CN108107103B - 谷氨酸受体的质谱探针及其在脑组织中的空间分布规律检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种谷氨酸受体的质谱探针及其在脑组织中的空间分布规律检测方法。所述谷氨酸受体质谱探针由两部分组成，一部分为谷氨酸、N‑甲基‑天冬氨酸、叔丁基保护的谷氨酸、或N‑甲基‑天冬氨酸，另一部分为芴甲氧羰酰基团。本发明利用半导体纳米材料在激光照射下所产生的光电子隧道效应和质谱探针分子中亲电子基团的电子俘获能力，光生电子被亲电子基团中的缺电子原子俘获并引发相邻α‑位化学键的断裂，不同质谱探针分子均产生相同的碎片离子m/z 165.0702 Da，通过测定信号强度大小可实现不同探针分子空间分布的定量比较；本发明所述质谱探针分子可与谷氨酸受体的特定活性空腔结合，具有穿透血脑屏障的能力，可以为药物筛选提供新思路和新技术。
Description
技术领域
本发明属于质谱成像领域，具体涉及一种谷氨酸受体质谱探针及高分辨分子成像方法。
背景技术
质谱成像是一种利用离子全扫描和图像重构技术的新型分子影像方法，可应用于测定药物在不同组织中的分布及代谢规律。由于质谱是基于对气态带电荷离子的测定，因此中性分子都将首先被转变为气态带电荷的离子进行质谱测定。然而，不同分子的汽化和离子化能力不同，因此其绝对质谱信号强度与含量之间的定量关系较差，实现不同分子的质谱定量分析一直是质谱难以解决的难题。
常规MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)是通过样品分子的质子化或去质子化、或者与金属离子形成配合物变为正离子或负离子进行质谱测定，由于各种分子的汽化和离子化能力不同，其绝对质谱信号与含量之间的定量关系不好。传统的稳定同位素标记方法只能解决相同分子在不同样品中的定量分析问题，不能解决不同分子之间的定量比较问题，而不同分子的定量对全扫描的质谱成像具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种谷氨酸受体的质谱探针及其在脑组织中的空间分布规律检测方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种谷氨酸受体质谱探针，由两部分组成，一部分为谷氨酸、N-甲基-天冬氨酸、叔丁基保护的谷氨酸、或N-甲基-天冬氨酸，另一部分为芴甲氧羰酰基团，所述质谱探针的分子结构式如下式所示：
上述方案中，所述质谱探针俘获光生电子后引发特异性化学健断裂，均产生相同的碎片离子m/z 165.0702Da。
上述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，包括如下步骤：
1)将纳米半导体材料制成图像采集薄膜；
2)将质谱探针配成溶液注射至脑组织中，一段时间后取出脑组织制作成组织切片，随后将组织切片贴附于步骤1)制备的图像采集薄膜上，并将图像采集薄膜固定于样品靶；
3)利用脂肪酸混合物校正质谱仪负离子模式的低质量区质量；
4)将样品靶放入样品仓，调节激光参数和静电场大小，设定质量分析器的扫描范围，利用激光束扫描贴附有组织切片的图像采集薄膜表面，由飞行时间质量分析器测定质荷比，由检测器测定信号强度，通过图像重构获得质谱探针在脑组织中的空间分布成像。
上述方案中，所述检测方法还包括：步骤5)通过检测器检测每一种质谱探针的信号强度，根据信号强度大小对不同质谱探针分子在组织切片中的空间分布进行定量比较。
上述方案中，所述纳米半导体材料为(Bi2O3)0.07(CoO)0.03(ZnO)0.9、AlN、SiO2、SiC、ZnS、Bi2Te3、Bi2Se3、或Bi2S3。
上述方案中，所述激光参数的设定原则为：根据纳米半导体材料的性质和能隙大小，选择相应地激光波长，使纳米半导体材料的能隙小于激光光子能量。
上述方案中，所述静电场由样品靶电压、六级杆电压、离子提取电压和狭缝电压组成，根据纳米半导体材料的性质和质谱探针性质设定样品靶和狭缝电压差。
上述方案中，当使用(Bi2O3)0.07(CoO)0.03(ZnO)0.9纳米半导体材料时，所使用的激光波长为355nm，样品靶电压为87伏特，狭缝电压为107伏特。不同的材料选择不同的激光波长、样品靶电压及狭缝电压，使质谱探针俘获异相界面转移的光电子，并提供能量使质谱探针分子进一步发生化学键的断裂，所得的负离子在静电场中向高电位方向移动，穿过狭缝和提取极，经六级杆和四级杆聚焦和质量分选。
上述方案中，所述质谱为全扫描模式。
