Herstellung von homogenen MALDI Proben für die quantitative Anwendungen

Zusammenfassung

Ein Protokoll für die räumliche Heterogenitäten der Ionensignale in der MALDI-Massenspektrometrie Reduzierung von Substrattemperatur während der Probentrocknungsprozesse regulieren demonstriert.

Zusammenfassung

Dieses Protokoll demonstriert eine einfache Probenvorbereitung zur Reduzierung der räumlichen Heterogenität in Ionensignalen während der matrixgestützten Laserdesorption/Ionisation (MALDI) Massenspektrometrie. Die Heterogenität der Ionensignale ist ein schwerwiegendes Problem in MALDI, was zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Daten führt und MALDI für die quantitative Analyse ungeeignet macht. Durch die Regulierung der Probenplattentemperatur während der Probenvorbereitung können thermisch induzierte hydrodynamische Strömungen in den Tröpfchen der Probenlösung das Heterogenitätsproblem reduzieren. Eine Probenvorbereitungskammer bei Raumtemperatur, die mit einem temperaturgeregelten Kupferbasisblock ausgestattet ist, der MALDI-Probenplatten aufnimmt, ermöglicht eine präzise Kontrolle der Probentrocknungsbedingungen. Nach dem Trocknen der Probentröpfchen wird die Temperatur der Probenplatten wieder auf Raumtemperatur gebracht und für die anschließende massenspektrometrische Analyse aus der Kammer entnommen. Die Bereiche der Proben werden mit der MALDI-bildgebenden Massenspektrometrie untersucht, um die räumliche Verteilung aller Komponenten in der Probe zu erhalten. Im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren mit getrockneten Tröpfchen, bei dem Proben unter Umgebungsbedingungen ohne Temperaturkontrolle präpariert werden, weisen die Proben, die mit dem hier demonstrierten Verfahren hergestellt wurden, eine signifikant bessere räumliche Verteilung und Signalintensität auf. Beobachtungen mit Kohlenhydrat- und Peptidproben zufolge kann die Senkung der Substrattemperatur bei gleichzeitiger Beibehaltung der Umgebungstemperatur während des Trocknungsprozesses die Heterogenität der Ionensignale effektiv reduzieren. Diese Methode ist allgemein auf verschiedene Kombinationen von Proben und Matrizen anwendbar.

Einleitung

Massenspektrometrie (MS) ist eine der wichtigsten Analysetechniken zur Analyse der molekularen Zusammensetzung komplexer Proben. Unter allen Ionisationsmethoden, die bei MS eingesetzt werden, ist die matrixgestützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI) die empfindlichste und am weitesten verbreitete Methode in bioanalytischen Anwendungen. ¹ Im Vergleich zu anderen Ionisationstechniken hat MALDI die höchste Empfindlichkeit und hohe Toleranz gegenüber Salzverunreinigungen. Diese analytischen Eigenschaften machen MALDI zur ersten Wahl für die Kohlenhydratanalytik und viele Proteomik-Anwendungen. Die Probenvorbereitung ist jedoch ein entscheidender Schritt, um qualitativ hochwertige Daten in MALDI-MS zu erhalten.

Die am häufigsten verwendete Probenvorbereitungsmethode für MALDI-MS ist die Methode der getrockneten Tröpfchen, bei der Probentröpfchen auf einer Oberfläche abgeschieden und unter Umgebungsbedingungen getrocknet werden. Diese Trocknungsmethode ist einfach und im Allgemeinen effektiv. ^2-5 Ein häufiges Problem bei der Methode der getrockneten Tröpfchen besteht jedoch darin, dass sich die resultierenden Analyt-/Matrixkristalle normalerweise unregelmäßig verteilen. In vielen Fällen aggregieren die Kristalle an der Peripherie von Probenbereichen, was zur sogenannten Ringfleckenbildung führt. ^6-8 Die heterogenen Kristallmorphologien beeinflussen die räumliche Verteilung der Analytmoleküle, was zu starken Fluktuationen des Ionensignals über Probenflächen führt. Solche starken Signalschwankungen und schlechte Reproduzierbarkeit der Daten sind als "Sweet Spot"-Problem bei MALDI-MS bekannt. ⁹ Daher besteht ein großer Bedarf, räumliche Heterogenitäten in MALDI-MS-Anwendungen für getrocknete Tröpfchen zu reduzieren.

