基于MALDI-MS 檢測的靜電紡絲裝置搭建與應用

姜麗艷，閆國棟，徐 陽

（吉林大學 生命科學學院，吉林 長春 130012）

興奮劑檢測是一項難度很高、責任十分重大的工作，給國際體育組織和各國政府及反興奮劑機構帶來了巨額財政負擔[1]。近年來，利用分子印跡膜和質譜技術相結合，逐漸在興奮劑檢測中嶄露頭角，具有靈敏度高、高通量檢測、可選擇性、實用性等優點[2-3]。該技術需要將分子印跡膜紡絲在質譜的進樣靶板上，才能完成質譜的檢測。靜電紡絲技術是一種利用高壓靜電來制備納米纖維的方法，最大的優點是操作方便、成本低、可大批量生產，在催化劑、傳感器、組織工程、食品包裝和過濾防護等領域應用廣泛[4-5]。將靜電紡絲膜用于質譜檢測興奮劑類藥品的研究還少有報道。目前市面上并沒有成型的紡絲膜制備儀器，所以搭建靜電紡絲膜裝置，并優化靜電紡絲條件是將靜電紡絲膜引入質譜檢測興奮劑類藥物的基礎。

1 靜電紡絲裝置搭建與運行

1.1 靜電紡絲過程及硬件組成

靜電紡絲過程：裝有高分子溶液的注射器連接直流高壓電源；在高壓電場作用下，高分子溶液在平口針頭上形成“泰勒錐”，在“泰勒錐”的“錐尖”處，高分子溶液突破自身的表面張力，在高壓電場作用下噴出；高分子溶液噴出后，落到接收板上并在這個過程中固化[6]。

靜電紡絲模擬裝置的結構示意圖見圖1，實物圖見圖2。裝置包括：高壓電源型號為 73030P，輸入電壓為DC 24 V，輸出電壓為0～30 kV，輸入功率最大為30 W；注射泵（保定迪創電子科技有限公司，型號為LSP01-1B）；恒溫恒濕箱（自制）；接收器等。各零件為自買或自制，將置為自行搭建。

1.2 分子印跡聚合物的配制

圖1 靜電紡絲裝置的結構示意圖

圖2 靜電紡絲裝置的實物圖

將克倫特羅（0.4 mmol）或沙丁胺醇（0.5 mmol）和甲基丙烯酸（MAA，0.5 mmol）溶解在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中，超聲后，加入二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA，8 mmol），苯乙烯（1.0 mL）和 0.05 g偶氮二異丁腈（AIBN）；混合液加入100 mL 0.25%的SDS（十二烷基硫酸鈉）水溶液中，加入0.8 g 十八烷穩定劑；乳液在冰浴的作用下，600 W 粉碎機超聲20 min，制得細乳液；將乳液倒入250 mL 三頸瓶中，在 N2除氧，400 r/min 攪拌的作用下在 60 ℃下聚合24 h，聚合物從系統中離心分離，用乙醇洗滌；用20%的乙酸甲醇溶液索氏提取24 h，去除分子印跡模板，再用去離子水洗凈，烘干即可[7-9]。

1.3 靜電紡絲膜的制備

將上述得到的分子印跡聚合物材料適量加到二甲基甲酰胺（DMF）中，超聲至完全溶解，再加入適當比例的聚丙烯腈(PAN，分子量為8 萬或15 萬)，恒溫攪拌至完全均勻，采用前述的紡絲膜制備裝置進行紡絲膜的制備[10]。

2 靜電紡絲工藝優化

2.1 單因素優化

分別對聚丙烯腈的分子量和用量、加熱溫度、攪拌時間、灌注量、流速、接收距離和接收器高度進行了單因素優化實驗。實驗發現，最優的紡絲膜液配制：0.12 g 克倫特羅或沙丁胺醇的印跡聚合物材料，加入20 mL 的DMF 中，超聲30 min 至完全溶解，再加入1.6 g PAN (分子量為8 萬)，60 ℃恒溫攪拌3 h。最佳的紡膜條件：電壓 15 kV，灌注量 0.05 mL，流速0.005 mL/min，紡絲膜距離15 cm，接收器高度6～7 cm。靜電紡絲膜的展示圖見圖3。