本发明将具有强亲电子能力的芴甲氧羰酰基团与谷氨酸、N-甲基-天冬氨酸结合形成质谱探针，采用高分辨分子成像方法比较不同的探针分子在脑组织中的空间分布规律，探针分子中的亲电子基团具有双重功能，一是利用其缺电子原子俘获界面转移的光电子，引发特异性化学健断裂，使不同探针分子产生相同的碎片离子m/z 165.0702Da，能够对不同探针分子在组织切片中的空间分布进行定量比较；二是能够与与谷氨酸受体的特定活性空腔结合，抑制S1和S2结构域的关闭，并具有穿越血脑屏障的能力。将注射过这种探针分子的小鼠脑切片贴附于半导体纳米薄膜表面，在紫外激光的照射下，由于这种探针分子的强亲电子基团所具有的俘获电子能力，纳米半导体薄膜表面所产生的光生电子被这种亲电子基团中的缺电子原子俘获，并引发相邻α-位化学键的断裂，不同的探针分子均产生相同的碎片离子m/z 165.0702Da，这些离子穿过入射狭缝和提取极，再经过六级杆、四级杆聚焦后，其质量/电荷比由飞行时间质量分析器测定。由于不同的探针分子均产生相同的碎片离子，因此可采用质谱成像方法定量比较不同探针分子在鼠脑中的分布。由于质谱设定为负离子模式具有全扫描功能，所述方法还能够测定药物注射后，其他离子的变化规律。
本发明所述的质谱探针高分辨成像方法中所需要的相关试剂配方如下：
1)质谱探针溶液的配制：选取包含50mmol/L NH4HCO3的生理盐水为溶剂，将质谱探针溶解，使其浓度为75mM。
2)图像采集薄膜的制备：将(Bi2O3)0.07(CoO)0.03(ZnO)0.9纳米半导体材料放置于导电的铝带或铜带上，在10MPa压力下制成图像采集薄膜，并将制备的图像采集薄膜紧贴并固定于金属样品靶，避免气泡的产生。
3)质谱仪负离子模式质量校正标准溶液的配制：将九种游离脂肪酸包括C6：0，C8：0，C10：0，C12：0，C14：0，C16：0，C18：0，C20：0和C22：0溶解于正己烷中，使得这些脂肪酸的浓度为5mg/mL。
4)小鼠麻醉和鼠脑清洗溶液的制备：分析纯100％乙醚溶液用作小鼠的麻醉，将分析纯NaCl溶解于纯水中，使其浓度为0.9％，配置的生理盐水用于鼠脑外部血迹的清洗，冷藏于-4℃备用。
本发明中所述的负离子模式质量校正方法如下所述，将制备的图像采集薄膜紧紧贴附并固定于样品靶表面，将配置的脂肪酸标准液用移液枪直接放置于图像采集薄膜表面，晾干后放入高真空系统，设定激光、静电场和质量分析器参数，扫描激光，测定所产生的负离子，利用每一种游离脂肪酸的精确质量进行仪器的质量校正。
本发明的有益效果如下：
(1)与现有质谱成像方法相比，本发明利用半导体纳米材料在激光照射下所产生的光电子隧道效应和质谱探针分子中亲电子基团的电子俘获能力，使不同的探针分子产生相同的碎片离子，因此可实现不同探针分子空间分布的定量比较；同时，由于质量分析器具有全扫描功能，本发明还能同时测定其他离子的空间分布，便于测定质谱探针分子所引起的组织切片中其他离子的在空间分布的变化；
(2)本发明所述质谱探针能与谷氨酸受体的特定活性空腔结合，通过比较不同质谱探针分子在脑组织中的空间分布，可以为药物的筛选提供了一种新思路和新技术；
(3)本发明所述谷氨酸受体质谱探针设计新颖，简单易得，所使用的试剂绿色环保；本发明所述成像方法操作过程简单并容易控制，分析速度快，能减小共存离子的抑制效应和激光的热效应，无辐射和化学品污染，空间分辨率高，质量准确度高，重现性高，特别适合于与谷氨酸受体相关的药物筛选。
附图说明
图1是实施例1所得到的鼠脑中脂肪酸的质谱分子成像，实施例1中小鼠没有注射本发明所述质谱探针。
图2是实施例2所使用的质谱探针分子结构，分别是与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸和芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护N-甲基-天冬氨酸。
图3是实施例2所得的负离子谱图，谱图的横坐标为质荷比，纵坐标为信号强度。
图4是实施例2所得到的质谱探针(与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸)的成像及共存脂肪酸在鼠脑中的空间分布。
图5是实施例3所使用的质谱探针分子结构，分别是与芴甲氧羰酰基团结合的谷氨酸和芴甲氧羰酰基团结合的N-甲基-天冬氨酸。
图6是实施例3所得到的质谱探针分子(与芴甲氧羰酰基团结合的谷氨酸)的成像及共存脂肪酸在鼠脑中的空间分布。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
没有注射过质谱探针的小鼠脑中其他内源性物质的高分辨分子成像，操作步骤如下：
