中国检科院马强团队CEJ：毛细管内核酸适配体功能化分散磁性固相微萃取策略，用于动态转移富集和小型便携式质谱分析

质谱技术因其高灵敏度、良好特异性和快速分析而享有盛誉。然而，传统的质谱分析通常需要繁琐的样品前处理和色谱分离，这限制了其在现场快速检测中的应用。近年来，原位电离质谱技术简化了分析流程，使得直接质谱分析成为可能，但用于现场快速检测的小型便携式质谱分析技术仍然不足，并容易受到复杂样品基质的干扰。

中国检验检疫科学研究院首席专家马强研究员（点击查看介绍）团队开发了一种集成毛细管内核酸适配体功能化分散磁性固相微萃取（dMSPME）、萃取纳升电喷雾电离和小型便携式质谱检测的分析策略。该策略利用核酸适配体功能化的聚合物修饰磁性纳米颗粒（PBApt-pMNPs）的选择性捕获和释放机制，通过磁驱动在不同溶液相之间循环转移以实现目标物的动态富集，并基于电荷反转策略实现高灵敏质谱分析。

图1. 实验流程图。图片来源：Chem. Eng. J.

研究团队在硼硅酸盐玻璃毛细管内构建了微升级三相溶液体系，包括捕获相、间隔相和释放相（图2A）。在捕获相中，合成的PBApt-pMNPs被分散到样品溶液中进行dMSPME，利用磁性纳米颗粒表面键合的核酸适配体对全氟化合物目标分析物进行高选择性吸附（图2B）。随后，在外加磁场作用下，捕获了全氟化合物的PBApt-pMNPs穿过间隔相进入释放相，这一过程拦截了非特异性干扰物，大大降低了基质干扰。最终，目标分析物从PBApt-pMNPs脱附（图2C），并与释放相中的双阳离子型离子液体发生电荷反转反应形成加合物（图2D），进行后续的小型便携式质谱分析（图2E）。与传统离线dMSPME方法相比，本方法简化了目标分析物的提取、转移和富集过程，提升了分析效率。

图2. 毛细管内核酸适配体功能化分散磁性固相微萃取与小型便携式质谱分析的示意图。图片来源：Chem. Eng. J.

PBApt-pMNPs通过自由基聚合反应合成，并固定有全氟化合物的核酸适配体（PBApt）。红外光谱对所制备的Fe₃O₄、Fe₃O₄@MPS、pMNPs和PBApt-pMNPs进行了表征（图3A），证实功能单体成功键合到磁性纳米颗粒表面。透射电镜图显示（图3B），PBApt-pMNPs呈均匀的球形形貌。此外，所制备的磁性纳米颗粒的磁滞回归曲线呈现原点对称的S形（图3C）。热重分析显示（图3D），pMNPs和PBApt-pMNPs在200~500 °C温度范围内重量急剧下降，表明聚合物发生降解，且在900°C时PBApt-pMNPs明显失重，证明核酸适配体成功键合。以上表征结果印证了PBApt-pMNPs的成功制备。

图3. PBApt-pMNPs的表征。A：Fe₃O₄ (a)、Fe₃O₄@MPS (b)和pMNPs (c)的红外光谱图；B：透射电镜分析；C：Fe₃O₄ (a)、pMNPs (b)和PBApt-pMNPs (c)的磁滞回归曲线；D：Fe₃O₄ (a)、Fe₃O₄@MPS (b)、pMNPs (c)和PBApt-pMNPs (d)的热重分析。图片来源：Chem. Eng. J.

评估了影响PBApt-pMNPs吸附与脱附效率的关键因素（图4）。PBApt-pMNPs在不同VEC和HEA质量比下的吸附效率随着VEC与HEA质量比为5:2时达到最高的96.5%（图4A）。如图4B所示，溶液pH值在4.0时吸附效率最高，随着pH值从5.0增加到9.0，吸附效率从91.0%急剧下降至14.5%。如图4C所示，PBApt-pMNPs对全氟化合物的吸附效率随着其质量的增加而增加，当质量增大到40 μg时，吸附效率达到最高。PBApt-pMNPs的吸附动力学如图4D所示，超过96%的全氟化合物在2分钟内被吸附，这主要归因于核酸适配体的高选择性以及PBApt-pMNPs的亲水特性。对影响PBApt-pMNPs脱附效果的因素进行了优化。如图4E所示，甲醇可有效破坏核酸适配体与全氟化合物之间的相互作用，且甲醇中加入少量比例的水可进一步稳定毛细管内三相体系并几乎不影响其脱附效果。脱附时间优化实验结果显示，PBApt-pMNPs可在3分钟内几乎完成目标分析物的脱附（图4F）。

图4. 吸附效率与（A）PBApt-pMNPs成分、（B）溶液pH值、（C）PBApt-pMNPs用量和（D）脱附时间的关系；脱附效率与（E）脱附溶剂种类和（F）脱附时间的关系。图片来源：Chem. Eng. J.

采用基于双阳离子型离子液体的电荷反转策略来进行信号放大。对比了10种具有不同二价基团的双阳离子型离子液体，其中[C₄(MIM)₂]F₂显示出最高的信号强度。在小型便携式质谱二级质谱图中，4种全氟化合物在正离子模式下显示出丰富的特征碎片离子（图5），包括去质子化的1-丁基-3-甲基咪唑鎓阳离子（[C₄(MIM)₂−H−MIM]⁺)，m/z 137.1）和去质子化的1,1- 双-3-甲基-1-丁基咪唑鎓阳离子（[C₄(MIM)₂−H]⁺)，m/z 219.1）。相较于未采用双阳离子型离子液体的负离子模式，在基于双阳离子型离子液体电荷反转策略的正离子模式下，全氟化合物的灵敏度提高了6.3~28.9倍。

图5. 双阳离子型离子液体与（A）PFOA、（B）PFOS、（C）PFHpA和（D）PFNA加合物离子在正离子模式下的二级质谱图。图片来源：Chem. Eng. J.

最后，采用3种度量工具评估了方法的绿色化程度，结果显示该方法具有良好的绿色度（图6）。

图6. 方法绿色度评估结果。图片来源：Chem. Eng. J.

小结

该研究开发了一种磁力驱动的捕获和释放策略，利用毛细管内核酸适配体功能化分散磁性固相微萃取实现了目标物的动态转移富集。PBApt-pMNPs通过自由基聚合反应合成，结合了核酸适配体的特异性识别能力与磁性纳米颗粒的吸附能力和磁操纵性。基于电荷反转策略，富集后的目标物进行萃取纳升电喷雾电离和小型便携式质谱分析。与未采用双阳离子型离子液体的负离子模式相比，正离子模式的信号强度增强了6.3~28.9倍。该方法具有选择性强、分析时间短、回收率高、绿色化程度好等优点，为现场快速检测提供了新的可能性。

该研究成果近期发表在Chemical Engineering Journal 上，论文第一作者是李林森博士，通讯作者为马强研究员。该工作得到了国家自然科学基金面上项目等资助支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

In-capillary aptamer-functionalized dispersive solid-phase microextraction for dynamic transfer enrichment and miniature mass spectrometry analysis: A magnetically driven capture-and-release strategy

Linsen Li, Ying Zhang, Liping Zhao, Yueguang Lv, Feng Qu, and Qiang Ma*

Chem. Eng. J., 2024, 485, 149997, DOI: 10.1016/j.cej.2024.149997

导师介绍

马强

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