Hydrodynamische Strömungen im Probentröpfchen spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der räumlichen Verteilung von Proben, die mit der Methode des getrockneten Tröpfchens hergestellt wurden. ^10-12 Es wurde festgestellt, dass die Verdunstung des Lösungsmittels innerhalb der Tröpfchen nach außen gerichtete Kapillarströmungen induziert, die für die Ringfleckenbildung verantwortlich sind. ^7,10 Im Gegensatz dazu können Rezirkulationsströmungen, die durch tangentiale Oberflächenspannungsgradienten induziert werden, die nach außen gerichteten Kapillarströmungen ausgleichen. ¹³ Wenn die Rezirkulationsströmungsgeschwindigkeiten höher sind als die der nach außen gerichteten Kapillarströmungen, können die Proben effizient umverteilt werden, um das Heterogenitätsproblem zu verringern. ¹⁴

In dieser Arbeit demonstrieren wir ein detailliertes Protokoll zur Vorbereitung von Proben mit einer einfachen Trockenkammer, um effiziente Rezirkulationsströme während der Tröpfchentrocknung zu induzieren. Die Bedingungen für die Tröpfchentrocknung werden präzise gesteuert, einschließlich der Temperaturen der Probenplatte und ihrer Umgebung sowie der relativen Luftfeuchtigkeit in der Kammer. Zu den Modellanalyten gehören die Maltotriose- und Bradykininkette (1-7). Die für die Demonstration verwendete Matrix ist 2,4,6-Trihydroxyacetophenon (THAP). Die Proben werden mit Time-of-Flight (TOF) MS untersucht und die Daten quantitativ analysiert, um die Verringerung der Heterogenität zu zeigen.

Protokoll

Hinweis: Dieses Protokoll zur Reduzierung der räumlichen Heterogenität Maltotriose und Bradykinin-Fragment (1-7) hergestellt, mit dem getrockneten Tröpfchen Verfahren entwickelt wird. Das Protokoll besteht aus drei Hauptschritte, einschließlich der Vorbereitung und Präkonditionierung, Probenablage und Trocknung und Massenspektrometrie Datenanalyse. Die Verfahren werden beschrieben und im Folgenden näher beschrieben:

