Name: 在水中水合蛋白原位表征SALVI和TOF-SIMS (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: 学习使用SALVI和飞行时间二次离子质谱法原位表征水溶液中吸附的蛋白质薄膜。该方法可在固液界面直接分析生物分子，为生物界面研究提供高分辨率的分子成像数据。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

感谢太平洋西北国家实验室（PNNL）化学成像计划—实验室自主研究与发展（CII-LDRD）以及跨尺度材料合成与模拟（MS3）计划LDRD基金的支持。仪器使用权限通过W. R. Wiley环境分子科学实验室（EMSL）科学主题提案获得。EMSL是由PNNL生物与环境研究办公室（BER）资助的国家级科学用户设施。作者感谢隋晓先生、丁元钊先生和姚娟女士对稿件的校对及提供的有益反馈。PNNL由巴特尔公司根据合同DE-AC05-76RL01830为美国能源部（DOE）运营。

1. SALVI 微通道的清洗与灭菌
<ol>
	<li>SALVI 中微通道的灭菌
	<ol>
		<li>用注射器吸取 2 ml 70% 乙醇水溶液，将注射器连接至 SALVI 的入口端，缓慢注入 1 ml 液体，用时 10 分钟。注射结束后取下注射器。随后，使用聚醚醚酮（PEEK）接头将 SALVI 的入口和出口连接。或者，可使用注射泵执行相同操作，例如，设置流速为 100 μl/min。</li>
		<li>在室温下使 SALVI 微通道中充满 70% 乙醇溶液，静置 4 小时。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将去离子水（DI 水）引入 SALVI
	<ol>
		<li>用注射器吸取 2 ml 灭菌去离子水，将注射器连接至 SALVI 的入口，缓慢注入 1 ml 液体，用时 10 分钟。取下注射器后，使用 PEEK 接头连接 SALVI 的入口和出口。或者，可参照步骤 1.1.1 使用注射泵进行操作。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 在SALVI中固定蛋白质膜
<ol>
	<li>在 SALVI 中固定蛋白质膜
	<ol>
		<li>用注射器吸取 2 ml 纤连蛋白溶液（10 μg/ml，溶于磷酸盐缓冲液 PBS 中），将注射器连接至 SALVI 的进样口，缓慢注入 1 ml 液体，用时 10 分钟，移除注射器，并使用 PEEK 接头将 SALVI 的进样口和出样口连接。</li>
		<li>将装有纤连蛋白溶液的 SALVI 置于洁净的培养皿中，在室温下的超净台内孵育 12 小时。</li>
		<li>用注射器吸取 2 ml 灭菌去离子水，并将其连接至 SALVI 的进样口。缓慢注入 1 ml 水，用时 10 分钟，移除注射器，并连接 SALVI 的进样口和出样口。 
		注意：若配备光学显微镜，可在显微镜下检查 SALVI，确保在进行 ToF-SIMS 分析前氮化硅（SiN）膜完整无损。此时 SALVI 装置已准备好进行 ToF-SIMS 分析。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 将SALVI安装到飞行时间二次离子质谱仪的进样室中
注意：在操作 SALVI 装置以及将其安装到 ToF-SIMS 样品台时，应始终佩戴手套，以避免表面分析过程中可能发生的污染。
<ol>
	<li>将SALVI安装到载物台上
	<ol>
		<li>将飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）载物台放置在平坦且洁净的表面上。将SALVI装置置于载物台上，使硅晶圆和氮化硅（SiN）膜朝上。使用四个金属夹片固定SALVI，并通过四颗螺丝将固定装置四角的金属片拧紧至金属板上。</li>
		<li>轻轻卷起连接至微流控通道的聚四氟乙烯（PFTE）管路。使用四个金属片和四颗螺丝将刚性部分固定压紧。确保该装置位于SIMS载物台的开放区域中，以免在分析过程中干扰一次离子束。有关SALVI的制备与安装的额外图像和示意图可参见先前发表的文献8,9,11。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将法拉第杯安装到载物台上
	<ol>
		<li>用一颗螺丝将法拉第杯固定在载物台上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将载物台装入飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）进样锁室
	<ol>
		<li>打开飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）进样锁室，水平握住载物台并将其放置在装载平台上，然后关闭进样锁室门。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. ToF-SIMS 数据采集
<ol>
	<li>打开真空泵，确保达到合适的真空度（例如，数量级为10-6 mbar 或 Torr）时。</li>
	<li>约30分钟真空稳定后，将SALVI移入主腔室。 
	注意：真空度应低于 5 x 10-6 主腔室在数据采集期间应维持 mbar 真空。否则，过高的真空度表明 SALVI 系统存在泄漏。</li>
	<li>根据制造商建议，调节飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）的初级离子束和分析器，空间分辨率约为400 nm。在直流模式下，初级离子束电流为1,200 pA，循环时间为30 μsec。 
	注意：此过程主要遵循制造商的建议。</li>
	<li>使用光学显微镜找到微流控通道。以光学图像中心为参考，将其与二次离子图像中心对齐。</li>
	<li>每次测量前，使用1 KeV O2+ 束流（约40 nA）在500 × 500 µm的SiN窗口上进行扫描2 区域约15秒以去除表面污染。同时，在所有测量过程中使用电子淹没枪以补偿表面电荷积累。此步骤中，将淹没枪的自动功能设置为默认模式。</li>
	<li>在数据采集前选择正离子或负离子模式。使用 25 keV Bi3+ 在所有测量中均使用该束流作为初级离子束。 
	注意：正离子模式和负离子模式的数据采集步骤相似。为节省篇幅，此处详细描述正离子模式。
	<ol>
		<li>深度剖析
		<ol>
			<li>扫描 Bi3+ 在直径约为 2 µm 的圆形区域上，以 32 像素 × 32 像素的分辨率进行光束照射。</li>
			<li>为尽量减少穿透氮化硅（SiN）膜所需的时间，应使用较长的脉冲宽度（即，180 纳秒，束流强度约 1.0 pA，周期时间为 100 微秒）Bi3+ 束流。当达到击穿时，来自液体表面的次级离子强度会增加。击穿时间在300秒至500秒之间，具体取决于SiN膜的批次。 
			注意：根据我们的经验，这种差异似乎与所采购的SiN膜批次有关。然而，击穿时间实际上并不影响数据分析。</li>
			<li>在SiN膜穿孔后，保持相同的电流约200秒，以获取足够的数据用于二维图像重建。</li>
			<li>将脉冲宽度减小至80纳秒以进行数据采集，从而获得更高质量分辨率的质谱图。继续采集约200秒。所示谱图数据在 图1 从此区域获得。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>二维成像与质谱图
