Вторичная ионизация электрораспылением

Вторичная ионизация электрораспылением ( SESI ) — это метод ионизации окружающей среды для анализа следовых концентраций паров, при котором наноэлектроспрей создает заряжающие агенты, которые сталкиваются с молекулами аналита непосредственно в газовой фазе. В последующей реакции происходит перенос заряда и ионизация паров, большинство молекул протонируются (в положительном режиме) и депротонируются (в отрицательном режиме). SESI работает в сочетании с масс-спектрометрией или спектрометрией подвижности ионов .
История
[ редактировать ]Тот факт, что следовые концентрации газов, контактирующих с шлейфом электрораспыления, эффективно ионизируются, был впервые обнаружен Фенном и его коллегами, когда они заметили, что крошечные концентрации пластификаторов вызывают интенсивные пики в их масс-спектрах. [1] Однако только в 2000 году эта проблема была переформулирована как решение, когда Хилл и его коллеги использовали электроспрей для ионизации молекул в газовой фазе. [2] и назвал этот метод вторичной ионизацией электрораспылением. В 2007 году почти одновременные работы Зеноби [3] и Пабло Синуэс [4] впервые применил SESI к анализу дыхания, положив начало плодотворной области исследований. [5] С чувствительностью в диапазоне низких ppt v (10 −12 ), SESI использовался и в других приложениях, где важно обнаружение паров с низкой летучестью.
Обнаружение частиц с низкой летучестью в газовой фазе важно, поскольку более крупные молекулы, как правило, имеют более высокую биологическую значимость. Виды с низкой летучестью не учитывались, поскольку их технически сложно обнаружить, поскольку они имеют очень низкую концентрацию и имеют тенденцию конденсироваться во внутренних трубах приборов. Однако по мере того, как эта проблема решена и новые инструменты способны обрабатывать более крупные и более специфические молекулы, возможность выполнять онлайн-анализ в реальном времени молекул, естественным образом выделяющихся в воздухе, даже в минимальных концентрациях, привлекает к этому внимание. ионизационный метод.
Принцип работы
[ редактировать ]
На заре SESI обсуждались два механизма ионизации: модель взаимодействия капля-пар постулирует, что пары адсорбируются в каплях ионизации электрораспылением (ESI), а затем повторно испускаются по мере сжатия капли, точно так же, как обычные аналиты в жидкой фазе. производятся методом ионизации электрораспылением; с другой стороны, модель взаимодействия ион-пар постулирует, что молекулы и ионы или небольшие кластеры сталкиваются, и при этом столкновении передается заряд. Доступные в настоящее время коммерческие источники SESI работают при высокой температуре, чтобы лучше обрабатывать вещества с низкой летучестью. [6] В этом режиме нанокапли из электроспрея испаряются очень быстро, образуя равновесные ионные кластеры. Это приводит к тому, что ионно-паровые реакции доминируют в большей части области ионизации. Поскольку заряжающие ионы происходят из нанокапель и никакие ионы высокой энергии не участвуют ни в каком этапе процесса ионизации или создания ионизирующих агентов, фрагментация в SESI чрезвычайно низка, и полученные спектры очень чистые. Это обеспечивает очень широкий динамический диапазон, при котором на пики низкой интенсивности не влияют более многочисленные виды. [7]
Некоторыми родственными методами являются лазерная абляция, ионизация электрораспылением , масс-спектрометрия с реакцией переноса протона и масс-спектрометрия с проточной трубкой с выбранными ионами .
Приложения
[ редактировать ]
Основная особенность SESI заключается в том, что он может обнаруживать минимальные концентрации веществ с низкой летучестью в реальном времени, с молекулярной массой до 700 Да, что находится в области метаболомики . Эти молекулы естественным образом выделяются живыми организмами и обычно обнаруживаются по запахам, а это означает, что их можно анализировать неинвазивно . SESI в сочетании с масс-спектрометрией высокого разрешения предоставляет биологически значимую информацию о живых системах с временным разрешением, при этом во вмешательство в систему не требуется. Это позволяет плавно фиксировать время эволюцию их метаболизма и их реакцию на контролируемые раздражители.