1)图像采集薄膜的制备：将(Bi2O3)0.07(CoO)0.03(ZnO)0.9纳米半导体材料放置于导电的铝带或铜带上，在10MPa压力下制成图像采集薄膜，将制备的图像采集薄膜紧贴并固定于金属样品靶，避免气泡的产生；
2)准备麻醉溶液和配制组织清洗溶液：分析纯乙醚作为麻醉剂，称取分析纯NaCl，溶解于纯水中，得到生理盐水用作鼠脑组织血迹的清洗溶液，冷藏于-4℃备用；
3)用步骤2)准备的麻醉剂将小鼠麻醉后，取出大脑，用步骤2)所制备的生理盐水清洗血迹；
4)将步骤3)所得鼠脑至于冷冻切片及快速制冷点冷冻后，切成20微米厚的薄片；
5)将步骤4)所得组织切片放入步骤1)所制备的图像采集薄膜表面，将样品靶放入仪器进行分析，调节样品靶、六级杆、提取板、狭缝电压，使样品靶和狭缝之间的电压差为20伏特；
6)设定激光参数，扫描激光，激光光子能量应大于半导体材料的能隙；
7)将步骤6)所得谱图用C6：0，C8：0，C10：0，C12：0，C14：0，C16：0，C18：0，C20：0和C22：0的准确质量进行校正；
8)鼠脑内源性物质的分子成像：扫描激光，由飞行时间质量分析器测定质荷比，由检测器测定信号强度，采集数据，通过图像重构获得分子成像。
分子成像结果如图1所示，从图1可以看出：鼠脑内源性的脂肪酸能够用本发明提供的方法测定，鼠脑内不存在本发明的探针分子。
实施例2
质谱探针(与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸和与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护N-甲基-天冬氨酸)在鼠脑中的空间分布成像，操作步骤依次如下：
1)配制探针分子溶液：分别称取与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸和与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护N-甲基-天冬氨酸，溶解于含有50Mm NH4HCO3的生理盐水中，使其浓度为75mM；
2)将步骤1)所得溶液用移液器放置于图像采集薄膜表面，待溶剂挥发完后，将样品靶放入仪器进行分析，调节样品靶、六级杆、提取板、狭缝电压，使样品靶和狭缝之间的电压差为20伏特；
3)设定激光参数，扫描激光，激光光子能量应大于半导体材料的能隙；在波长为355nm的激光照射下，质谱探针分子俘获光电子后生成负离子，得到负离子谱图；
4)将步骤3)所得谱图用C6：0，C8：0，C10：0，C12：0，C14：0，C16：0，C18：0，C20：0和C22：0的准确质量进行校正，得到两种质谱探针分子在负离子模式下的谱图。
质谱结果如图3所示，图3说明了与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸质谱探针和与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护N-甲基-天冬氨酸质谱探针均均产生相同的碎片离子m/z 165.0702Da。通过检测器检测不同质谱探针的信号强度，根据信号强度大小对不同质谱探针分子在组织切片中的空间分布进行比较，可实现不同探针分子空间分布的定量比较。
同时本实施例还将步骤1)所得与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸质谱探针溶液通过静脉注射于小鼠，过段时间后，将小鼠脑取出并清洗，再用冷冻切片机切成20微米后的组织切片；将所得组织切片贴附于图像采集薄膜表面，将样品靶放入仪器进行分析，调节样品靶、六级杆、提取板、狭缝电压，使样品靶和狭缝之间的电压差为20伏特；设定激光参数，扫描激光，激光光子能量应大于半导体材料的能隙；在波长为355nm的激光照射下，质谱探针分子俘获光电子后生成负离子，得到负离子谱图；用C6：0，C8：0，C10：0，C12：0，C14：0，C16：0，C18：0，C20：0和C22：0的准确质量对负离子谱图进行校正；最后对鼠脑内源性物质进行分子成像：扫描激光，由飞行时间质量分析器测定质荷比，由检测器测定信号强度，采集数据，通过图像重构获得分子成像。
分子成像结果如图4所示，从图4可以看出：与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸在鼠脑中的分布能够用本发明提供的方法测定，这个探针分子能够穿过血脑屏障，到达鼠脑的特定区域。
实施例3
质谱探针分子(与芴甲氧羰酰基团结合的谷氨酸和与芴甲氧羰酰基团结合的N-甲基-天冬氨酸)在鼠脑中的空间分布成像，操作步骤依次如下：
