1、第 51 卷分析化学（FENXI HUAXUE）评述与进展第 2 期2023 年 2 月Chinese Journal of Analytical Chemistry172183DOI:10.19756/j.issn.0253-3820.221328纳米材料在激光解吸电离质谱技术中的应用进展王闯1,2覃露媛2李冬梅2,3薛晋娟2郭磊*2唐丽*11（中央民族大学药学院，民族医药教育部重点实验室，北京 100081）2（军事科学院军事医学研究院毒物药物研究所，抗毒药物与毒理学国家重点实验室，北京 100850）3（中国科学院生态环境研究中心，环境化学与生态毒理学国家重点实验室，北京 100085）
2、摘要近年来，基于纳米材料的激光解吸/电离质谱（LDI-MS）技术发展迅速。由于纳米材料具有激光吸收能量转移效率高、比表面积大、易功能化修饰、自身不易电离等特性，因此，LDI-MS 技术具备灵敏、快速、高通量和谱图背景相对纯净等优点。本文针对近十年来基于碳基纳米材料、硅基纳米材料、金属有机框架、共价有机框架、金属基纳米材料等的 LDI-MS 在生物医学分析中的检测应用现状进行了分类和简要评述，并基于分析物种类和灵敏度等因素，比较了各类纳米材料的多种改性或复合途径的影响，聚焦于内外源代谢物空间分布的适用性，简要论述了各类纳米材料在质谱成像中的应用进展，最后阐述了该领域的重点、难点问题以及发展前景。
3、关键词 激光解吸电离质谱；基质；纳米材料；生物医学样品；质谱成像；评述基质辅助激光解吸附/电离质谱（Matrix assisted laser desorption/ionization mass spectrometry，MALDI-MS）广泛应用于多种生物大分子如蛋白质、核酸、多糖和脂质等的分析测定，其分析过程简单，仅需微量样品，是一种兼具高灵敏度和高通量原位分析的“软”电离分析技术。在 MALDI-MS 技术中，分析物与基质形成共结晶，基质吸收激光能量并有效电离，在电离过程中，基质将质子转移到分析物或从分析物得到质子，对于大分子也能给出完整的分子离子峰质量谱图。该技术中，基质类型及结晶形
4、态十分重要。常见的适用于大分子测定的基质均为小分子有机弱酸，例如，-氰基-4-羟基肉桂酸（-Cyano-4-hydroxy cinnamic acid，CHCA）、2,5-二羟基苯甲酸（2,5-Dihydroxy-benzoicacid，DHB）、芥子酸（3,5-Dimethoxy-4-hydroxycinnamic acid，SA）和 2,4,6-三羟基苯乙酮（2,4,6-Trihydroxyacetophenone，THAP）等，其吸收光谱涵盖 MALDI-MS 广泛使用的紫外激光波长范围，能有效吸收并转移激光能量。拓展 MALDI-MS 的测量范围和适用样品体系一直是研究者努力的方向。有
5、机弱酸基质在低分子范围（700 Da）内易自身电离，造成干扰，不利于有机小分子的测定。目前的新型基质研究主要围绕新型有机小分子、有机高分子、离子液体、反应型基质、无机纳米材料（Nanomaterial，NM）和纳米结构表面等方面开展。近年来，采用新型 NM 和纳米结构表面作为基质逐渐成为解决小分子测定问题的主要手段1，该技术常被直接称为激光解吸/电离质谱（Laser desorptio ionization-mass spectrometry，LDI-MS）2。与 MALDI-MS 相比，LDI-MS 的背景干扰较低，具有高灵敏度和良好的重现性，已逐渐成为分析化学、生物医学、法医学和环境科学等
6、领域的有力工具。早期的 LDI-MS 可追溯至 1988 年，Tanaka 等3以甘油中悬浮的钴纳米颗粒为基质，检测出大于 100 kDa 的多聚体和蛋白质，但当时未引起重视和引发系统性研究。LDI-MS 中所适用的 NM 具有以下特征：（1）具有较高的激光辐射区摩尔吸收系数，可促进分析物的“软”解吸/电离，有助于提高灵敏度并抑制背景干扰；（2）具有高比表面积，从而确保分析物的负载能力；（3）提供更高的盐耐受性和更均匀的样品点，有利于准确定量分析4-5。另外，还可实现功能化，或可2022-07-02 收稿;2022-08-18 接受国家自然科学基金项目(Nos.21974152,8187339
7、7,22104149)资助。*E-mail:；同时作为萃取分离介质，实现原位选择性测定。迄今为止，用于 LDI-MS 基质的 NM 包括碳基纳米材料（Carbon-based nanomaterial，C-NM）、硅基纳米材料（Silicon-based nanomaterial，Si-NM）、金属有机框架（Metal-organic frameworks，MOFs）、共价有机框架（Covalent-organic frameworks，COFs）和金属及半导体纳米材料（Metal or semiconductor-basednanomaterial，M-NM）等，已经成功用于药（毒）物、氨基
8、酸、脂质、小肽和糖类等的分析检测。以 Web ofScienceTM核心合集数据库 Science Citation Index Expanded 为数据来源，以“laser desorption ionization massspectrometry”和“nanomaterial*”或“nanoparticle*”或“nanostructure”为主题，共检索到 2011 年至今的 1161 篇文献，利用可视化软件 VOSviewer 对其进行分析（）6。设置相关性大于 10的关键词，清洗合并关键词后得到 308 个关键词和 4 个主要聚类，如图 1 所示。聚类为 LDI-MS 中的新型 N
9、M 基质制备表征与机制理解；聚类主要集中于小分子及代谢物的检测及方法开发；聚类是 NM作为亲和探针或光热吸收基质在磷酸肽等多肽、蛋白和细菌分析中的应用；聚类为质谱成像。近年来的研究则多聚焦于小分子及代谢物（成像）检测、新型 NM 基质和高灵敏测定等方面。本文按 5 类材料在 LDI-MS 中的应用热度为序，针对近年来 LDI-MS 的发展及其在生物医学分析，特别是小分子检测方图1激光解吸-电离质谱文献计量聚类分析数据库：Web of ScienceTM核心合集数据库；主题：“laser desorption ionization mass spectrometry”和“nanomaterial
