本研究由来自美国普渡大学（Purdue University）化学系的Caitlin E. Randolph、Connor H. Beveridge、Sanjay Iyer、Scott A. McLuckey和Gaurav Chopra*，以及澳大利亚昆士兰科技大学（Queensland University of Technology）的Stephen J. Blanksby共同完成，成果于2022年10月11日发表在《Journal of the American Society for Mass Spectrometry》（J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2022, 33, 2156−2164）上。该研究聚焦于脂质组学领域，旨在解决支链脂肪酸（branched-chain fatty acids, BCFAs）结构解析的技术难题，开发了一种结合液相色谱串联质谱（liquid chromatography tandem mass spectrometry, LC-MS/MS）与电荷转换化学（charge-switching chemistries）的创新方法。

学术背景

支链脂肪酸（BCFAs）是脂质的重要结构亚类，在细菌脂质组中占比高达75%，也存在于人体特定组织（如眼睑睑板腺分泌物和新生儿皮脂中）。其结构多样性（如甲基分支位置差异）导致传统质谱方法难以区分异构体，尤其是直链与iso/anteiso支链异构体。现有技术如气相色谱-质谱联用（GC-MS）需衍生化预处理且依赖标准品，而常规电喷雾电离质谱（ESI-MS）对碳链断裂的解析能力有限。因此，本研究提出通过电荷反转策略结合碰撞诱导解离（CID），实现无需标准品的支链脂肪酸结构鉴定。

研究流程与方法

研究分为气相离子/离子反应和液相色谱-质谱联用两大技术路线：

1. 气相离子/离子反应实验

   • 研究对象：合成标准品包括直链脂肪酸（FA 15:0）、anteiso支链脂肪酸（FA 14:0(12me)）和iso支链脂肪酸（FA 14:0(13me)），以及磷脂酰胆碱（PC 16:0/14:0(12me)和PC 16:0/14:0(13me)）。
     
   • 关键步骤：
     
     • 电荷反转：将去质子化脂肪酸阴离子（[FA − H]⁻）与双-三联吡啶镁二价阳离子（[MgTerpy₂]²⁺）通过离子/离子反应转化为[FA − H + MgTerpy]⁺复合阳离子。
       
     • 结构解析：对复合阳离子进行CID，产生特征性碎片离子谱。例如，anteiso支链在分支点附近（如m/z 454）出现丰度抑制，而直链和iso支链谱图相似，需结合保留时间区分。
       
     • 自上而下分析：从磷脂前体（如PC）释放脂肪酸链，通过多级质谱（MSⁿ）实现头基、酰基链组成及sn-位点的全面鉴定。
       

2. 液相色谱-质谱联用实验

   • 色谱分离：采用C18反相色谱柱，以甲醇/水-乙酸梯度洗脱，实现FA 14:0(12me)、FA 14:0(13me)和FA 15:0的基线分离（保留时间差达3分钟）。
     
   • 柱后衍生化：在色谱流出液中在线注入[MgTerpy₂]²⁺试剂，生成[FA − H + MgTerpy]⁺复合物，随后通过三重四极杆质谱的CID获得碎片谱。此方法避免了复杂样品中异构体的共洗脱干扰。
     

主要结果

1. 气相电荷反转的区分能力：

   • anteiso支链（FA 14:0(12me)）在分支点（C12）附近的碎片离子（m/z 468）丰度显著降低，而相邻键（C11-C12和C13-C14）断裂产物（m/z 440和468）丰度较高，形成诊断性谱图模式。
     
   • iso支链（FA 14:0(13me)）与直链（FA 15:0）的CID谱高度相似，需依赖保留时间或标准品辅助鉴定。
     

2. 磷脂分析的适用性：

   • 从PC 16:0/14:0(12me)释放的[14:0(12me) − H]⁻经电荷反转后，其CID谱与非酯化FA一致，验证了该方法对复杂脂质的兼容性。
     

3. 液相方法的优势：

   • 柱后衍生化结合LC-MS/MS可同时区分直链与支链异构体，且无需水解磷脂前体。例如，FA 14:0(12me)的m/z 468碎片可作为anteiso分支的标志物。
     

结论与价值

本研究的意义体现在：
1. 科学价值：首次将电荷转换化学与LC-MS/MS结合，实现了支链脂肪酸的从头解析（de novo assignment），突破了传统方法对标准品的依赖。
2. 技术创新：
- 气相离子/离子反应提供了高特异性的结构诊断碎片；
- 液相柱后衍生化策略简化了复杂混合物的分析流程。
3. 应用前景：该方法可拓展至细菌脂质组学、疾病相关脂质代谢研究（如神经退行性疾病中支链脂肪酸的毒性作用）。

研究亮点

1. 高特异性：通过电荷反转CID谱的规律性碎片模式，实现anteiso分支的准确定位。
   
2. 多模态兼容性：既可单独用于气相分析，也可与液相色谱联用提升复杂样本的通量。
   
3. 标准化潜力：碎片规律可算法化，支持高通量脂质结构数据库的构建。
   

其他价值

研究还指出，未来可进一步优化色谱条件以分析更多双键或环丙烷修饰的脂质，并探索电荷反转试剂对其他脂质类别（如鞘脂）的适用性。