Зондовая ионизация электрораспылением
Зондовая ионизация электрораспылением ( PESI ) — это электрораспылении , основанный на метод ионизации окружающей среды , который сочетается с масс-спектрометрией для анализа проб. [ 1 ] [ 2 ] В отличие от традиционных масс-спектрометрических источников ионов, которые необходимо поддерживать 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 образцов или без нее. [ 3 ] Источник ионов PESI просто состоит из иглы, к которой прикладывается высокое напряжение после отбора пробы, инициируя электрораспыление непосредственно из твердой иглы.
История
[ редактировать ]Зондовая ионизация электрораспылением - это метод масс-спектрометрии с ионизацией окружающей среды, разработанный Кензо Хираока и др. в Университете Яманаси , Япония. [ 4 ] Этот метод был разработан для решения некоторых проблем, связанных с традиционной ионизацией электрораспылением (ESI), включая засорение капилляра и загрязнение, а также для обеспечения быстрого и прямого анализа проб. С момента своей первоначальной концепции были разработаны различные модифицированные формы источника ионов PESI, а система PESI-MS была коммерциализирована компанией-производителем приборов Shimadzu .
Принцип работы
[ редактировать ]Источник ионов PESI состоит из твердой иглы или проволоки, которая действует как в качестве зонда для отбора проб, так и в качестве эмиттера электрораспыления. [ 5 ] Игла перемещается вверх и вниз вдоль вертикальной оси, этот процесс может быть автоматизированным или ручным. Когда игла опускается на этап отбора проб, кончик иглы ненадолго касается поверхности типичной жидкой пробы. На этом этапе игла удерживается под потенциалом земли. Затем иглу поднимают до уровня входа масс-спектрометра, куда подается высокое напряжение 2–3 кВ. Электрораспыление индуцируется на кончике иглы, создавая 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 в виде протонированных, натриевых и потенцированных ионов, в зависимости от образца и типа аналита.
Хотя количество образца, захватываемого иглой, во многом зависит от вязкости образца, по оценкам, обычно используется всего несколько пиколитр раствора образца. [ 6 ]
По этой причине этот метод можно применять к небольшим размерам выборок, что особенно идеально, когда доступны ограниченные объемы выборок. Поскольку такое небольшое количество пробы собирается и полностью исчерпывается в процессе ионизации, проблемы загрязнения значительно уменьшаются. Кроме того, процесс отбора проб и ионизации занимает всего несколько секунд, поэтому PESI-MS подходит для высокопроизводительного анализа.
Последовательная ионизация
[ редактировать ]Явление, наблюдаемое при зондовой ионизации электрораспылением, представляет собой последовательную и исчерпывающую ионизацию аналитов с различной поверхностной активностью. Во время разработки PESI было обнаружено, что аналиты могут последовательно ионизироваться в процессе электрораспыления, что обеспечивает временное разделение компонентов внутри образца. [ 7 ] При обычном ESI раствор пробы обычно непрерывно подается через капилляр, а заряженные капли содержат все компоненты пробы, при этом большее количество поверхностно-активных аналитов постоянно предпочтительно ионизируется. В PESI поверхностно-активные аналиты также преимущественно ионизируются. Однако, поскольку на кончике иглы существует ограниченная капля после истощения поверхностно-активных аналитов, оставшиеся компоненты в капле можно затем ионизировать и наблюдать. Это может привести к получению совершенно разных масс-спектров одного образца при приложении высокого напряжения всего на несколько секунд.
