新型毛细管分析柱及实现超高灵敏度蛋白质谱检测方法
技术领域
本发明属于分析化学领域,具体涉及一种新型毛细管分析柱、包含所述毛细管分析柱的色谱分析仪或色谱-质谱联用系统,以及实现超高灵敏度蛋白质谱检测方法。
背景技术
液相色谱具有对物质如有机化合物的有效分离、分辨能力,而质谱则是准确鉴定大分子的有效手段。由两者结合构成的液相色谱—质谱联用技术(LC-MS),可以在计算机操控下,直接用液相色谱分离复杂混合物中的样品,使其中的被检测化合物逐个地进入质谱仪的离子源,可用大气压电离(包括电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI))进行电子轰击或化学离子化,使样品中所有的化合物都离子化,汇聚成具有一定能量和几何形状的离子束,通过挥发性、动量荷电性能等实现与混合物中其他物质的分离,进而通过质谱分析系统进行分析鉴定。
该技术可以适用于高分子量、强极性、低挥发性及对热不稳定的物质的分离检测,主要通过LC-MS对整体蛋白质的质谱分析完成。然而,由于在初级或其他核型正常细胞中,细胞的磷酸化位点较少,产生的磷酸化信号较低,易被其它高信号值掩盖,因此,采用目前的LC-MS分析方法仅能鉴定少数细胞特定的蛋白磷酸化位点。此外,通过细胞种类,蛋白类别或特异翻译后修饰对富集的生物样品进行检测时,获得的独立绝对信号值经常超出当前LC-MS仪器分析的动态范围。
毛细管色谱柱是LC-MS分析中起分离作用的关键部件,其制备技术关系到柱性能及其分离能力的好坏,进而对通过后续质谱检测的结果产生重要影响。新型毛细管柱的开发一直是本领域长期关注和探索的热点。有报道称,质谱中样品引入接口的改进能够提高结果的检测限和动态范围。现有LC-MS蛋白质组学中,对样品引入接口的改进措施包括使用小内径柱和小颗粒填充物或使用机器控制的喷嘴,这些方法强调在最优的色谱和电喷雾性能条件下,保证结果的可重复性和稳定性。小内径柱对色谱分辨率的提高和低流速对电喷雾电离效率的提升均已有文献进行了报道。然而,当流速继续降低,例如达到极低流速及以下时(等于或低于Van Deemter最小流速),电喷电离效率会提升,而色谱分辨率则会下降,这一固有问题是否会影响最终的质谱灵敏度、动态范围等性能仍未可知。而目前的技术水平,构建支持极低流速的包含小内径柱(≤30μm)的稳定电喷雾设备较为困难,且现有技术中也未有成功构建这一设备的报道。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷,本发明提供了一种新型小柱径毛细管分析柱(毛细管色谱柱)以及稳定制作该毛细管分析柱的工艺方法。所述毛细管分析柱可以作为微型化LC-ESI的组件用于LC-MS分析中,将有助于克服现有技术的困难,实现高灵敏检测待检样品。
本发明的毛细管分析柱以及基于该分析柱的LC-MS检测方法,可以适用于基于蛋白质组学的胚胎干细胞或其他原代细胞的检测,尤其能够为通过低水平酪氨酸磷酸化信号的检测实现蛋白LC-MS分析鉴定提供可行的途径,实现快速、高效对含量较低的蛋白成分的复杂生物样本进行分析鉴定的目的。
为实现本发明的目的,本发明提供如下技术方案:
本发明提供了一种毛细管分析柱(毛细管色谱柱),所述分析柱包括柱管,毛细管整合发射尖端,填充在管腔中的填料,用于支撑填料的熔块。
本发明中,所述毛细管分析柱为填充毛细管柱(微填柱),所述分析柱可以是石英、玻璃、金属、尼龙等管材。优选地,本发明采用聚酰亚胺包被的石英毛细管(聚酰亚胺包被的SiO2毛细管),其具有弹性好、表面惰性、使用寿命长等优点(由于石英毛细管柱很脆,通常通过外涂一层聚酰亚胺保护材料以保证其良好的弹性)。
本发明中,所述毛细管分析柱的长度可以是任何合适作为LC-MS分析的长度,本领域技术人员根据实际需要可以确定合适的柱长。考虑到本发明所述分析柱的内径较小,为防止填料带来的传质阻力,因此,本发明所述分析柱的总长不能太长。优选地,所述分析柱的长度为5~20cm;进一步优选地,所述分析柱的长度为10~20cm;进一步优选地,所述分析柱的长度为10~17cm;更进一步优选地,所述分析柱的长度可以是10、11、12、13、14、15、15.5、16、16.5、17cm等中的一种。
