标题： 《天然电喷雾电离过程中最终蒸发阶段蛋白质结构扰动的抑制：分子动力学模拟揭示》
(Suppression of Protein Structural Perturbations in Native Electrospray Ionization during the Final Evaporation Stages Revealed by Molecular Dynamics Simulations)
摘要： 天然电喷雾电离（Native ESI）通过缓冲体系有效克服了传统ESI中液滴酸化导致的蛋白质构象不可控变化，从而在气相中保留近生理态结构。然而，其如何及何时最小化结构扰动仍缺乏微观机制认知。本研究通过分子动力学模拟揭示了去溶剂化过程中的构象演化规律：在中性pH下，蛋白质蒸发后可完好保持原有折叠状态；当液滴pH偏离中性时，紧凑的蛋白质结构仅在最终脱溶剂前的最后约10 ns内发生显著解折叠。该结果明确表明，Native ESI在维持蛋白质结构方面的保护作用主要集中在蒸发的最后阶段。
研究内容和结果： 本研究利用GPU加速的分子动力学模拟，系统追踪了泛素、细胞色素c和去铁肌红蛋白在不同液滴pH条件下的脱水演化轨迹；发现天然ESI通过抑制气相转移过程中的过度质子化与溶剂屏蔽效应丧失，在最终约10 ns的关键窗口期内有效延缓并抑制了蛋白质三级结构的解折叠及二级结构（α-螺旋、β-折叠）的破坏。模拟结果明确指出，传统离子迁移率实验难以捕捉的瞬态液-气界面过渡阶段正是Native ESI发挥构象保护作用的核心时期，且最终的构象保留程度高度依赖于电荷状态与溶剂环境的协同效应；该发现不仅修正了仅依赖气相探测可能产生的认知偏差，也为气相结构生物学中分子模拟机制解析与实验验证的深度结合提供了关键的理论支撑。
作者： Moujun Luan(栾谋君), Zhuanghao Hou(侯壮豪)*, Guangming Huang(黄光明)*（注：*表示通讯作者）
年份： 2022年
DOI链接： https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.1c09130
期刊： The Journal of Physical Chemistry B（《物理化学B杂志》）
标题： 《哑铃状钙调蛋白在电喷雾电离过程中的结构域间排斥作用：分子动力学模拟揭示新机制》
(Inter-Domain Repulsion of Dumbbell-Shaped Calmodulin during Electrospray Ionization Revealed by Molecular Dynamics Simulations)
摘要： 电喷雾电离（ESI）过程中蛋白质离子从纳米液滴气-液界面释放的微观机制长期存在争议，且多结构域蛋白的去溶剂化路径尚不明确。本研究以哑铃状钙调蛋白(CaM)为模型开展分子动力学模拟，系统揭示其脱水过程中的构象演化规律：结合钙离子的[Ca4CAM]平稳遵循经典的电荷残留模型（CRM），保持紧凑折叠态；而去钙apo-CAM在早期蒸发阶段因两端高电荷结构域间的静电排斥力剧增，引发纳米液滴“分裂”并伴随蛋白质展开。作者将这一新机制命名为“结构域排斥模型”（DRM）。该研究强调了在气相质谱分析中，多结构域蛋白的相互作用对维持天然构象的关键作用，为复杂生物大分子的气相结构解析提供了重要理论依据。
研究内容和结果： 本研究结合GPU加速的分子动力学模拟与大气压氢氘交换(HDX)实验，追踪了apo-CAM与[Ca4CAM]在ESI脱水过程中的原子级动态轨迹；证实去钙状态下N/C端高电荷结构域间的强静电排斥力驱动柔性螺旋连接肽逐步解旋延伸，进而引发纳米液滴分裂为两个独立子液滴（DRM机制），最终形成部分展开的气相构象；而结合4个Ca2+可有效中和两端净电荷、削弱排斥力，使蛋白平稳遵循CRM保持天然折叠态。通过引入不同价态/数量的金属离子调控排斥强度，进一步验证了“结构域间静电排斥力是决定多结构域蛋白去溶剂化路径与气相构象保留的核心内驱力”，为解释复杂多结构域体系的ESI机制及指导近生理态质谱分析开辟了新范式。
作者： Moujun Luan(栾谋君), Zhuanghao Hou(侯壮豪)*, Buchun Zhang, Likun Ma, Siming Yuan, Yangzhong Liu 和 Guangming Huang(黄光明)*（注：*表示通讯作者）
年份： 2023年
DOI链接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c05630