Этот эффект дает особое преимущество при анализе аналитов, подверженных эффекту подавления ионов. Присутствие поверхностно-активных аналитов или заряженных добавок-растворителей может привести к подавлению ионизации интересующих аналитов, что приводит к низкой чувствительности или полному отсутствию аналита. [ 7 ] Эффекты подавления ионов можно свести к минимуму за счет уменьшения сложности образца, например, с помощью методов экстракции образца, таких как твердофазная экстракция , или путем разделения интересующих аналитов с помощью хроматографического разделения. Однако эти этапы подготовки проб могут быть трудоемкими, трудоемкими и дорогостоящими. PESI позволяет снизить подавление ионов без необходимости предварительной обработки пробы. Разделив ионизацию различных аналитов, можно исключить компоненты, вызывающие подавление ионов, прежде чем обеспечить ионизацию интересующих компонентов. Это было продемонстрировано в ряде сценариев, в том числе при анализе сырой мочи с концентрированными компонентами, такими как ионизация креатинина, с последующим появлением ранее необнаруженных метаболитов. [ 8 ]
PESI с потоком оболочки
[ редактировать ]Поскольку игла PESI применима только к жидким или проницаемым твердым образцам, ее нельзя использовать для анализа большинства сухих твердых материалов. Чтобы обойти это ограничение, была разработана ионизация электрораспылением с зондом оболочки (sfPESI), модификация традиционного метода PESI. Источник ионов sfPESI состоит из твердой иглы, заключенной в пластиковый корпус (обычно наконечник для загрузки геля), наполненный небольшим количеством растворителя. Игла выступает из основания оболочки примерно на 0,1 мм, где удерживается мельчайшая капля растворителя. На основе [ нужны разъяснения ] При этом зонд на короткое время прикасается к поверхности образца, при этом между зондом и образцом образуется выпуклый мениск растворителя, смачивающий образец и обеспечивающий экстракцию аналита. [ 9 ] Химический состав растворителя можно изменить, чтобы вызвать экстракцию конкретных представляющих интерес аналитов. После нанесения на образец зонд sfPESI поднимают до уровня входного отверстия масс-спектрометра, при этом растворенные аналиты удерживаются в капле на кончике иглы и прикладывают высокое напряжение. sfPESI предлагает те же преимущества, что и стандартный PESI, включая явление последовательной и исчерпывающей ионизации, а также позволяет проводить прямой анализ сухих образцов.
Приложения
[ редактировать ]PESI-MS оказался особенно эффективным при метаболическом анализе биологических материалов и применялся для анализа раковых и нераковых тканей молочной железы. [ 10 ] а также ткани мозга и печени, взятые у мышей. [ 11 ] [ 12 ] Интересно, что PESI-MS недавно была применена для прямого анализа живых животных для составления метаболического профиля в реальном времени. [ 13 ] [ 14 ] Из-за узкого диаметра иглы PESI и короткого времени введения образца PESI достаточно неинвазивен. 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 применялся для анализа пищевых продуктов на месте с целью контроля качества, для обнаружения гербицидов в жидкостях организма для демонстрации воздействия и, наконец, для обнаружения запрещенных наркотиков в жидкостях организма. для указания на употребление наркотиков. Несколько групп также использовали небольшой размер зонда PESI для анализа отдельных клеток, продемонстрировав возможность быстрого обнаружения метаболитов на клеточном и субклеточном уровнях. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
Модификация PESI, известная как PESI с потоком оболочки, применялась для анализа различных твердых образцов в их нативном 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 жидкостей организма, представляющих судебно-медицинский интерес. [ 8 ] В этой работе sfPESI также сочетался с тандемной масс-спектрометрией (МС/МС), демонстрируя возможность фрагментации ионов для идентификации неизвестных компонентов.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хираока, Кензо; Усманов, Дильшадбек Т.; Чен, Ли Чуин; Ниномия, Сатоши; Мандал, Мридул К.; Саха, Субхраканти (2015). «Масс-спектрометрия с зондовой ионизацией электрораспылением (PESI) с прерывистым интерфейсом атмосферного давления (DAPI)». Европейский журнал масс-спектрометрии . 21 (3): 327–334. дои : 10.1255/ejms.1309 . ПМИД 26307713 . S2CID 19471030 .
- ^ Усманов, Дильшадбек Т.; Мандал, Мридул К.; Хираока, Кензо; Ниномия, Сатоши; Вада, Хироши; Мацумура, Масая; Санада-Моримура, Сатиё; Нонами, Хироши; Ямабе, Шиничи (15 сентября 2018 г.). «Ионизация/масс-спектрометрия электрораспылением с погружным зондом для прямого и малоинвазивного анализа пищевых продуктов на месте». Пищевая химия . 260 : 53–60. doi : 10.1016/j.foodchem.2018.04.003 . ПМИД 29699681 . S2CID 13864181 .
