Ионизация зонда электрораспылением - Probe electrospray ionization

Основная статья: Электрораспылительная ионизация

Зонд электрораспылительной ионизации (PESI) является электроспрей -на основании ионизация окружающей среды техника, которая сочетается с масс-спектрометрии для анализа проб.[1][2] В отличие от традиционных масс-спектрометрических источников ионов, которые должны поддерживаться в вакууме, методы ионизации окружающей среды позволяют ионизировать образцы в условиях окружающей среды, что позволяет проводить высокопроизводительный анализ образцов в их естественном состоянии, часто с минимальной предварительной обработкой образца или без нее.[3] Источник ионов PESI просто состоит из иглы, на которую подается высокое напряжение после отбора пробы, инициируя электрораспыление непосредственно из сплошной иглы.

История

Ионизация электрораспылением зонда - это метод масс-спектрометрии с ионизацией окружающей среды, разработанный профессором Кензо Хираока и др. на Университет Яманаси, Япония.[4] Этот метод был разработан для решения некоторых проблем, связанных с традиционными ионизация электрораспылением (ESI), включая засорение капилляра и загрязнение, обеспечивая при этом средства быстрого и прямого анализа проб. С момента его первоначальной концепции были разработаны различные модифицированные формы ионного источника PESI, а система PESI-MS была коммерциализирована компанией-производителем приборов. Шимадзу.

Принцип действия

Источник ионов PESI состоит из сплошной иглы или проволоки, которая действует как пробоотборный зонд, так и эмиттер электрораспыления.[5] Игла перемещается вверх и вниз по вертикальной оси, этот процесс может быть автоматизированным или ручным. Когда игла опускается на ступень отбора пробы, кончик иглы на короткое время касается поверхности типичного жидкого образца. На этом этапе игла удерживается под потенциалом земли. Затем игла поднимается до уровня входа масс-спектрометра, где подается высокое напряжение 2-3 кВ. Электрораспыление индуцируется на кончике иглы, производя ионы аналита, которые втягиваются в масс-спектрометр для анализа. Считается, что механизм образования ионов идентичен традиционной ионизации электрораспылением. В результате в режиме положительных ионов аналиты часто наблюдаются как протонированные, натриевые и потенцированные ионы, в зависимости от образца и типа аналита.

Схема зонда электрораспылительной ионизации (PESI)

Хотя количество пробы, взятой иглой, в значительной степени зависит от вязкости пробы, было подсчитано, что обычно используется всего несколько пиколитров раствора пробы.[6]

Из-за этого метод может применяться к выборкам небольшого размера, что особенно удобно, когда доступно ограниченное количество образцов. Поскольку такое небольшое количество образца собирается и полностью истощается во время процесса ионизации, проблема загрязнения значительно снижается. Кроме того, процесс отбора проб и ионизации занимает всего несколько секунд, поэтому PESI-MS подходит для высокопроизводительного анализа.

Последовательная ионизация

При ионизации зонда электрораспылением наблюдается интересный феномен - последовательная и исчерпывающая ионизация аналитов с различной поверхностной активностью. Во время разработки PESI было обнаружено, что аналиты могут быть последовательно ионизированы в электрораспылении, что обеспечивает временное разделение компонентов в образце.[7] В обычном ESI раствор образца обычно непрерывно подается через капилляр, и заряженные капли содержат все компоненты образца, причем более поверхностно-активные аналиты постоянно предпочтительно ионизируются. В PESI поверхностно-активные аналиты также предпочтительно ионизируются. Однако, поскольку конечная капля существует на кончике иглы, после истощения поверхностно-активных аналитов, оставшиеся компоненты в капле могут затем ионизироваться и наблюдаться. Это может привести к получению сильно отличающихся масс-спектров от одного образца при приложении высокого напряжения всего за несколько секунд.