本发明中,所述分析柱的外径可以是200~500μm;优选地,所述外径为300~400μm;进一步优选地,所述外径为300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400μm中的一种。
本发明中,为实现高效、超高灵敏度蛋白质谱检测,所述分析柱的内径≤30μm;进一步优选地;所述分析柱的内径≤25μm;进一步优选地;所述分析柱的内径为5~25μm;进一步优选地;所述分析柱的内径为10~25μm;进一步优选地,所述分析柱的内径为10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25μm等中的一种。
本发明中,所述毛细管整合发射尖端直径≤2μm;优选地,所述毛细管整合发射尖端直径≤1.5μm;进一步优选地,所述毛细管整合发射尖端直径≤1.2μm;更进一步优选地,所述毛细管整合发射尖端直径≤1μm。
本发明中,所述毛细管末端构建有熔块,本领域技术人员通过毛细管的总长度,可以合理确定所述熔块的厚度(沿毛细管长度方向);优选地,当毛细管分析柱的长度为5~20cm时,所述熔块的厚度为1~2.5mm;优选地,所述熔块的厚度为1.5~2.5mm;进一步优选地,所述熔块的厚度为1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1或2.2mm。
本发明中,所述本领域技术人员通过毛细管的总长度,可以合理确定熔块离毛细管整合发射尖端的距离;优选地,当毛细管分析柱的长度为5~20cm时,所述熔块近毛细管整合发射尖端的距离为1-4mm,优选为2~3mm(所述距离是指从熔块离毛细管整合发射尖端最近的一面开始计算的距离)。
本发明中,所述熔块是由通过毛细管的虹吸现象吸入的硅酸盐溶胶-凝胶体系在一定温度下自交联形成的高强度、三维孔塞状的聚合物或固体。其中,所述熔块具有高强度和高渗透性等特点,其作用是堵住固定相填料,防止填料的流失,同时具有良好的通透性以保持溶剂和待测物质通过,防止过高的阻力。其中,所述高强度是指所述熔块能够承受至少4000psi的压力,优选能承受2500psi及以上的压力。其中,所述孔塞状是指所述聚合物或固体具有孔状结构,所述孔状结构的孔径应小于填料的直径,例如可以是1μm、2μm、0.5μm。
其中,所述硅酸盐选自硅酸铝、硅酸铁、硅酸钙、硅酸镁、硅酸钾、硅酸钠、硅酸锰等中的一种或几种;优选地,所述硅酸盐为硅酸铝、硅酸钾、硅酸锰的混合物,其中硅酸铝、硅酸钾、硅酸锰的摩尔比为(9-10):(15-16):(1-1.5),优选为9:15.5:1。
其中,所述硅酸盐在促溶胶-凝胶形成的溶剂的条件下形成所述硅酸盐溶胶-凝胶体系,所述促溶胶-凝胶形成的溶剂为水、冰醋酸、碱、乙醇、异丙醇等中的一种或几种;优选地,为体积比为3:1的水和异丙醇,或体积比为3:1的冰醋酸和异丙醇。
对熔块的材料、通透性、机械强度、厚度等参数的调控是制备高质量颗粒填充毛细管柱的关键环节。本发明熔块的制备方法简单,便于操作,重复性好;通过所述方法制备得到的熔块具有良好的机械性能、机械稳定性和通透性,可以保证良好的柱效。
本发明中,所述填料可以采用任意能够实现高灵敏度蛋白质谱检测的物质,包括但不限于硅胶、有机聚合物、多糖(葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶)等。由于本发明所述毛细管内径很小,如果填料粒径、表面特性、均一性等性能不能有效控制时,则很难填充到所述毛细管柱的腔体内;因此,具有合适粒径、表面特性、均一性等性能的填料是成功制备毛细管分析柱的关键。因此,适用于本发明所述毛细管分析柱的填料为微米级颗粒,表面光滑,其粒径≤3μm。优选地,所述填料的粒径可以是2.9、2.8、2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0μm,或小于1.0μm。
本发明中,优选地,本发明所述填料具体涉及一种改性硅基微球,即改性有机聚合物包裹的硅基微球,其表面光滑、粒径均一(2.0-4.0μm),表面具有微孔所述改性有机聚合物覆盖在硅球表面,能够降低硅基微球之间的摩擦力,能够提高该填料的光滑程度,利于毛细管制备过程中填料的填充。