		<ol>
			<li>在测量深度剖析数据的同时，同步采集二维成像和质谱数据。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）仪器在实验过程中保存每个测量点的全部信息。数据分别显示在数字控制软件的不同窗口中（即“FPanel - 谱图”、“FPanel - 深度分布”和“FPanel - 图像”）。在数据采集过程中，应仔细检查各个面板中的数据。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. ToF-SIMS 数据分析
注意：数据分析最初使用 IonToF ToF-SIMS 仪器软件进行。
<ol>
	<li>打开 SIMS 分析软件（Measurement Explorer），然后依次点击 &#34;profiles”、“spectra”和“image”按钮，分别处理深度剖面、质荷比（m/z）谱图和图像数据。</li>
	<li>打开扩展名为 &#34;.ita&#34; 的数据文件。</li>
	<li>选择感兴趣的峰，在 &#34;ion&#34; 框中输入物种名称，并用不同颜色在谱图中标注。使用鼠标滚轮沿 x 轴拖动。按住 Ctrl 键并滚动鼠标滚轮可调整峰的高度和宽度。字母 &#34;L&#34; 可在 y 轴的线性（Linear）和对数（Log）模式之间切换。</li>
	<li>在质量校准前进行数据重构。否则，在质量校准步骤中将难以选择峰之间的间距。
	<ol>
		<li>选择感兴趣的深度剖析数据，并根据深度剖面的时间序列重建谱图。</li>
		<li>点击重建按钮。在 &#34;Start Reconstruction&#34; 窗口中输入感兴趣的扫描范围。点击 &#34;OK&#34; 以重建深度剖面数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>执行质量校准。按 &#34;F3&#34; 键打开 &#34;mass calibration&#34; 窗口。根据具体样品选择用于校准的峰。21 本研究中，正离子模式下使用以下峰：CH3+（m/z 15）、H3O+（m/z 19）、C2H5+（m/z 29）、H5O2+（m/z 37）、C3H7+（m/z 43）、H7O3+（m/z 55）、H9O4+（m/z 71）、H11O5+（m/z 99）和 H13O6+（m/z 109）；负离子模式下使用以下峰：CH-（m/z 13）、O-（m/z 16）、OH-（m/z 17）、C2H-（m/z 25）、C3H-（m/z 37）和 C4H-（m/z 49）。
	<ol>
		<li>选择一个峰，确保窗口左下角的向下箭头指向该峰。点击该峰，并在 &#34;mass calibration&#34; 窗口中输入峰名称，点击 &#34;Add&#34;，即可将目标离子纳入质量校准。</li>
		<li>最后，点击 &#34;Recalibrate&#34; 按钮。检查各峰区域是否根据其质荷比（m/z）处于正确位置。在 &#34;Spectrum&#34; 菜单中，选择并点击 &#34;Apply Mass Calibration&#34;，根据具体分析需求应用于 &#34;All Spectra&#34; 或 &#34;Selected spectra&#34;。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>由于样品分析需要进行峰选择，应根据文献或其他先前研究结果确定样品的特征峰。比较 m/z 谱图中感兴趣峰的强度。如有必要，在峰列表中添加新峰或删除无用峰。
	<ol>
		<li>添加峰。点击一个峰，在左下角窗口中找到红色线条。按住 &#34;Ctrl&#34; 键，水平滚动鼠标以定义峰宽，系统将自动将该峰添加至峰列表。另一种添加峰的方法是：在主谱图窗口中选择一个峰，然后点击窗口上方的 &#34;add peak&#34; 按钮。若需添加多个峰，可在 &#34;Spectrum&#34; 菜单中选择 &#34;search peaks&#34;，在新打开的窗口中勾选相关参数，然后按需添加峰。</li>
		<li>导出峰列表时，在 &#34;Peak List&#34; 菜单中选择 &#34;Save…”，将峰列表保存为 &#34;itmil&#34; 格式。使用 Ctrl 键和鼠标左键沿谱图拖动。在谱图窗口中选择一个感兴趣的峰，并将两条虚线拖动至理想位置。</li>
		<li>导入峰列表时，在 &#34;Mass interval List&#34; 菜单中选择 &#34;Import…”，定位到扩展名为 &#34;.ITPL&#34; 的现有峰列表文件，点击 &#34;Open&#34;。</li>
		<li>使用 &#34;itmil&#34; 峰列表时，在 &#34;Mass Interval List&#34; 菜单中点击 &#34;Open…”，找到文件后点击 &#34;Open&#34;。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>应用峰列表进一步分析数据。在 &#34;Spectra&#34; 窗口左下角有一个名为 &#34;Mass Interval List&#34; 的窗口，导入的峰列表将在此显示。
	<ol>
		<li>右键点击要使用的峰列表文件，将其应用于 &#34;active spectrum&#34; 或 &#34;all spectra&#34;。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>查看数据剖面图。在 &#34;Profile&#34; 窗口中，使用字母 &#34;M&#34; 适配窗口（全范围），使用字母 &#34;N&#34; 适配 y 轴。使用 Ctrl 键和鼠标滚轮调整剖面宽度。或者使用键盘上的 &#34;/&#34; 和 &#34;*&#34; 键更改 y 轴的范围和高度。</li>
	<li>初步分析完成后，导出数据以便使用其他图形软件作图。
	<ol>
		<li>导出深度剖面时，在 &#34;Profile&#34; 窗口中点击 &#34;File&#34; 菜单，选择 &#34;Export&#34;，然后选择 &#34;Save as&#34; 为 &#34;.txt&#34; 文件。</li>
		<li>导出 m/z 谱图文件时，在 &#34;Spectra&#34; 窗口中点击 &#34;File&#34; 菜单，选择 &#34;Export&#34;，然后选择 &#34;Save as&#34; 为 &#34;.txt&#34; 文件。</li>
		<li>导出图像文件时，在 &#34;Image&#34; 窗口中截屏并保存为图像文件。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. ToF-SIMS 数据绘图与展示
注意：使用仪器配套软件处理 SIMS 数据后，利用图形工具绘制数据。
<ol>
	<li>使用图形工具导入数据。</li>
	<li>以 m/z 为横轴、峰强度为纵轴绘制图表，以显示重建的质谱图。示例见图1。</li>
	<li>以溅射时间为横轴、峰强度为纵轴绘制图表，以显示重建的深度剖面时间序列。示例见图2。</li>
	<li>将不同 m/z 的重建二维图像组合成矩阵，以显示离子分布图。示例见图2。</li>
</ol>

