摩擦纳米发电机（TENG）驱动的激光烧蚀电喷雾电离（LAESI）实现中性脂质电离和原位双键定位

《Journal of the American Society for Mass Spectrometry》：Triboelectric Nanogenerator-Driven Laser Ablation Electrospray Ionization Enables Neutral Lipid Ionization and in Situ Double-Bond Localization

　　

环境电离质谱包含多种技术，其中许多技术可用于分析生物样品中的脂质。研究人员报告了一种摩擦纳米发电机（TENG）驱动的激光烧蚀电喷雾电离（LAESI）平台的开发，这是一种用于直接分析脂质混合物的新型环境电离方法。由于脂质的结构多样性，详细的脂质结构注释仍然具有挑战性。先前的研究表明，TENG驱动的双纳米电喷雾电离（nESI）和大气压化学电离（APCI）机制有助于定位脂质双键。在本研究中，研究人员将红外（IR）激光烧蚀与TENG nESI（TENG-LAESI）相结合。这种新型电离平台能够烧蚀和电离中性脂质，包括胆固醇及其衍生物、不饱和脂肪酸和复杂的脂质混合物。快速质谱（MS）分析揭示了每个TENG脉冲内的不同电离状态，并提供了各种甾醇物种的时间分辨率。关键的是，APCI阶段驱动脂肪酸双键的环氧化，产生诊断性碎片模式，使得通过串联质谱（MS/MS）实验无需试剂即可分配双键位置，无需化学衍生化。最后，研究人员创建了一种新型TENG装置，并与现有设计进行了比较，显示出更高的环氧化效率和电离潜力。这些实验证明了TENG-LAESI在结构脂质注释方面的分析潜力，并为其未来发展为空间分辨环境MS成像平台奠定了基础。

论文解读文章

**研究背景与动机**

环境电离质谱（ambient ionization mass spectrometry）是一类无需或仅需极少样品预处理即可在自然状态下分析样品的技术。自解吸电喷雾电离（DESI）和实时直接分析（DART）问世以来，该领域在生物标志物发现、环境分析、代谢组学和脂质组学中得到了广泛应用。然而，脂质因其庞大的结构多样性（包括sn-1/sn-2异构和双键位置异构）给详细的结构注释带来了巨大挑战。传统碰撞诱导解离（CID）提供的碎片信息有限，难以区分双键位置。现有方法如臭氧分解或Paterno-Büchi衍生化虽能定位双键，但需使用腐蚀性臭氧气体或多步样品制备，存在安全性和操作复杂性。近年，研究人员利用大面积摩擦纳米发电机（TENG）电源诱导的双电喷雾电离（ESI）/大气压化学电离（APCI）模式，实现了无试剂脂肪酸双键环氧化，为空间分辨脂质分析提供了新思路。在此基础上，本研究将红外激光烧蚀与TENG驱动的纳米电喷雾电离（nESI）结合，开发了TENG-LAESI平台，旨在解决中性脂质电离困难和原位双键定位问题。

**研究内容与结论**

研究人员设计并构建了TENG-LAESI电离平台，将其耦合到高采集速率、高分辨多反射飞行时间（MRT）质谱仪和Thermo ID-X Tribrid Orbitrap质谱仪上。通过分析脂质标准品（胆固醇、反式油酸、亚油酸等）和复杂生物基质（大鼠脑组织切片、黄油、巧克力蜡），验证了平台对中性脂质的电离能力和双键定位能力。结论如下：TENG-LAESI能够有效电离胆固醇等传统ESI难以电离的中性脂质；TENG脉冲内存在时序电离状态，胆固醇在脉冲起始和结束阶段（单喷ESI模式）电离最强，而在中段（APCI阶段）氧化和高度不饱和甾醇物种占优；APCI阶段产生的活性氧物种（ROS）可自发环氧化脂肪酸双键，通过串联质谱（MS/MS）获得诊断碎片，实现无试剂双键定位；新开发的圆柱形TENG相比传统滑动式TENG具有更高的环氧化效率和电离潜力。该研究为空间分辨脂质成像奠定了基础，论文发表在《Journal of the American Society for Mass Spectrometry》。

**主要关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：（1）TENG电源：滑动式TENG（聚氨酯涂层电极与聚四氟乙烯（PTFE）摩擦，Arduino控制步进电机）和新型圆柱形TENG（3D打印转子与PTFE套筒接触，四电极结构）；（2）红外激光烧蚀：Opolette 2731光学参量振荡器（OPO）激光器（2940 nm，7 ns脉冲，20 Hz，峰值能量2.5 mJ/脉冲，光斑约50 μm，激光通量约127 J/cm²）；（3）纳米电喷雾电离（nESI）：玻璃毛细管拉制为5–10 μm尖端，连接TENG高压输出；（4）质谱分析：Waters Select MRT（质量分辨率160,000 fwhm，精度3.1 ppm，飞行路径48 m）和Thermo ID-X Tribrid Orbitrap（分辨率120,000 fwhm）用于MS¹、MS²和MS³实验。样本来源包括脂质标准品（Sigma-Aldrich、Avanti Research）、健康大鼠脑组织切片（12 μm厚）、盐黄油和巧克力蜡涂层。