SESI широко используется для анализа газов дыхания для открытия биомаркеров и in vivo фармакокинетических исследований :
Открытие биомаркеров
[ редактировать ]
Бактериальная инфекция
[ редактировать ]Широко сообщалось об идентификации бактерий по их летучим органическим соединениям . SESI-MS оказался надежным методом идентификации бактерий в клеточных культурах и инфекций in vivo из образцов дыхания после разработки библиотек профилей паров. [8] [9] [10] [11] Другие исследования включают: Дифференциация in vivo между критическими патогенами Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa . [12] или дифференциальное выявление среди устойчивых к антибиотикам S. aureus и его неустойчивых штаммов. [13] Также сообщалось об обнаружении бактериальной инфекции в других жидкостях, таких как слюна. [14]
Респираторные заболевания
[ редактировать ]Многие хронические респираторные заболевания не имеют соответствующего метода мониторинга и дифференциации стадий заболевания. SESI-MS использовался для диагностики и распознавания обострений по образцам дыхания при хронической обструктивной болезни легких . [15] [16] Метаболическое профилирование образцов дыхания позволило точно дифференцировать здоровых людей от идиопатического легочного фиброза. [17] или пациентов с обструктивным апноэ во сне . [18]
Рак
[ редактировать ]SESI-MS изучается как неинвазивная система обнаружения биомаркеров рака в дыхании. Предварительное исследование дифференцирует пациентов, страдающих неоплазией молочной железы. [19]
Кожа
[ редактировать ]Летучие вещества, выделяемые кожей, можно обнаружить путем отбора проб окружающего ее газа, что обеспечивает быстрый метод обнаружения метаболических изменений в составе жирных кислот. [20] [21]

Фармакокинетика
[ редактировать ]Для изучения фармакокинетики необходима надежная методика из-за сложной природы матрицы образцов, будь то плазма, моча или дыхание. [22] Недавние исследования показывают, что вторичная ионизация электрораспылением (SESI) является мощным методом мониторинга кинетики лекарств с помощью анализа дыхания. [23] [24] Поскольку дыхание производится естественным путем, можно легко собрать несколько точек данных. Это позволяет значительно увеличить количество собираемых точек данных. [25] В исследованиях на животных этот подход SESI может уменьшить количество жертвоприношений животных, одновременно получая фармакокинетические кривые с непревзойденным временным разрешением. [24] [25] У людей неинвазивный анализ дыхания SESI-MS может помочь изучить кинетику лекарств на индивидуальном уровне. [23] [26] [27] Мониторинг экзогенно интродуцированных видов позволяет отслеживать их специфический метаболический путь, что снижает риск выбора мешающих факторов .

Метаболический анализ с временным разрешением
[ редактировать ]Введение известных стимулов, таких как специфические метаболиты, меченные изотопами соединения, или других источников стресса, запускает метаболические изменения, которые можно легко отслеживать с помощью SESI-MS. Некоторые примеры включают в себя: определение профиля летучих соединений клеточной культуры; [28] и метаболические исследования растений [29] или проследить метаболические пути человека. [30] [31] [32]
Другие приложения
[ редактировать ]Другие приложения, разработанные с помощью SESI-MS, включают:
- Обнаружение запрещенных наркотиков; [3]
- Обнаружение взрывчатых веществ; [33] [34]
- Мониторинг контроля качества пищевых продуктов. [35] [36]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фенн, Дж.Б.; Манн, М.; Мэн, СК; Вонг, Сан-Франциско; Уайтхаус, CM (6 октября 1989 г.). «Ионизация электрораспылением для масс-спектрометрии крупных биомолекул». Наука . 246 (4926): 64–71. Бибкод : 1989Sci...246...64F . дои : 10.1126/science.2675315 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 2675315 .