<ol><li>Tompa, K., Bokor, M., Verebelyi, T., Tompa, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+rotation+barriers+on+protein+molecular+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Water rotation barriers on protein molecular surfaces.</a> Chem. Phys. 448, 15-25 (2015).</li>
<li>Maruyama, Y., Harano, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Does+water+drive+protein+folding%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Does water drive protein folding?</a> Chem. Phys. Lett. 581, 85-90 (2013).</li>
<li>Chaplin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Opinion+-+Do+we+underestimate+the+importance+of+water+in+cell+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Mol.+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">Opinion - Do we underestimate the importance of water in cell biology.</a> Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7 (11), 861-866 (2006).</li>
<li>Zhang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+hydration+dynamics+around+a+protein+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.+S.+A%22%5BJournal%5D)">Mapping hydration dynamics around a protein surface.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104 (47), 18461-18466 (2007).</li>
<li>Xia, N., May, C. J., McArthur, S. L., Castner, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-of-flight+secondary+ion+mass+spectrometry+analysis+of+conformational+changes+in+adsorbed+protein+films%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Time-of-flight secondary ion mass spectrometry analysis of conformational changes in adsorbed protein films.</a> Langmuir. 18 (10), 4090-4097 (2002).</li>
<li>Gray, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+interaction+of+proteins+with+solid+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Opin.+Struct.+Biol%22%5BJournal%5D)">The interaction of proteins with solid surfaces.</a> Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (1), 110-115 (2004).</li>
<li>Wagner, M. S., Horbett, T. A., Castner, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+the+structure+of+binary+and+ternary+adsorbed+protein+films+using+electron+spectroscopy+for+chemical+analysis%2C+time-of-flight+secondary+ion+mass+spectrometry%2C+and+radiolabeling%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Characterization of the structure of binary and ternary adsorbed protein films using electron spectroscopy for chemical analysis, time-of-flight secondary ion mass spectrometry, and radiolabeling.</a> Langmuir. 19 (5), 1708-1715 (2003).</li>
<li>Yang, L., Yu, X. -Y., Zhu, Z., Iedema, M. J., Cowin, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+liquid+surfaces+under+vacuum+using+SEM+and+and+ToF-SIMS%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Probing liquid surfaces under vacuum using SEM and and ToF-SIMS.</a> Lab Chip. 11 (15), 2481-2484 (2011).</li>
<li>Yang, L., Yu, X. -Y., Zhu, Z. H., Thevuthasan, T., Cowin, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Making+a+hybrid+microfluidic+platform+compatible+for+in+situ+imaging+by+vacuum-based+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Sci.+Technol.+A%22%5BJournal%5D)">Making a hybrid microfluidic platform compatible for in situ imaging by vacuum-based techniques.</a> J. Vac. Sci. Technol. A. 29 (6), 061101(2011).</li>
<li>Yu, X. -Y., Yang, L., Zhu, Z. H., Cowin, J. P., Iedema, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+aqueous+surfaces+by+ToF-SIMS%5BTitle%5D)+AND+%22LC+GC+N.+Am%22%5BJournal%5D)">Probing aqueous surfaces by ToF-SIMS.</a> LC GC N. Am. (Oct), 34-38 (2011).</li>
<li>Yu, X. -Y., Yang, L., Cowin, J., Iedema, M., Zhu, Z. Systems and methods for analyzing liquids under vacuum. US patent. , 8,555,710 B2 (2013).</li>
<li>Yu, X. -Y., Liu, B., Yang, L., Zhu, Z., Marshall, M. J. Microfluidic electrochemical device and process for chemical imaging and electrochemical analysis at the electrode-liquid interface in situ. US patent. , 20,140,038,224 A1 (2014).</li>
<li>Yang, L., Zhu, Z., Yu, X. -Y., Thevuthasan, S., Cowin, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+of+a+microfluidic+device+for+in+situ+ToF-SIMS+analysis+of+selected+organic+molecules+at+aqueous+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Methods%22%5BJournal%5D)">Performance of a microfluidic device for in situ ToF-SIMS analysis of selected organic molecules at aqueous surfaces.</a> Anal. Methods. 5 (10), 2515-2522 (2013).</li>
<li>Yang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+SEM+and+ToF-SIMS+analysis+of+IgG+conjugated+gold+nanoparticles+at+aqueous+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Interface+Anal%22%5BJournal%5D)">In situ SEM and ToF-SIMS analysis of IgG conjugated gold nanoparticles at aqueous surfaces.</a> Surf. Interface Anal. 46 (4), 224-228 (2014).</li>
<li>Hua, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+molecular+imaging+of+hydrated+biofilm+in+a+microfluidic+reactor+by+ToF-SIMS%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">In situ molecular imaging of hydrated biofilm in a microfluidic reactor by ToF-SIMS.</a> Analyst. 139 (7), 1609-1613 (2014).</li>
<li>Hua, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+and+three-dimensional+dynamic+imaging+of+live+biofilms+in+a+microchannel+by+time-of-flight+secondary+ion+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional and three-dimensional dynamic imaging of live biofilms in a microchannel by time-of-flight secondary ion mass spectrometry.</a> Biomicrofluidics. 9 (3), 031101(2015).</li>
