基于MALDI-MS 检测的静电纺丝装置搭建与应用

姜丽艳，闫国栋，徐 阳

（吉林大学 生命科学学院，吉林 长春 130012）

兴奋剂检测是一项难度很高、责任十分重大的工作，给国际体育组织和各国政府及反兴奋剂机构带来了巨额财政负担[1]。近年来，利用分子印迹膜和质谱技术相结合，逐渐在兴奋剂检测中崭露头角，具有灵敏度高、高通量检测、可选择性、实用性等优点[2-3]。该技术需要将分子印迹膜纺丝在质谱的进样靶板上，才能完成质谱的检测。静电纺丝技术是一种利用高压静电来制备纳米纤维的方法，最大的优点是操作方便、成本低、可大批量生产，在催化剂、传感器、组织工程、食品包装和过滤防护等领域应用广泛[4-5]。将静电纺丝膜用于质谱检测兴奋剂类药品的研究还少有报道。目前市面上并没有成型的纺丝膜制备仪器，所以搭建静电纺丝膜装置，并优化静电纺丝条件是将静电纺丝膜引入质谱检测兴奋剂类药物的基础。

1 静电纺丝装置搭建与运行

1.1 静电纺丝过程及硬件组成

静电纺丝过程：装有高分子溶液的注射器连接直流高压电源；在高压电场作用下，高分子溶液在平口针头上形成“泰勒锥”，在“泰勒锥”的“锥尖”处，高分子溶液突破自身的表面张力，在高压电场作用下喷出；高分子溶液喷出后，落到接收板上并在这个过程中固化[6]。

静电纺丝模拟装置的结构示意图见图1，实物图见图2。装置包括：高压电源型号为 73030P，输入电压为DC 24 V，输出电压为0～30 kV，输入功率最大为30 W；注射泵（保定迪创电子科技有限公司，型号为LSP01-1B）；恒温恒湿箱（自制）；接收器等。各零件为自买或自制，将置为自行搭建。

1.2 分子印迹聚合物的配制

图1 静电纺丝装置的结构示意图

图2 静电纺丝装置的实物图

将克伦特罗（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，超声后，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偶氮二异丁腈（AIBN）；混合液加入100 mL 0.25%的SDS（十二烷基硫酸钠）水溶液中，加入0.8 g 十八烷稳定剂；乳液在冰浴的作用下，600 W 粉碎机超声20 min，制得细乳液；将乳液倒入250 mL 三颈瓶中，在 N2除氧，400 r/min 搅拌的作用下在 60 ℃下聚合24 h，聚合物从系统中离心分离，用乙醇洗涤；用20%的乙酸甲醇溶液索氏提取24 h，去除分子印迹模板，再用去离子水洗净，烘干即可[7-9]。

1.3 静电纺丝膜的制备

将上述得到的分子印迹聚合物材料适量加到二甲基甲酰胺（DMF）中，超声至完全溶解，再加入适当比例的聚丙烯腈(PAN，分子量为8 万或15 万)，恒温搅拌至完全均匀，采用前述的纺丝膜制备装置进行纺丝膜的制备[10]。

2 静电纺丝工艺优化

2.1 单因素优化

分别对聚丙烯腈的分子量和用量、加热温度、搅拌时间、灌注量、流速、接收距离和接收器高度进行了单因素优化实验。实验发现，最优的纺丝膜液配制：0.12 g 克伦特罗或沙丁胺醇的印迹聚合物材料，加入20 mL 的DMF 中，超声30 min 至完全溶解，再加入1.6 g PAN (分子量为8 万)，60 ℃恒温搅拌3 h。最佳的纺膜条件：电压 15 kV，灌注量 0.05 mL，流速0.005 mL/min，纺丝膜距离15 cm，接收器高度6～7 cm。静电纺丝膜的展示图见图3。

图3 静电纺丝膜展示图

2.2 静电纺丝膜的表征

图4 分子印迹复合膜的SEM 表征

扫描电镜的实验结果见图4 和图5。从图4 和图5中可以观察到，分子印迹聚合物材料已经均匀地分布于PAN 纳米纤维的网状结构中。对分子印迹复合膜进行了红外光谱的扫描，实验结果见图6，在分子印迹复合膜的红外光谱图中，2214 cm-1为—C≡≡N 的伸缩振动峰，2920 cm-1为的—C—H 伸缩振动峰，1455cm-1为—CH2的弯曲振动峰。结果表明聚合物材料为PAN。1731 cm-1为—C==O 的伸缩振动峰，证明了分子印迹聚合物成功的封装在纺丝材料中。

图5 分子印迹复合膜的SEM 表征（放大）

图6 分子印迹复合膜的红外光谱图

3 静电纺丝装置的实验教学应用

应用搭建的静电纺丝装置开设了“兴奋剂类药物检测的新方法研究”开放性创新实验。开放性创新实验是以问题为基础的研究性实验，属于实践教学体系的综合训练层次。“兴奋剂类药物检测的新方法研究”开放性创新实验主要以3 人为小组单位的形式实施。学生根据实验项目及指导教师介绍，选择实验项目；教师确认后，学生自行查阅有关质谱检测兴奋剂类药物的文献，撰写实验设计，制订实验方案；教师审批并指导实验；然后再加入利用静电纺丝膜进行兴奋剂类药物的检测实验。

3.1 实验方法

兴奋剂标准品的配制：克伦特罗乙醇溶液和沙丁胺醇水溶液，终质量浓度分别为1 g/L。实验通常采用混合点样法，即将CHCA（α-氰基-4 羟基肉桂酸）基质与克伦特罗乙醇溶液或沙丁胺醇水溶液标准品按体积比 1∶1 比例混合后，直接点在空靶板上或纺丝膜上，自然干燥，以能够在靶板上形成淡黄色雪花状结晶薄层为宜，然后进行飞行时间质谱仪检测[11-12]。

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

检测条件：采用激光能量为3000～4000 µJ，激光在样品点上随机打击50 个位置，每个位置上的激光打击次数为20。采用反射正离子检测模式，分子量设定范围为 100～600 Da。

3.2 实验结果

图7 实验结果

图7 的实验结果（M/Z为质荷比）表明，与正常的检测空靶相比，利用分子印迹复合膜检测的兴奋剂药物克伦特罗、沙丁胺醇和福莫特罗的标准液，具有背景噪声小、检测信号强的特点，测试效果明显强于空靶检测。通过兴奋剂药物的检测实验，充分体现了静电纺丝装置的有效性和实用性，可广泛推广到实验教学环节中。通过这些有效的、对比的实验教学实例，使学生积累一定的感性认识，从而提高了学生的学习效率，培养了学生的创新精神，加强了学生的科学研究意识[13-15]。仪器搭建和使用技能也是对学生的一种专业素养培训，能够提高学生的综合专业素养和自主探索能力。

4 结语

本文搭建的静电纺丝装置设计合理，安全可靠，搭建简单，实用高效。优化了静电纺丝条件，建立了稳定可用的静电纺丝工艺。目前，该装置成功地应用于MALDI-MS 检测兴奋剂类药物的实验教学中，取得了良好的教学效果，开拓了本科实践教学内容，提高了本科实践教学质量，培养和提高了学生的实验探索及开拓创新精神。通过实验探索发现，应用静电纺丝膜检测兴奋剂类药物是一种经济、快速、精确的新方法，更是一种具有深远意义的新技术。