Научное приборостроение, 2019, том 29, № 2

ISSN 0868–5886          
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2, c. 5–11

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ  ДЛЯ  БИОЛОГИИ  

И  МЕДИЦИНЫ

5

УДК 602.42

 О. А. Кельциева, Ю. Д. Колпакова, М. Н. Краснов, М. З. Мурадымов, Н. Г. Суходолов, 
Н. В. Краснов, Е. П. Подольская, 2019

МОДИФИКАЦИЯ  MALDI-МИШЕНИ  НАНОЧАСТИЦАМИ

ПРИ  ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИИ СУСПЕНЗИИ 

ОКСИДА ЖЕЛЕЗА(III) В НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Предложен способ модификации мишени для МАLDI-МS-анализа, позволяющий селективно выделять аналиты из биологических образцов непосредственно на поверхности мишени, как альтернатива классическим 
методам. Для модификации мишени суспензию металл-аффинного сорбента на основе оксида железа(III) 
в 50% водно-метанольном растворе электрораспыляли в бескапельном режиме c динамическим делением 
потока жидкости при атмосферном давлении в нормальных условиях. МАLDI-мишень выступала в качестве 
противоэлектрода. На МАLDI-мишень наносился слой сорбента в виде пятна, частицы которого в дальнейшем устойчивы к воздействию растворителей. На модифицированной МАLDI-мишени проводилось 
металл-аффинное обогащение фосфорилированного пептида с аминокислотной последовательностью 
SSNGHV(pY)EKLSSI из образца триптического гидролизата глобина человека. МАLDI-масс-спектр записывали с пятна сорбента. Такая методика создана в качестве альтернативы трудоемкой пробоподготовке биопроб и позволяет ограничиться минимальными объемами образца и растворителей. 

Кл. сл.: металл-аффинная хроматография, МАLDI-масс-спектрометрия, оксид железа(III), фосфопротеомика,
модификация поверхности, электроспрей

ВВЕДЕНИЕ

Анализ биологических образцов требует чувст
вительного метода обнаружения и тщательной 
подготовки образца к анализу, т. к. образец представляет собой сложную матрицу, а аналит, как 
правило, присутствует в низких концентрациях. 
Одним из специфичных и селективных методов, 
применяемых для пробоподготовки биологических образцов, является металл-аффинная хроматография. Сорбенты, применяемые в этом методе, 
содержат в своем составе различные металлы. Как 
известно, ионы переходных металлов могут взаимодействовать с различными функциональными 
группами органических и биоорганических молекул с разной эффективностью [1]. 

Как правило, металл-аффинную хроматогра
фию проводят в микроколонках различных форматов, заполненных сорбентом, затем разделенные 
фракции анализируют инструментальными методами. Например, используют высокоэффективную 
жидкостную хроматографию или же методы массспектрометрии. Для биологических образцов и 
объектов окружающей среды актуальны методы 
масс-спектрометрии с мягкой ионизацией, такие 
как электроспрей [2, 3] и МАLDI [4].

В последнее время ученые предложили прово
дить пробоподготовку некоторых образцов непосредственно на поверхности стальной мишени для 

МАLDI-масс-спектрометрии и в первую очередь 
аффинное концентрирование аналитов для целей 
фосфопротеомики и аддуктомики. Для этого поверхность мишени модифицируют различными 
методами, получая активную поверхность, которую в дальнейшем используют для разделения 
и концентрирования образца. Способы модификации поверхности весьма разнообразны, а в основу 
активной поверхности могут входить и металлаффинные сорбенты. Например, в работе [5] использовали реактивный метод осаждения, заключающийся в электрораспылении раствора, содержащего 70% zirconium(IV)–n-propoxide на поверхность мишени, обработанную кислородной плазмой, процесс занимал от 1.5 до 4 ч. Зачастую поверхность мишени модифицировали частицами 
оксидов, закрепляя их при помощи полимеров [6] 
или нагрева [7]. Также был предложен метод получения одноразовых мишеней из алюминиевой 
фольги, на которую наночастицы диоксида титана 
наносились с помощью трафаретной печати с последующим запеканием [8].Предложенные подходы в первую очередь созданы как альтернатива 
трудоемкой и дорогой пробоподготовке биообразцов, направленной на концентрирование аналита 
перед анализом и удаление примесей.

В нашей работе предложен метод модифициро
вания 
поверхности 
МАLDI-мишени 
металл
аффинными сорбентами в ходе электрораспыле

ния в нормальных условиях, не требующий пр
менения высоких температур или полимеров.
модификации поверхности использовали р
разработанный металл
нове оксида железа
ность для решения задач классической 
теомики.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В работе использовали устройство

щее проводить электрораспыление суспензии н
нодисперсного
метанольном растворе с добавлением трифтору
сусной кислоты до концентрации 0.
распыление проводилось в бескапельном режиме 
с динамическим делением потока суспензии при 

нормальных условиях, не требующий пр

менения высоких температур или полимеров.
модификации поверхности использовали р
разработанный металл
нове оксида железа(III
ность для решения задач классической 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В работе использовали устройство

щее проводить электрораспыление суспензии н
нодисперсного оксида железа
метанольном растворе с добавлением трифтору
усной кислоты до концентрации 0.
распыление проводилось в бескапельном режиме 
с динамическим делением потока суспензии при 

нормальных условиях, не требующий пр

менения высоких температур или полимеров.
модификации поверхности использовали р
разработанный металл-аффинный сорбент на о

III) [9], показавший эффекти

ность для решения задач классической 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В работе использовали устройство

щее проводить электрораспыление суспензии н

оксида железа(III) в 50% 

метанольном растворе с добавлением трифтору
усной кислоты до концентрации 0.
распыление проводилось в бескапельном режиме 
с динамическим делением потока суспензии при 

нормальных условиях, не требующий пр

менения высоких температур или полимеров.
модификации поверхности использовали р

аффинный сорбент на о

, показавший эффекти

ность для решения задач классической фосфопр

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В работе использовали устройство, позволя

щее проводить электрораспыление суспензии н

(III) в 50% водно

метанольном растворе с добавлением трифтору
усной кислоты до концентрации 0.1%. Электр
распыление проводилось в бескапельном режиме 
с динамическим делением потока суспензии при 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 20

нормальных условиях, не требующий при
менения высоких температур или полимеров. Для 
модификации поверхности использовали ранее 

аффинный сорбент на ос
, показавший эффектив
фосфопро
позволяю
щее проводить электрораспыление суспензии на
водно
метанольном растворе с добавлением трифторук
Электро
распыление проводилось в бескапельном режиме 
с динамическим делением потока суспензии при 

нормальных условиях при атмосферном давлении. 
Нанодисперсные
поверхность подложки из нержавеющей стали для 
МАLDI
жение наночастиц осуществлялось в электрич
ском поле между вершиной мениска распыляемой 
суспе
предварительно обезжиривали ацетоном и допо
нительно никак не подготавливали. В результате
электрора
формировалось пятно сорбента (
рованные пятна устойчивы к воздействию раств
рителей, используемых для металл
хроматографии.

На 

установки с использованием новой методики эле
трораспыления в бескапельном
во электрораспыления

Рис. 1. 
основе оксида железа на подложке при электр
распылении  суспензии с динамическим делением 
потока в бескапельном режиме. Диаметр пятна 
~5 мм

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 20

нормальных условиях при атмосферном давлении. 
Нанодисперсные
поверхность подложки из нержавеющей стали для 

LDI-масс-спектром

жение наночастиц осуществлялось в электрич
ском поле между вершиной мениска распыляемой 
суспензии и подложкой. Поверхность подложки 
предварительно обезжиривали ацетоном и допо
нительно никак не подготавливали. В результате
электрораспыления
формировалось пятно сорбента (
рованные пятна устойчивы к воздействию раств
рителей, используемых для металл
хроматографии.