本发明中,所述改性硅基微球的制备方法包括:以N,N-二甲基十六胺、NH4F作为改性剂,在冰醋酸、水、乙醇的存在下,聚合物单体发生聚合反应形成交联的聚合物,覆盖在硅基微球表面,即所述改性硅基微球。
其中,所述改性剂的质量占总反应体系质量的6-9%;优选地,为7.8%。
其中,所述聚合物单体的质量占总反应体系质量的10-12%;优选地,为11%。
其中,根据分析需要选择不同的单体进行聚合物合成,从而得到能够提高分析效果的改性硅基微球。优选地,所述聚合物单体包括三氯乙烯、二乙烯基苯、苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶中的任意一种或几种。优选地,所述聚合物单体为苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶的混合物,所述苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶的摩尔比为(4-8):(2-5):(10-15),优选为5:3:12,采用该优选方法获得的改性硅基微球,其表面包裹的改性苯乙烯-乙烯基吡咯烷酮-乙烯基吡啶聚合物能够降低硅基微球之间的摩擦力,提高表面光滑度,粒径≤3μm,大小均一,表面微孔为
其中,所述聚合反应的温度为300-400℃;优选地,为380℃。
其中,所述聚合反应的时间为5-6h;优选地,为5.5h。
分离度是蛋白质分离程度的量化指标,通过上述方法制备得到的改性硅基微球为粒径≤3μm,大小均一,孔径为的改性有机聚合物包裹的硅基微球,其本身的表面特性、粒径、均一度、孔结构等使得其用作毛细管柱的填料,在进行色谱分析时可以得到良好的效果,能够满足有效分离蛋白,实现高灵敏度蛋白质谱分析的目的,进而决定了本发明的毛细管分析柱适用于蛋白尤其是复杂生物样本中低含量蛋白的分离检测。
在一实施方式中,所述填料的制备步骤包括:将聚合物单体溶解在冰醋酸、水、乙醇中,加入改性剂N,N-二甲基十六胺、NH4F,所述改性剂的质量为总反应体系质量的6-9%,所述聚合物单体的质量占总反应体系质量的10-12%,超声混合20min,进行聚合反应。
本发明还提供了一种稳定、高效制备上述毛细管分析柱的方法,所述方法包括:毛细管末端熔块的构建、填料的变压力色谱法填充、毛细管整合发射尖端的拉制。本发明所述三步制备方法,是成功制备毛细管分析柱的关键,通过该方法能够稳定、高效地制备毛细管分析柱,即制备成功率高,且方法简单、快速;此外,本发明不同批次间制备的毛细管分析柱的性能能够保持同一性。
具体地,本发明提供的毛细管分析柱的制备方法,包括以下步骤:
(1)毛细管末端熔块的构建,包括步骤:
(1.1)将石英毛细管的一端去除部分聚酰亚胺部分;
(1.2)硅酸盐溶胶-凝胶通过虹吸作用迁移到去除部分的中点
硅酸盐在促溶胶-凝胶形成的溶剂的条件下形成溶胶-凝胶体系,然后利用虹吸作用,该溶胶-凝胶体系被吸入空毛细管中,并形成稳定的界面;
(1.3)采用分阶段聚合方法,形成一定厚度的熔块;
与传统的方法不同,本发明采用电烙铁的方法,利用电烙铁尖端大约1~2mm的空间可以对上述的溶胶-凝胶体系进行局部分阶段加温,即得到所述熔块。所述熔块为性能稳定的聚合物,具有良好的强度以及通透率。
步骤(1.1)中,石英毛细管的一端去除聚酰亚胺的长度以构建的熔块厚度进行确定;通常,对应长度为5~20cm的毛细管柱,熔块的厚度为1~2.5mm时,去除聚酰亚胺的长度为2~3cm,例如优选可以为2.5cm。需要注意的是步骤(1.1)也不是必要的,在其他实施方式中也可以直接采用一端具有包被,另一端裸露的毛细管。
步骤(1.2)中,所述促溶胶-凝胶形成的溶剂为水、冰醋酸、碱、甲醇、乙醇、异丙醇等中的一种或几种;优选地,为体积比为3:1的水和异丙醇,或体积比为3:1的冰醋酸与异丙醇。在总反应体系中(包括硅酸盐和促溶胶-凝胶形成的溶剂),所述硅酸根离子的浓度为2-3mol/L,优选为2mol/L。
