Drobné "tornádo" zvyšuje výkon elektrosprejové ionizační hmotové spektrometrie

"Keď sa drobné piesenky" z cyklu Drobné kvety|Mikuláš Schneider-Trnavský|Gabriela Beňačková (Červenec 2019).

Anonim

Přidání ekvivalentu miniaturního tornádu na rozhraní mezi elektrosprejovou ionizací (ESI) a hmotnostním spektrometrem (MS) umožnilo výzkumníkům zlepšit citlivost a schopnost detekce široce používané analytické techniky ESI-MS. Mezi vědní obory, které by mohly mít prospěch z nové techniky, patří proteomika, metabolomie a lipidomika, které slouží biomedicínským a zdravotním aplikacím, od detekce a diagnostiky biomarkerů až po objevy léků a molekulární medicíny.

Známý jako lokalizace a lokalizace suchého iontu (DRILL), nové zařízení vytváří vířivý tok, který může oddělit elektrostatické kapičky v závislosti na jejich velikosti. V této přihlášce je jedním z mnoha možných způsobů použití pro DRILL, menší kapičky jsou směrovány pro vstup do hmotnostního spektrometru, zatímco větší, které ještě obsahují rozpouštědlo, zůstávají ve vířivém proudu, dokud se rozpouštědlo odpařuje. Odstranění rozpouštědla umožňuje analýzu dalších iontů, které mohou být ztraceny v současných technikách, a snižuje chemický "šum", který inhibuje selektivitu hmotnostního spektrometru.

"Velkou výzvou pro detekci malých množství biomolekul pomocí technologie hmotnostní spektrometrie je to, že nevidíme vše, co je ve skutečnosti ve vzorku, " řekl Matthew Torres, odborný asistent na School of Biological Sciences v Georgia Tech. "Zařízení DRILL poskytuje nový způsob řešení tohoto problému zvýšením počtu iontů, které můžeme dostat do nástroje pro masový spec, abychom je mohli produktivním způsobem detekovat. Jsou tam ióny, ale ne nutně ve formě, Rukojeť."

Vyvinutý výzkumnými pracovníky na Technologickém technologickém institutu v Georgii s podporou Státní univerzity Severní Karolíny, může být DRILL přidán k existujícím elektrosprejovým ionizačním hmotnostním spektrometrům bez jejich úpravy.

"Zásadou je, aby se kapičky otáčely a používalo setrvačnosti, aby je oddělily podle velikosti, " vysvětluje Andrei Fedorov, profesor na Woodruffově strojírenské škole Georgia Tech. "Chceme, aby kapičky zůstaly v toku dostatečně dlouhé, aby odstranily rozpouštědlo. V praxi zůstávají menší kapičky ve středu, kde jsou, mohou být odstraněny nejprve pro analýzu, zatímco větší zůstávají na okraji průtoku, dokud jsou sušeny. "

Klíčová myšlenka technologie DRILL je založena na návrhu filozofie Fedorova z roku 2007 "Struktura přenášení vířivých toků, systémy hmotnostní spektrometrie a metody přenosu částic, kapiček a iontů". (US patent č. 7, 595, 487). V posledních třech letech bylo zařízení DRILL vyvinuto za podpory Národního institutu všeobecných lékařských věd National Institutes of Health a jeho nejnovější verze byla popsána 14. června v časopise Analytical Chemistry American Chemical Society.

Při elektrosprejové ionizaci (ESI) se elektrický potenciál aplikuje na roztok uvnitř kapiláry a vytváří silné elektrické pole na špičce postřikového kapiláru. To vede k vyloučení aerosolu obsahujícího nabité kapičky, které nesou molekuly, které mají být analyzovány. Vysunuté kapičky se pak rozpadají na menší kapky, čímž se vytváří obruč, který expanduje prostorově za vstupní vstupní kapacitu hmotnostního spektrometru, což vede ke ztrátě vzorku. Zařízení DRILL poskytuje účinné rozhraní pro sběr a přenos nabitých analytů z ionizačních zdrojů, jako je ESI, do detekčních zařízení, jako jsou hmotnostní spektrometry, což vede k výrazně lepší schopnosti detekce.