期刊： Analytical Chemistry（《分析化学》）
标题： 《双脱盐电喷雾策略用于细胞内质谱分析以揭示上皮-间质转化中的新型神经鞘脂代谢》
(Dual Desalting Electrospray Strategy for In-Cell Mass Spectrometry to Reveal Novel Sphingolipid Metabolism in an Epithelial-Mesenchymal Transition)
摘要： 代谢组直接反映细胞功能状态，原位细胞内质谱可在非挥发性盐环境中实现样品的近乎无损分析。然而，高浓度盐离子会严重干扰质谱电离过程并导致信号抑制。本研究开发了双脱盐电喷雾电离质谱（dd-ESI MS）技术，利用诱导纳米电喷雾的微电泳效应初步分离盐离子与代谢物，并通过后续水相/甲醇液滴的复杂相互作用实现高效在线脱盐。与传统nanoESI相比，该技术展现出更强的抗盐能力与更高的检测灵敏度。将其应用于TGF-β诱导的上皮-间质转化（EMT）模型中，首次在原位水平揭示了神经鞘脂代谢通路的显著富集现象（此前未被传统代谢组学证实），且转录组数据验证了关键基因表达的一致性变化。该策略为获取全面、近生理态的原位细胞代谢组提供了新途径。
研究内容和结果： 本研究构建了一种双通道微电泳-液滴协同脱盐的在线电喷雾质谱平台，成功克服了非挥发性盐环境对细胞内原位代谢分析的严重抑制；将该技术应用于A549肺癌细胞EMT过程的原位监测中，不仅显著提升了复杂盐体系下的代谢物检出丰度与通路覆盖范围（如检出205种代谢物并覆盖18条核心通路），还首次在原位水平揭示了神经鞘脂代谢通路的深度重塑及其关键代谢物的转录-代谢一致性变化，突破了传统离线前处理导致细胞失活或代谢假象的技术瓶颈，为复杂生理/病理过程的实时原位代谢组学研究提供了高灵敏、近生理态的分析新范式。
作者： Huimin Liu(刘慧敏), Tianhong Wu, Hongbin He, Rongbin Zhou, Jia Zhao, Liujuan Zhan(詹柳娟)*, Zhuanghao Hou(侯壮豪)* 和 Guangming Huang(黄光明)*（注：*为通讯作者）
年份： 2025年
DOI链接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c06669
期刊： Analytical Chemistry（《分析化学》）
标题： 《纸喷雾电离质谱耦合纸质三维肿瘤模型实现快速代谢梯度谱分析》
(Paper Spray Ionization Mass Spectrometry Coupled with Paper-Based Three-Dimensional Tumor Model for Rapid Metabolic Gradient Profiling)
摘要：
肿瘤微环境（TME）复杂的代谢特征动态影响肿瘤细胞的增殖、迁移和药物反应。快速的代谢分析有助于深入理解TME，但代谢物对环境高度敏感且3D结构极易在取样时遭到破坏，严重阻碍了实时代谢谱的获取。本研究直接将纸喷雾电离质谱（PSI-MS）与纸质三维（3D）肿瘤模型集成，实现了代谢梯度的快速原位捕获。从样品制备到质谱检测的全过程仅需不到4分钟，能够近乎实时地提供代谢结果，助力揭示真实的体内代谢过程。该方法成功鉴定出160种代谢物；值得注意的是，在纸质3D肿瘤模型的六个层级中揭示了超过40种具有显著梯度变化的代谢物，其中至少22种已被文献报道与细胞活力相关。该策略为从代谢组学视角快速解析3D肿瘤模型代谢梯度及揭示细胞活力空间异质性提供了强有力手段。
研究内容和结果：
该研究将纸喷雾电离质谱技术与纸质微流控3D肿瘤培养芯片直接耦合，通过“多层组装-快速解离-原位溶剂提取-双极性质谱检测”的一体化流程，在零复杂前处理与色谱分离的条件下实现了6层3D肿瘤组织的层级特异性代谢物实时分析；结果显示，从表层到深层（模拟血管近端到远端）的代谢信号强度与检出数呈梯度递减，精准捕获了乳酸、谷氨酰胺、葡萄糖等已知梯度代谢物及羟基犬尿氨酸等非单调分布的新型代谢物，并通过Calcein-AM荧光染色验证了细胞活力随培养层数增加而显著降低的空间趋势；该方法以＜4分钟的极速检测窗口有效避免了传统方法中超声、转移或色谱分离导致的微环境扰动与代谢假象，为原位解析真实肿瘤组织的空间代谢异质性、探究细胞存活机制及高通量药物筛选开辟了新途径。
作者： Huimin Liu(刘慧敏)#, Liujuan Zhan(詹柳娟)#, Jia Zhao, Shan Zhang, Hao Yin, Zhuanghao Hou（侯壮豪）* 和 Guangming Huang（黄光明）*（注：#表示共同第一作者，*为通讯作者）