<li>Liu, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+chemical+probing+of+the+electrode-electrolyte+interface+by+ToF-SIMS%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">In situ chemical probing of the electrode-electrolyte interface by ToF-SIMS.</a> Lab Chip. 14 (5), 855-859 (2014).</li>
<li>Pankov, R., Yamada, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fibronectin+at+a+glance%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Cell+Sci%22%5BJournal%5D)">Fibronectin at a glance.</a> J. Cell Sci. 115 (20), 3861-3863 (2002).</li>
<li>Pierschbacher, M. D., Hayman, E. G., Ruoslahti, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Location+of+the+cell-attachment+site+in+fibronectin+with+monoclonal+antibodies+and+proteolytic+fragments+of+the+molecule%5BTitle%5D)+AND+%22Cell%22%5BJournal%5D)">Location of the cell-attachment site in fibronectin with monoclonal antibodies and proteolytic fragments of the molecule.</a> Cell. 26 (2), 259-267 (1981).</li>
<li>Engvall, E., Ruoslahti, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Binding+of+soluble+form+of+fibroblast+surface+protein%2C+fibronectin%2C+to+collagen%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Cancer%22%5BJournal%5D)">Binding of soluble form of fibroblast surface protein, fibronectin, to collagen.</a> Int. J. Cancer. 20 (1), 1-5 (1977).</li>
<li>Green, F. M., Gilmore, I. S., Seah, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TOF-SIMS%3A+Accurate+mass+scale+calibration%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Soc.+Mass+Spectrom%22%5BJournal%5D)">TOF-SIMS: Accurate mass scale calibration.</a> J. Am. Soc. Mass Spectrom. 17 (4), 514-523 (2006).</li>
<li>Yu, X. -Y., Liu, B., Yang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+liquids+using+microfluidic+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid.+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">Imaging liquids using microfluidic cells.</a> Microfluid. Nanofluid. 15 (6), 725-744 (2013).</li>
<li>Shi, H., Lercher, J. A., Yu, X. -Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sailing+into+uncharted+waters%3A+recent+advances+in+the+in+situ+monitoring+of+catalytic+processes+in+aqueous+environments%5BTitle%5D)+AND+%22Catal.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Sailing into uncharted waters: recent advances in the in situ monitoring of catalytic processes in aqueous environments.</a> Catal. Sci. Technol. 5 (6), 3035-3060 (2015).</li>
<li>Deleu, M., Crowet, J. M., Nasir, M. N., Lins, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complementary+biophysical+tools+to+investigate+lipid+specificity+in+the+interaction+between+bioactive+molecules+and+the+plasma+membrane%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Biochim.+Biophys.+Acta-Biomembr%22%5BJournal%5D)">Complementary biophysical tools to investigate lipid specificity in the interaction between bioactive molecules and the plasma membrane: A review.</a> Biochim. Biophys. Acta-Biomembr. 1838 (12), 3171-3190 (2014).</li>
<li>Kraft, M. L., Klitzing, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+lipids+with+secondary+ion+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Biochim.+Biophys.+Acta+Mol.+Cell+Biol.+Lipids%22%5BJournal%5D)">Imaging lipids with secondary ion mass spectrometry.</a> Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell Biol. Lipids. 1841 (8), 1108-1119 (2014).</li>
<li>Gilmore, I. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SIMS+of+organics-Advances+in+2D+and+3D+imaging+and+future+outlook%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Sci.+Technol.+A%22%5BJournal%5D)">SIMS of organics-Advances in 2D and 3D imaging and future outlook.</a> J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (5), 050819(2013).</li>
<li>Muramoto, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ToF-SIMS+Analysis+of+Adsorbed+Proteins%3A+Principal+Component+Analysis+of+the+Primary+Ion+Species+Effect+on+the+Protein+Fragmentation+Patterns%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">ToF-SIMS Analysis of Adsorbed Proteins: Principal Component Analysis of the Primary Ion Species Effect on the Protein Fragmentation Patterns.</a> J. Phys. Chem. C. 115 (49), 24247-24255 (2011).</li>
<li>Brüning, C., Hellweg, S., Dambach, S., Lipinsky, D., Arlinghaus, H. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+the+interpretation+of+ToF-SIMS+measurements+on+adsorbed+proteins+using+PCA%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Interface+Anal%22%5BJournal%5D)">Improving the interpretation of ToF-SIMS measurements on adsorbed proteins using PCA.</a> Surf. Interface Anal. 38 (4), 191-193 (2006).</li>
<li>Gustavsson, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modifications+of+silicon+nitride+for+cellular+biosensor+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Sci.-Mater.+Med%22%5BJournal%5D)">Surface modifications of silicon nitride for cellular biosensor applications.</a> J. Mater. Sci.-Mater. Med. 19 (4), 1839-1850 (2008).</li>
<li>Deng, J., Ren, T. C., Zhu, J. Y., Mao, Z. W., Gao, C. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+of+plasma+proteins+and+fibronectin+on+poly%28hydroxylethyl+methacrylate%29+brushes+of+different+thickness+and+their+relationship+with+adhesion+and+migration+of+vascular+smooth+muscle+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Regen+Biomater%22%5BJournal%5D)">Adsorption of plasma proteins and fibronectin on poly(hydroxylethyl methacrylate) brushes of different thickness and their relationship with adhesion and migration of vascular smooth muscle cells.</a> Regen Biomater. , 17-25 (2014).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