Этот эффект дает особое преимущество при анализе аналитов, страдающих от эффектов подавления ионов. Присутствие поверхностно-активных аналитов или заряженных добавок растворителей может привести к подавленной ионизации интересующих аналитов, что приведет к низкой чувствительности или полному отсутствию аналита.[7] Эффекты подавления ионов можно минимизировать за счет уменьшения сложности образца, например, с помощью таких методов экстракции образца, как твердофазная экстракция или разделением интересующих аналитов с помощью хроматографического разделения. Однако эти этапы подготовки образцов могут быть трудоемкими, отнимающими много времени и дорогими. PESI позволяет снизить ионное подавление без необходимости предварительной обработки образца. Разделив ионизацию различных аналитов, компоненты, вызывающие подавление ионов, могут быть исчерпаны до включения ионизации представляющих интерес компонентов. Это было продемонстрировано в ряде сценариев, в том числе в анализе сырой мочи с концентрированными компонентами, такими как сначала ионизация креатинина, а затем появление ранее необнаруженных метаболитов.[8]

Оболочка-поток PESI

Поскольку игла PESI применима только к жидким или проницаемым твердым образцам, ее нельзя использовать для анализа большинства твердых твердых материалов. Чтобы обойти это ограничение, была разработана ионизация электрораспылением зонда в оболочке (sfPESI), модификация традиционной техники PESI. Источник ионов sfPESI состоит из прочной иглы, заключенной в пластиковую оболочку (обычно наконечник для загрузки геля), заполненную небольшим количеством растворителя. Игла выступает из основания оболочки примерно на 0,1 мм, где удерживается мельчайшая капля растворителя. На основе[требуется разъяснение ] зонд на короткое время прикасается к поверхности образца, где между зондом и образцом образуется выпуклый мениск растворителя, смачивающий образец и обеспечивающий извлечение аналита.[9] Химический состав растворителя может быть изменен, чтобы вызвать экстракцию определенных представляющих интерес аналитов. После нанесения на образец зонд sfPESI затем поднимают до уровня входа масс-спектрометра, при этом солюбилизированные аналиты удерживаются в капле на кончике иглы, и прикладывается высокое напряжение. sfPESI предлагает те же преимущества, что и стандартный PESI, включая явление последовательной и исчерпывающей ионизации, при этом позволяя проводить прямой анализ сухих образцов.

Приложения

PESI-MS оказался особенно эффективным при метаболическом анализе биологических материалов, поскольку его применяли для анализа раковых и незлокачественных тканей молочной железы,[10] а также ткани мозга и печени, удаленные от мышей.[11][12] Интересно, что PESI-MS недавно был применен для прямого анализа живых животных для профилирования метаболизма в реальном времени.[13][14] Из-за узкого диаметра иглы PESI и короткого времени введения образца PESI является неинвазивным методом. В результате этот метод был использован для отбора проб из органов живых анестезированных животных, в частности, для анализа метаболитов в мозге, селезенке, печени и почках живой мыши. В дополнение к этому, PESI-MS применялась для анализа пищевых продуктов на месте с целью контроля качества, для обнаружения гербицидов в биологических жидкостях для демонстрации воздействия и, наконец, для обнаружения запрещенных наркотиков в биологических жидкостях. для обозначения употребления наркотиков. Несколько групп также использовали небольшой размер зонда PESI для проведения анализа отдельных клеток, демонстрируя способность быстро обнаруживать метаболиты на клеточном и субклеточном уровнях.[15][16][17]

