在线生成重氮甲烷对微量甘油磷脂和鞘脂进行甲基衍生化用来增强其质谱分析灵敏度

科学   2022-09-30 21:07   湖北  



摘要


大家好,本周分享一篇2021年发表在Anal. Chem.IF8.008)的文章,题目为“iTrEnDi: In Situ Trimethylation Enhancement Using Diazomethane: Improved and Expanded Glycerophospholipid and Sphingolipid Analyses via a Microscale Autonomous Derivatization Platform”。该研究的通讯作者为Jeffrey M. ManthorpeJeffrey C. Smith,来自加拿大,渥太华,卡尔顿大学化学系。该实验室的主要研究方向是食品科学。



Highlights

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  • In situ generation of diazomethane for methyl derivatizationiTrEnDi.

  • 1 sphingolipids (SM) and 3 GPLs (PCPE and PA)were derived using iTrEnDi.

  • iTrEnDi is also suitable for more reactive diazoalkanes such as diazoethane.

  • First report to use diazoethane to derivatize PC to improve its sensitivity in MS.                        


一、 背景介绍


甘油磷脂(GPLs)是构成细胞膜的基础,是两亲性脂质,并在不同程度上可以通过MS观察到它们。例如,磷脂酰胆碱(PC)包含一个两性离子头基,可以很容易使用电喷雾电离(ESI)以正离子模式电离,而磷脂酸(PA)倾向于以阴离子形式存在于溶液和气相中。这意味着基于MS的脂质组学研究面临挑战,不同GPL物种进行最佳分析需要不同的极性或溶剂条件。分析人员面临的问题是,要么使用多种分离方法,消耗更多的样品,降低精度,并对定量显著性产生负面影响,要么更常见的是,限制他们的研究范围,只分析选择的GPLs中的某些亚类。
化学衍生化策略用于解决GPLs的分析异质性,并改善基于MS的脂质组数据集。脂质衍生化作为一种样品制备技术,在分析复杂的脂质样品时,具有提高灵敏度、分辨率和增强结构信息的价值。衍生化的优点必须与增加的劳动力、试剂和时间的成本以及衍生化不完全和稀释过度的潜在风险相平衡;一个好的衍生化技术的特点包括快速、廉价和定量分析。
重氮甲烷(DZM)是一种长期用于气相色谱质谱分析脂肪酸的试剂,因为它能够快速、完全和化学选择性地使游离脂肪酸烷基化。令人遗憾的是,重氮烷烃(如DZMDZE)具有剧毒和爆炸性的危险。虽然三甲基硅基重氮甲烷(TMSDZM)处理起来比DZM更安全,而且在市场上可以买到,但是反应活性较低,导致GPLs不完全甲基化。



二、结果与讨论

利用重氮甲烷进行甲基衍生化(TrEnDi)可显著增强甘油磷脂在质谱(MS)和串联质谱(MS/MS)分析中的信号强度。在这里,作者描述了一种新型装置,它能够通过在线生成少量气态重氮甲烷与分析物分子在原位进行甲基化(iTrEnDi)。磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酸(PA)和鞘磷脂(SM)以安全的方式充分快速甲基化,无需直接处理危险的重氮烷溶液。与作者之前报道的方法相比,iTrEnDi修饰的PC ([PCTr]+)PE ([PETr]+)显示了相似的敏感性增强和碎裂模式。iTrEnDi产生了二甲基化PA ([PATr]),与未修饰的PA相比,其色谱行为显著改善,LC-MS灵敏度提高了14倍。与溶液中的TrEnDi相比,iTrEnDi的灵敏度略有下降,可能是由于前处理期间分析物的损失。然而,iTrEnDi增强的安全性、易于使用和自动化能力,以及适应反应性更强的重氮烷烃(重氮乙烷(DZE)),极大地提高了这种衍生化技术的可获得性和实用性。


图一、利用原位生成的重氮甲烷用于
GPLsSM微量甲基衍生化分析示意图。

在线反应过程:将KOH水溶液(1 mL, 6.1 M)通过注射器连接到60 cm200 μm内径的熔融二氧化硅,在室温下滴入含有N-甲基-N-亚硝基脲(NMU)或N-乙基-N-亚硝基脲(NEU(100 mg, 0.8 mmol,(其他已经报道的文献中使用1 g,量大危险))H2O (2 mL)Et2O (1.4 mL)的密封顶空瓶中。用40 cm 250 μm ID聚醚醚酮(PEEK)输出线将重氮烷烃和N2(g)注入到含有溶于甲醇(100 μL, 25 μm)HBF4·OEt2 (10 μL, 1.5 μmol)GPL的小瓶中。KOH水溶液的加入在顶空小瓶中产生了大量的气泡。为了尽量减少气泡,添加速度被手动调整到约1/秒。反应在室温下进行,直到顶空反应瓶中的黄色气体颜色变得很淡(1 h)。将原位生成的重氮烷和醚蒸汽不断输送到含有溶解分析物的小样品瓶(GPL溶于甲醇(100 μL, 25 μM)1 μM PC 11:0/11:0作为内标)。


