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摘要

叶喷雾质谱法是一种直接的化学分析技术, 它能最大限度地减少样品的制备, 消除色谱, 从而快速检测植物组织中的小分子。

摘要

植物产生数以千计的小分子, 它们的化学性质多种多样。质谱 (MS) 是一种有效的分析植物代谢产物的技术, 因为它提供了高灵敏度和特异性的分子量。叶喷雾 MS 是一种环境电离技术, 植物组织用于直接化学分析通过电喷雾, 消除色谱的过程。这种取样代谢物的方法允许从完整的植物组织同时检测出多种化学类, 从而尽量减少所需的样品准备量。当使用高分辨率, 准确的质量 ms, 叶喷雾 ms 促进快速检测代谢物的兴趣。还可以用这种技术收集串联质量碎片数据, 以促进复合识别。准确的质量测量和碎片的结合有利于确认复合恒等式。叶喷雾 MS 技术只需要小的修改 nanospray 电离源, 是一个有用的工具, 进一步扩大的能力, 质谱仪。本文对南非传统药用植物Sceletium tortuosum (Aizoaceae) 的鲜叶组织进行了分析;用叶喷雾质谱检测了大量 mesembrine 生物碱。

引言

植物含有多种化学性质的小分子。MS 是一种强有力的分析植物化合物的技术, 因为它能为代谢产物的检测和鉴定提供高灵敏度和特异性的元素成分1。最常见的是, ms 是在溶剂提取的样品, 这是分离的色谱之前, ms 分析1。然而, 使用液相色谱 (LC) 需要冗长的分析时间, 往往与广泛的样品准备1。相反, 直接化学分析的完整组织, 绕过色谱是一个非常迅速的技术, 需要最小的样品准备2。因此, 在色谱步骤可以被放弃的情况下, 直接的化学分析可以是非常有利的。

典型的 LC MS 为自然产品和新陈代谢研究依靠长的散装提取干燥或冷冻植物材料包含多组织和细胞类型3。或者, 直接化学分析, 如 MS 检测植物组织的代谢物, 可以隔离细胞类型和避免准备工件4。叶喷雾 ms, 也称为组织喷雾5,6, 是一个直接的环境电离 MS 技术, 这要求基本上没有样品准备5,7。叶喷雾 ms 与纸面喷雾 ms 密切相关, 这是一种具有电喷雾电离特性的环境电离技术, 可以检测沉积在纸7上的分析物。尽管名称, 叶喷雾 MS 是适用于各种类型的植物组织, 而不仅仅是叶子, 并已证明在水果, 种子, 根, 花卉组织, 块茎, 其中包括6,8,9, 10,11,12。该技术促进了内源植物化学物质直接从植物材料电离到质谱仪中检测8。叶喷雾 MS 还可以提供关于植物中不同组织类型的化学物质的空间分布的信息13。当叶喷雾 ms 与溶剂萃取和 LC ms 相比, 结果表明, 叶喷雾 ms 允许快速检测的表面代谢产物, 从独特的细胞类型, 如毛13。图 1说明了叶喷雾 MS 实验设置。直接电喷雾电离只在少量的源修改后发生。高压通过金属钳被应用到植物组织中, 产生一喷雾高电荷的水滴形成一个泰勒锥, 将离子传送到 MS 的离子入口. 电喷雾电离发生从植物的天然液体或溶剂李波爆炸到植物表面。一个尖尖的组织促进了电喷雾, 可以自然地发生或通过切割创建。

叶喷雾 MS 是一种快速的方法, 定性和半定量分析的完整的植物组织, 已发现效用广泛的应用。例如, 该技术被用来检测内源化合物, 以区分相关物种, 甚至评估在不同条件下生长的同一物种的变化。以前的研究通过测定紫珠中的代谢产物 (紫L) 表明了这种方法。12和美国人参(西洋参)6. 在后一种例子中, 可以在润湿生人参后发现人参皂甙、氨基酸和寡糖。野生和栽培西洋参被区分从块茎切片6。人参块茎的完整性保存后, 叶喷雾 MS, 允许随后的形态学和显微检查6。此外, 还可以检测植物样品中的外源化合物。在9水果和蔬菜的果皮或果肉上发现了一些杀虫剂 (脒、二苯胺、唑、linuron 和噻)。虽然这些研究和许多其他已经表明了叶喷雾 MS 的用途, 为各种特定目的, 一个详细的协议没有以前报告。