年份： 2024年
DOI链接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c03007
期刊： Analytical Chemistry（《分析化学》）
标题： 《通过同步离子生成与离子注入增强解吸电喷雾电离质谱技术》
(Enhanced Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry via Synchronizing Ion Generation and Ion Injection)
摘要：
本研究开发了一种改进的解吸电喷雾电离（DESI）质谱方法，旨在提高分析物离子的利用效率并扩大采样面积。该技术通过脉冲鞘气与质谱离子注入实现同步控制：在每次离子采集循环中暂停气流50 ms，促使溶剂在喷针尖端积累，从而显著扩大了待测物的解吸区域。得益于更高效的离子利用率与更大的解吸面积，该方法使信号强度提升了约2～5倍（适用于多种基底）。最终，该增强效果在大蒜匀浆和脑组织匀浆等实际生物样本的质谱检测中得到验证。
研究内容和结果：
本研究在常规DESI源上集成气动比例阀与门控电路，实现了离子注入触发信号与鞘气脉冲的毫秒级同步；通过间歇性暂停气流使溶剂在喷针末端累积，将解吸斑直径扩大了约1.6倍，并有效减少了传统连续喷雾中大量离子的浪费。实验证实，该同步DESI（sDESI）技术在玻璃、滤纸、PTFE及生物匀浆等多种基底上均实现了2～5倍的整体信号增强与更长的检测持久性，其脱附效率与常规方法相当；定量分析显示线性范围宽超两个数量级且相关系数优异（R²>0.99），证明该同步策略无需样品前处理即可普适性地提升环境/生物表面质谱分析的灵敏度与稳定性。
作者： Zhuanghao Hou（侯壮豪）, Xingchuang Xiong, Xiang Fang, Guangming Huang（黄光明）*
年份： 2018年
DOI链接： https://doi.org/10.1007/s13361-018-2082-z
期刊： Journal of the American Society for Mass Spectrometry（《美国质谱学会杂志》）
标题： 《数据驱动的磺胺类抗生素跨膜转运途径解耦与植物转运蛋白挖掘以增强植物修复》
(Data-Driven Decoupling of Transmembrane Transport Pathways for Sulfonamide Antibiotics: Mining Plant Transporter for Improved Phytoremediation)
摘要：
新兴有机污染物（如药物）正日益威胁全球生态系统，植物修复是一种可持续策略，但其效率高度依赖于能够转运污染物的跨膜蛋白。传统转运蛋白鉴定受限于突变体库构建的高成本及盲目筛选的低效性。本研究开发了一种机器学习-分子动力学收敛框架，从机制上解耦了植物中磺胺类抗生素的跨膜转运途径。通过随机森林模型成功预测了5种磺胺类的整体跨膜特性；分子动力学模拟量化了其被动扩散能力。两者的显著差异表明主动转运在植物摄取中起关键作用。结合转录组学、分子对接与异源表达技术，本研究鉴定出LrABCG35为一种新型广谱磺胺类抗生素转运蛋白，展现出增强污染物植物介导转运的潜力。该策略避免了无效的工程化试错，通过预先筛选污染物的转运蛋白依赖性，加速了精准植物修复技术的开发。
研究内容和结果：
该研究整合机器学习预测、分子动力学模拟、转录组学分析与异源表达验证，系统解耦了黑麦草对5种磺胺类抗生素的跨膜吸收机制；通过对比整体渗透性与被动扩散系数的显著差异，首次证实主动转运蛋白在抗生素摄取中的主导作用，并成功挖掘出响应性上调且具备广谱转运能力的LrABCG35（ABC转运蛋白家族）。该转运蛋白在大肠杆菌异源表达系统中显著提升了对多种磺胺类药物的富集效率，证明通过数据驱动策略精准定位关键转运蛋白可有效突破传统植物修复的技术瓶颈，为环境药物污染的高效生物清除与生态风险评估提供了理论依据与应用范式。
作者： Jia-Heng Zhao（赵佳恒）, Zhuang-Hao Hou（侯壮豪，共一第二）, Wei-Qiang Lin, Yi Hu（胡怡）*, Yan-Yun Hu, Guo-Ping Sheng（盛国平）* 等
（注：*表示通讯作者）
年份： 2026年
DOI链接： https://doi.org/10.1016/j.eng.2026.03.008
期刊： Engineering