На рис. 2 показана схема экспериментальной 

установки с использованием новой методики эле
трораспыления в бескапельном
во электрораспыления

Рис. 1. Вид пятна нанодисперсного сорбента на 
основе оксида железа на подложке при электр
распылении  суспензии с динамическим делением 
потока в бескапельном режиме. Диаметр пятна 

5 мм

Рис. 2. С
по нанесению сорбента на подложку с и
пользованием методики электрораспыления 
в бескапельном режиме
1 — устройство десорбции заряженных ча
тиц; 
2 

3 — шприц; 4 
вольтный конта
7 — воздушный мембранный
входной
датчик; 9 
фильтр TS
ский манометрическ
нический ротаметр
ский клапан
ный фильтр
15 — МА
17 — цифровая 
тер; 19 —
питания светодиодов

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 20

нормальных условиях при атмосферном давлении. 
Нанодисперсные частицы сорбента наносились на 
поверхность подложки из нержавеющей стали для 

спектрометрического анализа. Дв

жение наночастиц осуществлялось в электрич
ском поле между вершиной мениска распыляемой 

зии и подложкой. Поверхность подложки 

предварительно обезжиривали ацетоном и допо
нительно никак не подготавливали. В результате

спыления
на поверхности подложки 

формировалось пятно сорбента (
рованные пятна устойчивы к воздействию раств
рителей, используемых для металл
хроматографии.

2 показана схема экспериментальной 

установки с использованием новой методики эле
трораспыления в бескапельном
во электрораспыления и методика, которые позв

Вид пятна нанодисперсного сорбента на 

основе оксида железа на подложке при электр
распылении  суспензии с динамическим делением 
потока в бескапельном режиме. Диаметр пятна 

Схема экспериментальной установки 

по нанесению сорбента на подложку с и
пользованием методики электрораспыления 
в бескапельном режиме

устройство десорбции заряженных ча

—
металлический 
капилляр; 

шприц; 4 — блок питания; 5 

вольтный контакт; 6 

воздушный мембранный

механическ

чик; 9 —
автомобильный

TS07T; 10 —

манометрический

нический ротаметр; 12 

лапан; 13 — автомобильн

ый фильтр TS03T; 14 

МАLDI-мишень

цифровая видеокамер
— светодиодный узел; 20 

питания светодиодов

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 

нормальных условиях при атмосферном давлении. 

частицы сорбента наносились на 

поверхность подложки из нержавеющей стали для 

етрического анализа. Дв

жение наночастиц осуществлялось в электрич
ском поле между вершиной мениска распыляемой 

зии и подложкой. Поверхность подложки 

предварительно обезжиривали ацетоном и допо
нительно никак не подготавливали. В результате

на поверхности подложки 

формировалось пятно сорбента (рис. 1). Сформ
рованные пятна устойчивы к воздействию раств
рителей, используемых для металл

2 показана схема экспериментальной 

установки с использованием новой методики эле
трораспыления в бескапельном режиме. 

и методика, которые позв

Вид пятна нанодисперсного сорбента на 

основе оксида железа на подложке при электр
распылении  суспензии с динамическим делением 
потока в бескапельном режиме. Диаметр пятна 

экспериментальной установки 

по нанесению сорбента на подложку с и
пользованием методики электрораспыления 
в бескапельном режиме.

устройство десорбции заряженных ча

металлический 
капилляр; 

блок питания; 5 —

— капилляр

воздушный мембранный насо

механический
манометрическ

автомобильный
топлив

— выходной
ий датчик; 11 

; 12 — ручной

автомобильный

; 14 — противоэлектрод

мишень; 16 — микроскоп
видеокамера; 18 —

светодиодный узел; 20 —

9, том 29, № 2

нормальных условиях при атмосферном давлении. 

частицы сорбента наносились на 

поверхность подложки из нержавеющей стали для 

етрического анализа. Дви
жение наночастиц осуществлялось в электрическом поле между вершиной мениска распыляемой 

зии и подложкой. Поверхность подложки 

предварительно обезжиривали ацетоном и дополнительно никак не подготавливали. В результате

на поверхности подложки 

1). Сформи
рованные пятна устойчивы к воздействию растворителей, используемых для металл-аффинной 

2 показана схема экспериментальной 

установки с использованием новой методики элек
режиме. Устройст
и методика, которые позво
Вид пятна нанодисперсного сорбента на 

основе оксида железа на подложке при электрораспылении  суспензии с динамическим делением 
потока в бескапельном режиме. Диаметр пятна 

экспериментальной установки 

по нанесению сорбента на подложку с использованием методики электрораспыления 

устройство десорбции заряженных час
металлический 
капилляр; 
— высоко
капилляр-изолятор; 

насос; 8 —

манометрический

топливный
механиче
; 11 — меха
механиче
ый топлив
противоэлектрод; 

микроскоп; 
— компью— источник 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

ляют реализовать электрораспыление в бескапел
ном режиме при нормальных условиях
описаны 
лось напыление наночастиц
десорбции заряженных частиц в бескапельном р
жиме при нормальных условиях (1)
металлического капилляра (2), по которому пост
пает коллоидны
трического поля на свободном торце капилляра. 
С другой стороны капилляр присоединен тефл
новой трубкой к системе подачи раствора (3). На 
металлический капилляр также подается упра
ляемое высокое напряжение 
питания (4) 
380/5000
лического капилляра коаксиально располо
пилляр
б
пилляра (2), при этом 
ческого капилляра длиннее капилляра изолятора, 
что позволяет эффективно отсасывать лаборато
ный воздух в окрестностях мениска. Под возде
ствием потока воздуха
по поверхности мениска в сторону
верши
заряженных частиц.
состоящей из лабораторного воздуха и излишков 
раствора, производится по коаксиальному зазору 
между капиллярами (2) и (6).
с помощью воздушного мембра
DAP
тема фильтрации, состоящая из последовательно 
соединенных входного механического мано
ческого датчика (8), четырех автомобильных то
ливных фильтров 
ского манометрич

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

ляют реализовать электрораспыление в бескапел
ном режиме при нормальных условиях
описаны в [10].
лось напыление наночастиц
десорбции заряженных частиц в бескапельном р
жиме при нормальных условиях (1)
металлического капилляра (2), по которому пост
пает коллоидны
трического поля на свободном торце капилляра. 
С другой стороны капилляр присоединен тефл
новой трубкой к системе подачи раствора (3). На 
металлический капилляр также подается упра
ляемое высокое напряжение 
питания (4) 
380/5000V/25
лического капилляра коаксиально располо
пилляр-изолятор (6) с внутренним диаметром
бóльшим внешнего диаметра металлического к
пилляра (2), при этом 
ческого капилляра длиннее капилляра изолятора, 
что позволяет эффективно отсасывать лаборато
ный воздух в окрестностях мениска. Под возде
ствием потока воздуха
по поверхности мениска в сторону
вершине мениска, из которой происходит эмиссия 
заряженных частиц.
состоящей из лабораторного воздуха и излишков 
раствора, производится по коаксиальному зазору 
между капиллярами (2) и (6).
с помощью воздушного мембра
DAP-6DULVAC
тема фильтрации, состоящая из последовательно 
соединенных входного механического мано
ческого датчика (8), четырех автомобильных то
ливных фильтров 
ского манометрич

Рис. 3. Фотография формы мениска в р
жиме бескапельного

МОДИФИКАЦИЯ  MALDI

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

ляют реализовать электрораспыление в бескапел
ном режиме при нормальных условиях

[10]. Установка, на которой производ

лось напыление наночастиц
десорбции заряженных частиц в бескапельном р
жиме при нормальных условиях (1)
металлического капилляра (2), по которому пост
пает коллоидный раствор в область сильного эле
трического поля на свободном торце капилляра. 
С другой стороны капилляр присоединен тефл
новой трубкой к системе подачи раствора (3). На 
металлический капилляр также подается упра
ляемое высокое напряжение 

Stanford research

/25W через контакт (5). Вокруг мета

лического капилляра коаксиально располо

изолятор (6) с внутренним диаметром

льшим внешнего диаметра металлического к

пилляра (2), при этом свободный торец металл
ческого капилляра длиннее капилляра изолятора, 
что позволяет эффективно отсасывать лаборато
ный воздух в окрестностях мениска. Под возде
ствием потока воздуха излишек раствора движется 
по поверхности мениска в сторону