SALVI 是一种微流控界面，可通过基于真空的仪器（如飞行时间二次离子质谱仪（ToF-SIMS）和扫描电子显微镜（SEM））实现对动态液体表面和液-固界面的分析。由于采用小孔径结构使液体直接暴露于真空中，SALVI 无需任何修改即可适用于多种高聚焦的光谱和成像技术22；微流控系统的便携性和多功能性使其成为一个真正的多模态成像平台。与其他现有技术相比，SALVI 的独特特征和重要意义已在多篇近期综述中进行了总结22–25。作为 SALVI 技术的开发者，我们的研究团队已积极将其应用于涉及动态液体表面和液-固界面的多种研究中。一些新应用的实例包括哺乳动物细胞膜、细菌生物膜附着15,16，以及由水相表面氧化反应引发的纳米颗粒形成。本文中，我们展示了吸附在 SiN 表面上的水合蛋白薄膜的初始液相 ToF-SIMS 分析结果。
在实验方案中，必须格外注意标亮的步骤。例如，在步骤1和步骤2中将液体吸入注射器时，务必确保注射器内无任何气泡。因为一旦气泡被注入SALVI装置，可能会导致真空系统发生泄漏9。因此，...

水合作用对蛋白质的结构1、构象2以及生物活性3至关重要。若蛋白质周围没有水分子，则其将不具备可行使的生物活性。具体而言，水分子会与蛋白质的表面及内部结构发生相互作用，而蛋白质不同的水合状态会使这些相互作用表现出差异4。蛋白质与固体表面的相互作用是一种基本现象，在纳米技术、生物材料和组织工程过程中具有重要意义。长期以来的研究表明，当蛋白质接触表面时可能发生构象变化。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）被认为是一种具有潜力用于研究蛋白质-固体界面的技术5-7。理解蛋白质在固体表面上的水合状态至关重要，这有望为揭示其结构、构象及生物活性的机制提供基础性认识。
然而，主要的表面分析技术大多基于真空环境，由于挥发性液体在真空条件下会迅速蒸发，因此难以直接将其应用于挥发性液体的研究。我们开发了一种与真空兼容的微流控接口——液体-真空界面分析系统（System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface, SALVI），可实现利用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对液体表面及液-固相互作用进行直接观测。8-11 该系统具有以下独特优势：1）检测窗口为直径2-3 μm的微孔，可实现对液体表面的直接成像；2）利用表面张力将液体稳定地保持在微孔内；3）SALVI可在多种分析平台上通用。11,12
SALVI 由作为检测区域的氮化硅（SiN）膜和聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的微通道组成。其在洁净室中制备，制备方法及关键设计因素已在先前的论文和专利中详细描述。8-12 通过使用多种水溶液和复杂液体混合物（其中一些含有纳米颗粒），展示了飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）作为分析工具的应用。13-17 具体而言，SALVI 液体飞行时间二次离子质谱（liquid ToF-SIMS）可实现对活体生物系统液-固界面的动态探测（即，生物膜）、单细胞以及固态电解质界面，为相关研究开辟了新的机遇 原位 包括使用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对液体等凝聚相体系的研究。然而，当前的设计尚不支持气液相互作用的分析，这将是未来发展的方向。本研究首次利用SALVI对水合蛋白质薄膜进行了研究。
纤连蛋白是一种常用的蛋白质二聚体，由两个几乎相同的单体通过一对二硫键连接而成18，以其结合细胞的能力而广为人知19,20。本研究选择其作为模型体系，以证明水合蛋白质薄膜可通过SALVI液相飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）方法进行动态探测。将蛋白质溶液引入微通道中，孵育12小时后，在氮化硅（SiN）膜的背面形成一层水合蛋白质薄膜。在引入蛋白质后，使用去离子水（DI水）冲洗通道。利用动态ToF-SIMS从SALVI微通道中的水合纤连蛋白分子获取信息。同时研究了去离子水作为对照，以与水合纤连蛋白薄膜的检测结果进行比较。在水合蛋白质薄膜与去离子水之间观察到显著差异。本工作表明，在液相环境中蛋白质在表面的吸附行为可通过新型SALVI与液相ToF-SIMS方法进行研究。该视频方案旨在为有意将这一新型分析工具应用于SALVI结合ToF-SIMS多种研究领域的人员提供技术指导，并减少液体操作以及ToF-SIMS数据采集与分析过程中的不必要错误。