在这里, 协议描述不会集中于对特定组织或化合物的方法的优化。相反, Sceletium tortuosum (L.) n.e. (Aizoaceae) 中的 mesembrine 生物碱的检测被用作一个例子, 讨论在为物种、组织或化合物 (s) 第一次。tortuosum是南非半干旱 Karroo 地区特有的肉质植物。一种传统医学的 San 和同属的民族, 它被用于食欲和口渴抑制以及它的精神和镇痛作用14,15。目前, 标准提取物用于精神和神经心理疾病的治疗16,17。感兴趣的主要化合物包括生物碱 mesembrine 及其衍生物, 其中许多也见于相关的Sceletium物种15。tortuosum的野生和栽培种群都有 mesembrine 生物碱的浓度变化, 从而提出了质量控制挑战18。一种快速检测 mesembrine 生物碱的方法, 如叶喷雾 MS, 可用于监测Sceletium产品。由于以前没有对叶喷雾 MS 技术进行详细的可视化实验协议, 我们将用S. tortuosum的例子说明该方法, 并描述了以下内容: nanospray 源的修改、植物组织的选择和制备, 数据的获取, 结果的解释, 以及 MS 参数的优化。

研究方案

1. 对 Nanospray 源的改质

  1. 使用改进的 nanospray 源进行叶喷雾 MS。由于叶喷雾 MS 不需要射流元件, 所以通过从源中移除 LC 探头来修改源。
  2. 组装叶喷雾 MS 丝, 将应用电压的植物组织与适当的针插入源。将引脚焊接到绝缘导线的一端;将钳位焊在导线的另一端。
    注: 夹子 (鳄鱼夹子类型) 可能或可能没有牙。对于小组织, 无牙钳是首选。一个可选的弹性臂与钳位可以添加到 nanospray 源, 以协助定位的植物组织。请注意, 本协议具体描述了如何在混合四极离子阱质量分析仪 ms 系统上执行叶喷雾 ms (见材料表);但是, 其他 MS 系统可能会被改变以执行这项技术6。耦合叶喷雾 MS 与便携式质谱仪实时化学分析可以在现场进行, 不需要运输植物材料到实验室19,20。
  3. 将防静电地板垫放在电源下面的地板上, 以减少在使用高压时从电源上产生的电放电。

2. 叶喷雾 ms 系统的研制

  1. 如果系统最近被使用, 允许它冷却到触摸和删除任何替代源和扫锥。附上 nanospray 叶喷雾 MS 源。
  2. 创建具有适当电离参数设置的调谐文件, 如下所示: 鞘、辅助和扫气为 0;喷雾电压为 2-5 伏;毛细管温度到 150-250 °c;和 S 透镜 RF 水平到50。将调谐文件保存为所需的参数8、13。优化电压和温度的最佳电离的组织和化合物 (s) 的兴趣。
    注: 良好的起始点为4伏和200°c。
  3. 制作一个方法文件, 包括叶喷雾 ms 调谐文件: 正、负全 ms;7万的决议;1 x 106的 AGC 目标;最大值为200毫秒;和所需的扫描范围m/z。或者, 只使用1极性。