1. Vorbereitung und Präkonditionierung

1. Reinigen der Probenplatte
   1. Tragen Sie Handschuhe aus Nitril und Hand waschen Sie die Probenplatte vorsichtig mit Reinigungsmittel und destilliertem entionisiertem Wasser (DDW).
   2. Spülen Sie die Probenplatte mit Methanol (MeOH) und DDW.
   3. Legen Sie die Probenplatte in einem 600-ml-Becher und füllen mit DDW.
   4. Beschallen die Probenplatte in DDW für 15 min in einem Ultraschallbad (200 W, 40 kHz).
   5. Entfernen DDW aus dem Becher und füllen Sie den Becher mit MeOH.
   6. Beschallen die Probenplatte in MeOH für 15 min im Ultraschallbad (200 W, 40 kHz).
   7. Brennen Sie die Lösungsmitteltropfen auf der Platte mit Stickstoffgas ab und halten Sie die Probenplatte trocken vor der Probenabscheidung.
2. Die Regulierung Trockenkammer Temperatur
   . HINWEIS: Die Trockenkammer ist ein 35 x 20 x 45 cm ³ (B x T x H) Acryl-Kammer Abbildung 1 zeigt das Bild dieses Trocknungssystems. Die Kammer wird mit Raumtemperatur Stickstoffgas durch einen Gasdurchflussmesser bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit gespült eine niedrige relative Feuchtigkeitsbedingung durch eine geeichte Hygrometer innerhalb der Trocknungskammer eingebaut überwacht aufrechtzuerhalten. Ein Kupferbasisblock in der Trocknungskammer mit einer programmierten konstanten Temperatur Wasser Zirkulator ausgestattet wird verwendet Edelstahlprobenplatten aufzunehmen. Die Kupferbasisblock kann die Probenplatte Temperatur 5-25 ° C zu regulieren. Die Temperaturen der Luft, Kupferbasisblock und der Probenplatte werden durch K-Typ-Thermoelemente überwacht.
   1. Öffnen Sie die Tür und legte schnell die Probenplatte auf dem KupferBasisblock schließen Sie die Tür.
   2. Manuelle Einstellung der Gasdurchflussmesser der Stickstoffvolumenstrom bis 10 Standard-Kubikfuß pro Stunde (SCFH) einzustellen.
   3. Überwachung der relativen Feuchtigkeit in der Trockenkammer durch das Hygrometer und Feinabstimmung der Gasdurchflussmesser die relative Feuchtigkeit ist immer unter 25% zu gewährleisten.
   4. Überwachen Sie die Temperatur der Probenplatte durch K-Typ-Thermoelemente und stellen Sie die Wasser Zirkulator Temperatur manuell, bis die Probenplatte erreicht 5 ° C für das Experiment oder Raumtemperatur (25 ° C) für die Steuerung.
      HINWEIS: Um die Probenplatte bei einer Temperatur ausgelegt, die Wassertemperatur Zirkulator wird typischerweise 0 bis 5 ° C niedriger als die vorgesehene Probe eingestellt zu stabilisieren. Beispielsweise 5 ° C an der Probenplatte zu erhalten, ist die Temperatureinstellung des Wassers Zirkulators im Bereich von 0 bis 2 ° C; der Probenplatte bei 25 ° C, die Temperatureinstellung des Wassers Zirkulator liegt im Bereich von 23 bis 25 ° C zu halten.
   5. Achten Sie darauf , die erforderlichen Temperaturen und die relative Luftfeuchtigkeit erreicht werden (Tabelle 1) vor der Probenabscheidung.
      HINWEIS: Alle Parameter sowie deren Einstellwerte für die Trocknungsverfahren mit unterschiedlichen Probenplattentemperaturen sind in Tabelle 1 gezeigt.
      HINWEIS: Bei einer niedrigen Probenplattentemperatur, Wasserkondensation auf der Probenplatte auftreten können, wenn die Kammertür für eine lange Zeit offen ist. Wenn Wasserkondensation auftritt, schließen Sie die Tür und DO Anzahlung nicht jede Probe auf, bis Kondensation von Wasser ausgetrocknet ist.
3. Herstellung von Matrix und Analytlösungen
   1. Herstellung von Matrixlösungen
      1. Bereiten 0,1 M THAP-Lösung mit 50% Acetonitril (ACN): 50% wässrige Lösung DDW.
   2. Präparation von Analyten
      1. Bereiten 10 ^-4 M Maltotriose Lösung mit DDW.
      2. Bereiten Sie 10 ^-5 M Bradykinin - Fragment (1-7) Lösung in 50% Acetonitril(ACN): 50% wässrige Lösung DDW.