- ^ Кукс, Р.Г. (17 марта 2006 г.). «Амбиентная масс-спектрометрия». Наука . 311 (5767): 1566–1570. Бибкод : 2006Sci...311.1566C . дои : 10.1126/science.1119426 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16543450 . S2CID 22007354 .
- ^ Хираока, Кензо; Нисидатэ, Кентаро; Мори, Кунихико; Асакава, Дайки; Сузуки, Сигео (30 сентября 2007 г.). «Разработка зондового электрораспыления с использованием твердой иглы». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 21 (18): 3139–3144. Бибкод : 2007RCMS...21.3139H . дои : 10.1002/rcm.3201 . ПМИД 17708527 .
- ^ Jump up to: 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 с зондом оболочки (SF-PESI): Ионизация электрораспылением с зондом оболочки / SF-PESI». Журнал масс-спектрометрии . 48 (7): 823–829. дои : 10.1002/jms.3226 . ПМИД 23832938 .
- ^ Ёсимура, Кентаро; Чен, Ли Чуин; Асакава, Дайки; Хираока, Кензо; Такеда, Сен (июнь 2009 г.). «Физические свойства зондовой иглы электрораспылительной ионизации (PESI), применяемой к биологическим образцам» . Журнал масс-спектрометрии . 44 (6). Министерство сельского хозяйства США : 978–985. Бибкод : 2009JMSp...44..978Y . дои : 10.1002/jms.1576 . ПМИД 19306264 .
- ^ Jump up to: а б Мандал, Мридул Канти; Чен, Ли Чуин; Хираока, Кензо (сентябрь 2011 г.). «Последовательная и исчерпывающая ионизация аналитов с различной поверхностной активностью методом зондовой ионизации электрораспылением». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 22 (9): 1493–1500. Бибкод : 2011JASMS..22.1493M . дои : 10.1007/s13361-011-0162-4 . ISSN 1044-0305 . ПМИД 21953252 .
- ^ Jump up to: а б Рэнкин-Тернер, Стефани; Ниномия, Сатоши; Рейнольдс, Джеймс С.; Хираока, Кензо (2019). «Масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением (sfPESI) с зондом с оболочкой для быстрого судебно-медицинского анализа жидкостей организма человека» . Аналитические методы . 11 (29): 3633–3640. дои : 10.1039/C9AY00698B . ISSN 1759-9660 .
- ^ Jump up to: а б Усманов, Дильшадбек Т.; Ашуров Хатам Б.; Ниномия, Сатоши; Хираока, Кензо; Вада, Хироши; Накано, Хироши; Мацумура, Масая; Санада-Моримура, Сатиё; Нонами, Хироши (15 марта 2018 г.). «Масс-спектрометрия с дистанционным отбором проб для сухих образцов: ионизация электрораспылением с зондом с оболочкой (PESI) с использованием наконечника для загрузки геля, вставленного с иглой для акупунктуры». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 32 (5): 407–413. Бибкод : 2018RCMS...32..407U . дои : 10.1002/rcm.8045 . ПМИД 29235697 .
- ^ Мандал, Мридул Канти; Ёсимура, Кентаро; Чен, Ли Чуин; Ю, Жан; Наказава, Тадао; Като, Рёхей; Фуджи, Хидеки; Такеда, Сен; Нонами, Хироши; Хираока, Кензо (ноябрь 2012 г.). «Применение зондовой масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением (PESI-MS) для клинической диагностики: влияние растворителя на анализ липидов» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 23 (11): 2043–2047. Бибкод : 2012JASMS..23.2043M . дои : 10.1007/s13361-012-0462-3 . ISSN 1044-0305 . ПМИД 22923015 .
- ^ Хаяси, Юми; Зайцу, Кей; Мурата, Тасуку; Охара, Томоми; Моро, Стефан; Кусано, Майко; Танихата, Хироши; Цучихаси, Хитоши; Исии, Акира; Исикава, Тецуя (август 2017 г.). «Профилирование интактных метаболитов мозга мыши с помощью зондовой ионизации электрораспылением / тройной квадрупольной тандемной масс-спектрометрии (PESI / MS / MS) и его потенциальное использование для анализа локального распределения в мозге». Аналитика Химика Акта . 983 : 160–165. дои : 10.1016/j.aca.2017.06.047 . ПМИД 28811022 .
