微型“Tornado”让电喷雾离子化质谱的性能更进一步

2017-7-04 11:04 来源: 分析测试百科
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  分析测试百科网讯 将等效的微型Tornado添加到电喷雾离子化(ESI)电离源和质谱仪(MS)之间的界面,使研究人员能够提高广泛使用的ESI-MS分析技术的灵敏度和检测能力。蛋白质组学、代谢组学和脂质组学等领域都将从这项新技术中受益,这项新技术还能够为生物医学和健康应用提供服务,其范围包括从生物标志物检测和诊断到药物研发和分子医学。

该图表示了DRILL设备如何用精心设计的涡流将离子传输到质谱仪时的工作原理

  被称为干离子定位和运动(DRILL)的新设备能够产生涡流,这种涡流可根据其尺寸分离电喷雾液滴。这种应用中,DRILL的许多潜在用途之一就是将较小的液滴引入质谱仪,而较大的液滴仍然含有溶剂,直到溶剂蒸发为止再进入质谱仪。去除溶剂可分析当前技术可能丢失的附加离子,并减少抑制质谱仪选择性的化学“噪声”。

  佐治亚理工大学生物科学学院助理教授马修•托雷斯(Matthew Torres)表示:“用质谱技术检测少量生物分子的主要挑战是看不到样品中的所有东西。设备DRILL为我们提供了一种解决这个问题的新方法,这种方法可以增加进入质谱仪的离子数量,使我们可以更有效地检测这些离子。虽然现在更多的离子进入质谱仪,但有些离子质谱仪不一定可以处理。”

  在北卡罗来纳州立大学的支持下,佐治亚理工学院的研究人员开发了一种新技术,这种新技术是将DRILL添加到现有的电喷雾质谱仪中,无需修改。

  乔治亚理工学院Woodruff机械工程学院教授Andrei Fedorov解释说:“这种新技术的原理是让液滴旋转并使用惯性将其分离出来。 我们希望液滴旋转足够长的时间以除去溶剂。事实上,较小的液滴停留在涡流中心,在那里它们可以首先被去除并用于分析,而较大的液滴停留在涡流的边缘,直到它们被干燥为止。

  DRILL的关键思想是基于Fedorov发明的“限制/聚焦涡流流量传输结构,质谱系统和传输粒子,液滴和离子的方法”(美国专利号7,595,487)。在过去三年中,DRILL设备已经在美国国立卫生研究院国家综合医学研究所的支持下开发,最新版本于6月14日在美国化学学会杂志“分析化学”上发表。

  在电喷雾电离(ESI)中,电位被施加到毛细管内部的溶液中,在喷雾毛细管尖端产生强电场。这导致含有待分析分子的带电液滴的气溶胶的排出。喷射的液滴然后分解成更小的液滴,产生羽流,其空间上膨胀超过质谱仪的入口进气容量,导致样品损失。 DRILL设备提供了一个有效的接口,用于从电离源(如ESI)收集和传输带电分析物到检测设备(如质谱仪),从而显着提高检测能力。

  目前使用现有ESI-MS技术的分析方法,大分子生物聚合物(蛋白质,肽和DNA)已经减少了80%至90%,这些技术对生命科学界的重要性日益增长。托雷斯说,捕获所有生物聚合物可能会导致新的发现,他们的实验室研究了蛋白质翻译后的变化。通过允许分析生物大分子,DRILL可以促进自上而下的蛋白质组学研究,其中包括研究完整的蛋白质分子,而不需要在MS分析之前将其分解成较小的片段。

  托雷斯说:“这可能使我们看到单一蛋白质分子上存在的组合修饰,对我们来说,了解蛋白质之间如何相互沟通非常重要,而DRILL可能会让我们更有效地从这些类型的样品中去除溶剂。”

  佐治亚理工大学的研究人员在其实验室中在液相色谱与ESI-MS界面之间使用了DRILL。 Fedorov指出,多个电极和入口/出口端口能够精确控制钻孔内部的流动产生和引导电场,因此该设备可以配置为各种用途。在一定程度上,DRILL增加了一种操纵带电液滴轨迹的新方法,当流体动力的拖曳力和电场力组合时,可提供丰富的操作模式。

  在检测血管紧张素I(一种肽激素)时,DRILL可以将信噪比提高10倍,并能够将血管紧张素II的检测灵敏度提高十倍至皮摩尔水平。包括检测生物组织提取物中九种肽中的八种时,DRILL都显示出良好的信号强度  -高达700倍。

  DRILL可能潜在地允许研究整个细胞内容物,同时分析数千种不同的分子类型。这可能使研究人员看到这些分子随着时间推移如何变化,以检测化学途径中的问题,并确定为什么药物对某些人起效,而对另一些人不起效。

  托雷斯补充说:“对于生物学家和那些对蛋白质生物化学和细胞生物学有兴趣的人来说,这可能是一个巨大的进步,因为它提高了分析技术的灵敏度,克服了研究生物大分子的主要障碍。我们期待能够看到以前看不到的东西。”

  佐治亚理工大学研究人员与北卡罗来纳州立大学化学系教授David Muddiman合作开发了DRILL并用最先进的质谱实验对其分析表征。北卡罗来纳州立大学研究人员的独特贡献是使用一种称为“实验设计”的强大统计方法指导DRILL设备的多参数优化,从而确定最佳操作的最佳点。

  Fedorov和Torres希望扩大在格鲁吉亚理工学院实验室之外的DRILL设备的使用范围,并进一步改进其设计。近期计划改进之一是加入内部加热以加速溶剂的去除。 Fedorov说:“我们将会看到许多其他改进措施使DRILL能够进一步增强ESI-MS过程。随着更多实验室开始使用该设备,我们计划不断改进DRILL。”