не мениска, из которой происходит эмиссия 

заряженных частиц. Откачка парогазовой смеси, 
состоящей из лабораторного воздуха и излишков 
раствора, производится по коаксиальному зазору 
между капиллярами (2) и (6).
с помощью воздушного мембра

DULVAC. Перед насосом установлена си

тема фильтрации, состоящая из последовательно 
соединенных входного механического мано
ческого датчика (8), четырех автомобильных то
ливных фильтров TS07T
ского манометрического датчика (10), за которым 

Фотография формы мениска в р

жиме бескапельного электрораспыления

МОДИФИКАЦИЯ  MALDI

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

ляют реализовать электрораспыление в бескапел
ном режиме при нормальных условиях

Установка, на которой производ

лось напыление наночастиц, включает
десорбции заряженных частиц в бескапельном р
жиме при нормальных условиях (1),
металлического капилляра (2), по которому пост

й раствор в область сильного эле

трического поля на свободном торце капилляра. 
С другой стороны капилляр присоединен тефл
новой трубкой к системе подачи раствора (3). На 
металлический капилляр также подается упра
ляемое высокое напряжение (до 5 кВ

research systems

через контакт (5). Вокруг мета

лического капилляра коаксиально располо

изолятор (6) с внутренним диаметром

льшим внешнего диаметра металлического к

свободный торец металл

ческого капилляра длиннее капилляра изолятора, 
что позволяет эффективно отсасывать лаборато
ный воздух в окрестностях мениска. Под возде

излишек раствора движется 

по поверхности мениска в сторону

не мениска, из которой происходит эмиссия 

Откачка парогазовой смеси, 

состоящей из лабораторного воздуха и излишков 
раствора, производится по коаксиальному зазору 
между капиллярами (2) и (6). Откачивае
с помощью воздушного мембранного насоса (7) 

. Перед насосом установлена си

тема фильтрации, состоящая из последовательно 
соединенных входного механического мано
ческого датчика (8), четырех автомобильных то

(9), выходного механич

еского датчика (10), за которым 

Фотография формы мениска в р

электрораспыления

МОДИФИКАЦИЯ  MALDI

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

ляют реализовать электрораспыление в бескапел
ном режиме при нормальных условиях, подробно 

Установка, на которой производ

включает устройство 

десорбции заряженных частиц в бескапельном р

состоящее  из 

металлического капилляра (2), по которому пост

й раствор в область сильного эле

трического поля на свободном торце капилляра. 
С другой стороны капилляр присоединен тефл
новой трубкой к системе подачи раствора (3). На 
металлический капилляр также подается упра

до 5 кВ) от бло
systems Model PS

через контакт (5). Вокруг мета

лического капилляра коаксиально расположен к

изолятор (6) с внутренним диаметром

льшим внешнего диаметра металлического к

свободный торец металл

ческого капилляра длиннее капилляра изолятора, 
что позволяет эффективно отсасывать лаборато
ный воздух в окрестностях мениска. Под возде

излишек раствора движется 

по поверхности мениска в сторону, обратную 

не мениска, из которой происходит эмиссия 

Откачка парогазовой смеси, 

состоящей из лабораторного воздуха и излишков 
раствора, производится по коаксиальному зазору 

Откачивается смесь 

нного насоса (7) 

. Перед насосом установлена си

тема фильтрации, состоящая из последовательно 
соединенных входного механического манометр
ческого датчика (8), четырех автомобильных то

(9), выходного механич

еского датчика (10), за которым 

Фотография формы мениска в ре
электрораспыления

МОДИФИКАЦИЯ  MALDI-МИШЕНИ  НАНОЧАСТИЦАМИ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

ляют реализовать электрораспыление в бескапель
одробно 

Установка, на которой производи
устройство 

десорбции заряженных частиц в бескапельном ре
состоящее  из 

металлического капилляра (2), по которому посту
й раствор в область сильного элек
трического поля на свободном торце капилляра. 
С другой стороны капилляр присоединен тефлоновой трубкой к системе подачи раствора (3). На 
металлический капилляр также подается управ
от блока 

PS

через контакт (5). Вокруг метал
жен ка
изолятор (6) с внутренним диаметром,

льшим внешнего диаметра металлического ка
свободный торец металли
ческого капилляра длиннее капилляра изолятора, 
что позволяет эффективно отсасывать лабораторный воздух в окрестностях мениска. Под воздей
излишек раствора движется 

обратную 

не мениска, из которой происходит эмиссия 

Откачка парогазовой смеси, 

состоящей из лабораторного воздуха и излишков 
раствора, производится по коаксиальному зазору 

месь 

нного насоса (7) 

. Перед насосом установлена сис
тема фильтрации, состоящая из последовательно 

метри
ческого датчика (8), четырех автомобильных топ
(9), выходного механиче
еского датчика (10), за которым 

расположен механический ротаметр (11) с ручным 
механическим клапаном (12) для регулировки п
тока парогазовой смеси и 
ный фильтр 
капилляра (2) устройства десорбции заря
частиц (1) расположен противоэлектрод (14), 
представляющий собой либо пластину из нерж
веющей стали, либо установленную на нее 
МАLDI
spot dimension
мениска и процесса 
роскоп (16) МВС
нем 
цифровой 
видеокамерой 
(17) 

LU100
камеры поступало на компьютер (18). Для осв
щения непосредственно области мениска раствора 
и участка п
дилось напыление
узел (19), а в качестве источника питания светод
одного узла 

Для бескапельной полевой десорбции заряже

ных частиц с вершины мениска необходимым у
ловием является стабильный поток суспензии, 
подбор оптимального напряжения на электродах 
и стабильный поток откачиваемой из области м
ниска парогазовой смеси, состоящей из лабор
торного воздуха, растворителя
суспензии
жима бескапельного
бильности осуществляется наблюдение за формой 
мениска на торце металлического капилляра. Бе
капельному распылению соответствует мениск 
характерной формы, изображение которого 
ставлено на 
отсутствие видимой струи микрокапель из верш
ны мениска.

Рис. 
цирована сорбентом на основе оксида железа 
при бескапельном электрораспылении

МИШЕНИ  НАНОЧАСТИЦАМИ

расположен механический ротаметр (11) с ручным 
механическим клапаном (12) для регулировки п
тока парогазовой смеси и 

фильтр TS03T

капилляра (2) устройства десорбции заря
частиц (1) расположен противоэлектрод (14), 
представляющий собой либо пластину из нерж
веющей стали, либо установленную на нее 

LDI-мишень MALDI
dimension) (15). Д

мениска и процесса 
роскоп (16) МВСнем 
цифровой 
видеокамерой 
(17) 

100M с USB-выходом. Изображение с виде

камеры поступало на компьютер (18). Для осв
щения непосредственно области мениска раствора 
и участка противоэлектрода, на который произв
дилось напыление
узел (19), а в качестве источника питания светод
одного узла — блок (20) 

Для бескапельной полевой десорбции заряже

ных частиц с вершины мениска необходимым у
ловием является стабильный поток суспензии, 
подбор оптимального напряжения на электродах 
и стабильный поток откачиваемой из области м
ниска парогазовой смеси, состоящей из лабор
торного воздуха, растворителя
суспензии, и частиц сорбента. Для контроля р
жима бескапельного
бильности осуществляется наблюдение за формой 
мениска на торце металлического капилляра. Бе
капельному распылению соответствует мениск 
характерной формы, изображение которого 
ставлено на рис.
отсутствие видимой струи микрокапель из верш
ны мениска.

