GALDI-FT-ICR-MS方法在木聚糖寡聚物分析中的应用开发

《Biological Psychiatry Global Open Science》：Development of GALDI-FT-ICR-MS Methods for the Analysis of Xylan Oligomers

可溶性和不可溶性木聚糖成分的GALDI-FT-ICR-MS表征方法开发及结构验证。

　　本研究由Klara Sander、Jan Zuber、Erica Brendler和Carla Vogt四位科学家共同完成，其工作单位为德国弗莱堡工业大学的分析化学研究所。研究团队致力于开发一种新的分析方法，以用于表征木聚糖的可溶性与不可溶性成分，从而为生物基材料的高效利用提供理论支持与实验依据。木聚糖是植物纤维素中高度丰富的半纤维素之一，被认为是替代化石资源的重要生物聚合物。因此，深入了解其结构与性质对于实现其在多个领域的广泛应用至关重要。

### 木聚糖的结构与特性

木聚糖是植物细胞壁中常见的多糖类物质，其主链通常由β-D-木糖单体通过β-1,4-糖苷键连接而成。此外，主链还可能含有其他糖基或其衍生物，如阿拉伯糖、葡萄糖酸和4-O-甲基葡萄糖酸等，这些取代基的存在使得木聚糖在结构上呈现出高度的多样性。根据其主链的取代模式，木聚糖可分为同木聚糖、阿拉伯糖基木聚糖、葡萄糖醛酸木聚糖以及阿拉伯糖基葡萄糖醛酸木聚糖等类型。其中，来源于硬木的木聚糖，如本研究中所使用的桦木木聚糖，通常在木糖单体的C2位置含有4-O-甲基葡萄糖酸取代基，因此被归类为葡萄糖醛酸木聚糖。此外，其主链还可能部分发生乙酰化，这一特性在硬木木聚糖中较为常见。

木聚糖具有广泛的潜在应用价值，包括在化学工业中作为生产基本化学品如糠醛、乙醇或乳酸的原料，在制药工业中作为药用辅料，以替代传统的纤维素基材料，因为木聚糖可被人体消化；在生物燃料、纳米材料和水凝胶等其他研究领域中也具有重要的研究价值。然而，由于木质纤维素生物质的复杂性，以及木聚糖组成和结构的可变性，其结构表征面临一定的挑战。因此，为了充分挖掘木聚糖的潜力并发现其新的应用领域，必须对其结构有更深入的理解。

### 分析方法的开发

为了应对上述挑战，本研究采用了一种基于石墨辅助激光解吸/电离（GALDI）与傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）结合的技术，用于对桦木木聚糖的结构进行表征。这种方法在生物大分子的分析中具有独特的优势，尤其是在对复杂样品的处理方面。GALDI-FT-ICR-MS不仅能够提供高分辨率的质谱数据，还能够通过优化的样品制备方法，有效分离和鉴定木聚糖的可溶性和不可溶性成分。研究团队在实验中对液态和固态两种分析模式进行了优化，并结合红外（IR）与核磁共振（NMR）光谱技术，以获取更全面的结构信息。

在液态分析中，桦木木聚糖样品被提取并悬浮于二甲基亚砜（DMSO）中，优化后的提取条件包括15分钟的超声波处理、30°C的温度以及10 g/L的样品浓度。对于固态分析，研究团队采用了一种1:10（质量比）的样品与石墨混合方法，并选择合适的溶剂体系（如THF与DMSO的混合物）以提高离子化效率。通过调整这些关键参数，研究团队成功地获得了高质量的质谱数据，并验证了这些方法在木聚糖分析中的适用性。

### 实验结果与讨论

通过GALDI-FT-ICR-MS的分析，研究团队发现正负离子模式在木聚糖的结构表征中具有不同的表现。在负离子模式下，所获得的信号范围更广，主要集中在200至2200 Da之间，而在正离子模式下，信号范围则相对较小，主要集中在200至1700 Da之间。这一现象与不同离子化模式下质谱仪的飞行时间（TOF）设置密切相关，负离子模式的TOF较长，因此能够检测到更复杂的分子结构。此外，正离子模式下，信号强度普遍较高，这可能是由于木聚糖更容易形成钠离子加合物（[M+Na]?）而不是通过去质子化形成负离子（[M–H]?）。

为了进一步评估不同分析方法的稳定性与重复性，研究团队计算了相对标准偏差（RSD）值，并发现所有四种方法的RSD均低于10%，表明其在不同条件下具有较高的重复性。然而，在正离子模式下，部分分子的信号强度表现出较大的波动，尤其是在含酸性取代基的分子中，其信号强度相对较低，而在未取代的分子中则较高。这一现象表明，不同的分子结构对离子化效率的影响是显著的，因此在进行木聚糖的结构分析时，同时采用正负离子模式能够提供更全面的信息。

此外，研究团队利用RKM-m/z图（基于Kendrick质量缺陷的变种）对不同木聚糖寡聚物系列进行了分类。这些图谱能够清晰地展示出不同分子在质量数上的分布规律，从而帮助研究者识别出具有相似结构的分子。研究结果表明，桦木木聚糖的分子具有高度的多样性，其结构可能包含不同的取代基，如4-O-甲基葡萄糖酸和乙酰基，这些取代基的存在导致了不同分子在质量数和RKM值上的差异。

为了进一步验证质谱结果，研究团队还进行了红外和核磁共振分析。红外光谱显示了木聚糖中羟基（ν(O–H)）的伸缩振动，以及C–H伸缩振动和β-1,4-糖苷键的变形振动。这些信号支持了木聚糖主链的结构特征，包括其可能的乙酰化和4-O-甲基葡萄糖酸取代基的存在。核磁共振光谱则提供了更详细的分子结构信息，例如木糖单体的环状碳原子在化学位移中的分布，以及可能的酯基和甲氧基信号。这些结果与质谱分析高度一致，进一步确认了桦木木聚糖的结构特征。

### 结论与展望

本研究成功开发了适用于桦木木聚糖结构表征的液态和固态GALDI-FT-ICR-MS分析方法，并通过实验验证了这些方法的有效性。研究结果表明，正负离子模式在木聚糖的结构分析中均发挥着重要作用，因此在实际应用中，应同时采用这两种模式以获得更全面的结构信息。此外，研究团队发现，无需进行初步的木聚糖提取即可进行固态分析，这为简化实验流程提供了可能。

本研究不仅有助于理解桦木木聚糖的结构特性，还为木聚糖及其衍生材料的高效利用提供了新的分析工具。通过这些方法，可以更快速地识别木聚糖的结构组成，从而推动其在化学、制药、材料科学等领域的应用。未来的研究将进一步探索这些方法在不同来源木聚糖样品中的适用性，并验证其在其他半纤维素分析中的潜力。研究团队希望，这些分析方法能够成为生物聚合物研究的重要手段，为实现可再生资源的可持续利用提供支持。