Модификация PESI, известная как оболочка PESI, применялась для анализа различных твердых образцов в их естественном состоянии, включая фармацевтические таблетки,[9] запрещенные наркотики,[5] продукты питания и сельскохозяйственная продукция,[18] и пестициды.[19] Кроме того, sfPESI использовался в области судебной медицины для анализа и идентификации свежих и высушенных биологических жидкостей, представляющих судебно-медицинский интерес.[8] В этой работе sfPESI также был объединен с тандемной масс-спектрометрией (МС / МС), демонстрируя возможность ионной фрагментации для идентификации неизвестных компонентов.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Хираока, Кензо; Усманов, Дилшадбек Т .; Чен, Ли Чуин; Ниномия, Сатоши; Mandal, Mridul K .; Саха, Субхраканти (2015). «Зондовая масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением (PESI) с прерывистой границей раздела атмосферного давления (DAPI)». Европейский журнал масс-спектрометрии. 21 (3): 327–334. Дои:10.1255 / ejms.1309. PMID  26307713.
  2. ^ Усманов, Дилшадбек Т .; Mandal, Mridul K .; Хираока, Кензо; Ниномия, Сатоши; Вада, Хироши; Мацумура, Масая; Санада-Моримура, Сачиё; Нонами, Хироши; Ямабе, Шиничи (15.09.2018). «Ионизация электрораспылением / масс-спектрометрия погружного зонда для прямого и малоинвазивного анализа пищевых продуктов на месте». Пищевая химия. 260: 53–60. Дои:10.1016 / j.foodchem.2018.04.003. PMID  29699681.
  3. ^ Повара, Р. Г. (17 марта 2006 г.). «Окружающая масс-спектрометрия». Наука. 311 (5767): 1566–1570. Bibcode:2006Научный ... 311.1566C. Дои:10.1126 / science.1119426. ISSN  0036-8075. PMID  16543450.
  4. ^ Хираока, Кензо; Нишидате, Кентаро; Мори, Кунихико; Асакава, Дайки; Сузуки, Шигео (30 сентября 2007 г.). «Разработка зонда электроспрея сплошной иглой». Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии. 21 (18): 3139–3144. Bibcode:2007RCMS ... 21.3139H. Дои:10.1002 / rcm.3201. PMID  17708527.
  5. ^ а б Рахман, штат Мэриленд, Обайдур; Мандал, Мридул Канти; Шида, Ясуо; Ниномия, Сатоши; Чен, Ли Чуин; Нонами, Хироши; Хираока, Кензо (июль 2013 г.). «Разработка ионизации электрораспылением зонда с оболочкой-потоком (SF-PESI): ионизация электрораспылением зонда с оболочкой-потоком / SF-PESI». Журнал масс-спектрометрии. 48 (7): 823–829. Дои:10.1002 / jms.3226. PMID  23832938.
  6. ^ Йошимура, Кентаро; Чен, Ли Чуин; Асакава, Дайки; Хираока, Кензо; Такеда, Сен (июнь 2009 г.). «Физические свойства иглы ионизации электрораспылением зонда (PESI), нанесенной на биологические образцы». Журнал масс-спектрометрии. Министерство сельского хозяйства США. 44 (6): 978–985. Дои:10.1002 / jms.1576. PMID  19306264.
  7. ^ а б Мандал, Мридул Канти; Чен, Ли Чуин; Хираока, Кензо (сентябрь 2011 г.). «Последовательная и исчерпывающая ионизация аналитов с различной поверхностной активностью с помощью ионизации электрораспылением зонда». Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 22 (9): 1493–1500. Bibcode:2011JASMS..22.1493M. Дои:10.1007 / s13361-011-0162-4. ISSN  1044-0305. PMID  21953252.
  8. ^ а б Ранкин-Тернер, Стефани; Ниномия, Сатоши; Рейнольдс, Джеймс С.; Хираока, Кензо (2019). «Масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением (sfPESI) с датчиком потока в оболочке для быстрого судебно-медицинского анализа жидкостей человеческого тела». Аналитические методы. 11 (29): 3633–3640. Дои:10.1039 / C9AY00698B. ISSN  1759-9660.
  9. ^ а б Усманов, Дилшадбек Т .; Ашуров, Хатам Б .; Ниномия, Сатоши; Хираока, Кензо; Вада, Хироши; Накано, Хироши; Мацумура, Масая; Санада-Моримура, Сачиё; Нонами, Хироши (2018-03-15). «Масс-спектрометрия с дистанционным отбором проб для сухих образцов: ионизация электрораспылением зонда с проточным покрытием (PESI) с использованием наконечника для загрузки геля, вставленного с иглой для акупунктуры». Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии. 32 (5): 407–413. Bibcode:2018RCMS ... 32..407U. Дои:10.1002 / rcm.8045. PMID  29235697.