Рис. 4. Мишень, поверхность которой модиф
цирована сорбентом на основе оксида железа 

бескапельном электрораспылении

МИШЕНИ  НАНОЧАСТИЦАМИ

расположен механический ротаметр (11) с ручным 
механическим клапаном (12) для регулировки п
тока парогазовой смеси и автом

T (13). Напротив металлического 

капилляра (2) устройства десорбции заря
частиц (1) расположен противоэлектрод (14), 
представляющий собой либо пластину из нерж
веющей стали, либо установленную на нее 

MALDI Plate
(15). Для визуального наблюдения 

мениска и процесса десорбции использовали ми

-10 (Россия) с расположенной на 

нем 
цифровой 
видеокамерой 
(17) 

выходом. Изображение с виде

камеры поступало на компьютер (18). Для осв
щения непосредственно области мениска раствора 

ротивоэлектрода, на который произв

дилось напыление, использовался светодиодный 
узел (19), а в качестве источника питания светод

блок (20) Agilent

Для бескапельной полевой десорбции заряже

ных частиц с вершины мениска необходимым у
ловием является стабильный поток суспензии, 
подбор оптимального напряжения на электродах 
и стабильный поток откачиваемой из области м
ниска парогазовой смеси, состоящей из лабор
торного воздуха, растворителя

и частиц сорбента. Для контроля р

жима бескапельного электрораспыления и его ст
бильности осуществляется наблюдение за формой 
мениска на торце металлического капилляра. Бе
капельному распылению соответствует мениск 
характерной формы, изображение которого 

3. Важным условием является 

отсутствие видимой струи микрокапель из верш

Мишень, поверхность которой модиф

цирована сорбентом на основе оксида железа 

бескапельном электрораспылении

расположен механический ротаметр (11) с ручным 
механическим клапаном (12) для регулировки п

автомобильный

(13). Напротив металлического 

капилляра (2) устройства десорбции заря
частиц (1) расположен противоэлектрод (14), 
представляющий собой либо пластину из нерж
веющей стали, либо установленную на нее 

(384 circles

ля визуального наблюдения 

десорбции использовали ми

10 (Россия) с расположенной на 

нем 
цифровой 
видеокамерой 
(17) 
Lumenera

выходом. Изображение с виде

камеры поступало на компьютер (18). Для осв
щения непосредственно области мениска раствора 

ротивоэлектрода, на который произв

использовался светодиодный 

узел (19), а в качестве источника питания светод

Agilent E36612 A

Для бескапельной полевой десорбции заряже

ных частиц с вершины мениска необходимым у
ловием является стабильный поток суспензии, 
подбор оптимального напряжения на электродах 
и стабильный поток откачиваемой из области м
ниска парогазовой смеси, состоящей из лабор
торного воздуха, растворителя, используемого в 

и частиц сорбента. Для контроля р

электрораспыления и его ст

бильности осуществляется наблюдение за формой 
мениска на торце металлического капилляра. Бе
капельному распылению соответствует мениск 
характерной формы, изображение которого 

3. Важным условием является 

отсутствие видимой струи микрокапель из верш

Мишень, поверхность которой модиф

цирована сорбентом на основе оксида железа 

бескапельном электрораспылении

7

расположен механический ротаметр (11) с ручным 
механическим клапаном (12) для регулировки по
ый топлив
(13). Напротив металлического 

капилляра (2) устройства десорбции заряженных 
частиц (1) расположен противоэлектрод (14), 
представляющий собой либо пластину из нержавеющей стали, либо установленную на нее 

circles, 700 um

ля визуального наблюдения 

десорбции использовали мик
10 (Россия) с расположенной на 

Lumenera

выходом. Изображение с видео
камеры поступало на компьютер (18). Для освещения непосредственно области мениска раствора 

ротивоэлектрода, на который произво
использовался светодиодный 

узел (19), а в качестве источника питания светоди
A. 

Для бескапельной полевой десорбции заряжен
ных частиц с вершины мениска необходимым условием является стабильный поток суспензии, 
подбор оптимального напряжения на электродах 
и стабильный поток откачиваемой из области мениска парогазовой смеси, состоящей из лабора
используемого в 

и частиц сорбента. Для контроля ре
электрораспыления и его ста
бильности осуществляется наблюдение за формой 
мениска на торце металлического капилляра. Бескапельному распылению соответствует мениск 
характерной формы, изображение которого пред
3. Важным условием является 

отсутствие видимой струи микрокапель из верши
Мишень, поверхность которой модифи
цирована сорбентом на основе оксида железа 

В случаях несоответствия формы мениска р

жиму бескапельного
ние наночастиц на 
не осуществляется
лями растворителя сорбент не закреплялся на п
верхности подложки после высыхания жидкости.
Для выхода на нужный режим регулировали сл
дующие параметры: расстояние между торцом м
таллического капилляра и мишенью, напряжение 
между электродами, скорость откачки потока см
си лабораторного воздуха и излишков жидкости 
на торце капилляра.

После вы

трораспыления регулированием параметров на 
установке режим оставалс
распыления. Для получения одного пятна на п
верхности мишени требовалось около 20 мин. Н
пряжение между электродами составляло 4300
4800 В. Расстояние 
расход жидкости 
150 мкл/мин. 
тельно перемешивали и
30 мин. В ходе электрораспыления в объем емк
сти с суспензией опускали барботер, чтобы не д
пустить возможност
емкости.

В ходе электрораспыления суспензии,

жащей частицы сорбента, на поверхности стал
ной пластины (
формируется пятно
Пятно имеет круглую форму и более насыщенно 
в центре, чем по краям. Сформированные в ходе 
электрораспыления пятна 
и воздействию растворителей, используемых в ме
талл-аффинной хроматографии.

Важное свойство металлопокрытия 

прочность его сцепления с основным металлом 

В случаях несоответствия формы мениска р

жиму бескапельного
ние наночастиц на поверхность МА
не осуществляется т.к. напыленный вместе с ка
лями растворителя сорбент не закреплялся на п
верхности подложки после высыхания жидкости.
Для выхода на нужный режим регулировали сл
дующие параметры: расстояние между торцом м

ского капилляра и мишенью, напряжение 

между электродами, скорость откачки потока см
си лабораторного воздуха и излишков жидкости 
на торце капилляра.

вывода на режим бескапельного

трораспыления регулированием параметров на 
установке режим оставалс
распыления. Для получения одного пятна на п
верхности мишени требовалось около 20 мин. Н
пряжение между электродами составляло 4300
4800 В. Расстояние —
расход жидкости находится

л/мин. Суспензию предварительно тщ

тельно перемешивали и
30 мин. В ходе электрораспыления в объем емк
сти с суспензией опускали барботер, чтобы не д
пустить возможности

В ходе электрораспыления суспензии,

жащей частицы сорбента, на поверхности стал
ной пластины (рис. 1) или МА
формируется пятно,
Пятно имеет круглую форму и более насыщенно 
в центре, чем по краям. Сформированные в ходе 
электрораспыления пятна 

воздействию растворителей, используемых в ме

аффинной хроматографии.

Важное свойство металлопокрытия 

прочность его сцепления с основным металлом 

В случаях несоответствия формы мениска р

электрораспыления нанес

поверхность МА

т.к. напыленный вместе с ка

лями растворителя сорбент не закреплялся на п
верхности подложки после высыхания жидкости.
Для выхода на нужный режим регулировали сл
дующие параметры: расстояние между торцом м

ского капилляра и мишенью, напряжение 

между электродами, скорость откачки потока см
си лабораторного воздуха и излишков жидкости 

ода на режим бескапельного

трораспыления регулированием параметров на 
установке режим оставался стабильным на время 
распыления. Для получения одного пятна на п
верхности мишени требовалось около 20 мин. Н
пряжение между электродами составляло 4300

— порядка 10 мм, объемный 
находится в диапазоне 1

Суспензию предварительно тщ

тельно перемешивали и помещали в УЗ
30 мин. В ходе электрораспыления в объем емк
сти с суспензией опускали барботер, чтобы не д

оседания частиц на стенках 

В ходе электрораспыления суспензии,

жащей частицы сорбента, на поверхности стал

1) или МАLDI
образованное сорбентом. 

Пятно имеет круглую форму и более насыщенно 
в центре, чем по краям. Сформированные в ходе 
электрораспыления пятна устойчивы к стиранию 

воздействию растворителей, используемых в ме

аффинной хроматографии.