<table><tbody><tr><td>ToF-SIMS</td><td>IONTOF</td><td>TOF.SIMS 5</td><td>分辨率：&gt;10,000 m/&amp;Delta;m（质量分辨率）；&gt;4,000 m/&amp;Delta;m（高空间分辨率）&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>液体-真空界面分析系统（SALVI）</td><td>太平洋西北国家实验室</td><td>N/A</td><td>SALVI 是一种独特、自成一体且可移动的分析工具，首次使基于真空的科学仪器（如飞行时间二次离子质谱，ToF-SIMS）能够在分子水平上对液体表面的自然状态进行分析。</td></tr><tr><td>PEEK 接头</td><td>Valco</td><td>ZU1TPK</td><td>用于连接 SALVI 的进样口和出样口</td></tr><tr><td>五轴样品台</td><td>IONTOF</td><td>N/A</td><td>样品台为自制，用于在 ToF-SIMS 中安装 SALVI</td></tr><tr><td>Barnstead Nanopure 水纯化系统</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>D11921</td><td>ROpure LP 反渗透过滤模块（D2716）</td></tr><tr><td>注射器</td><td>BD</td><td>309659</td><td>1 ml</td></tr><tr><td>移液器</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>21-377-821</td><td>量程：100 至 1,000 ml</td></tr><tr><td>移液器吸头</td><td>Neptune</td><td>2112.96.BS</td><td>1,000 &amp;micro;l</td></tr><tr><td>离心管</td><td>Corning</td><td>430791</td><td>15 ml</td></tr><tr><td>纤连蛋白</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F1141</td><td>1 mg/ml</td></tr><tr><td>乙醇</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>S25310A</td><td>95% 变性乙醇</td></tr><tr><td>Gibco 磷酸盐缓冲液（PBS）</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>10010-023</td><td>pH 7.4</td></tr></tbody></table>

原位表征水溶液中水合蛋白质的 salvi 与 tof-sims 方法

In Situ Characterization of Hydrated Proteins in Water by SALVI and ToF-SIMS

本研究展示了 原位 利用液体-真空界面分析系统（SALVI）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对水溶液中蛋白质生物分子进行表征。纤维连接蛋白（fibronectin）蛋白膜被固定在构成SALVI检测区域的氮化硅（SiN）膜上。在进行ToF-SIMS分析时，共采用三种分析模式：高空间分辨率质谱、二维（2D）成像和深度剖析。质谱数据在正离子和负离子模式下均被采集。去离子水也被作为参比样品进行分析。实验结果表明，与纯水相比，水中的纤维连接蛋白膜表现出更明显且更强的水簇峰。在水合蛋白的ToF-SIMS谱图中，还可观察到氨基酸片段的特征峰。这些结果表明，首次实现了在液相环境中利用SALVI与ToF-SIMS对蛋白质分子在界面上的吸附行为进行动态研究。

