POCT质谱应用速递｜中科院兰州化物所邱洪灯/陈佳团队实现单胺类神经递质的快速检测
近日，中国科学院兰州化学物理研究所陈佳研究员/邱洪灯研究员团队在权威期刊 Sensors and Actuators: B. Chemical 上发表题为“Rapid detection of monoamine neurotransmitters by carboxyl ionic organic crystal-functionalized paper spray mass spectrometry”的研究论文。该研究创新性地将羧基离子有机晶体(CIOC)与清谱科技直接毛细管喷雾微型质谱技术(DCS-mini MS)相结合，开发出一种适用于血浆与尿液中单胺类神经递质快速检测的新方法。该方法无需复杂前处理，仅需3 min即可完成四种关键神经递质——多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺和肾上腺素的快速定量分析，为肾上腺嗜铬细胞瘤、神经内分泌肿瘤等疾病的快速诊断提供了高灵敏、高选择性的检测工具。
研究背景
单胺类神经递质在神经调节、情绪控制及运动协调等生理过程中发挥关键作用，其浓度异常与神经内分泌肿瘤等疾病密切相关。然而，由于其在生物样本中含量极低且易受基质干扰，传统检测方法如色谱法与免疫分析法存在前处理复杂、耗时长、依赖大型设备等局限，难以满足临床即时检测的需求。尤其在床旁诊断、术中监测及急救等时效性要求高的场景中，现有方法难以实现快速反馈，制约了临床决策。
微型质谱技术具备小型化、快速化与无标记等优势，已成为POCT领域的前沿技术。然而，生物样本基质复杂、单胺神经递质浓度极低，直接检测易受干扰，难以兼顾灵敏度与选择性。因此，开发兼具“特异性富集”与“快速检测”能力的技术方案，成为突破单胺神经递质POCT瓶颈的关键。
研究方法
CIOC的合成与功能机制
通过离子自组装法，在室温下由阳离子单体DPBP-DB与阴离子单体BPTA合成羧基离子有机晶体(CIOC)。该晶体具有规整的三维超分子结构，表面富含羧基位点，可通过静电相互作用与氢键协同实现对单胺类神经递质的高选择性捕获。
纸基功能化制备
选用吸附性能优良的棉纤维纸作为基底，通过酯化反应将CIOC稳定固载于其表面，形成功能化检测纸片。表征结果显示，纸片表面成功修饰CIOC晶体，并保留了其化学识别特性。
样本处理与DCS-mini MS分析
样本提取：将功能化纸片浸入200 μL血浆或尿液中，涡旋提取3 min；
快速洗涤：使用乙腈快速清洗，有效去除蛋白质等基质干扰，同时保留目标分析物；
质谱分析：干燥后的纸片置于微型质谱仪的DCS进样器，在正离子模式下进行分析。设定喷雾电压为+4500 V，采用多反应监测扫描模式，分别监测多巴胺(m/z 154→137)、去甲肾上腺素(m/z 170→152)、5-羟色胺(m/z 177→160)和肾上腺素(m/z 184→166)的特征离子对以实现精准定量。
整个分析流程仅需3 min，无需样本稀释或其他复杂前处理。
图1. (a) DCS组件示意图；(b, c) 未修饰与CIOC功能化试纸的表征结果；(d) 未修饰与CIOC功能化试纸的的FT-IR光谱对比；(e) 单胺类神经递质提取流程
研究结果
本研究系统评估了CIOC@DCS-mini MS平台的分析性能，主要结果如下：
检测灵敏度显著提升
与未修饰纸片相比，CIOC功能化纸在血浆和尿液样本中均表现出显著的信号增强效应。在200 ng/mL标准品条件下，血浆中多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺和肾上腺素的信号分别增强7.6、3.4、4.6和5.6倍；尿液中相应增幅达10.9、4.0、6.3和7.5倍。全扫描质谱图显示，CIOC功能化纸在有效富集目标物的同时显著降低了基质背景干扰。该增强效应主要源于CIOC材料与单胺神经递质之间的静电吸引和氢键协同作用。
图2. 通过DCS-mini MS分析获取的人(a)血浆和(f)尿液中多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺、肾上腺素及异丙肾上腺素的全扫描质谱图。 未修饰试纸与CIOC功能化试纸对(b, g)多巴胺、(c, h)去甲肾上腺素、(d, i)5-羟色胺 及(e, j)肾上腺素的分析性能对比
分析方法学验证
该方法在0–500 ng/mL浓度范围内呈现良好线性关系，相关系数均大于0.9981。尿液样本中检测限为0.51–2.11 ng/mL，定量限为1.7–7.01 ng/mL；血浆样本中检测限为1.53–4.51 ng/mL，定量限为5.1–15.03 ng/mL。日内与日间精密度相对标准偏差均小于10%，加标回收率为80.1%–97.3%。CIOC功能化纸在28天内保持稳定，X射线粉末衍射验证其晶体结构未发生改变。
表1. CIOC@DCS-mini MS技术分析人血浆与尿液中单胺类神经递质的日内、日间精密度与回收率
选择性机制研究
选择性实验表明，CIOC功能化纸对天冬氨酸等氨基酸类神经递质未产生明显富集效应。分子动力学模拟与量子化学计算显示，CIOC与多巴胺、肾上腺素的结合能分别为–4.99 kcal/mol和–4.71 kcal/mol，显著低于与天冬氨酸的结合能(–2.23 kcal/mol)，从理论上验证了CIOC对单胺类神经递质的选择性识别机制。
图3. (a) CIOC与多巴胺、肾上腺素和天冬氨酸的预结合优化结构；(b) 三种分子的化学结构；(c-e) 三种分子与CIOC的相互作用模拟及吸附能对比
临床样本验证
应用本方法对兰州大学医院提供的匿名冷冻血浆和尿液样本进行直接检测，无需复杂前处理即可准确测定其中单胺类神经递质含量。检测结果与预期一致，且未观察到明显的基质抑制效应，证明该方法适用于复杂临床样本的快速分析。
研究结论
该研究发展了一种基于羧基离子有机晶体功能化纸喷雾-微型质谱（CIOC@DCS-mini MS）的分析方法。结合晶体材料的分子识别能力与微型质谱的快速分析优势，可在血浆、尿液等复杂生物样本中实现单胺类神经递质的直接、快速定量检测。该方法操作简便，无需复杂前处理，单次检测仅需约3 min，且具备高灵敏度与稳定性，检测限达纳克级，符合临床检测要求。
该方案为儿茶酚胺等单胺类神经递质相关疾病的快速筛查与诊断提供了有效工具，在床旁即时检测领域具有良好应用前景，有望推动临床转化，并为精准医疗提供技术支持。