Важное свойство металлопокрытия 

прочность его сцепления с основным металлом 

В случаях несоответствия формы мениска р

электрораспыления нанес

поверхность МАLDI-мишени 

т.к. напыленный вместе с ка

лями растворителя сорбент не закреплялся на п
верхности подложки после высыхания жидкости.
Для выхода на нужный режим регулировали сл
дующие параметры: расстояние между торцом м

ского капилляра и мишенью, напряжение 

между электродами, скорость откачки потока см
си лабораторного воздуха и излишков жидкости 

ода на режим бескапельного эле

трораспыления регулированием параметров на 

я стабильным на время 

распыления. Для получения одного пятна на п
верхности мишени требовалось около 20 мин. Н
пряжение между электродами составляло 4300

порядка 10 мм, объемный 

в диапазоне 1

Суспензию предварительно тщ

али в УЗ-ванну на 

30 мин. В ходе электрораспыления в объем емк
сти с суспензией опускали барботер, чтобы не д

оседания частиц на стенках 

В ходе электрораспыления суспензии, соде

жащей частицы сорбента, на поверхности стал

-мишени (рис

образованное сорбентом. 

Пятно имеет круглую форму и более насыщенно 
в центре, чем по краям. Сформированные в ходе 

устойчивы к стиранию 

воздействию растворителей, используемых в ме

Важное свойство металлопокрытия —

прочность его сцепления с основным металлом 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 20

В случаях несоответствия формы мениска ре
электрораспыления нанесе
мишени 

т.к. напыленный вместе с кап
лями растворителя сорбент не закреплялся на поверхности подложки после высыхания жидкости.
Для выхода на нужный режим регулировали следующие параметры: расстояние между торцом ме
ского капилляра и мишенью, напряжение 

между электродами, скорость откачки потока смеси лабораторного воздуха и излишков жидкости 

элек
трораспыления регулированием параметров на 

я стабильным на время 

распыления. Для получения одного пятна на поверхности мишени требовалось около 20 мин. Напряжение между электродами составляло 4300–

порядка 10 мм, объемный 

в диапазоне 100–

Суспензию предварительно тща
ванну на 

30 мин. В ходе электрораспыления в объем емкости с суспензией опускали барботер, чтобы не до
оседания частиц на стенках 

содер
жащей частицы сорбента, на поверхности сталь
рис. 4) 

образованное сорбентом. 

Пятно имеет круглую форму и более насыщенно 
в центре, чем по краям. Сформированные в ходе 

устойчивы к стиранию 

воздействию растворителей, используемых в ме
это 

прочность его сцепления с основным металлом 

подложки. 
Межатомные 
силы 
характеризуют 

прочность покрытия на подложке и на
сильно действуют на близких расстояниях, поря
ка нескольких ангстрем. Поэтому для прочного 
металлопокрытия на подложке покрываемая п
верхность должна быть металлически чистой. В 
случае, когда параметры кристаллической реше
ки подложки отличаются
более 2.
сильна
подложки возможно, когда параметры решетки 
металла подложки и металлического покрытия 
мало отличаются. 

С помощью сканирующего электронного ми

роскопа Hitachi S
аналитическая приставка Oxford
Max 20, были получены микрофотографии нан
сенного на стальную подложку сорбента
оксида железа
частицы сорбента, поверхность которых доступна 
для проведения металл

На модифицированных пятнах МА

провели
фосфорилированн
последовательностью SSNGHV(pY)EKLSSI
лекулярной массой 1499 Да из образца триптич
ского

Водный раствор пептида SSNGHV(pY)EKLSSI 

(100 мкг/мл) смешивали с водным раствором
трипт
(концентрация глобина до триптического гидрол
за составляла 1 мг/мл) в соотношении 1:10. 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 20

подложки. 
Межатомные 
силы 
характеризуют 

прочность покрытия на подложке и на
сильно действуют на близких расстояниях, поря
ка нескольких ангстрем. Поэтому для прочного 
металлопокрытия на подложке покрываемая п
верхность должна быть металлически чистой. В 
случае, когда параметры кристаллической реше
ки подложки отличаются
более 2.4–12.5%
сильна [11]. Воспроизводство структуры металла 
подложки возможно, когда параметры решетки 
металла подложки и металлического покрытия 
мало отличаются. 

С помощью сканирующего электронного ми

роскопа Hitachi S
аналитическая приставка Oxford
Max 20, были получены микрофотографии нан
сенного на стальную подложку сорбента
оксида железа(III)
частицы сорбента, поверхность которых доступна 
для проведения металл

МАLDI-МАСС

На модифицированных пятнах МА

провели
металл

фосфорилированн
последовательностью SSNGHV(pY)EKLSSI
лекулярной массой 1499 Да из образца триптич
ского гидролизата глобина человека.

Водный раствор пептида SSNGHV(pY)EKLSSI 

(100 мкг/мл) смешивали с водным раствором
триптического
(концентрация глобина до триптического гидрол
за составляла 1 мг/мл) в соотношении 1:10. 

Рис. 
стальной пластинки, поверхность которой 
модифицирована сорбентом на основе 
оксида железа

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 20

подложки. 
Межатомные 
силы 
характеризуют 

прочность покрытия на подложке и на
сильно действуют на близких расстояниях, поря
ка нескольких ангстрем. Поэтому для прочного 
металлопокрытия на подложке покрываемая п
верхность должна быть металлически чистой. В 
случае, когда параметры кристаллической реше
ки подложки отличаются от 

5%,
прочность сцепления наиболее 

[11]. Воспроизводство структуры металла 

подложки возможно, когда параметры решетки 
металла подложки и металлического покрытия 
мало отличаются. 

С помощью сканирующего электронного ми

роскопа Hitachi S-3400N, в состав которого входит 
аналитическая приставка Oxford
Max 20, были получены микрофотографии нан
сенного на стальную подложку сорбента

(III) (рис. 5). На изображении видны 

частицы сорбента, поверхность которых доступна 
для проведения металл-аффинного анализа. 

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧ

АНАЛИЗ

На модифицированных пятнах МА

металл-аффинное обогащения образца 

фосфорилированного пептида с аминокислотной 
последовательностью SSNGHV(pY)EKLSSI
лекулярной массой 1499 Да из образца триптич

гидролизата глобина человека.

Водный раствор пептида SSNGHV(pY)EKLSSI 

(100 мкг/мл) смешивали с водным раствором

гидролизата

(концентрация глобина до триптического гидрол
за составляла 1 мг/мл) в соотношении 1:10. 

5. Микрофотографи

стальной пластинки, поверхность которой 
модифицирована сорбентом на основе 
оксида железа

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 

подложки. 
Межатомные 
силы 
характеризуют 

прочность покрытия на подложке и на
сильно действуют на близких расстояниях, поря
ка нескольких ангстрем. Поэтому для прочного 
металлопокрытия на подложке покрываемая п
верхность должна быть металлически чистой. В 
случае, когда параметры кристаллической реше

от решетки покрытия не 

прочность сцепления наиболее 

[11]. Воспроизводство структуры металла 

подложки возможно, когда параметры решетки 
металла подложки и металлического покрытия 

С помощью сканирующего электронного ми

в состав которого входит 

аналитическая приставка Oxford Instruments X
Max 20, были получены микрофотографии нан
сенного на стальную подложку сорбента

(рис. 5). На изображении видны 

частицы сорбента, поверхность которых доступна 

аффинного анализа. 

СПЕКТРОМЕТРИЧЕ

АНАЛИЗ

На модифицированных пятнах МАLDI

аффинное обогащения образца 
ого пептида с аминокислотной 

последовательностью SSNGHV(pY)EKLSSI
лекулярной массой 1499 Да из образца триптич

гидролизата глобина человека.

Водный раствор пептида SSNGHV(pY)EKLSSI 

(100 мкг/мл) смешивали с водным раствором

ата
глобина 
человека

(концентрация глобина до триптического гидрол
за составляла 1 мг/мл) в соотношении 1:10. 