2. Probenabscheidung und Trocknung

1. Premix 0,25 ul 0,1 M THAP Lösung und 0,25 ul 10 ^-4 M Maltotriose oder 10 ^-5 M Bradykinin - Fragment (1-7) Lösungen in einem Reaktionsgefäß.
2. Vortex die gemischte Lösung für 3 Sekunden.
3. Zentrifugieren der gemischten Lösung für 2 sec (2,000 xg), um die Lösung am Boden des Zentrifugenröhrchens zu sammeln.
4. Öffnen Sie die Tür der Trocknungskammer, deponieren sorgfältig 0,1 ul der Lösung auf der Probenplatte mit Pipette und schließen Sie sofort die Tür.
5. Warten Sie auf die Probe Tröpfchen zu trocknen.
   . HINWEIS: Die typischerweise beobachtet Trocknungszeiten mit unterschiedlichen Probenplattentemperaturen in aufgeführt sind Tabelle 1 Für die Probenplattentemperatur von 5 ° C, die durchschnittliche Trocknungszeit beträgt 800 bis 1000 sec; für die Probenplattentemperatur von 25 ° C beträgt die durchschnittliche Trocknungszeit 100 bis 150 sec.
6. Nach dem Trocknen die Tür öffnen, der Trocknungskammer.
7. Stellen Sie den Wasser Zirkulator Temperatur auf Raumtemperatur (25 ° C).
   HINWEIS: Überspringen Sie diesen Schritt, wenn die Probenplatte ständig bei Raumtemperatur (25 ° C) während des Trocknungsprozesses gehalten wird.
8. Nach der Probenplatte Temperatur wieder auf Raumtemperatur (25 ° C), Entfernen von der Trocknungskammer, um die Probenplatte.
9. Untersuchen Sie die Probenmorphologie unter einem 5fach-Stereomikroskop und einen Schnappschuss Hellfeldbild.
   HINWEIS: Wenn die Kristallmorphologien nicht erwartet werden, ist es notwendig, eine neue Probe mit dem gleichen Verfahren herzustellen. Typische Kristallmorphologien sind in den oberen Platten der Figur 2 gezeigt.
   HINWEIS: In den Fällen mit geringen Probenplattentemperaturen, wie 5 ° C, es ist wichtig, die Probenplatte auf Raumtemperatur aufwärmen, bevor es aus der Trocknungskammer nehmen. Wenn die Proben Ablagerung, halten Sie nicht die vorgemischten solution in der Spitze der Pipette über 10 sec. Sie nicht die vorgemischten Lösung wieder verwenden , nachdem die Proben abgeschieden werden . Die oberen Platten von 2 zeigen Hellfeld - Bilder von Proben hergestellt mit unterschiedlichen Probenplattentemperaturen.

3. Mass Spectrometry Datenanalyse

1. Mass Spectrometry Datenerfassung
   HINWEIS: Nach der Zubereitung kann die Probe mit bildgebenden Massenspektrometrie analysiert werden. In der aktuellen Studie werden die Imaging - MS - Experimente durchgeführt , ein Labor gebauten Synchronized Dual-Polarität TOF mit (DP-TOF) Imaging - Massenspektrometer. ¹⁵ Handels MALDI-TOF - Massenspektrometer mit Imaging - Fähigkeit eignen sich auch für solche Experimente. Das Massenspektrometer wird in linearer Extraktion und positive Ionen-Modi mit optimierter Extraktions Verzögerungen betrieben. Die kinetische Energie der Ionen beträgt 20 kV. Der Laserstrahl Größe beträgt 35 & mgr; m im Durchmesser auf der Probenoberfläche, und das Spektrum von jedem Spot ist der aveWut von 5 Laserschüssen.
   1. Legen Sie die Probenplatte in das MALDI-Massenspektrometer.
   2. Führen Sie die Abbildung Massenspektrometrie-Analyse der Probe in Schritten hergestellt 2,1-2,9.
   3. Wählen Sie eine charakteristische Massenspitze aus der Massenliste im Ergebnisfenster angezeigt und klicken Sie auf "2D", um ein zweidimensionales Ionenbild zeichnen.
      HINWEIS: Bei Maltotriose gemischt mit THAP die charakteristischen Spitzen sind sodiated Maltotriose, protonierten THAP und sodiated THAP. Für Bradykinin-Fragment (1-7) mit THAP gemischt, umfassen die charakteristischen Peaks Bradykinin Fragment protoniert (1-7), protonierten THAP und sodiated THAP.
   4. Klicken Sie auf die Tasten zur Einstellung der im Popup-Fenster die oberen und unteren Grenzen der Signalintensität zu bestimmen, und klicken Sie auf "Bild speichern". Diese Einstellung definiert den Kontrast von Ionen Bilder.
      HINWEIS: In jedem einzelnen Satz von Daten, die gerissenen Bereiche und die Null-Punkte niedriger Helligkeit eliminiert zeigen.
   5. Bitte beachten und zu vergleichen, das IonBild mit dem Hellfeld-Bild, das in Schritt 2.9 gemacht.
      HINWEIS: Imaging-Massenspektrometrie und Konstruktion von Bildern von bestimmten Ionen können mit kommerziellen Geräten erreicht werden. Aufgrund der Vielzahl der Datenerfassung und Analyse-Software, sollten die Anwender Software-Anweisungen vom Instrument Anbieter bereitgestellten folgen Bilder von hoher Qualität zu erhalten.
2. Datenanalyse
   HINWEIS: Die Heterogenität der Proben quantitativ analysiert. In dieser Demonstration wird jede Probe von Software im eigenen Haus entwickelt in mehrere konzentrische Bereiche unterteilt, die räumliche Verteilung der Ionen zu analysieren. Die Analyse kann auch eigenständige Datenanalyse-Software durchgeführt werden.
   1. Klicken Sie auf die Nullstellen und die gerissenen Bereiche in dem Ionenbild im Ergebnisfenster angezeigt zu unwichtigen Bereichen zu entfernen.
      Hinweis: Dieses Verfahren definiert die wesentlichen Bereich des Ionenbild.
   2. Klicken Sie die Schaltfläche "Kante finden", um die äußerste Schicht des Ionenbild zu finden.
   3. Klicken Sie auf "abziehen", um den Ionenfluss Informationen der äussersten Schicht in einer Datenbank zu speichern und diese Schicht aus dem Ionen Bild entfernen gleichzeitig. Ein Kontrollkästchen diese äußerste Schicht darstellt, wird in der "Ausgangsdaten" Liste des Ergebnisfensters angezeigt.
   4. Wiederholen Sie die Schritte 3.2.2 und 3.2.3 bis das Zentrum des Ionenbild definiert ist.
   5. Klicken Sie auf und wählen Sie alle Kontrollkästchen in der "Ausgangsdaten" und klicken Sie auf "Export", um die Daten zu exportieren.
   6. Öffnen Sie die exportierten Daten Tabellenkalkulations-Software mit dem durchschnittlichen Ionenhäufigkeit jeder Schicht zu berechnen, die räumliche Verteilung Informationen von Ionen zu erhalten.