关键词：SALVI，飞行时间二次离子质谱，ToF-SIMS，纤维连接蛋白，水溶液，蛋白质吸附，液相界面分析，水簇峰，氨基酸片段，深度剖析，二维成像，高空间分辨率质谱

展示了一些代表性结果，以说明所提出方案的优势。通过使用SALVI微流控接口，一次离子束（Bi3+）可直接轰击去离子水中的水合纤连蛋白薄膜，从而成功获得液体表面的分子化学分布图谱。
图1a 和1b 分别展示了水合纤连蛋白薄膜和去离子水的正离子飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）图谱。红箭头标示了感兴趣的峰，包括水团簇（即，m/z 19、37、55、73、91 和 109）以及氨基酸碎片峰（即，m/z 30、44、61、74、81、83 和 98）。除了在干燥蛋白质样品中广泛报道的氨基酸碎片特征峰外，在去离子水中水合纤连蛋白薄膜的质谱图中还观察到了水团簇峰。此外，这些水团簇峰的强度与去离子水本身的质谱图中的相应峰强度显著不同。该结果为水分子在水合蛋白质分子周围及内部所具有的特性提供了直接证据，表明这些水分子...

本研究提供了一种用于液体处理及将样品引入微通道的实验方案 原位 飞行时间二次离子质谱法分析水溶液中的蛋白质生物分子

原位表征水溶液中水合蛋白质的 SALVI 与 ToF-SIMS 方法

本研究展示了利用液体-真空界面分析系统在水溶液中原位表征蛋白质生物分子的方法。

本实验方案旨在利用液-真空界面分析系统与飞行时间二次离子质谱技术，表征水溶液中的吸附蛋白膜。该方法有助于解答有关生物分子及生物界面的关键问题，例如固体表面吸附蛋白质的表征分析。该技术的主要优势在于，生物分子可以在液体环境中原位启动，并可结合分子定位分析。尽管该方法能够提供固体-液体界面处生物分子的信息，但也可应用于其他体系，包括单个癌细胞的研究、药物相互作用以及生物膜的附着过程。取一支5 mL注射器，吸取2 mL的70%乙醇溶液。将注射器连接到SALVI装置的入口端，在10分钟内缓慢注入1毫升液体。注射结束后，取下注射器，并使用聚醚醚酮接头连接SALVI的入口和出口。在室温下保持SALVI微通道充满70%乙醇溶液，持续4小时。然后，用无菌去离子水填充第二支注射器。将其连接到SALVI的入口，并在10分钟内缓慢将去离子水注入装置中。移除注射器，并将装置的入口和出口重新连接在一起。为了固定蛋白膜，首先用注射器吸取两毫升纤连蛋白溶液。将注射器连接至 SALVI 装置的入口，缓慢注入一毫升液体，持续 10 分钟。随后取下注射器，重新连接入口和出口。将装置置于洁净的培养皿中，在室温下孵育12小时。孵育结束后，在10分钟内缓慢注入1毫升无菌去离子水，然后将入口与出口重新连接。首先，将飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）样品台放置在平坦、洁净的表面上。将SALVI装置放置在载物台上，使硅晶圆和氮化硅膜朝上。使用四个金属夹具将SALVI装置固定在载物台上，并通过四颗螺丝将固定装置角落的金属件拧紧至金属板上。接着，轻轻卷起连接至微流控通道的PTFE管。使用四个金属件和四个螺丝固定刚性部分。确保装置放置在样品台的空旷区域，以免在分析过程中干扰一次离子束。接下来，使用螺丝将法拉第杯安装到样品台上。然后，打开飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）的负载锁门，将样品台水平放置在装载平台上，随后关闭舱门。启动真空泵，使负载锁腔室抽真空至约10⁻⁶毫巴。约30分钟后，待真空度稳定，再将SALVI装置移入主腔室。根据制造商推荐的方案，调节飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）的初级离子束和分析器，以获得约400纳米的空间分辨率。接下来，使用光学显微镜找到微流控通道。以光学图像中心为参考，将其与二次离子图像中心对齐，确保两者一致。此步骤的可视化演示至关重要，因为样品比常规固体样品更厚，难以调节参数以找到通道的最佳焦距。每次测量前，使用1 keV的氧束在氮化硅窗口上扫描约15秒，以去除表面污染。在所有测量过程中，还需使用电子漫射枪来补偿表面电荷积累。接下来，在开始数据采集之前选择正离子模式或负离子模式。所有测量中均使用25 keV的铋三正离子（Bi³⁺）作为一次离子束。进行深度剖析时，将一次离子束扫描在直径约2微米的圆形区域上，扫描分辨率为32像素 × 32像素。为了尽量缩短穿透氮化硅膜所需的时间，应使用长脉冲宽度的初级离子束。在完成氮化硅膜的穿透后，保持相同的电流约200秒，以获取足够的数据用于二维图像重建。在数据采集过程中，将脉冲宽度减小至80纳秒，以便获得具有更高质谱分辨率的谱图。继续采集约另外200秒。使用SALVI微流控接口，一次离子束可直接轰击水合纤连蛋白薄膜。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）数据表明存在多种水团簇和氨基酸片段。这为水分子在水合蛋白质分子周围及内部的性质提供了直接证据。此处可以观察到水合纤连蛋白薄膜以及去离子水的深度分布时间序列。在氮化硅膜被穿透之前，所选二次离子的强度可忽略不计。一旦氮化硅膜被穿透，次级离子的强度会显著增加。短脉冲宽度模式用于获取具有更佳质量分辨率的数据，以进行图像和谱图重建。来自水合纤连蛋白薄膜和去离子水的二维图像，代表了样品中选定次级离子的计数。图像越亮，二次离子计数越高。这些直观的图像可清晰比较不同样品间选定的二次离子，有助于数据分析。在进行此操作时，需注意微反应器在安装到真空腔室之前必须确保无泄漏。该技术为生物学和生物界面领域的研究人员探索蛋白质吸附、生物膜附着、表面自组装单分子层以及许多其他现象铺平了道路。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用SALVI和液体飞行时间二次离子质谱（liquid ToF-SIMS）来研究各种液体样品。