Микрофотография поверхности 

стальной пластинки, поверхность которой 
модифицирована сорбентом на основе 

9, том 29, № 2

подложки. 
Межатомные 
силы 
характеризуют 

прочность покрытия на подложке и наиболее 
сильно действуют на близких расстояниях, порядка нескольких ангстрем. Поэтому для прочного 
металлопокрытия на подложке покрываемая поверхность должна быть металлически чистой. В 
случае, когда параметры кристаллической решет
решетки покрытия не 

прочность сцепления наиболее 

[11]. Воспроизводство структуры металла 

подложки возможно, когда параметры решетки 
металла подложки и металлического покрытия 

С помощью сканирующего электронного мик
в состав которого входит 

Instruments X
Max 20, были получены микрофотографии нанесенного на стальную подложку сорбента на основе 

(рис. 5). На изображении видны 

частицы сорбента, поверхность которых доступна 

аффинного анализа. 

ЕСКИЙ 

LDI-мишени 

аффинное обогащения образца 
ого пептида с аминокислотной 

последовательностью SSNGHV(pY)EKLSSI и молекулярной массой 1499 Да из образца триптиче
Водный раствор пептида SSNGHV(pY)EKLSSI 

(100 мкг/мл) смешивали с водным раствором

глобина 
человека

(концентрация глобина до триптического гидролиза составляла 1 мг/мл) в соотношении 1:10. 

поверхности 

стальной пластинки, поверхность которой 
модифицирована сорбентом на основе 

МОДИФИКАЦИЯ  MALDI-МИШЕНИ  НАНОЧАСТИЦАМИ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

9

На пятно с сорбентом нанесли 5 мкл 70% вод
ного ацетонитрила, выдерживали 1 мин, жидкую 
фракцию удаляли. На пятно нанесли 8 мкл 1.5% 
водного раствора аммиака и 1 мкл образца и инкубировали в течение 20 мин, затем каплю собирали 
и переносили на свободное пятно мишени для последующего контроля проскока с сорбента. Затем 
провели процедуру промывки: на пятно сорбента 
наносили 3 мкл 1.5% водного раствора аммиака, 
пипетировали и удаляли с поверхности. Процедуру повторяли трижды. Далее на пятно сорбента 
наносили 3 мкл насыщенного раствора α-циано-4гидроксикоричной кислоты в 50% водном ацетонитриле с 0.1% трифторуксусной кислотой (здесь 

и далее все Sigma Aldrich). После высушивания 
мишень помещали в масс-спектрометр MALDITOF-MS Axima Performance (Shimadzu), и регистрировали масс-спектры в режиме положительных 
ионов в диапазоне от 700 до 3000 Да. После металл-аффинного анализа в спектре надежно детектируется и идентифицируется сигнал, соответствующий 
протонированной 
форме 
пептида

SSNGHV(pY)EKLSSI (m/z 1500) (рис. 6). При этом 
при удалении супернатанта и на стадии отмывки 
поверхности модифицированного пятна происходит удаление примесей и нецелевых соединений, 
достигается эффект концентрирования и повышения чувствительности детекции. 

Рис. 6. МАLDI-масс-спектры.
а — триптический гидролизат глобина человека; б — триптический гидролизат глобина человека 
с введенным фосфорилированным пептидом; в — триптический гидролизат глобина человека 
с введенным фосфорилированным пептидом после металл-аффинной хроматографии на МАLDIмишени

а

б

в

m/z

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

ВЫВОДЫ

Разработана установка, позволяющая наносить 

на поверхность МАLDI-мишени металл-оксидные 
сорбенты методом электрораспыления в ходе полевой десорбции наночастиц на поверхность мишени. Поверхность МАLDI-мишени была модифицирована сорбентом на основе оксида железа(III).
Полученное покрытие устойчиво к механическому 
воздействию, воздействию органических растворителей и воды. На модифицированной поверхности мишени проведено металл-аффинное обогащение образца фосфорилированного пептида из
триптического гидролизата глобина человека. Для 
проведения пробоподготовки предложенным методом требуемые объемы образца и растворителей 
составляют порядка 10 мкл, а десорбция образца 
с сорбента проходит на стадии нанесения матрицы 
для МАLDI. При удалении супернатанта и на стадии отмывки поверхности модифицированного 
пятна происходит удаление примесей и нецелевых 
соединений, достигается эффект концентрирования и повышения чувствительности детекции.

Таким образом, предложенный метод позволяет 

за короткое время при нормальных условиях провести модификацию поверхности МАLDI-мишени 
и выполнить пробоподготовку биологических образцов непосредственно на ее поверхности. 

Данная работа частично выполнена в рамках гос. 

задания № 075-00780-19-00 Института аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кельциева О.А., Гладилович В.Д., Подольская Е.П. Ме
талл-аффинная хроматография. Основы и применение // Научное приборостроение. 2013. Т. 23, № 1. 
С. 74–85. URL: http://iairas.ru/mag/2013/abst1.php#abst9

2. Александров 
М.Л., 
Барам 
Г.И., 
Галль 
Л.Н.,

Грачев М.А., Кнорре В.Д., Краснов Н.В., Куснер Ю.С., 
Миргородская О.А., Николаев В.И., Шкуров В.А. Новый масс-спектрометрический метод определения 
аминокислотной последовательности пептидов // Биоорганическая химия. 1985. Т. 11, № 5. С. 705–708.
URL: http://www.rjbc.ru/arc/11/5/0705-0708.pdf

3. Fenn
J.B.,
Mann
M.,
Meng
C.K., 
Wong
S.F., 

Whitehouse
C.M.
Electrospray
ionization
for
mass
spectrometry
of
large
biomolecules // Science. 1989. 

Vol. 246. P. 64–71.

4. Karas M.I., Bachmann D., Bahr U., Hillenkamp F.

Matrix-assisted ultraviolet laser desorption of non-volatile 
compounds // Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes. 1987.
Vol. 78. P. 53–68.

5. Blacken G.R., Volný M., Vaisar T., Sadílek M., Tureček F.

In situ enrichment of phosphopeptides on maldi plates 
functionalized by reactive landing of zirconium(IV)–npropoxide ions // Anal. Chem. 2007. Vol. 79, is. 14. 
P. 5449–5456. DOI: 10.1021/ac070790w

6. Chen C.J., Lai C.C., Tseng M.C., Liu Y.C., Liu Y.H., 

Chio L.W., Tsai F.J.
A novel titanium dioxide
polydimethylsiloxane plate for phosphopeptide enrichment and mass spectrometry analysis // Anal. Chim. Acta.
2014. Vol. 812. P. 105–113. 
DOI: 10.1016/j.aca.2014.01.010

7. Krásný L., Pompach P., Strohalm M. In situ enrichment of 

phosphopeptides on MALDI plates modified by ambient 
ion landing //
J.
Mass Spectrom.
2012. Vol. 47, 

is. 10. P. 1294–1302. DOI: 10.1002/jms.3081

8. Bi H., Qiao L., Busnel J.-M., Devaud V., Liu B., Gi
rault H.H. TiO2 printed aluminum foil: single-use film for 
a laser desorption/ionization target plate // Anal. Chem.
2009. Vol. 81, is. 3. P. 1177–1183. 
DOI: 10.1021/ac8024448

9. Гладилович В.Д., Федорова А.В., Подольская Е.П. Ме
талл-оксидный сорбент на основе Fe2O3. Получение, 
изучение поверхностных и сорбционных свойств // 
Научное приборостроение. 2013. № 4. С. 63–65. URL: 
http://iairas.ru/mag/2013/full4/Art8.pdf

10. Arseniev A.N., Krasnov N.V., Muradymov M.Z. Investiga
tion of electrospray stability with dynamic liquid flow 
splitter // Anal. Chem. 2014. Vol. 69, is. 14. P. 1320–
1322. DOI: 10.1134/S1061934814140020

11. Справочное руководство по гальванотехнике / Под 

ред. В.И. Лайнера. М.: Металлургия, 1969. 418 с.

Институт аналитического приборостроения РАН,  
Санкт-Петербург (Кельциева О.А., Мурадымов М.З., 
Суходолов Н.Г., Краснов Н.В., Подольская Е.П.)

Санкт-Петербургский государственный университет (Суходолов Н.Г.)

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Колпакова Ю.Д.)

Институт токсикологии ФМБА России, СанктПетербург (Кельциева О.А., Подольская Е.П.)