步骤(1.2)中,所述硅酸盐选自硅酸铝、硅酸铁、硅酸钙、硅酸镁、硅酸钾、硅酸钠、硅酸锰等中的一种或几种;优选地为硅酸铝、硅酸钾、硅酸锰的混合物,其中硅酸铝、硅酸钾、硅酸锰的摩尔比为(9-10):(15-16):(1-1.5),优选为9:10:1。
步骤(1.3)中,所述聚合是指在一定温度下,硅酸盐溶胶-凝胶体系发生自聚合反应得到无机聚合物。具体地,所述聚合的步骤包括低温聚合,冷却,高温聚合,冷却,清洗。
其中,所述低温聚合的温度为250-300℃;优选地,为270℃。
其中,所述低温聚合的时间为60-90s;优选地,为80s。
其中,所述冷却是指将反应体系冷却至室温。所述冷却可采用自然冷却,空气冷却、真空冷却等方式;优选地,本发明采用自然冷却的方式。
其中,所述高温聚合的温度为350-400℃;优选地,为375℃。
其中,所述高温聚合的时间为20-30s;优选地,为25s。
需要注意的是,本实施例中采用了分阶段聚合方法以形成熔块,在其他实施方式中也可以采用一次聚合的方式,然而,相较于一次聚合,分阶段聚合可以更为精确地控制熔块的厚度,同时也使得形成的熔块均匀稳定。
其中,所述聚合过程的加热升温优选通过电烙铁实现。本领域技术人员可以通过电烙铁覆盖的位置,可以方便而精确地控制熔块形成的厚度。
在一
具体实施方式
中,所述熔块的构建方法包括:
(a)SiO2毛细管的一端去除2.5cm的聚酰亚胺部分;
(b)硅酸盐溶液通过虹吸作用迁移到去除部分的中点;
(c)使用电烙铁聚合,形成2mm左右的熔块。
在另一具体实施方式中,所述熔块的构建方法包括:
将长度为5~20cm,内径25μm的石英毛细管柱,利用毛细管的虹吸作用吸入硅酸盐溶胶-凝胶体系,末端蜡封,电烙铁加热,生成1~2.5mm孔塞状固体熔块;所述硅酸盐溶胶-凝胶体系由A、B两部分组成,A部分为由体积比为3︰1的冰醋酸和异丙醇混合溶剂;B部分为摩尔比为9:10:1的硅酸铝、硅酸钾、硅酸锰的混合物;然后将A、B两部分混合,其中,在总反应体系中,所述硅酸根离子的浓度为2mol/L。
(2)填料的变压力色谱柱填充
(2.1)填料的制备
所述填料为表面光滑,粒径≤3μm,大小均一的改性硅基微球。
所述填料的制备方法包括:以N,N-二甲基十六胺、NH4F作为改性剂,在冰醋酸、水、乙醇的存在下,聚合物单体发生聚合反应形成交联的聚合物,覆盖在硅基微球表面,即所述改性硅基微球。
其中,所述聚合物单体包括三氯乙烯、二乙烯基苯、苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶中的任意一种或几种。优选地,所述聚合物单体为苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶的混合物,所述苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶的摩尔比为(4-8):(2-5):(10-15),优选为5:3:12。
其中,所述改性剂的质量占总反应体系质量的6-9%。
其中,所述聚合物单体的质量占总反应体系质量的10-12%。
(2.2)变压力色谱柱填充
本发明可以采用任何合适的方法来填充填料,如高压匀浆法填充、干法填充、湿法填充、高粘度法填充、等密度法填充等。优选地,本发明采用变压力色谱柱填充法。
进一步地,所述变压力色谱柱填充法包括步骤:将由上文所述方法制备得到的粒径≤3μm的填料与一定体积的有机溶剂混合成匀浆,在起始压力2500-2700psi的条件下(这是本发明其中一个非常重要的参数,本发明人经过非常长期的实验才找到这个关键参数,这个压力不能太高,也不能太低,太高容易使填料堵住毛细管,太低不容易将填料压入毛细管腔体内),将所述匀浆填充于柱床中,随着填充的继续,慢慢地加大压力,即每填充一个厘米填料,将压力增高20-30psi,填充至合适长度即停止填充。填充完成后,用水清洗,除去有机溶剂,然后通入加压氦气干燥。