10、*”或“nanoparticle*”或“nanostructure”；检索起止年限：20112022Fig.1Bibliometric cluster analysis of laser desorption ionization-mass spectrometry（LDI-MS）Database:Web of ScienceTMCore Collection Science Citation Index Expanded;Topic:“laser desorption ionization massspectrometry”and“nanomaterial*”or“nanoparticle*
11、”or“nanostructure”;Year:20112022第 2 期王闯等：纳米材料在激光解吸电离质谱技术中的应用进展173面的应用进行总结与评述。1CNM材料C-NM 主要包括三维（石墨）、二维（石墨烯（Graphene，G）、氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）、石墨相氮化碳、石墨炔）、一维（碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）、单壁碳纳米角）和零维（碳点（Carbonnanodots，CDs）、富勒烯）材料等及其改性材料。一般而言，C-NM 在 250350 nm 波长范围内具备强吸收，具有电子传输特性好、表面官能团可控并易改性、毒性低、环境和生物相容
12、性好、制备成本低等优点。其中，以石墨烯和碳点方面的研究较为深入，代表性应用如图 2 所示。1.1G和GOG 是一种由碳原子以 sp2杂化轨道组成的六边形二维单层片状结构材料，于 2010 年首次被用作LDI-MS 基质，用于氨基酸、药物和核苷等多类极性和非极性化合物的灵敏检测，检出限（Limit ofdetection，LOD）为 0.70.8 mg/L7。因 G 具有特殊的二维结构，易与分析物间形成-和疏水作用等多种作用力，特别适用于含芳环结构的弱极性及非极性化合物的 LDI-MS 分析。GO 是 G 的氧化产物，具有结构缺陷与更多含氧官能团，现已陆续开发了其它种类，如掺杂 G/GO、G/G
13、O 薄片及 G/GO 纳米复合材料等。基于 G 和 GO 的 LDI-MS 应用见电子版文后支持信息表 S1，已成功应用于格列美脲8、中药当归和半枝莲中的小分子成分9、牛奶中的四环素10和环境污染物多环芳烃（PAH）11等的测定，LOD 可低至g/L 水平。G 和 GO 与传统有机弱酸基质组合使用时，LDI-MS 效率得到提高。2019 年，Zhu 等12测试了CHCA-GO、THAP-GO、DHB-GO 和 SA-GO 等二元基质，成功应用于他汀类药物和脂类等的测定，对他汀的 LOD 为 1 mg/L。DHB-GO 可使 DHB 的结晶更均匀，可实现未稀释大鼠血浆中亚 mg/L 水平的人参皂
14、苷Rb1 的检出13。G 或 GO 造成的源内污染问题，可通过降低使用量的手段加以部分解决，例如，每点点样0.1 g 的 GO13。G 和 GO 易于功能化修饰，可同时作为基质和吸附剂，实现提取富集和检测，其主要的功能化修饰策略分为 3 种。（1）亲和修饰Gulbakan 等14使用适配体共轭修饰 GO，从复杂血浆样品中选择性地原位亲和提取和检测可卡因和腺苷。4-乙烯基苯基硼酸官能化的 GO 可选择性富集检测含邻二醇结构的小图2碳基纳米材料在激光解吸/电离质谱（LDI-MS）中的应用：（A）石墨烯（G）和氧化石墨烯（GO）10；（B）2，5-二羟基苯甲酸（DHB）氧化石墨烯复合物12；（C）氧
15、化石墨烯修饰磁性复合物（GONH2Fe3O4）16；（D）还原碳点22Fig.2Application of carbon-based nanomaterials in laser desorption/ionization mass spectrometry（LDI-MS）:（A）Graphene（G）or graphene oxide（GO）10;（B）2，5-Dihydroxy-benzoic acid（DHB）GO composite12;（C）GO-functionalized magnetic composites（GONH2Fe3O4）16;（D）Reduced carbon d
16、ots（R-CDs）22174分 析 化 学第 51 卷分子，如腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷等，LOD 为 1 g/L15。（2）与磁性材料或其它纳米颗粒复合2019 年，Tang 等16开发了 GONH2Fe3O4磁性复合材料，用于 12 种喹诺酮类抗生素的提取富集、磁性分离和高通量 LDI-MS 筛查，LOD 低至 10 g/L。GFe3O4磁性复合材料还可用于盐酸小檗碱、绿原酸和尼古丁代谢物17等的富集测定。镍纳米颗粒/石墨烯复合材料作为新型基质和吸附剂用于高效分析多种药物和氨基酸等，在正离子模式下分析白藜芦醇、芸香苷和 6-姜酚，LOD 分别为 1、5 和 20 g/L18。（3）G 或 GO掺杂材料2014 年，Min 等19以气态三聚氰胺为氮源，使用改进的热退火方法合成了气相氮掺杂石墨烯（Gas-phase N-doped graphene，gNG），在负离子模式下测定了氨基酸、脂肪酸、类固醇及抗癌药物等。gNG 的有序共轭结构体系利于激光吸收能量转移，其结构中的吡啶氮还是电离时的质子捕获位点。超薄石墨氮化碳纳米片（gC3N4）已用于分析氨基酸、碱基、小肽、双酚（Biphenol