Ergebnisse

Die Hellfeld - Bilder sowie die MS Bilder von Maltotriose und Bradykinin - Fragment (1-7) hergestellt , mit Probenplattentemperatur von 5 und 25 ° C sind in 1 gezeigt. Im Fall der sodiated Maltotriose, das Ionensignal hauptsächlich bevölkert an der Peripherie des Gebietes Probe, wenn es mit einer Probe Plattentemperatur von 25 ° C hergestellt. die Probenplatte Temperatur auf 5 ° C, füllt das Signal homogen über die gesamte Probenfläche Durch die Verringerung. Der einzige...

Diskussion

Basierend auf früheren theoretischen Vorhersagen, temperaturbedingten hydrodynamischen Strömungen innerhalb Tröpfchen nach außen Kapillare fließt überwinden durch Verdampfen des Lösungsmittels induziert. Die Effizienz solcher interne Rezirkulation von Molekülen wird erhöht, wenn die Temperatur innerhalb eines Tröpfchens Zunahme Steigungen. Entsprechend den vorhergesagten Ergebnissen, wenn die Probenplatte Temperatur unter 5 ° C gehalten wurde, während seine Umgebung bei Umgebungstemperatur gehalten wird, ist die mittler...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Reagenz
Detergent Pulver	Alconox	242985
Methanol	Merck	106009
Acetonitril	Merck	100003
2,4,6-Trihydroxyacetophenon (THAP)	Sigma-Aldrich	T64602
Bradykinin-Fragment (1-7)	Sigma-Aldrich	B1651
Maltotriose	Sigma-Aldrich	47884
Pipettenspitzen	Mettler Toledo	17005091
Mikrozentrifugenröhrchen	Axygen	MCT-150-C
Equipment
Milli-Q Wasseraufbereitung System	Millipore	ZMQS6VFT1
Puderfreie Nitrilhandschuhe	Microflex	SU-690
600 ml Becherglas	Duran	2110648
Ultraschallreiniger	Delta	DC300H
Hygrometer	Wisewind	5330
Stickstoffgas-Durchflussmesser	Dwyer	RMA-6-SSV
K-Typ Thermoelemente	Digitron	311-1670
Zentrifuge	Select BioProducts	Force Mini
Pipette	Rainin	pipet-lite XLS
Stereomikroskop	Olympus	SZX16
Temperatursteuerbare Trockenkammer	für dieses Labor
Synchronisiertes Dual-Polarity Time-of-Flight Imaging Massenspektrometer (DP-TOF IMS)	für dieses Labor
MALDI-TOF Edelstahl-Probenziel	für dieses Labor