- ^ Ву, К.; Симс, ВФ; Хилл, Х.Х. (15 января 2000 г.). «Спектрометрия ионной подвижности с вторичной ионизацией электрораспылением / масс-спектрометрия запрещенных наркотиков». Аналитическая химия . 72 (2): 396–403. дои : 10.1021/ac9907235 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 10658336 .
- ^ Jump up to: а б «Zenobi Group, лаборатория органической химии, факультет химии и прикладных биологических наук, ETH Zurich» .
- ^ «Профессорство Ботнара, Детская университетская больница Базеля, UKBB» .
- ^ «Проект Цюрихской эксгаломики, Цюрихский университет, УЖ» . Архивировано из оригинала 20 мая 2021 г. Проверено 29 мая 2019 г.
- ^ «Технология ископаемого иона, Малага, Испания» .
- ^ Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Криадо, Эрнесто; Видаль, Гильермо (2012). «Механистическое исследование ионизации малых газов факелом электрораспыления». Международный журнал масс-спектрометрии . 313 : 21–29. Бибкод : 2012IJMSp.313...21M . дои : 10.1016/j.ijms.2011.12.010 .
- ^ Баллабио, Клаудия; Кристони, Симона; Пуччо, Джованни; Колер, Малькольм; Сала, Мария Роберта; Брамбилла, Паоло; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло (2014). «Быстрая идентификация бактерий в культурах крови методом масс-спектрометрического анализа летучих веществ». Журнал клинической патологии . 67 (8): 743–746. doi : 10.1136/jclinpath-2014-202301 . ISSN 0021-9746 . ПМИД 24817704 . S2CID 43907088 .
- ^ Чжу, Цзянцзян; Бин, Хизер Д.; Хименес-Диас, Хайме; Хилл, Джейн Э. (2013). «Вторичная ионизация-масс-спектрометрия электрораспылением (SESI-MS) дыхательный отпечаток нескольких бактериальных легочных патогенов, исследование на модели мышей» . Журнал прикладной физиологии . 114 (11): 1544–1549. doi : 10.1152/japplphysicalol.00099.2013 . ISSN 8750-7587 . ПМК 3680826 . ПМИД 23519230 .
- ^ Чжу, Цзянцзян; Хилл, Джейн Э. (2013). «Обнаружение Escherichia coli с помощью профилирования ЛОС с использованием вторичной ионизационной масс-спектрометрии электрораспылением (SESI-MS)» . Пищевая микробиология . 34 (2): 412–417. дои : 10.1016/j.fm.2012.12.008 . ISSN 0740-0020 . ПМЦ 4425455 . ПМИД 23541210 .
- ^ Ратиу, Илеана-Андреа; Лигор, Томаш; Бокос-Бинтинтан, Виктор; Бушевский, Богуслав (2017). «Масс-спектрометрические методы анализа летучих органических соединений, выделяемых бактериями». Биоанализ . 9 (14): 1069–1092. дои : 10.4155/био-2017-0051 . ISSN 1757-6180 . ПМИД 28737423 .
- ^ Чжу, Цзянцзян; Хименес-Диас, Хайме; Бин, Хизер Д.; Дафтарий, Нирав А; Алиева, Минара I; Лундблад, Леннарт К.А.; Хилл, Джейн Э (18 июля 2013 г.). «Надежное выявление острых легочных инфекций, вызванных P. aeruginosa и S. aureus, с помощью вторичной электрораспылительной ионизационно-масс-спектрометрии (SESI-MS) с помощью дыхательного отпечатка: от первоначального заражения до выздоровления» . Журнал исследований дыхания . 7 (3): 037106. Бибкод : 2013JBR.....7c7106Z . дои : 10.1088/1752-7155/7/3/037106 . ISSN 1752-7155 . ПМЦ 4425453 . ПМИД 23867706 .