此论文为合作文章，质谱学新技术的体现：传统的代谢组学方法采用匀浆法进行制样，无法区分根茎处的抗生素究竟位于细胞间质还是细胞内；本实验采用单细胞显微取样技术，用取样针直接插入细胞内进行取样，确认了细胞内摄取了抗生素。
标题： 《通过耦合稳定同位素示踪与诱导电喷雾质谱实现活细胞代谢物谱分析与鉴定》
(Metabolite profiling and identification in living cells by coupling stable isotope tracing and induced electrospray mass spectrometry)
摘要：
利用质谱直接观测活细胞中的代谢物为生命科学研究提供了广阔前景，但未靶向峰分配至候选代谢物的挑战依然严峻。本研究开发了一种结合稳定同位素示踪与诱导电喷雾质谱的活细胞代谢物测量与鉴定方法。通过使用¹³C₆-葡萄糖和氯化铵-¹⁵N作为唯一的碳氮源培养大肠杆菌，使其合成含¹³C和¹⁵N标记的内源性代谢物。追踪碳、氮原子数量可为候选峰搜索提供互补维度，从而基于碳/氮同位素标记与过滤策略显著提升了代谢物的鉴定置信度。
研究内容和结果：
该研究将稳定同位素示踪技术与高盐耐受性的诱导电喷雾质谱相结合，直接对活体大肠杆菌进行进样电离分析；通过对比不同¹²C/¹³C与¹⁴N/¹⁵N标记培养体系产生的特征质量偏移（以谷胱甘肽、赖氨酸等为例），有效利用碳氮原子数目信息过滤假阳性干扰并缩减候选分子库，成功在活细胞中原位鉴定出125种内源性代谢物。结果表明，同位素示踪策略大幅提高了直接进样质谱分析中的峰分配置信度与数据解析效率，为生理环境下的代谢组学、微生物通量监测及低丰度生物标志物发现提供了高灵敏、高可靠的新范式。
作者： Zhuanghao Hou（侯壮豪）*, Liujuan Zhan（詹柳娟）, Kaiming Cao, Moujun Luan, Xinchen Wang, Buchun Zhang, Likun Ma, Hao Yin, Zhicheng Liu, Yangzhong Liu, Guangming Huang（黄光明）*（通讯作者）等
年份： 2023年
DOI链接： https://doi.org/10.1016/j.aca.2023.340795
期刊： Analytica Chimica Acta（《分析化学学报》）
年份：2022年
DOI链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c02390
期刊：Analytical Chemistry（《分析化学》）
标题： 皮升级细胞裂解液中肽-金属相互作用的天然质谱法研究
(Native Mass Spectrometry for Peptide-Metal Interaction in Picoliter Cell Lysate)
作者： Zhuanghao Hou（侯壮豪）, Moujun Luan, Liujuan Zhan, Xinchen Wang, Siming Yuan, Kaiming Cao, Yaping Sheng, Hao Yin, Yangzhong Liu 和 Guangming Huang*（通讯作者）等。
摘要：
原生质谱法在保持蛋白质及其复合物天然三维结构方面具有显著优势，但细胞裂解液等高盐、高杂质环境易引发严重离子抑制效应，且传统样品纯化步骤繁琐耗时。本研究开发了一种基于微吸管内壁的快速集成协议：利用内径约5 μm的微吸管对皮升级（~15 pL）样品进行瞬时吸附与洗脱电离。该流程全程仅需约43秒，可在亚飞摩尔水平下直接从含高浓度非挥发性盐的细胞裂解液中实现肽-金属相互作用的快速纯化、解吸与质谱检测，有效突破了传统原生质谱分析中的基质抑制瓶颈，为生理条件下蛋白质相互作用的原位研究提供了高效、稳健的新策略。
研究内容和结果：
该研究利用微吸管内壁的物理吸附效应，将目标蛋白从皮升级体积的细胞裂解液或多种生理缓冲液中瞬时富集（~30 s），随后用500 mM乙酸铵溶液快速脱附并导入原生质谱仪电离检测（~10 s）。结果表明，该方法具有极高的稳健性与重现性（CV < 3%），成功在复杂基质中实现亚飞摩尔级高灵敏度检测；不仅能在不同缓冲体系中精准调控蛋白带电态分布以维持天然构象，更首次直接在E. coli裂解液中原位捕获并解析了钙调蛋白-钙离子复合物、MLCK肽段结合物及Npu DnaE内含子二聚体等特异性肽-金属相互作用，而传统纳电喷雾质谱在同等条件下均因盐抑制完全失效。该工作证实了微吸管辅助快速处理策略在复杂生理环境中保留并分析弱相互作用复合物的优越性与广阔应用前景。