3．3．1 Pd-PSi芯片对血清中小分子物质的选择性增强

3．3．2 Pd-PSi芯片的增强机理

3．3．3 Pd-PSi芯片的结构优化

3．3．4 Pd-PSi芯片对癌症患者的聚类分析

3．4 结论与展望

3．4．1 本章小结

3．4．2 研究展望

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

作者在攻读硕士期间的主要工作