Až 80 až 90 procent velkých biopolymerů (bílkoviny, peptidy a DNA) se v současné době ztrácí na analýzu za použití stávajících technik ESI-MS, které mají význam pro komunitu věd o životech. Zachycení všech biopolymerů by mohlo vést k novým objevům, řekl Torres, jehož laboratoř studuje posttranslační změny proteinů. Povolením analýzy rozsáhlých biomolekul by DRILL mohl usnadnit proteomiku shora dolů, ve které by mohly být studovány kompletní molekuly proteinu bez nutnosti enzymaticky rozštěpit je na menší kousky před analýzou MS.

"To by nám umožnilo vidět kombinační modifikace, které existují na jedné molekule bílkovin, " řekl Torres. "Je velmi důležité, abychom porozuměli tomu, jak proteiny komunikují navzájem a že DRILL nám to dovoluje tím, že účinněji odstraní rozpouštědlo z těchto typů vzorků."

Vědci ze společnosti Georgia Tech používají v laboratoři DRILL k propojení mezi kapalinovou chromatografií a nástrojem ESI-MS. Vícenásobné elektrody a vstupní / výstupní porty umožňují přesné ovládání generování toku a vedení elektrického pole uvnitř DRILL, takže zařízení může být konfigurováno pro různé použití, poznamenal Fedorov. Ve všeobecném smyslu přidává DRILL nový přístup pro manipulaci s trajektórií nabitých kapiček, která v kombinaci s hydrodynamickými tahovými silami a silami elektrického pole poskytuje bohatý rozsah možných provozních režimů.

DRILL může zlepšit poměr signálu k šumu o faktor 10 při detekci angiotenzinu I, peptidového hormonu a zvýšení citlivosti na angiotensin II desetkrát na pikomolové hladiny. DRILL prokázal zlepšenou sílu signálu - až 700krát - pro osm z devíti peptidů obsažených v testovaném extraktu biologické tkáně.

DRILL může potenciálně umožnit studium celého obsahu buňky, přičemž současně analyzuje tisíce různých typů molekul. To by mohlo vědcům umožnit zjistit, jak se tyto molekuly mění v průběhu času, aby se zjistily problémy v chemických cestách a aby se určilo, proč drogy působí u některých lidí a nikoli u jiných.

"Mohlo by to být obrovský pokrok pro biology a další, kteří se zajímají o biologickou bílkovinu a buněčnou biologii, protože zvyšují citlivost analytických technik a překonávají hlavní překážku při studiu velkých biologických molekul, " dodal Torres. "Očekáváme, že budeme schopni vidět věci, které jsme předtím neviděli."

Vědci z Georgia Tech spolupracují s Davidem Muddimanem, profesorem na katedře chemie na státní univerzitě v Severní Karolíně, o vývoji DRILL a jeho analytické charakterizaci pomocí nejmodernějších experimentů hmotnostní spektrometrie. Jedinečný přínos výzkumníků ze státní univerzity v Severní Karolíně využívá výkonnou statistickou metodu nazvanou "návrh experimentů", která vede multiparametrovou optimalizaci zařízení DRILL, což vede k identifikaci místa sladké pro optimální provoz.

Fedorov a Torres doufají, že rozšíří používání zařízení DRILL mimo laboratoře Georgia Tech a dále rozšiřují svůj design. Mezi plánované zlepšení v krátkodobém horizontu je přidání vnitřního vytápění pro urychlení odstraňování rozpouštědel. "Vidíme mnoho dodatečných vylepšení, které umožní společnosti DRILL dále rozšiřovat proces ESI-MS, " řekl Fedorov. "Plánujeme jej pokračovat ve vývoji, protože další zařízení začnou používat zařízení."

menu
menu