摘要
高通量的质谱技术以及生物组织中的质谱成像对于环境健康、疾病诊疗、生物医学都至关重要。二维无机纳米材料基于其孔径效应、极大的比表面积和优异的光电化学性能，已经被广泛地应用于光电化学器件、催化降解、纳米诊疗等多个领域。当其应用于高通量质谱时，它们既可作为基质传输能量辅助质谱解吸和离子化，也可作为探针萃取富集目标分析物并进一步用于质谱分析，但其对质谱分析性能的调控，以及其应用于复杂样品时样品制备技术与质谱通量的匹配，从而真正实现复杂样品中高通量的纯化和分析都是目前亟待解决的问题。不仅如此，随着纳米材料的广泛应用，它在多种环境和生物介质中频繁检出，存在多种人体暴露途径和潜在健康风险。尽管一些二维纳米材料的环境健康效应已经引起人们的关注，但其在环境和生物介质中的降解、转化和分布仍不清晰，极大的阻碍了人们对其生物安全性的评价和环境健康效应的评估。基于此，本文以高通量质谱为工具开展了一系列关于碳/磷纳米材料的环境分析应用和环境表征的工作。在纳米材料的高通量的质谱分析应用方面，我们针对两个最核心的问题:质谱分析和样品前处理过程，不仅优化和调控了质谱的性能，研究了质谱机理，也通过简化样品前处理过程和提高它的检测通量，实现了高通量的样品前处理过程与质谱通量高度契合。而在纳米材料的质谱表征方面，不仅研究了纳米材料的分子结构、环境和生物中的降解机制，也通过其在实际生物体中的性质表征评估了纳米材料的生物安全性，为纳米材料的环境健康效应提供了理论依据。主要内容如下所示: 首先针对我们提出的质谱机理研究问题，我们通过多种功能化的石墨烯优化了纳米材料在应用于高通量质谱时的分析性能，实现了质谱性能的调控和机理的研究。石墨烯材料已经作为一种新型的基质被用于基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱(MALDI-TOFMS)分析，但影响石墨烯基质性能的因素尚未被完全了解。在本研究中，我们提出了两种独立的新方法——石墨烯的化学改性（如氧化、氟化、氨基化和羧基化）和用石墨烯与目标物共静置来调控在双离子模式下的石墨烯基质的性能。我们发现这两种方法可以显著影响质谱的信号，能够在正离子和负离子模式下深度优化石墨烯基质在MALDI-TOFMS中的性能。我们的结果证明了石墨烯在MALDI中的性能主要依赖于它固有的化学性质、自组装行为以及它与目标化合物之间的相互作用。表面增强激光解吸电离(SELDI)的应用也进一步验证了这两种调控方法的可行性。通过优化，目标化合物的检测结果具有高灵敏度和高重现性。据我们所知，这也是首次报道氨基化和羧基化的石墨烯用来作为MALDI基质。这项工作展示了为石墨烯的应用量身定制的调控的新方法，也有助于更好地理解LDI过程的机理。 接着，为了解决高通量的质谱分析中样品前处理复杂这个问题，我们结合了极具潜力的快速成型的3D打印技术。我们通过商业化的平板印刷的3D打印技术打印出来一种免基质的激光解吸电离质谱靶板，打印材料主要为光敏树脂，并且通过石墨烯的掺杂，不需要添加基质，克服了基质带来的样品前处理以及重现性差的问题。石墨烯粉末的掺杂浓度范围主要在0.1～2wt.‰，它能够有效的吸收激光并将其传递给样品，从而辅助样品解吸和离子化。该靶板能与商业化的MALDI-TOFMS兼容，在正离子和负离子模式下都可以应用。目前，我们已经成功地利用该靶板直接对多种低质量的环境污染物和多肽进行高通量分析，整个过程灵敏度高、背景噪音低、重现性高。与商业化的靶板相比，该靶板设计简单、可控、价格便宜。该工作具有极强的原创性，首次将3D打印与高通量质谱进行结合，对相关领域的研究具有重要的意义。 然后，针对我们提出的应用于复杂样品时样品制备技术与质谱通量的匹配问题，我们应用模块化的思维，设计并打印了多通道高通量的样品纯化系统，解决了目前前处理过程通量低这个卡脖子的问题。该系统通过嵌入有序介孔碳和石墨烯材料可直接应用于快速且高通量的纯化和分析复杂的环境和生物样品中的痕量污染物。我们的系统包括装置支架、萃取模块、过滤模块、样品收集模块四个部分，各个模块间通过连接通道连接，并通过塞子控制样品的流通，装置支架用于支撑和固定各个模块。该装置可同时排列组合多个模块实现同时对多个复杂的环境及生物样品进行前处理，并且所需样品量极小，可以实现小分子化合物的快速、高通量且高灵敏度检测。我们的系统将样品前处理与质谱检测模块化，真正实现了高通量的样品纯化过程与质谱分析的高度契合，不仅节省了样品准备时间，简化了操作步骤，也提高了检测效率。 另一方面，在高通量质谱的纳米表征新技术方面，我们基于质谱技术在纳米材料的表征和降解转化方面做了多项工作，首先，我们基于双离子模式下的LDI-MS追溯了复杂生物样品中的黑磷(BP)，对其进行了分子表征。