  10. ^ Мандал, Мридул Канти; Йошимура, Кентаро; Чен, Ли Чуин; Ю, Жан; Накадзава, Тадао; Като, Рёхей; Фудзи, Хидеки; Такеда, Сен; Нонами, Хироши; Хираока, Кензо (ноябрь 2012 г.). «Применение масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением (PESI-MS) для клинической диагностики: влияние растворителя на анализ липидов». Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 23 (11): 2043–2047. Bibcode:2012JASMS..23.2043M. Дои:10.1007 / s13361-012-0462-3. ISSN  1044-0305. PMID  22923015.
  11. ^ Хаяси, Юми; Дзайцу, Кей; Мурата, Тасуку; Охара, Томоми; Моро, Стефан; Кусано, Майко; Танихата, Хироши; Цучихаси, Хитоши; Исии, Акира; Исикава, Тэцуя (август 2017 г.). «Профилирование интактных метаболитов головного мозга мышей с помощью ионизации электрораспылением зонда / тандемной масс-спектрометрии тройного квадруполя (PESI / MS / MS) и его потенциальное использование для анализа местного распределения в головном мозге». Analytica Chimica Acta. 983: 160–165. Дои:10.1016 / j.aca.2017.06.047. PMID  28811022.
  12. ^ Дзайцу, Кей; Хаяси, Юми; Мурата, Тасуку; Охара, Томоми; Накагири, Кента; Кусано, Майко; Накадзима, Хироки; Накадзима, Тами; Исикава, Тэцуя; Цучихаси, Хитоши; Исии, Акира (2016-04-05). «Анализ интактного эндогенного метаболита в печени мышей с помощью зондовой ионизации электрораспылением / трехквадрупольной тандемной масс-спектрометрии и ее предварительное применение для анализа in vivo в реальном времени». Аналитическая химия. 88 (7): 3556–3561. Дои:10.1021 / acs.analchem.5b04046. ISSN  0003-2700. PMID  26958983.
  13. ^ Йошимура, Кентаро; Чен, Ли Чуин; Джоно, Хисаши; Накадзима, Маютака; Хираока, Кензо; Такеда, Сен (2015). «Разработка метода ионизации электрораспылением с прямым зондом для анализа живых животных в реальном времени». Масс-спектрометрии. 3 (Special_Issue_3): S0048. Дои:10.5702 / масс-спектрометрия.S0048. ISSN  2186-5116. ЧВК  4321345. PMID  26819892.
  14. ^ Дзайцу, Кей; Хаяси, Юми; Мурата, Тасуку; Ёкота, Кадзуми; Охара, Томоми; Кусано, Майко; Цучихаси, Хитоши; Исикава, Тэцуя; Исии, Акира; Огата, Корецугу; Танихата, Хироши (2018-04-03). «Система мониторинга in vivo в реальном времени с использованием ионизации электрораспылением зонда / тандемной масс-спектрометрии метаболитов в мозге мышей». Аналитическая химия. 90 (7): 4695–4701. Дои:10.1021 / acs.analchem.7b05291. ISSN  0003-2700. PMID  29519127.
  15. ^ Гун, Сяоюнь; Чжао, Яояо; Цай, Шаоцин; Фу, Шуцзе; Ян, Чэндуи; Чжан, Сичунь; Чжан, Синьжун (15.04.2014). «Анализ отдельных клеток с зондом ESI-масс-спектрометрии: обнаружение метаболитов на клеточном и субклеточном уровнях». Аналитическая химия. 86 (8): 3809–3816. Дои:10.1021 / ac500882e. ISSN  0003-2700. PMID  24641101.
  16. ^ Чен, Фэнминь; Линь, Луяо; Чжан, Цзе; Он, Зийи; Учияма, Кацуми; Линь, Цзинь-Мин (2016-04-19). "Анализ отдельных ячеек с использованием струйной печати по требованию капли и масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением зонда". Аналитическая химия. 88 (8): 4354–4360. Дои:10.1021 / acs.analchem.5b04749. ISSN  0003-2700. PMID  27015013.
  17. ^ Накашима, Тайкен; Вада, Хироши; Морита, Сатоши; Эрра-Бальселлс, Роза; Хираока, Кензо; Нонами, Хироши (2016-03-15). «Профилирование одноклеточного метаболита стебля и железистых клеток интактных трихомов с помощью зонда с внутренним электродом, капиллярного давления, ионизационная масс-спектрометрия с электрораспылением». Аналитическая химия. 88 (6): 3049–3057. Дои:10.1021 / acs.analchem.5b03366. ISSN  0003-2700. PMID  26845634.
  18. ^ Хираока, Кензо; Ранкин-Тернер, Стефани; Ниномия, Сатоши; Вада, Хироши; Накано, Хироши; Мацумура, Масая; Санада-Моримура, Сачиё; Танака, Фукуё; Нонами, Хироши (2019-03-20). «Профилирование компонентов в сельском хозяйстве с использованием регулируемой иглы для акупунктуры для зонда с электрораспылением и масс-спектрометрии». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии. 67 (11): 3275–3283. Дои:10.1021 / acs.jafc.8b06424. ISSN  0021-8561. PMID  30830775.
  19. ^ Мандал, Мридул Канти; Одзава, Томоюки; Саха, Субхраканти; Рахман, Мэриленд Матюр; Иваса, Мами; Шида, Ясуо; Нонами, Хироши; Хираока, Кензо (21.08.2013). «Развитие масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением и ее применение для анализа пестицидов в реальном времени». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии. 61 (33): 7889–7895. Дои:10.1021 / jf4014718. ISSN  0021-8561. PMID  23875640.