in-situ-characterization-hydrated-proteins-water-salvi-tof

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

在水中水合蛋白原位表征SALVI和TOF-SIMS

本实验的目的是确定并控制水溶液中自组装盘状两亲分子的尺寸、形状和稳定性。对于基于水相的超分子聚合物而言，实现这种程度的控制非常困难。我们采用了一种同时利用排斥作用和吸引作用的策略。用于表征该系统的实验技术具有广泛的适用性。...

控制超分子聚合物在水中的尺寸、形状与稳定性

超过一半的蛋白质是小分子蛋白质（分子质量 &lt;200 kDa），这类蛋白质在电子显微镜成像和三维重构方面均具有挑战性。优化的负染色法是一种可靠且高通量的方案，可在不同生理条件下获得小分子非对称蛋白质或复合物的高对比度和相对高分辨率（约 1...

优化的负染色法：一种高通量电镜检测小分子及非对称蛋白结构的实验方案

在表面上对质荷比选择的离子进行软着陆是一种制备新型材料的高度可控方法。结合分析手段 原位...

原位 SIMS 与红外光谱法研究经质量选择离子软着陆制备的明确定义表面

蛋白质功能的关键步骤，特别是主链构象变化和质子转移反应，通常发生在微秒到毫秒的时间尺度上。这些动力学过程可以通过时间分辨步进扫描傅里叶变换红外光谱技术进行研究，尤其适用于其功能由光触发的蛋白质。...

利用时间分辨步进扫描傅里叶变换红外光谱研究光敏蛋白中的质子转移与蛋白质构象动力学

沉降平衡（SE）可用于在生理环境中研究蛋白质-蛋白质相互作用。本论文描述了该技术的应用，以确定 pH...

小寡聚体膜蛋白的沉降平衡研究：组氨酸质子化对五聚体稳定性的影响

本文介绍了针对固态粉末中蛋白质的固态酰胺氢/氘交换质谱法（ssHDX-MS）和固态光解标记质谱法（ssPL-MS）的详细实验方案。这些方法可提供非晶态固态中蛋白质构象及其相互作用的高分辨率信息，可能对制剂设计具有重要意义。...

质谱技术在冻干粉末中研究蛋白质结构与相互作用的应用

本文介绍了一种用于培养生物膜的方法 原位 飞行时间二次离子质谱结合微流控反应器——液体-真空界面分析系统，用于样品水合状态下的化学成像。 Shewanella oneidensis...

原位表征Shewanella oneidensis MR1生物膜的SALVI与飞行时间二次离子质谱技术

我们介绍了一种对去离子水中的勃姆石颗粒进行实时成像与元素组成分析的方法 原位...

原位 使用液相扫描电镜表征水中的勃姆石颗粒

本文介绍了一种在原子尺度上研究界面水结构与动力学的实验方案，内容包括亚分子分辨率成像、分子操纵以及单键振动光谱学。...

利用扫描隧道显微镜与谱学技术研究界面水的结构与动力学

本方案描述了一种无需校准的蛋白质同源寡聚化定量方法 体外...

无需校准 体外 使用商用仪器和免费开源亮度分析软件定量检测蛋白质同源寡聚化

中子背散射谱学提供了一种无损且无需标记的方法，用于研究蛋白质及其水合水在皮秒至纳秒时间尺度上的动力学行为。本文通过两项关于淀粉样蛋白的研究展示了该方法的工作流程：一是溶菌酶在聚集过程中时间分辨的动力学研究，二是tau蛋白在形成纤维时其水合水动力学的研究。...

高分辨率中子谱学研究蛋白质及水合水的皮秒至纳秒动力学

学习使用SALVI和飞行时间二次离子质谱法原位表征水溶液中吸附的蛋白质薄膜。该方法可在固液界面直接分析生物分子，为生物界面研究提供高分辨率的分子成像数据。

原位表征水溶液中水合蛋白质的 SALVI 与 ToF-SIMS 方法

探索更多视频