其中,所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇、苯、二甲苯、甲苯、戊烷、己烷、辛烷、环己烷、环己酮、甲苯环己酮、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、乙醚、环氧丙烷、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、苯酚等中的一种或几种;优选地,为体积比为10:3的乙二醇单乙醚和乙醚的混合溶剂。
其中,根据需要填充的填料长度来确定填充时间,通常填充12cm的柱床长度可在15min内完成。
其中,填充、清洗完成后,通入加压氦气干燥的时间根据实际需要确定,通常通入加压氦气干燥的时间为5min及以上,用于干燥的加压氦气的压力为2200-2800psi。
在一具体实施方式中,本发明所述的变压力色谱柱填充法具体包括:在2500-2700psi的压力下,将由上文所述方法制备得到的粒径≤3μm的填料与体积比为3:1的乙二醇单乙醚-乙醚的混合溶剂混合成匀浆液,往匀浆柱中装满配置好的匀浆液,开始装柱,每填充一厘米填料,将压力增高20-30psi,填充至合适长度即停止填充,填充完成后,用水清洗,除去有机溶剂,然后通入加压氦气干燥,即得到所述毛细管填充柱。
(3)毛细管整合发射尖端的拉制
本发明中,所述毛细管整合发射尖端的拉制方法为:使用基于激光的移液管拉拔器,在熔块外或毛细管尖端处(当毛细管分析柱的长度为5~20cm时,从熔块离毛细管整合发射尖端最近的一面开始的距离为2-4mm处形成直径为≤1μm的整合发射尖端。其中,所述激光的强度为7-9KJ。
本发明制备方法中,还包括开始制备前对毛细管柱的预处理步骤,所述步骤包括:先用0.15mol/L NaOH溶液将石英毛细管柱活化1.5h,再用蒸馏水冲洗干净;再用还原性酸液淋洗所述石英毛细柱管内壁,然后用水(蒸馏水或去离子水)淋洗所述石英毛细柱管内壁,并将干燥惰性气体(如氦气)通入石英毛细柱管进行吹扫,同时将石英毛细柱管置于加热装置中,调节温度至30-40℃,烘烤10-15min后得到经预处理的石英毛细柱管。
通过上述介绍的本发明制备方法可以制备得到内径≤30μm的毛细管分析柱,而其他制备方法均难以制备得到如此小内径的毛细管分析柱。尤其需要注意的是本发明制备方法中的第(1)步毛细管末端熔块的构建,第(2)步填料的变压力色谱柱填充以及第(3)步毛细管整合发射尖端的拉制的顺序不可改变,这是本发明区别其他现有技术能够成功制备内径≤30μm的毛细管分析柱的关键之一。此外,本发明熔块构建的原料、步骤、参数等条件,以及填料制备所采用的原料、步骤、参数等条件,均对于成功制备内径≤30μm的毛细管分析柱具有至关重要的影响。另外,本发明制备方法制备得到的毛细管分析柱为一体件,不具有任何转接部件,从而进一步保障了超高灵敏度蛋白质谱检测的灵敏性以及稳定性。
本发明还提供了由以上所述制备方法制成的可靠耐用的毛细管分析柱。
本发明还提供了所述毛细管分析柱及由上述制备方法制成的毛细管分析柱在制备色谱分析仪或色谱-质谱联用系统中的应用。
本发明还提供了一种色谱分析仪或色谱-质谱联用系统,所述色谱分析仪或色谱-质谱联用系统包含所述毛细管分析柱及由上述制备方法获得的毛细管分析柱。
本发明还提供了所述毛细管分析柱、色谱分析仪或色谱-质谱联用系统或在实现超高灵敏度检测样品中的应用,尤其在用于超高灵敏度蛋白质谱检测中的应用。
本发明还提供了一种基于所述毛细管分析柱的LC-MS检测方法即超高灵敏度蛋白质谱检测方法,包括以下步骤:
毛细管末端熔块的构建、填料的变压力填充、毛细管整合发射尖端的拉制、分流流速的控制和色谱质谱接口的高精度位置控制。
其中,毛细管末端熔块的构建、填料的变压力填充、毛细管整合发射尖端的拉制同上文所述。
其中,所述分析柱前端通过一个分流装置使流速≤1nL/min。
其中,色谱质谱接口的高精度的位置控制通过高精密电脑控制的步进电机来实现灵敏控制。
在一具体实施方式中,本发明提供的实现超高灵敏度蛋白质谱检测方法,包括以下步骤:
1、毛细管末端熔块的构建
分析柱由内径≤30μm的熔融SiO2毛细管构建。从熔融SiO2管的一末端约3cm处去除2.5cm的聚酰亚胺部分,硅酸盐溶胶-凝胶体系通过虹吸作用迁移到去除部分的中点。接下来,使用电烙铁诱导聚合,小心地形成2mm左右的熔块,在排出过量的硅酸盐溶液后,用电烙铁先在270℃下聚合80s,然后在400℃下聚合25s,形成毛细管末端熔块。