结果表明，无论是在正离子模式还是负离子模式下，所选的BP都具有典型的本征磷簇（Pn+或Pn-）指纹峰，从而证明了本方法的可行性。该方法不需要任何基质即可直接检测BP，简化了操作，缩短了样品制备时间，显著提高了检测效率。不仅如此，该方法还克服了传统基质分析中经常遇到的热点问题，从而具有极高的重现性。检测限可达ppt，甚至低于ppt水平。由于该方法具有分析速度快、高通量、高效、灵敏等显著的优点，因此已成功应用于复杂植物根系提取物和动物组织样品中BP的高通量快速的定量和筛查中。 材料转化的分子机理研究为材料表征技术提出了新的要求，也是该领域面临的巨大挑战。因此，我们通过质谱指纹法揭示了BP在环境中降解的分子机制。BP作为一种有潜力的二维纳米材料，它的环境稳定性严重阻碍了它的应用。但是，到目前为止，BP的降解机理仍不清楚。在这里，我们通过LDI-MS指纹分析，无需化学标记就揭示了BP的降解途径。基于BP在LDI-MS中特征的磷簇（Pn+或Pn-）指纹峰，我们发现可以通过提供有关中间体和产物的大量质谱信息来监控BP材料的降解过程。值得注意的是，通过使用LDI-MS指纹图谱，我们发现了直接氧化途径之外的新的BP降解途径，即氮(N2)加成氧化。我们的结果不仅使人们能够深入了解BP的化学不稳定性，而且更重要的是，它展示了一个新的强大的可用于检测和表征材料转化的平台。 我们进一步基于质谱成像追溯了黑磷在生物体内的分布和代谢，评估了它在实际生物体中的生物安全性和毒性。由于BP出色的理化特性，它在生物医学、生物传感、光热/光动力疗法、诊断和生物工程学方面显示出巨大的潜力。然而，由于缺乏有效的分析工具及其本身极差的稳定性，BP在生物体内的分布、转化、代谢和归趋等都还未知。为了解决这个问题，我们使用免标记的LDl-MS和其成像技术来研究了肿瘤小鼠中BP的分布、转化、代谢和归趋。通过LDI-TOFMS，我们在六种不同器官和肿瘤组织中都发现了BP并对其进行了定量。而进一步的质谱指纹图谱则表明了BP在体内的转化和代谢途径。在这过程中，我们发现BP不仅能在体内降解产生氧化产物，而且能产生氮化产物。据我们所知，这是首次在体内发现BP的氮化降解。LDI-MS成像则表明BP的降解和代谢产物具有不同的分布区域。BP及其氮化产物分布在肾脏的外皮，而其氧化产物主要存在于髓质间，这表明BP在肾脏外皮质逐渐降解然后释放到髓质中。24小时后，BP及其代谢产物累积在脾脏和肝脏中。进一步的精细分布质谱成像图（空间分辨率为10μm）表明BP在肝组织中以肝小叶为中心呈放射状排列。值得注意的是，我们还观察到BP及其代谢物具有跨血脑屏障进入小鼠脑实质的能力，表明其在神经毒性毒理学研究中的潜力。基于BP及其代谢产物的动态变化和分布过程，我们推测了BP在肿瘤小鼠体内的代谢途径。简而言之，这项工作不仅揭示了BP在体内的分布、转化和代谢机制，而且为评估BP纳米片的生物安全性和健康影响提供了实用的工具。 而除了通过质谱表征合成材料，我们也表征了日常生活和工业生产中产生的一些纳米材料，实现了从纳米材料的生物安全性评估到真正的环境健康风险研究。BC颗粒是常见的通过生物质和化石燃料不完全燃烧产生的，传统上被认为是惰性的，可以抵抗生物消化或降解。在这里，我们首次发现胰蛋白酶在温和的条件下可以降解BC颗粒。由于胰蛋白酶是人体中重要的食物消化酶，因此该项工作有利于人体中的健康风险研究。在这项工作中，CB被用作典型的BC。结合多种技术，一系列降解产物已被鉴定出来，BC的降解率高达95％及以上。多维质谱指纹图谱揭示了BC颗粒的转化途径，包括常见的氧化途径和本工作首次发现的氮化途径，可用于追溯BC的生物转化过程，并提供了一种清除BC颗粒从而减少其环境和生物持久性的方法。基于胰蛋白酶降解BC的特殊能力，我们提出了一种新的胰蛋白酶去除BC污染的方法，极大地扩展了胰蛋白酶的应用。 总之，本论文以高通量质谱为工具开展了一系列关于纳米材料的环境分析应用和环境表征的工作，首先研究了多种石墨烯材料在质谱分析应用方面的潜力，从而调控了质谱的性能，揭示了其作为质谱基质和探针的分子机理，并结合3D打印技术将石墨烯和有序介孔碳嵌入样品制备和质谱分析过程从而实现了高通量的样品前处理和免基质的质谱分析。我们进一步开发了包括BP和BC在内的多种纳米材料的质谱表征新技术，揭示了它们在环境和生物中降解的分子机制，并通过质谱成像研究了它们在小鼠中的分布和代谢规律。本研究工作为纳米材料的高通量质谱应用及其环境暴露和健康风险评估提供了新思路。
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