ООО "Девайс Консалтинг", Санкт-Петербург (Краснов М.Н.)

Контакты: Краснов Николай Васильевич,
krasnov@alpha-ms.com

Материал поступил в редакцию 26.04.2019

ISSN 0868–5886                        
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2019, Vol. 29, No. 2, pp. 5–11

11

MODIFICATION  OF  MALDI  TARGETS  BY  NANOPARTICLES
DURING IRON  OXIDE(III)  SUSPENSION  ELECTROSPREYING

UNDER  NORMAL CONDITIONS

O. A. Keltsiyeva1,4, Yu. D. Kolpakova3, M. N. Krasnov5, M. Z. Muradymov1, 
N. G. Sukhodolov1,2, N. V. Krasnov1, E. P. Podolskaya1,4

1Institute for Analytical Instrumentation of RAS, Saint-Petersburg, Russia
2Saint-Petersburg State University, Russia
3Saint-Petersburg Polytechnic University of Peter the Great, Russia
4Institute of Toxicology, FMBA, Saint-Petersburg, Russia
5Device Consulting Ltd, Saint-Petersburg, Russia

A method for modifying a target for the MALDI-MS analysis is proposed, allowing selective isolation of 

analytes from biological samples directly on the target surface, as an alternative to classical methods. To modify 
the target, a suspension of the metal-affinity sorbent based on iron (III) oxide in a 50% aqueous methanol solution was electrosprayed in drip-free mode with dynamic dividing the fluid flow at atmospheric pressure under 
normal conditions. The MALDI target acted as a counter electrode. A sorbent layer was deposited on the 
MALDI target in the form of a spot, the particles of which are subsequently resistant to solvents. A metalaffinity enrichment of a phosphorylated peptide with the amino acid sequence SSNGHV(pY)EKLSSI from a 
sample of human tryptic hydrolyzate was performed on a modified MALDI target. MALDI-mass spectrum was 
recorded from the sorbent spot. This technique was created as an alternative to the laborious sample preparation 
of bioassays and allows to limit the minimum volume of the sample and solvents.

Keywords: metal affinity chromatography, MALDI-mass spectrometry, iron(III) oxide, phosphoproteomics, surface 
modification, electrospray

Fig. 1. View of spot of the nanodispersed sorbent based on iron oxide. Spot is on the substrate during the electro-spraying 
of the suspension with dynamic flow division in drip-free mode. Spot diameter ~ 5 mm

Fig. 2. The scheme of the experimental facility for applying the sorbent to the substrate with the use of the method of electrospraying in a drip-free mode. 1 — charged particle desorption device; 2 — metal capillary;  3 — syringe; 
4 — power supply unit; 5 — high-voltage contact; 6 — capillary-insulator; 7 — air diaphragm pump; 8 — input mechanical gauge sensor; 9 — automotive fuel filter TS07T; 10 — output mechanical gauge sensor; 11 — mechanical flowmeter; 
12 — manual mechanical valve; 13 — automotive fuel filter TS03T; 14 — counter electrode; 15 — MALDI target; 16 —
microscope; 17 — digital video camera; 18 — computer; 19 — LED node; 20 — LED power supply source

Fig. 3. Photo of the meniscus shape in the mode of drip-free electric spraying

Fig. 4. The target, the surface of which is modified by the sorbent on the basis of iron oxide in case of drip-free electrospray

Fig. 5. Microphotography of the steel plate surface modified by an iron oxide sorbent

Fig. 6. MALDI mass spectra. a — tryptic hydrolyzate of human globin; б — tryptic hydrolyzate of human globin with the 
introduced phosphorylated peptide; в — tryptic hydrolyzate of human globin with the introduced phosphorylated peptide 
after metal affinity chromatography on the MALDI target

REFERENСES

1. Keltsieva O.A, Gladilovich V.D., Podolskaya Е.P. [Im
mobilized metal ion affinity chromatography (IMAC). 
Principle and applications] Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2013, vol. 23, no. 1, pp. 74–85. URL: 
http://iairas.ru/en/mag/2013/abst1.php#abst9 (In Russ.).

2. Aleksandrov M.L., Baram G.I., Gall L.N., Grachev M.A., 

Knorre V.D., Krasnov N.V., Kusner Yu.S., Mirgorodskaya O.A., Nikolaev V.I., Shkurov V.A. [Application of a 
novel mass-spectrometric method to sequencing of peptides]. Bioorganicheskaya himiya [Bioorganic chemistry],
1985, 
vol. 
11, 
no. 
5, 
pp. 
707–708. 
URL: 

http://www.rjbc.ru/arc/11/5/0705-0708.pdf (In Russ.).

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

3. Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., 

Whitehouse C.M. Electrospray ionization for mass-spectrometry  of  large  biomolecules. Science, 1989, vol. 246, 
pp. 64–71.

4. Karas M.I., Bachmann D., Bahr U., Hillenkamp F. Ma
trix-assisted ultraviolet laser desorption of non-volatile 
compounds. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes, 1987,  
vol. 78, pp. 53–68.

5. Blacken G.R., Volný M., Vaisar T., Sadílek M., 

Tureček F. In situ enrichment of phosphopeptides on 
MALDI plates functionalized by reactive landing of zirconium(IV)–n-propoxide 
ions. 
Anal.
Chem.,
2007, 

vol. 79, is. 14, pp. 5449–5456. DOI 10.1021/ac070790w

6. Chen C.J., Lai C.C., Tseng M.C., Liu Y.C., Liu Y.H., Chio 

L.W., 
Tsai 
F.J. 
A 
novel 
titanium 
dioxide
polydimethylsiloxane plate for phosphopeptide enrichment 
and mass spectrometry analysis. Anal. Chim. Acta, 2014, 
vol. 812, pp. 105–113. DOI: 10.1016/j.aca.2014.01.010 

7. Krásný L., Pompach P., Strohalm M. In situ enrichment of 

phosphopeptides on MALDI plates modified by ambient 
ion landing. J. Mass Spectrom., 2012, vol. 47, is. 1, 
pp. 1294–1302. DOI: 10.1002/jms.3081

8. Bi H., Qiao L., Busnel J.-M., Devaud V., Liu B., Girault H.H. 

TiO2 printed aluminum foil: single-use film for a laser desorption/ionization target plate. Anal. Chem., 2009, vol. 81, 
is. 3, pp. 1177–1183. DOI: 10.1021/ac8024448

9. Gladilovich V.D., Fedorova A.V., Podolskaya Е.P. 

[Fe2O3-based metal-oxide sorbent. synthesis, study of surface 
and sorption properties]. Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2013, vol. 23, no. 4, pp. 63–65. URL: 
http://iairas.ru/en/mag/2013/abst4.php#abst8 (In Russ.). 

10. Arseniev A.N., Krasnov N.V., Muradymov M.Z. Investi
gation of electrospray stability with dynamic liquid flow 
splitter. Anal. Chem., 2014, vol. 69, is. 14, pp. 30–32. 
DOI: 10.1134/ S1061934814140020

11. Lajner V.I. (ed.) Spravochnoe rukovodstvo po gal'vano
tekhnike [Galvanoplasty reference guide]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1969. 418 p. (In Russ.).

Contacts: Krasnov Nikolay Vasil'evich,
Article received by editing board on 26.04.2019 

krasnov@alpha-ms.com

ISSN 0868–5886          
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2, c. 12–21

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ  ДЛЯ  БИОЛОГИИ  

И  МЕДИЦИНЫ

12

УДК 577;576.3;537.364

 А. Г. Варехов, 2019

ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ 

НА КЛЕТОЧНЫЕ СУСПЕНЗИИ

ПО  ДАННЫМ  ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИХ  ИЗМЕРЕНИЙ

В
статье представлены результаты измерений, показывающие, что прямая потенциометрия с 

использованием липофильных индикаторных ионов (тетрафенилфосфоний) может быть использована как 
чувствительный инструмент для исследования энергетического состояния клеток. Показано, что 
воздействие микросекундных электрических импульсов высокой напряженности на аэробные клетки 
B.subtilis изменяет потенциальный профиль клеточной периферии, т.е. прежде всего трансмембранный и 
поверхностный потенциалы клеток. С физической точки зрения анализ воздействия основан на механизме 
поляризации клеток как индуцированном дрейфе свободного
ионного
заряда, который соответствует 

экстремально большим значениям — диэлектрической проницаемости и поглощенной энергии. Определены 
значения напряженности поля и времени воздействия, обеспечивающие инактивацию клеток. 