**研究结果**

**源优化与TENG脉冲电离机制**：通过调整激光光路、nESI发射器位置和质谱入口距离，确立了最佳几何构型（nESI喷头垂直于样品平面，距样品5 mm，距入口10 mm）。TENG每个脉冲周期内观察到四种电离模式：单喷ESI（电压上升）、APCI样电晕放电（峰值电压，产生H₃O⁺、羟基自由基等活性物种）、多喷ESI（峰值后）和喷雾结束。利用MRT的快速扫描能力（0.05 s/scan），研究人员解析了单个TENG脉冲（约2 Hz）内8次扫描的时序变化。胆固醇（[M-H₂O+H]⁺，m/z 369.35）在脉冲开始和结束扫描中丰度最高，而氧化和高度不饱和甾醇物种（如ST(27:3; O)）在中间扫描占优，证明APCI阶段是氧化主要机制。该平台成功电离了胆固醇标准品，并观察到胆固醇在TENG-LAESI中为基峰。

**复杂基质中的脂质分析**：在大鼠脑组织切片、盐黄油和巧克力蜡涂层中，TENG-LAESI均获得了丰富的脂质信号，主要分布在甘油二酯（DG）和甘油三酯（TG）的m/z区域。通过精确质量匹配（MS¹）进行了初步注释，证实平台适用于复杂生物样品，无需额外衍生化。

**脂肪酸双键定位**：对反式油酸（FA(18:1)）和亚油酸（FA(18:2)）标准品进行负离子模式分析。反式油酸的全扫描谱中基峰为[M-H]^?（m/z 281.2490），同时观察到环氧化加合物[M+O-H]^?（m/z 297.2438）。MS²碎裂产生诊断碎片m/z 183.0和199.1（中性丢失C₇H₁₄），确认双键位于Δ11。亚油酸全扫描谱中观察到单环氧化[M+O-H]^?和双环氧化[M+2O-H]^?（m/z 311.2232）。MS²碎片m/z 155.1和171.1（中性丢失C₆H₁₂）及m/z 211.1和195.1（中性丢失C₉H₁₆）分别对应Δ12和Δ9双键。环氧化过程在TENG电离过程中自发发生，无需外加试剂或反应池。

**圆柱形TENG性能**：新开发的圆柱形TENG（转速80–800 rpm，频率1.3–14.0 Hz）与滑动式TENG比较。在亚油酸分析中，圆柱形TENG在高速（约600 rpm）下产生[M+O-H]^?/[M-H]^? = 5.1% 和 [M+2O-H]^?/[M-H]^? = 7.4%，总环氧化比例12.5%；低速（约150 rpm）下分别为7.7%和3.2%，总比例10.9%。滑动式TENG仅产生3.7%和1.6%，总比例5.3%。圆柱形TENG在高速下更有利于双环氧化，总体环氧化效率显著提高，且二聚体丰度更高。

**结论与讨论**

本研究证明了TENG-LAESI平台在质谱实验中提升脂质注释深度的可行性和有效性。成功电离了包括胆固醇在内的多种难电离中性脂质；通过超快MRT质谱解析了TENG脉冲内时序电离行为；利用电晕放电驱动的脂肪酸双键环氧化，通过简单MS/MS实验即可实现无试剂双键定位。该工作首次将TENG环氧化策略应用于激光烧蚀离子源，为构建完整的TENG-LAESI质谱成像（MSI）平台奠定了基础。圆柱形TENG几何结构提供了对环氧化效率的更强控制，有望将双键定位扩展到更难电离的脂质类别，拓宽分析范围。研究结论部分翻译如下：本工作展示了TENG-LAESI平台在质谱实验中的可行性和有效性，其在提升脂质注释深度方面具有潜力。成功电离了多种脂质标准品，包括典型ESI难以电离的胆固醇。将离子源与超快Waters MRT联用，实现了对每个TENG脉冲的详细解析，揭示了胆固醇在脉冲起始和结束阶段最易电离，而氧化和高度不饱和胆固醇物种在电晕放电阶段占优。利用电晕放电驱动的脂肪酸双键环氧化，提供了碎片位点，通过简单的MS/MS实验即可阐明双键位置。虽然TENG驱动的环氧化用于脂质注释已有报道，但本工作首次将其应用于激光烧蚀离子源，为完整的TENG-LAESI MSI平台奠定了基础。这些概念验证实验证明了该方法在生物组织空间分辨脂质分析中的潜力，这将是未来工作的方向。最后，本文引入的圆柱形TENG几何结构为更好地控制环氧化效率提供了有希望的途径，可能将双键定位扩展到更少可电离的脂质类别，从而拓宽平台的分析范围。