- ^ Бин, Хизер Д.; Чжу, Цзянцзян; Сенгл, Джексон С.; Хилл, Джейн Э. (2014). «Идентификация легочных инфекций, вызванных устойчивым к метициллину золотистым стафилококком (MRSA), у мышей с помощью анализа дыхания с использованием вторичной ионизационной масс-спектрометрии с электрораспылением (SESI-MS)» . Журнал исследований дыхания . 8 (4): 041001–41001. Бибкод : 2014JBR.....8d1001B . дои : 10.1088/1752-7155/8/4/041001 . ISSN 1752-7163 . ПМЦ 4443899 . ПМИД 25307159 .
- ^ Бреги, Лукас; Мюгглер, Анник Р.; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Гарсиа-Гомес, Диего; Сутер, Янник; Белибасакис, Георгиос Н.; Колер, Малькольм; Шмидлин, Патрик Р.; Зеноби, Ренато (2015). «Дифференциация бактерий полости рта в культурах in vitro и слюне человека методом вторичной ионизации электрораспылением - масс-спектрометрия» . Научные отчеты . 5 (1): 15163. Бибкод : 2015НатСР...515163Б . дои : 10.1038/srep15163 . ISSN 2045-2322 . ПМК 4609958 . ПМИД 26477831 .
- ^ Гаугг, Мартин Томас; Нуссбаумер-Окснер, Ивонн; Бреги, Лукас; Энглер, Анна; Стеблер, Нина; Гейсл, Томас; Брюдерер, Тобиас; Новак, Нора; Синуэс, Пабло (2019). «Анализ дыхания в реальном времени выявляет специфические метаболические признаки обострений ХОБЛ». Грудь . 156 (2): 269–276. дои : 10.1016/j.chest.2018.12.023 . PMID 30685334 . S2CID 59304252 .
- ^ Бреги, Лукас; Нуссбаумер-Окснер, Ивонн; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Гарсиа-Гомес, Диего; Сутер, Янник; Гейсл, Томас; Стеблер, Нина; Гаугг, Мартин Томас; Колер, Малькольм (2018). «Масс-спектрометрическая идентификация в реальном времени метаболитов, характерных для хронической обструктивной болезни легких, в выдыхаемом воздухе» . Клиническая масс-спектрометрия . 7 : 29–35. дои : 10.1016/j.clinms.2018.02.003 .
- ^ Колер, М.; Зеноби, Р.; Энглер, А.; Бреги, Л.; Гаугг, Монтана; Нуссбаумер-Окснер, Ю.; Синуэс, П. (01 мая 2017 г.). «119 Анализ выдыхаемого воздуха методом масс-спектрометрии в реальном времени у пациентов с легочным фиброзом» . Грудь . 151 (5): А16. дои : 10.1016/j.chest.2017.04.017 . ISSN 0012-3692 . S2CID 79732485 .
- ^ Шварц, Эстер I; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Бреги, Лукас; Гейсл, Томас; Гарсия Гомес, Диего; Гаугг, Мартин Т; Сутер, Янник; Стеблер, Нина; Нуссбаумер-Окснер, Ивонн (15 декабря 2015 г.). «Влияние отмены CPAP-терапии на характер выдоха при обструктивном апноэ во сне» . Торакс . 71 (2): 110–117. doi : 10.1136/thoraxjnl-2015-207597 . ISSN 0040-6376 . ПМИД 26671307 .
- ^ Он, Цзинцзин; Синуэс, Пабло Мартинес-Лозано; Хольмен, Майя; Ли, Сюэ; Детмар, Майкл; Зеноби, Ренато (6 июня 2014 г.). «Отпечатки пальцев рака молочной железы по сравнению с нормальными клетками молочной железы с помощью масс-спектрометрического анализа летучих веществ» . Научные отчеты . 4 (1): 5196. Бибкод : 2014NatSR...4E5196H . дои : 10.1038/srep05196 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5381500 . ПМИД 24903350 .
- ^ Мартинес-Лозано, Пабло (2009). «Масс-спектрометрическое исследование летучих веществ кожи путем вторичной ионизации электрораспылением». Международный журнал масс-спектрометрии . 282 (3): 128–132. Бибкод : 2009IJMSp.282..128M . дои : 10.1016/j.ijms.2009.02.017 . ISSN 1387-3806 .