2、填料的加压干燥填充
将直径≤3μm的改性硅基微球填充于柱床中,在2500-2700psi的起始压力下,每填充1cm填料,增大压力25psi,10min内填充出一个12cm的柱床长度,并用加压氦气干燥5min。
3、毛细管整合发射尖端的拉制
使用基于激光的移液管拉拔器,在熔块外2-4mm处形成直径≤1μm的集成发射尖端。
4、分流流速的控制
在分析柱前端安装一个被动的分流装置,把流速控制在≤1μL/min。
5、接口的高精度位置控制
通过使用计算机控制的电喷雾定位装置,将发射尖端自动移动到清洗装置下,消除了盐或其他残余物在发射尖端外表面的积聚。
6、K562细胞培养及蛋白肽制备
K562接种于加双抗的10%FBSRPMI1640完全培养基,在5%CO2、37℃培养箱中进行培养,使用过钒酸盐抑制酪氨酸磷酸酶活性,并使用含有100mM碳酸氢铵8M尿素进行裂解。
用100mM碳酸氢铵稀释细胞裂解物(将尿素降低至2M),使用DTT(终浓度10mM)还原。加入IAA(55mM)使蛋白烷基化,并加入胰蛋白酶消化。使用SepPak Plus柱将肽脱盐,通过真空离心干燥后用0.1%乙酸稀释。每个实验中使用约200ng胰蛋白酶肽进行分析。
7、肽的自动进样分析
自动进样器将肽段进样,并以4μL/min的流速加载到预柱上。调整六通阀,将流动相导入至预柱上,肽段吸附到预柱后流入废液管道。样品加载至预柱后,切换六通阀,使废液管道关闭,用HPLC梯度洗脱液将肽段洗脱到质谱仪中,流动相A为0.2M乙酸,流动相B为70%乙腈/0.2M乙酸,流动相梯度为B:0-100%,50min内。使用混合线性离子阱-Orbitrap,在以下条件下进行质谱数据采集:MS扫描:300≤m/z≤2000;MS/MS排除列表、2Da分离窗口和25%相对碰撞能量:8个最丰富离子(5>z>1);ESI电压:1.5kV;毛细管温度:150℃。使用Mascot数据库对MS/MS数据进行分析。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括,
(1)本领域公知,小柱径的毛细管色谱柱是提高质谱检测灵敏度的关键性组件,色谱分析柱越细,(质谱)检测灵敏度越高,但是现有技术中,很难成功制备柱径很小的毛细管色谱柱,尤其是很难稳定地制作柱径很小的毛细管色谱柱。本发明有效地实现了稳定、高效制作小柱径毛细管色谱柱,相对于现有技术,实现了重要突破,制备成功率高,且方法简单、快速;此外,本发明不同批次间制备的毛细管分析柱的性能能够保持同一性。
(2)本发明提供的毛细管分析柱采用的填料以N,N-二甲基十六胺、NH4F作为改性剂参与聚合物单体的聚合反应,可以有效降低生产成本,环境友好。
本发明制备填料的原料价廉易得,制备方法简单易行,制备得到的毛细管色谱柱的填料为改性交联高分子化合物包裹的改性硅基微球,粒径≤3μm,大小均一,表面光滑,热稳定性好,在高温范围内不会造成柱流失,耐腐蚀性高。
(3)本发明构建熔块的原料价廉易得,制柱方法简单稳定,重复性好,构建得到的熔块具有较高的强度(能够承受至少2500psi的压力)和良好的渗透性。
(4)本发明的制备毛细管的工艺方法具有天然的优势,在优先制备好填料的基础上,可以在30min内制造出毛细管分析柱(色谱柱),每个色谱柱的原料成本仅为人民币20元左右,方法简单,易于掌握。
(5)本发明的毛细管分析柱可以用于色谱仪中,并可以和多种质谱仪联合使用,通用性强。
在超高灵敏度蛋白色谱质谱检测中,通过分流装置使流速≤1nL/min,并通过高精度的位置控制来实现灵敏控制。本发明的表征数据表明,电喷雾电离效率决定了整体LC-MS性能,能补偿在流速低于Van Deemter最小流速时色谱性能的下降;即当流速低于VanDeemter最小流速时,在提高电喷电离效率的同时,能够弥补色谱分辨率的下降,进而极大地提高质谱的灵敏度(至少达2×10-18mol及以上),可以有效将微量蛋白分离,提高对含量较低的生物大分子的分析鉴定能力,弥补现有毛细管色谱柱在这一方面分析检测的缺陷,适于对含量较低的生物大分子的复杂生物样本的分析检测和鉴定,具有广泛的应用前景。