1)配制探针分子溶液：分别称取与芴甲氧羰酰基团结合的谷氨酸和与芴甲氧羰酰基团结合的N-甲基-天冬氨酸，溶解于含有50Mm NH4HCO3的生理盐水中，使其浓度为75mM；
2)将步骤1)所得质谱探针溶液通过静脉注射于小鼠；
3)将步骤2)所得小鼠脑取出并清洗，再用冷冻切片机切成20微米厚的组织切片；
4)将步骤3)所得组织切片贴附于图像采集薄膜表面，将样品靶放入仪器进行分析，调节样品靶、六级杆、提取板、狭缝电压，使样品靶和狭缝之间的电压差为20伏特；
5)设定激光参数，扫描激光，激光光子能量应大于半导体材料的能隙；在波长为355nm的激光照射下，质谱探针分子俘获光电子后生成负离子，得到负离子谱图；
6)将步骤5)所得谱图用C6：0，C8：0，C10：0，C12：0，C14：0，C16：0，C18：0，C20：0和C22：0的准确质量进行校正；
7)鼠脑内质谱探针分子及其他内源性物质的分子成像：扫描激光，采集数据，通过图像重构获得分子成像。
与芴甲氧羰酰基团结合的谷氨酸质谱探针的分子成像结果如图6所示，从图6可以看出：与芴甲氧羰酰基团结合的谷氨酸在鼠脑中的分布能够用本发明提供的方法测定，这个探针分子能够穿过血脑屏障，到达鼠脑的特定区域。通过与图4比较，可以定量地判断与芴甲氧羰酰基团结合的叔丁基保护谷氨酸比没有叔丁基保护的探针分子在相同的鼠脑区域具有更高的浓度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.谷氨酸受体质谱探针在脑组织质谱成像中的应用，其特征在于，所述质谱探针由两部分组成，一部分为谷氨酸、N-甲基-天冬氨酸、叔丁基保护的谷氨酸、或叔丁基保护的N-甲基-天冬氨酸，另一部分为芴甲氧羰酰基团，所述质谱探针的分子结构式如下式所示：
2.根据权利要求1所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织质谱成像中的应用，其特征在于，所述质谱探针俘获光生电子后引发特异性化学健断裂，均产生相同的碎片离子m/z165.0702Da。
3.权利要求1～2任一所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将纳米半导体材料制成图像采集薄膜；
2)将质谱探针配成溶液注射至脑组织中，一段时间后取出脑组织制作成组织切片，随后将组织切片贴附于步骤1)制备的图像采集薄膜上，并将图像采集薄膜固定于样品靶；
3)利用脂肪酸混合物校正质谱仪负离子模式的低质量区质量；
4)将样品靶放入样品仓，调节激光参数和静电场大小，设定质量分析器的扫描范围，利用激光束扫描贴附有组织切片的图像采集薄膜表面，由飞行时间质量分析器测定质荷比，由检测器测定信号强度，通过图像重构获得质谱探针在脑组织中的空间分布成像。
4.根据权利要求3所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：步骤5)通过检测器检测每一种质谱探针的信号强度，根据信号强度大小对不同质谱探针分子在组织切片中的空间分布进行定量比较。
5.根据权利要求3所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，其特征在于，所述纳米半导体材料为(Bi2O3)0.07(CoO)0.03(ZnO)0.9、AlN、SiO2、SiC、ZnS、Bi2Te3、Bi2Se3、或Bi2S3。
6.根据权利要求3所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，其特征在于，所述激光参数的设定原则为：根据纳米半导体材料的性质和能隙大小，选择相应地激光波长，使纳米半导体材料的能隙小于激光光子能量。
7.根据权利要求3所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，其特征在于，所述静电场由样品靶电压、六级杆电压、离子提取电压和狭缝电压组成，根据纳米半导体材料的性质和质谱探针性质设定样品靶和狭缝电压差。
8.根据权利要求5所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，其特征在于，当使用(Bi2O3)0.07(CoO)0.03(ZnO)0.9纳米半导体材料时，所使用的激光波长为355nm，样品靶电压为87伏特，狭缝电压为107伏特。
9.根据权利要求3所述谷氨酸受体质谱探针在脑组织中的空间分布规律检测方法，其特征在于，所述质谱为全扫描模式。
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