- ^ Мартинес-Лозано, Пабло; Мора, Хуан Фернандес (2009). «Онлайн-обнаружение паров кожи человека» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 20 (6): 1060–1063. дои : 10.1016/j.jasms.2009.01.012 . ISSN 1044-0305 . ПМИД 19251441 .
- ^ Касас-Феррейра, Ана Мария; Ногаль-Санчес, Мигель дель; Перес-Павон, Хосе Луис; Морено-Кордеро, Бернардо (январь 2019 г.). «Методы несепарационной масс-спектрометрии для неинвазивной медицинской диагностики на основе летучих органических соединений: обзор». Аналитика Химика Акта . 1045 : 10–22. Бибкод : 2019AcAC.1045...10C . дои : 10.1016/j.aca.2018.07.005 . ПМИД 30454564 . S2CID 53874283 .
- ^ Jump up to: а б Гамес, Херардо; Чжу, Лян; Диско, Андреас; Чен, Хуанвэнь; Азов, Владимир; Чингин, Константин; Кремер, Гюнтер; Зеноби, Ренато (2011). «Мониторинг in vivo в режиме реального времени и фармакокинетика вальпроевой кислоты с помощью нового биомаркера в выдыхаемом воздухе». Химические коммуникации . 47 (17): 4884–6. дои : 10.1039/c1cc10343a . ISSN 1359-7345 . ПМИД 21373707 .
- ^ Jump up to: а б Ли, Сюэ; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Даллманн, Роберт; Бреги, Лукас; Хольмен, Майя; Пру, Стивен; Браун, Стивен А.; Детмар, Майкл; Колер, Малькольм; Зеноби, Ренато (26 июня 2015 г.). «Фармакокинетика лекарственного средства, определенная с помощью анализа дыхания мыши в реальном времени». Angewandte Chemie, международное издание . 54 (27): 7815–7818. дои : 10.1002/anie.201503312 . hdl : 20.500.11850/102558 . ПМИД 26015026 .
- ^ Jump up to: а б Гаугг, Мартин Т; Энглер, Анна; Нуссбаумер-Окснер, Ивонн; Бреги, Лукас; Штеберль, Анна С; Гейсл, Томас; Брюдерер, Тобиас; Зеноби, Ренато; Колер, Малькольм; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло (13 сентября 2017 г.). «Метаболические эффекты ингаляционного сальбутамола, определяемые анализом выдыхаемого воздуха» . Журнал исследований дыхания . 11 (4): 046004. Бибкод : 2017JBR....11d6004G . дои : 10.1088/1752-7163/aa7caa . hdl : 20.500.11850/220016 . ISSN 1752-7163 . ПМИД 28901297 .
- ^ Мартинес-Лозано Синуэс, П.; Колер, М.; Браун, ЮАР; Зеноби, Р.; Даллманн, Р. (2017). «Измерение циркадных изменений метаболизма кетамина с помощью анализа дыхания в реальном времени» (PDF) . Химические коммуникации . 53 (14): 2264–2267. дои : 10.1039/C6CC09061C . ISSN 1359-7345 . ПМИД 28150005 .
- ^ Техеро Риосерас, Альберто; Сингх, Капил Дев; Новак, Нора; Гаугг, Мартин Т.; Брюдерер, Тобиас; Зеноби, Ренато; Синуэс, Пабло М.-Л. (05.06.2018). «Мониторинг метаболитов трикарбоновой кислоты в выдыхаемом воздухе в режиме реального времени». Аналитическая химия . 90 (11): 6453–6460. дои : 10.1021/acs.analchem.7b04600 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 29767961 .
- ^ Техеро Риосерас, Альберто; Гарсия Гомес, Диего; Эберт, Биргитта Э.; Бланк, Ларс М.; Ибаньес, Альфредо Х.; Синуэс, Пабло МЛ (27 октября 2017 г.). «Комплексный анализ летучих дрожжей в реальном времени» . Научные отчеты . 7 (1): 14236. Бибкод : 2017NatSR...714236T . дои : 10.1038/s41598-017-14554-y . ISSN 2045-2322 . ПМК 5660155 . ПМИД 29079837 .