圖3 靜電紡絲膜展示圖

2.2 靜電紡絲膜的表征

圖4 分子印跡復合膜的SEM 表征

掃描電鏡的實驗結果見圖4 和圖5。從圖4 和圖5中可以觀察到，分子印跡聚合物材料已經均勻地分布于PAN 納米纖維的網狀結構中。對分子印跡復合膜進行了紅外光譜的掃描，實驗結果見圖6，在分子印跡復合膜的紅外光譜圖中，2214 cm-1為—C≡≡N 的伸縮振動峰，2920 cm-1為的—C—H 伸縮振動峰，1455cm-1為—CH2的彎曲振動峰。結果表明聚合物材料為PAN。1731 cm-1為—C==O 的伸縮振動峰，證明了分子印跡聚合物成功的封裝在紡絲材料中。

圖5 分子印跡復合膜的SEM 表征（放大）

圖6 分子印跡復合膜的紅外光譜圖

3 靜電紡絲裝置的實驗教學應用

應用搭建的靜電紡絲裝置開設了“興奮劑類藥物檢測的新方法研究”開放性創新實驗。開放性創新實驗是以問題為基礎的研究性實驗，屬于實踐教學體系的綜合訓練層次。“興奮劑類藥物檢測的新方法研究”開放性創新實驗主要以3 人為小組單位的形式實施。學生根據實驗項目及指導教師介紹，選擇實驗項目；教師確認后，學生自行查閱有關質譜檢測興奮劑類藥物的文獻，撰寫實驗設計，制訂實驗方案；教師審批并指導實驗；然后再加入利用靜電紡絲膜進行興奮劑類藥物的檢測實驗。

3.1 實驗方法

興奮劑標準品的配制：克倫特羅乙醇溶液和沙丁胺醇水溶液，終質量濃度分別為1 g/L。實驗通常采用混合點樣法，即將CHCA（α-氰基-4 羥基肉桂酸）基質與克倫特羅乙醇溶液或沙丁胺醇水溶液標準品按體積比 1∶1 比例混合后，直接點在空靶板上或紡絲膜上，自然干燥，以能夠在靶板上形成淡黃色雪花狀結晶薄層為宜，然后進行飛行時間質譜儀檢測[11-12]。

CHCA 基質的配制方法：8 mg CHCA 基質溶于1 mL 含0.1%三氟乙酸的50%乙腈水溶液中。

檢測條件：采用激光能量為3000～4000 μJ，激光在樣品點上隨機打擊50 個位置，每個位置上的激光打擊次數為20。采用反射正離子檢測模式，分子量設定范圍為 100～600 Da。

3.2 實驗結果

圖7 實驗結果

圖7 的實驗結果（M/Z為質荷比）表明，與正常的檢測空靶相比，利用分子印跡復合膜檢測的興奮劑藥物克倫特羅、沙丁胺醇和福莫特羅的標準液，具有背景噪聲小、檢測信號強的特點，測試效果明顯強于空靶檢測。通過興奮劑藥物的檢測實驗，充分體現了靜電紡絲裝置的有效性和實用性，可廣泛推廣到實驗教學環節中。通過這些有效的、對比的實驗教學實例，使學生積累一定的感性認識，從而提高了學生的學習效率，培養了學生的創新精神，加強了學生的科學研究意識[13-15]。儀器搭建和使用技能也是對學生的一種專業素養培訓，能夠提高學生的綜合專業素養和自主探索能力。

4 結語

本文搭建的靜電紡絲裝置設計合理，安全可靠，搭建簡單，實用高效。優化了靜電紡絲條件，建立了穩定可用的靜電紡絲工藝。目前，該裝置成功地應用于MALDI-MS 檢測興奮劑類藥物的實驗教學中，取得了良好的教學效果，開拓了本科實踐教學內容，提高了本科實踐教學質量，培養和提高了學生的實驗探索及開拓創新精神。通過實驗探索發現，應用靜電紡絲膜檢測興奮劑類藥物是一種經濟、快速、精確的新方法，更是一種具有深遠意義的新技術。