Кл. сл.: высоковольтные импульсы, бактериальные клетки, поляризация, тетрафенилфосфоний, 
потенциометрия

ВВЕДЕНИЕ

Действие электрического поля на клетки, взве
шенные в водных средах, широко используется 
теоретически при изучении клеточной периферии 
мембранных структур, но также и практически для 
инактивации клеточных составляющих  водных 
сред 1. Акцепторами электрических воздействий 
чаще всего являются мембранные структуры, т.е.
сложные многофункциональные агрегаты сопрягающих мембран, выполняющие функции окислительного фосфорилирования. Хорошо известны 
методы и приемы изучения влияния химических 
агентов, действие которых сводится как к ингибированию дыхания и фосфорилирования, так и к 
разобщению обоих этих процессов. Например, типичными разобщителями являются слабая липофильная кислота 2,4-динитрофенол, а также некоторые ионофорные антибиотики (грамицидин и 
валиномицин), которые угнетают фосфорилирование, но не подавляют дыхание. Другие антибиотики (олигомицин, флорицин, рутамицин) подавляют и перенос электронов, и фосфорилирование. 
Более жестко действуют дыхательные яды (цианиды, ротенон, азиды и окись углерода). Напротив, глюкоза и продукты ее биологического окисления (сукцинат и др.) способствуют энергизации 
клеток, увеличивая трансмембранный потенциал. 
Использование индикаторных липофильных ионов
(например, катионов тетрафенилфосфония ТФФ ),
несущих делокализованный электрический заряд 

и обладающих сродством к липидному содержимому клеточной периферии, хорошо отражает 
энергетическое состояние клетки. Таким образом,
потенциометрические измерения с использованием таких индикаторных ионов на водных суспензиях бактериальных клеток и в особенности дышащих клеток, дающие экспериментальные результаты непосредственно в величинах электрической разности потенциалов, являются наилучшим 
способом наблюдения над жизненными процессами в клеточных популяциях.

В последнее время появилось огромное количе
ство экспериментальных работ по электропорации 
(electroporation)
клеточных мембран. Взрывное 

образование мембранных пор при действии коротких импульсов высокой напряженности и электротаксис рассматриваются как способы инъекции 
генов и антираковых лекарственных средств, удаления (абляции) раковых клеток и тканей при необратимой электропорации, внутрикожной доставки плазмидов, инициации апоптоза даже в присутствии апоптических ингибиторов 2, 3. При 
действии коротких импульсов длительностью до
1 мкс и при напряженности электрического поля 
не более 10–20 кВ·см–1 сохраняется жизнеспособность клеток, но при более высоких значениях напряженности начинается их гибель. Для относительно длинных импульсов (более 1 мс) характерно выживание (survival), т.е. ограничение жизненных функций клеток при напряженности поля 0.1–
1 кВ·см–1 и далее — некроз при напряженности 

ДЕЙСТВИЕ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО  ПОЛЯ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 2

13

выше 3–4 кВ·см–1. Диапазон длительности импульса поля от 1 до 100 мкс при напряженности 
поля от 0.1 до 100 кВ·см–1 считается относительно 
неисследованным (relatively unexplored) 2.

КЛЕТКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Рассмотрим концентрирующее действие кле
ток, взвешенных в водной среде, на силовые линии электрического поля. Такое действие связано, 
во-первых, с тем, что частицы концентрируют 
противоионы из раствора, так что в двойном электрическом слое у поверхности их концентрация 
становится значительно выше макроскопической. 
Это, во-вторых, связано с концентрацией на поверхности ионов H ; например, для границы раздела "жирная кислота—вода", какой в первом 
приближении можно считать клеточную поверхность,
величина
градиента
pH
составляет

b
s
pH
pH
2


(
b
s
pH , pH — объемное (bulk) и по
верхностное (surface) значения) 4. Кроме того, 
дыхание клеток  приводит к обогащению приповерхностного слоя ионами H .
 Для очень концен
трированных клеточных суспензий (например, 
препаратов тканей), а также для суспензий микроорганизмов уже давно получены 5 очень высокие 
значения диэлектрической проницаемости
ε =

= 2·103–104, измеренные на частотах с периодом 
колебаний 3–30 мкс, т.е. в области времени, характерного для импульсного электрического воздействия. Эти результаты объяснялись способностью 
частиц концентрировать ионы H , причем тем 
сильнее, чем ниже значение рН. Еще раньше аналогичные результаты, т.е. очень высокие значения
диэлектрической проницаемости, были получены 
на неорганических суспензиях каолина 6. Поляризационные процессы на поверхности частиц определяются не только диполями компонентов клеточной периферии и растворителя (воды), но и 
смещением или, точнее, индуцированным дрейфом адсорбированных ионов в электрическом поле. Такие ионы делят 7 на специфически адсорбированные при наличии химического сродства их 
к поверхности и неспецифически адсорбированные, взаимодействующие с поверхностью посредством электростатических сил. Оба типа определяют плотную и относительно рыхлую части
штерновского двойного слоя.

Напротив, 
диэлектрическая 
проницаемость 

сильно структурированной воды на поверхности 
частиц может быть гораздо меньшей по сравнению со свободной водой. Известно, например 8, 
что слои воды толщиной 0.1 мкм, заключенные 
между пластинками слюды, т.е. высокоомного диэлектрика, имели при температуре 8 ºС на частоте

20 кГц диэлектрическую проницаемость, равную 
8. При уменьшении толщины до 0.07 мкм диэлектрическая проницаемость уменьшалась до 4–5, т.е.
до значения, соответствующего льду при температуре –5 °С. Структурирование воды на поверхности слюды определяется сильным адсорбционным 
электрическим полем (1010 B·м–1), тогда как электрическое поле у поверхности клетки значительно 
слабее (106–107 В·м–1).

Максимальная плотность отрицательного по
верхностного заряда для модельного липидного 
бислоя на основе фосфатидилсерина оценивалась 
9 величиной
2

max
0.23 Кл м




. В других изме
рениях 10 для бактериальных клеток B.subtilis
было получено значение
2
0.07 Кл м




. Опре
делена также площадь на один центр связывания, 
равная 15×15 Å. Это соответствует числу мест связывания одновалентных катионов на пептидогликане наружной поверхности клетки B.subtilis, примерно равному 107–108. Используем далее эти значения для расчета энергии, поглощенной частицей 
(клеткой) при действии электрического поля.

Отметим также, что на диэлектрическую жид
кость, не содержащую свободных зарядов, в электрическом поле действует
сила Гельмгольца 

с объемной плотностью









2

0

2

0

1 2
grad

1 2
grad
T

E

E









 










F

(ρ — плотность диэлектрика). Эта сила действует 
и на границе "клетка—среда", где первое слагаемое определяет силу натяжения клеточной мембраны, а второе слагаемое отражает появление 
электрострикционной силы 11. Детальное исследование
пондеромоторных сил, действующих 

на границах биологического материала и определяющих деструктивные процессы и в том числе
образование мембранных пор в этом материале, 
представляет большие трудности. Ограничимся
здесь только расчетом напряженности поля у поверхности клетки, которая определяет величину 
электростатической 
энергии,
затрачиваемой 

на поляризацию. Для расчета запишем сначала 
выражение для радиальной составляющей напряженности поля около сферической частицы радиуса a 12:

3

0
0
3
( , )
cos
2
cos
r

a
E r
E
E r



 

,

так что при r
a

и 
0
 
получаем
0
3
r
E
E
 
. 

Обозначим теперь
0
W — энергию поля
0
E в объе
ме, занятом частицей, и 
1
W — ту же энергию плюс 

некоторую энергию, затрачиваемую на деформа