- ^ Барриос-Кольядо, Сезар; Гарсиа-Гомес, Диего; Зеноби, Ренато; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Ибаньес, Альфредо Х.; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло (04 февраля 2016 г.). «Учет метаболизма растений in vivo путем анализа летучих веществ с низкой и высокой молекулярной массой в реальном времени». Аналитическая химия . 88 (4): 2406–2412. дои : 10.1021/acs.analchem.5b04452 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 26814403 .
- ^ Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Колер, Малькольм; Зеноби, Ренато (3 апреля 2013 г.). «Анализ дыхания человека может подтвердить существование отдельных метаболических фенотипов» . ПЛОС ОДИН . 8 (4): e59909. Бибкод : 2013PLoSO...859909M . дои : 10.1371/journal.pone.0059909 . ISSN 1932-6203 . ПМК 3616042 . ПМИД 23573221 .
- ^ Гарсиа-Гомес, Диего; Бреги, Лукас; Барриос-Кольядо, Сезар; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Зеноби, Ренато (17 июня 2015 г.). «Тандемная масс-спектрометрия высокого разрешения в реальном времени идентифицирует производные фурана в выдыхаемом воздухе». Аналитическая химия . 87 (13): 6919–6924. дои : 10.1021/acs.analchem.5b01509 . hdl : 20.500.11850/103100 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 26052611 .
- ^ Гарсиа-Гомес, Диего; Мартинес-Лосано Синуэс, Пабло; Барриос-Кольядо, Сезар; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Гаугг, Мартин; Зеноби, Ренато (13 февраля 2015 г.). «Идентификация 2-алкеналей, 4-гидрокси-2-алкеналей и 4-гидрокси-2,6-алкадиеналей в конденсате выдыхаемого воздуха с помощью UHPLC-HRMS и в выдыхании с помощью HRMS в реальном времени». Аналитическая химия . 87 (5): 3087–3093. дои : 10.1021/ac504796p . ISSN 0003-2700 . ПМИД 25646646 .
- ^ Тэм, Мэгги; Хилл, Герберт Х. (2004). «Вторичная электрораспылительная ионизационная спектрометрия подвижности ионов для обнаружения взрывоопасных паров». Аналитическая химия . 76 (10): 2741–2747. дои : 10.1021/ac0354591 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 15144183 .
- ^ Мартинес-Лозано, Пабло; Рус, Хуан; Фернандес де ла Мора, Гонсало; Эрнандес, Марта; Фернандес де ла Мора, Хуан (2009). «Вторичная ионизация электрораспылением (SESI) паров окружающей среды для обнаружения взрывчатых веществ в концентрациях ниже частей на триллион» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 20 (2): 287–294. дои : 10.1016/j.jasms.2008.10.006 . ISSN 1044-0305 . ПМИД 19013080 .
- ^ Бин, Хизер Д.; Меллорс, Теодор Р.; Чжу, Цзянцзян; Хилл, Джейн Э. (22 апреля 2015 г.). «Профилирование выдержанного кустарного сыра Чеддер с использованием масс-спектрометрии с вторичной ионизацией электрораспылением». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 63 (17): 4386–4392. дои : 10.1021/jf5063759 . ISSN 0021-8561 . ПМИД 25865575 .
- ^ Фаррелл, Росс Р.; Фарентрапп, Йоханнес; Гарсиа-Гомес, Диего; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Зеноби, Ренато (2017). «Быстрая дактилоскопия летучего состава винограда с использованием вторичной масс-спектрометрии с орбитальной ловушкой с ионизацией электрораспылением: предварительное исследование созревания винограда». Пищевой контроль . 81 : 107–112. doi : 10.1016/j.foodcont.2017.04.041 . ISSN 0956-7135 .