(6)采用本发明的方法制备的毛细管分析柱具有令人满意的柱效,稳定性高,分离效果好,色谱分辨率高、质谱灵敏度高,分析时间短,效率高,重复性好,使用寿命长等的特点。
(7)本发明所述的毛细管分析柱及基于该分析柱的检测装置和检测方法,在用于微量蛋白检测时,能够极大提高质谱检测的灵敏度,适于运用于临床样本中疾病生物标志物的发现、蛋白质相互作用网络、全面细胞器蛋白质组和真核生物完整蛋白质目录等。本发明基于所述毛细管分析柱的超高灵敏度蛋白质谱检测方法,对于蛋白质组学在生物医学研究中的应用具有重要意义。
附图说明
图1为毛细管分析柱构造图。
图2为自动进样LC/MS排气柱构造图。
图3为K562裂解物胰蛋白酶肽进样检测的所有肽序列数。
图4为K562裂解物胰蛋白酶肽在不同流速和柱内径下检测的肽序列数。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等,除以下专门提及的内容之外,均为本领域的普遍知识和公知常识,本发明没有特别限制内容。
实施例1-8毛细管末端熔块的构建
实施例1分析柱由内径25μm的熔融SiO2毛细管构建,其结构如附图1所示。从熔融SiO2管的一末端约3cm处去除2.5cm的聚酰亚胺部分。
将摩尔比为9:15.5:1的硅酸铝、硅酸钾、硅酸锰的混合物在体积比为3:1的冰醋酸与异丙醇的溶剂中形成硅酸盐溶胶-凝胶体系,通过虹吸作用,将该硅酸盐溶胶-凝胶体系迁移到去除部分的中点,排出过量的硅酸盐溶液后,使用电烙铁诱导聚合小心地形成2mm左右的熔块,即先在270℃条件下低温聚合80s,自然冷却,然后在375℃条件下高温聚合25s,自然冷却,形成毛细管末端熔块。
制备过程同上,如下表1所示,改变不同参数条件构建熔块:
表1
实施例9-15填料的制备
以N,N-二甲基十六胺、NH4F作为改性剂,在冰醋酸、水、乙醇的存在下,在380℃聚合物单体发生聚合反应5.5h,形成交联的改性有机聚合物,覆盖在粒径为4.0的硅基微球表面,即得到所述改性硅基微球;其中,所述聚合物单体包括摩尔比为5:3:12的苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮和乙烯基吡啶。
其中,所述改性剂的质量占总反应体系质量的7.8%;所述聚合物单体的质量占总反应体系质量的11%。
制备过程同上,如下表2所示,改变不同参数条件制备填料:
表2
实施例16-24关于加压填充
实施例16上述实施例9制备得到的填料表面光滑,粒径均一,为3μm。将该填料在起始压力2500-2700psi下加入,每填充一厘米填料,增加压力20~30psi,填充柱长为12cm,填料完成,用水清洗,除去有机溶剂,然后通入加压氦气干燥5min。
按实施例1的方法构建熔块,并按以下表3的条件填充实施例9的方法制备的填料(毛细管内径为25μm),柱长为12cm,填料完成,用水清洗,除去有机溶剂,然后通入加压氦气干燥5min,制成毛细管分析柱,结果如下表所示:
表3
注:“变压力填充/条件”列中,“否”的含义说明,填充过程中保持恒定压力。
实施例25毛细管整合发射尖端的拉制
将实施例16填充完成的毛细管柱,使用基于激光的移液管拉拔器,激光强度为8KJ,在熔块外2-4mm处形成直径≤1μm的集成发射尖端,制备得到所述毛细管分析柱(25μm)。
以下实施例中,采用的毛细管整合发射尖端的拉制方法同该实施例。
实施例26-29不同内径毛细管柱构建
按实施例1的方法构建熔块,并按实施例16的变压力色谱柱填充方法(即起始填充压力2500-2700psi,每填充一厘米填料,将压力增高20-30psi),填充实施例9的方法制备的填料,分别制成内径为15μm(实施例26)、20μm(实施例27)、30μm(实施例28)、50μm(实施例29)的毛细管分析柱。
实施例30
按实施例1的方法构建熔块,并按实施例16的变压力色谱柱填充方法(即起始填充压力2500-2700psi,每填充一厘米填料,将压力增高20-30psi)填充实施例15的方法制备填料,制成内径为25μm的毛细管分析柱。
实施例31
