基于电喷雾/光化学电离质谱成像源的烤烟叶化学成分空间分布研究

应用领域：烟草工业；植物代谢组学；

‌前言

本实验采用印迹法结合电喷雾/光化学电离质谱成像源技术，实现初烤干烟叶内多类化学成分空间分布可视化，完整解析生物碱、氨基酸、糖类等物质在烟叶纵向、横向的空间分布规律，并对烟草气候斑点病区域的特征代谢物分布开展成像分析。

该方法解决传统DESI电离极性歧视、离子抑制问题，可直观呈现单片烟叶内部化合物浓度差异，为烟草栽培、复烤加工、病害机理研究提供**分子成像手段。

‌实验材料与方法

仪器：电喷雾/光化学电离质谱成像源(DESI/PI)、Agilent6224高分辨率飞行时间质谱仪；

样品：初烤干烟叶。

‌结果与结论

1、化学成分纵向（叶尖→叶基）分布规律

生物碱、氨基酸、糖类等核心品质相关物质整体呈叶尖含量最高，向叶基持续递减趋势。

植物碱（烟碱、烟碱烯、去氢新烟碱等）：近叶尖信号强度峰值，叶中至叶基含量平缓下降。

氨基酸（L-脯氨酸、谷氨酸、5-氨基-羟基戊酸等）：脯氨酸含量远高于其余氨基酸，分布趋势与烟碱一致；α-氨基己二酸仅叶尖至叶中降低，叶中到叶基基本不变。

Amadori化合物（Amadori化合物是美拉德反应中醛糖和不同氨基酸通过缩合、脱水、重排而得到的一类稳定产物）与降烟碱果糖复合物：分布与游离脯氨酸高度同步，证明烘烤阶段氨基酸底物浓度直接决定美拉德反应产物含量。

 图1 烟叶叶片纵向取样位置点示意图（绿色方框为取样区域）；（B）在正离子模式下检测烟叶中12种代表性化学物质的质谱成像图；（C）5种植物碱的纵向分布情况（a.烟碱；b.烟碱烯；c.去氢新烟碱；d.N′-甲酰基降烟碱；e.（R,S）-N-乙基降烟碱/N′-甲基假木贼碱）；（D）5种氨基酸的纵向分布情况（f.L-脯氨酸；g.5-氨基-羟基戊酸；h.谷氨酸；i.α-氨基己二酸；j.3-（N-亚硝基-N-甲氨基）丙酸/天门冬酰胺）；（E）1-脱氧-1-L-脯氨酰氧基-D-果糖（k）和1-[1-（2′S）-降烟碱]-1-脱氧-β-D-呋喃果糖（I）的纵向分布情况

2、化学成分横向（叶片左边缘→主脉→右边缘）分布规律

各类特征物质在烟叶左右边缘含量最高，主脉区域含量最低，含量变化趋势不是完全以叶梗左右对称的（受栽培、烘烤、取样避开叶脉影响）。

生物碱、脯氨酸、Amadori产物：从主脉至左边缘含量持续上升；主脉至右边缘先降低后升高，两侧边缘达峰值；

谷氨酸、α-氨基己二酸：左右边缘富集，主脉处含量显著下降。

图2（A）烟叶叶片横向取样位置点示意图；（B）正离子模式下检测烟叶中12种代表性化学物质的质谱成像图；（C）5种植物碱的横向分布情况（a.烟碱；b.烟碱烯；c.去氢新烟碱；d.N′-甲酰基降烟碱；e.（R,S）-N-乙基降烟碱/N′-甲基假木贼碱）；（D）5种氨基酸的横向分布情况（f.L-脯氨酸；g.5-氨基-羟基戊酸；h.3-（N-亚硝基-N-甲氨基）丙酸/天门冬酰胺；i.α-氨基己二酸；j.谷氨酸）；（E）1-脱氧-1-L-脯氨酰氧基-D-果糖（k）和1-[1′-（2′S）-降烟碱]-1-脱氧-β-D-呋喃果糖（I）横向分布情况

3、烟草气候斑点病区域特异性成像结果

气候斑由臭氧诱导产生，区域内总氮、烟碱、糖、游离氨基酸整体含量大幅降低：

黑斑区域生物碱、氨基酸、Amadori糖复合物几乎无质谱信号，仅周边健康烟叶正常检出；

病害特异性代谢物：m/z=193.05物质仅环绕斑点一圈分布；m/z=203.15、217.16、291.22等在斑点外围点状富集，为烟叶臭氧胁迫应激代谢标志物，可用于病害发病机制研究。

图3 （A）烟叶气候斑位置示意图；（B）图5A烟叶中气候斑点区域的放大光学图像；（C~U）正离子模式下检测到的气候斑附近代表性化合物的成像图

 结论

电喷雾/光化学电离质谱成像技术具有无极性歧视、软电离、电离效率高等优点，样品无需复杂前处理，常压原位成像同步实现多组分空间可视化半定量，该款仪器适用于烟草叶片生长应激、病害代谢、加工配方优化等多场景研究。

参考文献

[1]. 吕纯纯;姜余婷;胡永华;吴刘天;戚可可;刘成园;潘洋. 印迹-解析电喷雾/光电离质谱成像技术研究烤烟叶中化学成分的空间分布, 分析化学，2024, 52, 876-884.