图二、在线生成重氮甲烷与分析物分子在原位进行甲基化工作流程。


图三、
PEPCSM的在线甲基衍生化LC-MS分析结果。

如图三ab所示,磷脂酰乙醇胺(PE 16:0/18:1)和磷脂酰胆碱(PC 19:0/19:0)最初通过iTrEnDi作为等摩尔混合物进行衍生(2ab)。通过MS分析,生成甲基化PC([PCTr]+)PE([PETr]+)。反应结束后,观察到3%未甲基化的PC1%未甲基化的PE。此外,观察到PE的单、二和三甲基化状态的组合区域小于1%,结果表明PE是充分甲基化的。衍生化脂质的MS2分析结果显示,脂质裂解为甲基磷酯酰胆碱(m/z=198),甲基磷胆碱离子中性损失NMe3m/z=139)。
如图三cd所示,通过iTrEnDi对鞘磷脂进行衍生化(SM d18:1/16:0),有一个和两个CH2基团连接上去(2c,d)SM d18:1/16:0中只有不到2%未衍生,双甲基化产物相对于单甲基化产物有11%的相对丰度。单甲基化和双甲基化的SM物种的MS2分析结果与PC 19:0/19:0相似(m/z=198/139)。通过对二烷基化SMMS2光谱的进一步观察,可以发现一个小片段(m/z=534)与神经酰胺骨架上的额外烷基化相一致。因此,作者判断第二次甲基化更可能发生在烯丙基(pKa=13.8)上,而不是在酰胺(pKa=15.6)上。


图四、
(a) [PA+NH4]+(红色,m/z=554.3805)[PA-H](黑色,m/z=535.3431)的离子色谱(XIC)12:0/12:0(b) [PATr+NH4]+XICm/z=582.4164(c) MS显示iTrEnDi改性的PA 12:0/12:0,氨化和钠化加合物均有。(d) [PATr+NH4]+MS2

磷脂酸(PA)是两亲性脂类,可以以[M-H]-负离子方式电离,也可以以[M+ NH4]+[M+Na]+[M+H]+的正离子方式电离。最近有一些通过反相色谱分离PA的报道,反相色谱通常可以观察到较宽的洗脱峰。作者比较了[PA+NH4]+[PA-H]-离子之间提取的离子色谱图,很明显,在相同的溶剂条件下,PA在正离子模式下的电离效率大约是负离子模式的两倍(图四a)。通过iTrEnDi将磷脂酸(PA 12:0/12:0)与气体DZM衍生化得到>99%的二甲基化产物([PATr]+28 Da)<1%的单甲基化产物(+14 Da);未观察到未反应的PA[PATr]的加和离子分布包括[PATr+NH4]+ (100%)[PATr+Na]+ (12%)[PATr+H]+(7%),以及[PATr-C2H10NO4P]+的源内损失(41%)(图四bc)。总的来说,对归一化提取的离子色谱峰面积的比较显示,[PATr+NH4]+比未修饰的[PA+NH4]+增加了14倍。作者认为,色谱性能的改善归因于衍生化后PA头部基团的氢键势降低,显著减少了与HPLC的极性相互作用,并改善了对固定相的吸附。


图五、
iTrEnDiTrEnDi的比较。

为了确定原位衍生化方法与之前工作的相对有效性,对iTrEnDiTrEnDi进行了并列比较。实验采用两种方案,在PE(16:0/18:1)PC(19:0/19:0)标准溶液上进行,使用PC(11:0/11:0)作为内标。这两个方案产生甲基化产物的收率为100%,与未充分反应的脂类相比,显示了更高的质谱检测灵敏度;然而,采用iTrEnDi时,灵敏度的相对增加较低。TrEnDiiTrEnDi之间的这种增强的灵敏度差异可以归因于分析物前处理过程增加造成的样品损失。虽然这种灵敏度的相对降低提出了进一步改进和优化的机会,但iTrEnDi的优势是比TrEnDi更具吸引力,因为iTrEnDi代表了一种更安全、更简单、自动化和用户友好的衍生化策略。


图六、(a) MS分析未修饰、甲基化和乙基化PC 16:0/18:1[PC+H]+[PC+Me]+[PC+Et]+的等摩尔混合物。(b) DZE-衍生化PC 16:0/18:1MS2分析。


作者还制备了N-乙基-N-亚硝基脲(NEU),并与iTrEnDi一起用作前体试剂,在原位安全地合成重氮乙烷(DZE)DZEPC 16:0/18:1反应后,磷酸胆碱头基上增加一个乙基(28 Da)(图六a)。此外,甲基化和乙基化PC的等摩尔溶液与未修饰PC相比,灵敏度提高,并且甲基化和乙基化PC之间的灵敏度没有显著差异。乙基化PCMS2产生m/z=212.0688的产物碎片,相对丰度为100%,对应于乙基化PC头基(图六b)iTrEnDiDZMDZE一起使用,通过不同烷基的独立化学标记,对不同的生物样品进行相对定量分析。


   三、 结论

iTrEnDi衍生化产生带有固定永久正电荷的烷基化磷脂物种,从而在MS中显示出更高的灵敏度。它安全、自动化,拥有接近100%的转化产率,并代表了GPL分析物的微尺度衍生化的独特方法。使用iTrEnDi技术衍生顺利实现1类鞘脂(SM)3GPL (PCPEPA)的衍生化分析。作者相信iTrEnDi有能力成为一种通用的、自动化的、安全的工具,有可能在全球范围内被采用,并将在未来几年内通过提高MS分析灵敏度而广泛应用于脂质组学领域。



供稿:王丹

负责编辑:魏芳

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.0c04088

文章信息:Samuel W. J. Shields, Christian A. Rosales, Joshua A. Roberts, Peter J. Pallister, Karl V. Wasslen, Jeffrey M. Manthorpe, and Jeffrey C. Smith. iTrEnDi: In Situ Trimethylation Enhancement Using Diazomethane: Improved and Expanded Glycerophospholipid and Sphingolipid Analyses via a Microscale Autonomous Derivatization Platform. Anal. Chem. 2021, 93, 1084-1091.


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