按实施例4的方法构建熔块,并按实施例16的变压力色谱柱填充方法(即起始填充压力2500-2700psi,每填充一厘米填料,将压力增高20-30psi)填充实施例9的方法制备填料,制成内径为25μm的毛细管分析柱。
实施例32
按实施例4的方法构建熔块,并按实施例16的变压力色谱柱填充方法(即起始填充压力2500-2700psi,每填充一厘米填料,将压力增高20-30psi)填充实施例15的方法制备填料,制成内径为25μm的毛细管分析柱。
实施例33样本的制备
胰蛋白酶肽的制备
将105个左右的K562细胞加入含有100mM碳酸氢铵的8M尿素进行裂解,裂解的时间为30分钟。然后,采用600μL浓度为100mM的碳酸氢铵稀释细胞裂解物(将尿素降低至2M),使用DTT(终浓度10mM)还原。加入IAA(终浓度55mM)使蛋白烷基化,并加入100mg胰蛋白酶消化。使用SepPak Plus柱将肽脱盐,通过真空离心干燥后用0.1%乙酸稀释。每个实验中使用约200ng胰蛋白酶酶切产物肽进行分析。
本发明胰蛋白酶肽的制备过程,也可以采用本领域公知的方法进行制备。
应用实施例34
采用实施例25-29制备的毛细管分析柱对上述样本进行分析
一、分析过程
在分析柱前端安装一个被动的分流装置。通过使用计算机控制的电喷雾定位装置,将发射尖端自动移动到清洗装置下,消除盐或其他残余物在发射尖端外表面的积聚。
使用附图2所示的排气柱平台进行肽的自动进样分析,自动进样器将实施例2制备的样本A的肽段进样,并以4μL/min的流速加载到预柱上。调整六通阀(附图2a),将流动相导入至预柱上,肽段吸附到预柱后流入废液管道。将样本加载至预柱后,如附图2b所示,切换六通阀,使废液管道关闭,用HPLC梯度洗脱液将肽段洗脱到质谱仪中,流动相A为0.2M乙酸,流动相B为70%乙腈/0.2M乙酸,流动相B梯度为:0-100%,50min内。使用混合线性离子阱-Orbitrap,在以下条件下进行质谱数据采集:MS扫描:300≤m/z≤2000;MS/MS排除列表、2Da分离窗口和25%相对碰撞能量:8个最丰富离子(5>z>1);ESI电压:1.5kV;毛细管温度:150℃。使用MascotDaemon数据库对MS/MS数据进行分析。
现有技术中,通过延长有机溶剂梯度或降低流出流速来增加总体肽的鉴定能力。本发明对于后一种(降低流出流速)比较感兴趣,因为该方法能提高电喷电离效率。但是,流速低于Van Deemter最小流速时,色谱分辨率会下降,而且,当毛细管内径小于50μm时,柱性能不太稳定,因此,本发明制备了一种可靠耐用的尖端带有硅酸盐熔块的毛细管分析柱,以及基于该分析柱的电喷装置。
二、分析结果
其中,采用实施例25和29制备的毛细管分析柱对样本A的色谱质谱分析结果为:
附图3和4显示了50μm I.D.×12cm(实施例29制备的毛细管分析柱)和25μm I.D.×12cm(实施例25制备的毛细管分析柱)的毛细管分析柱的色谱和电喷雾电离性能特征。如附图3所示,当流速大于1nL/min时,与50μm内径相比,25μm内径柱RIC半峰宽较小,说明25μm内径柱色谱分辨率较高,即较小的毛细管内径,其色谱分辨率较高;当流速小于1nL/min时,50μm和25μm内径柱的RIC半峰宽均出现Van Deemter效应,色谱分辨率下降。在附图4中,当流速小于1nL/min时,25μm内径柱整体肽鉴定能力显著上升,说明低流速在提高电喷电离效率同时,能够弥补Van Deemter效应带来的色谱分辨率的下降,提高色谱质谱分析的灵敏度;通过这种原理,本发明设计的该套毛细管分析柱以及基于所述分析柱的色谱质谱联用系统,具有超高的灵敏度,能够有效提高对含量较低的蛋白质的进行鉴定分析。
综上所述,本发明提供了一种实现超高灵敏度蛋白质谱检测方法,解决了含量较低的蛋白质的鉴定检测问题。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下,本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中,并且以所附的权利要求书为保护范围。
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