- ^ Зайцу, Кей; Хаяси, Юми; Мурата, Тасуку; Охара, Томоми; Накагири, Кента; Кусано, Майко; Накадзима, Хироки; Накадзима, Тамиэ; Исикава, Тецуя; Цучихаши, Хитоши; Исии, Акира (05 апреля 2016 г.). «Анализ интактных эндогенных метаболитов печени мышей с помощью зондовой ионизации электрораспылением / тройной квадрупольной тандемной масс-спектрометрии и его предварительное применение для анализа в реальном времени in vivo». Аналитическая химия . 88 (7): 3556–3561. дои : 10.1021/acs.analchem.5b04046 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 26958983 .
- ^ Ёсимура, Кентаро; Чен, Ли Чуин; Джоно, Хисаши; Накадзима, Маютака; Хираока, Кензо; Такеда, Сен (2015). «Разработка бесконтактной зондовой ионизации электрораспылением для анализа живых животных в реальном времени» . Масс-спектрометрия . 3 (Специальная_проблема_3): S0048. doi : 10.5702/massspectrometry.S0048 . ISSN 2186-5116 . ПМЦ 4321345 . ПМИД 26819892 .
- ^ Зайцу, Кей; Мурата, Тасуку; Охара, Томоми, Майко; Исикава, Тецуя; Огата, Танихата, Хироши; «Система мониторинга в реальном времени in vivo с использованием зондовой ионизации электрораспылением/тандемной массы» Спектрометрия метаболитов в мозге мыши». Аналитическая химия . 90 (7): 4695–4701. doi : 10.1021/acs.analchem.7b05291 . ISSN 0003-2700 . PMID 29519127 .
- ^ Гун, Сяоюнь; Чжао, Яояо; Цай, Шаоцин; Фу, Шуцзе; Ян, Чэндуй; Чжан, Сычунь; Чжан, Синьжун (15 апреля 2014 г.). «Анализ одиночных клеток с помощью зондовой ESI-масс-спектрометрии: обнаружение метаболитов на клеточном и субклеточном уровнях». Аналитическая химия . 86 (8): 3809–3816. дои : 10.1021/ac500882e . ISSN 0003-2700 . ПМИД 24641101 .
- ^ Чен, Фэнмин; Линь, Луяо; Чжан, Цзе; Он, Зийи; Утияма, Кацуми; Линь, Цзинь-Мин (19 апреля 2016 г.). «Анализ одиночных клеток с использованием струйной печати каплей по требованию и масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением». Аналитическая химия . 88 (8): 4354–4360. дои : 10.1021/acs.analchem.5b04749 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 27015013 .
- ^ Накашима, Тайкен; Вада, Хироши; Морита, Сатоши; Эрра-Балселлс, Роза; Хираока, Кензо; Нонами, Хироши (15 марта 2016 г.). «Одноклеточное профилирование метаболитов стебля и железистых клеток интактных трихом с помощью внутреннего электрода, зонда капиллярного давления, электрораспылительной ионизационной масс-спектрометрии». Аналитическая химия . 88 (6): 3049–3057. дои : 10.1021/acs.analchem.5b03366 . hdl : 11336/17786 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 26845634 .
- ^ Хираока, Кензо; Рэнкин-Тернер, Стефани; Ниномия, Сатоши; Вада, Хироши; Накано, Хироши; Мацумура, Масая; Санада-Моримура, Сатиё; Танака, Фукуйо; Нонами, Хироши (20 марта 2019 г.). «Профилирование компонентов в сельском хозяйстве с использованием регулируемой акупунктурной иглы для ионизации электрораспылением / масс-спектрометрии с зондом с оболочкой». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 67 (11): 3275–3283. doi : 10.1021/acs.jafc.8b06424 . ISSN 0021-8561 . ПМИД 30830775 . S2CID 73513607 .
- ^ Мандал, Мридул Канти; Одзава, Томоюки; Саха, Субхраканти; Рахман, штат Мэриленд Матиур; Иваса, Мами; Шида, Ясуо; Нонами, Хироши; Хираока, Кензо (21 августа 2013 г.). «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 . ПМИД 23875640 .