3. 仪器、溶剂和植物组织的制备

注意:始终戴手套, 不要使用徒手处理过的植物组织。否则, 诸如聚乙二醇等污染物离子将主宰光谱。

  1. 将植物组织的分析带到与 MS 系统相同的房间, 以便快速取样。
  2. 对于没有天然尖尖的植物组织, 在玻璃滑梯上使用刀片来切割锥形点 (图 2)。根据仪器灵敏度、组织类型和感兴趣的化合物 (例如, 长约5毫米的幼tortuosum叶) 确定分析所需的组织数量。
    1. tortuosum叶在10周后萌发成薄条, 各有一个锥形端形成一个点。
  3. 使用镊子轻轻地选择将被夹紧的末端的植物组织。用镊子握住纸巾, 小心地将其转移到夹钳上。
    注意: 如果电压为 on, 请勿触摸仪器电源。
  4. 用夹钳调整挠性手臂和导线, 使组织与 ms 入口线保持一致, 这样植物组织与 ms 离子入口之间的距离为三重四极 (如TSQ) 和线性圈闭四极 (LTQ) 和10。-50 毫米离子阱质量分析仪 (例如, orbitrap)8。
    1. 将导线的另一端插入源。如果第一次尝试产生低信号强度, 移动植物组织接近离子入口 (参考讨论为优选)。
  5. 加载方法文件;命名数据文件并设置文件存储位置。然后通过单击 "播放" 打开 MS 系统, 然后单击 "开始" 开始获取数据。
  6. 应用溶剂 (如甲醇), 使用吸管与凝胶加载尖端, 以最大的距离之间的手和高电压, 以保护用户。
    注: 所需溶剂量取决于组织的大小、干燥度和质地, 一般为 2-20 µL tortuosum叶不需要添加任何溶剂。在电压不动的情况下, 小心地应用溶剂, 不要接触仪器电源。使用经酸洗的 LC-MS 级溶剂和玻璃器皿, 无洗涤剂。在某些组织中, 由于植物组织的自然含水量, 在不添加溶剂的情况下可以观察到信号。然而, 一个更大的信号强度和减少的 S/N 通常是通过应用溶剂的组织来实现。
  7. 获取数据, 只要信号持续存在, 或者直到收集到足够的光谱, 通常为30六十年代。如果需要, 应用额外的溶剂保持较高的信号强度, 在较长的时间。停止数据获取并暂停 MS 系统。
  8. 取下纸巾, 用100% 甲醇和无绒布擦拭钳洗。根据供应商的规格, 在大约 1-2 小时的采集后, 清洁 ms 离子入口。同时, 在不同组织类型的分析之间清除 MS 离子入口。

4. 数据质量评估

  1. 打开数据文件, 目视检查基峰值质量 chronogram。检查信号强度是 ~ 1.0 x 107到 5.0 x 108。如果信号较低, 将组织移近离子入口。如果较高, MS 系统的前端将变得肮脏, 所以将组织进一步从离子入口。
  2. 根据所产生的质谱中的感兴趣离子的存在或缺失, 改变参数。
    注意: 协议可以在这里暂停。

5. 串联质量碎片

  1. 确定哪些离子对串联质量碎片有兴趣 (ms/毫秒);1.0 x 105的质谱信号对于 ms/ms 的离子选择是足够的。
  2. 制作一个新的方法文件, 其中包含的m/z的收录列表到4个小数位。点击全局列表和包含。在PRM 的属性下, 选择碎片能量 [例如, 30-50 的规范化碰撞能量是一个良好的起始范围] 和其他 ms/ms 参数。
    1. 为了获得 mesembrine 生物碱的 ms/ms 数据, 片段的以下离子, 276.1583米/z, 290.1742米/z, 292.1897米/z, 在。
      注意: ms 或 ms 数据采集可以在 ms 或以后的时间内立即执行。同样的组织可以在完整 ms 后保持钳位, 并且可以重用以获得 ms/ms 数据。但是, 如果 respraying 没有提供足够的信号, 请使用新的组织。
  3. 加载 ms/毫秒方法文件和命名数据文件。打开 MS 系统, 开始获取数据, 必要时添加溶剂。当收集到足够的光谱, 通常在30六十年代之后, 停止获取。
  4. 在分配片段离子时, 收集许多不同能量的碎片。
    注: 由于叶喷雾 MS 缺乏色谱分离, 碎片谱可能含有许多离子, 而在不同能量下的分解将有助于使其清晰。

6. 精确质量和串联质量碎片的假定识别

  1. 通过引用来自公共可用的代谢物数据库 (如 Metlin21、人类代谢物数据库22、大众银行23、脂质图24、美国国家研究所) 的精确质量测量来做出假定的标识。标准和技术 MS 搜索25, 尊重植物化学物质26, 或大亚湾27。
  2. 由于这些数据库并非详尽无遗, 因此需要对具有化学特征的植物种类进行额外的文献综述。
  3. 当 ms 或 ms 信息可用或文献时, 将碎片离子从叶喷雾 ms/ms 与上述数据库匹配。或者, 使用手动解释 ms/毫秒片段离子或由直接注入或 LC ms/ms 执行的真实标准的碎片。

7. 数据分析

  1. 使用 msConvert 工具从 Proteowizard28将 MS 原始文件转换为 mzXML 文件。
  2. 使用 R 中实现的 XCMS 软件包进行峰值拾取。采用直接输液处理方法对叶喷雾进行 MS 分析。
    注意: 用于数据处理的注释好的脚本可以在 https://github.com/HegemanLab/Leaf-Spray-Code 中找到。
  3. 为了获得半定量测量, 会计的实验变异性, 标准化的强度, 每一个代谢物的总离子电流 (TIC), 因为叶喷雾 MS 信号强度可能会有所不同, 部分原因是在定位的细微变化叶在来源和叶子的形状和大小的区别。
  4. 或者, 使用供应商提供的软件进行数据分析或 MZmine2 (在 http://mzmine.github.io/中找到)29。

结果

在发芽后10周, 用叶喷雾质谱分析了新鲜收集的温室tortuosum叶。用叶喷雾 MS 检测tortuosum叶中代谢产物的实验工作流程如图 2所示。选择一叶, 切成带锥形端的薄条, 形成点, 并夹持叶状喷涂 MS 线钳装置。植物组织被安置了 ~ 30 毫米从离子入口并且与 x 和 y 轴一致。在tortuosum叶的叶喷雾剂启动后, 检测到没有任何溶剂的离子。Sceletiu...

讨论

该协议的成功使用依赖于植物种类、组织类型和目标化合物的各种步骤的优化。协议中描述的参数提供了一个良好的起点。以下实验决定需要做和测试: 是否使用 (1) 切开或未切割的组织和 (2) 溶剂或无溶剂, (3) 什么溶剂使用和在什么容量, (4) 从离子入口的组织距离应该是什么, (5) 电压振幅。优化的目标是找出产生连续信号的条件, 持续至少三十年代到几分钟。条件应提供足够的和可重现的信号强?...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

这项工作由 NSF 植物基因组研究计划赠款 IOS-1238812 和生物学 IOS-1400818 博士后研究员资助。这项工作还由孟山都研究生奖学金给凯瑟琳 a. 萨蒙斯的资助。富布赖特非洲研究员学者计划 (2017-2018) 感谢授予 Nokwanda p 麻昆加的资金。我们非常感谢从杰西卡 Prenni 的 nanospray 来源和科罗拉多州立大学蛋白质组学和新陈代谢设施的捐赠。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Conn PinDigi-Key elctronicsWM2563CT-NDpin will insert into Thermo Scientific source to provide voltage
small clampDigi-Key elctronics314-1018-NDCLIP MICRO ALLIGATOR COPPER 5A
large clampDigi-Key elctronics290-1951-NDALLIGATOR CLIP NARROW NICKLE 5A
Heat shrinkDigi-Key elctronicsQ2Z1-KIT-NDto cover soldering joints
NSI source Nanospray Ion SourceThermo scientificNAAnother brand will work if you are not using a Thermo instrument
Q Exactive- hybrid quadrupole OrbitrapThermo scientificNAAnother brand will work if you are not using a Thermo instrument
Tune SoftwareThermo scientificAnother brand will work if you are not using a Thermo instrument
Xcalibur SoftwareThermo scientific
Plant of interest - S. tortousum

参考文献

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