Artículo de método

Estudio comparativo de los modos de adquisición de DDA y DIA en espectrometría de masas UPLC-Q-Orbitrap utilizando polvo de Huaihua

DOI:

10.3791/69227

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3 de octubre de 2025

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1School of Pharmacy, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, 2Department of Pharmacy, Shizuishan Maternal and Child Health Hospital, 3Department of Assets and Laboratory Management, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine

En este artículo

Resumen

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Este estudio compara los modos DDA y DIA (UPLC-QE-Orbitrap MS) para analizar Huaihua Powder, un TCM complejo. Se desarrollaron métodos optimizados de DDA y DIA; compuestos se identificaron a través de Compound Discoverer. Se evaluó el rendimiento (identificación de compuestos, reproducibilidad, calidad espectral, sensibilidad), proporcionando orientación empírica para la selección del modo de exploración TCM.

Resumen

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Este estudio evalúa sistemáticamente el rendimiento comparativo de dos modos de adquisición de espectrometría de masas, adquisición dependiente de datos (DDA) y adquisición independiente de datos (DIA), junto con cromatografía líquida de ultra alto rendimiento-tetrapolo-espectrometría de masas de alta resolución orbitrap (UPLC-Q-Orbitrap HRMS) para un perfil químico completo de formulaciones complejas de medicina tradicional china (MTC). Huaihua Powder, una prescripción formulada clásica, se empleó como sistema modelo para la evaluación empírica. Los métodos de adquisición optimizados de DDA y DIA se establecieron por separado: el método DDA incorporó una estrategia de selección de iones precursores dirigida con parámetros de fragmentación personalizados, mientras que el método DIA empleó una estrategia de ventana variable segmentada para cubrir el rango objetivo m / z , realizando una fragmentación imparcial en todos los iones precursores. La identificación de compuestos se ejecutó utilizando el software Compound Discoverer. La evaluación comparativa se centró específicamente en las características de rendimiento de los dos modos de adquisición, que abarcan el número de compuestos identificados, la reproducibilidad, la calidad espectral de MS/MS y la sensibilidad de detección de componentes activos de baja abundancia. Los resultados demostraron que el modo DDA produjo un mayor número total de compuestos detectados, mientras que el modo DIA generó una mayor proporción de identificaciones de alta confianza (10,63 % con puntajes de coincidencia espectral >0,8). En particular, el enfoque DIA mostró una reproducibilidad significativamente superior en el tiempo de retención y el área máxima para seis compuestos representativos, con una rutina que muestra una diferencia de >3 veces en el tiempo de retención RSD entre los dos modos de adquisición. Sin embargo, DDA produjo espectros MS/MS más limpios con iones de fragmentos distintos, mientras que los espectros DIA exhibieron interferencia de iones contaminantes. Al mismo tiempo, DIA detectó eficazmente componentes activos de baja abundancia cuyos cromatogramas iónicos y fragmentos de MS/MS no pudieron extraerse en modo DDA. Este estudio aporta evidencia experimental crítica y conjuntos de datos analíticos para informar la selección de modos de adquisición de espectrometría de masas de alta resolución para la investigación compleja de formulaciones de MTC. Los investigadores posteriores pueden integrar las ventajas complementarias de ambos enfoques para lograr objetivos duales en la caracterización integral de compuestos.

Introducción

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Las fórmulas de la medicina tradicional china (MTC) poseen sistemas químicos complejos con variaciones significativas en las concentraciones de componentes, particularmente la presencia de numerosos ingredientes activos de baja abundancia, que plantean graves desafíos a las tecnologías analíticas. El polvo de Huaihua, una fórmula clásica y reconocida de la medicina tradicional china, se compone de cuatro hierbas medicinales: Sophora japonica, hojas de Platycladus orientalis, espigas de Schizonepeta tenuifolia y cáscara de Citrus aurantium. Esta fórmula contiene una amplia gama de sustancias bioactivas, incluidos flavonoides, alcaloides y aceites volátiles, con variaciones significativas en sus concentraciones. Sirve como un modelo representativo de sistemas complejos1 para estudiar la base material de las fórmulas de MTC. La caracterización precisa, completa y confiable de su composición química es un requisito previo crítico para dilucidar la base del material farmacodinámico y mejorar los estándares de control de calidad.

Cromatografía líquida de ultra alto rendimiento-cuadrupolo-campo electrostático La espectrometría de masas de alta resolución Orbitrap (UPLC-QE-Orbitrap MS) se ha convertido en una plataforma central para analizar componentes químicos en sistemas TCM complejos, debido a su excepcional resolución, sensibilidad y precisión de masa. En términos de estrategias de adquisición de datos, la adquisición dependiente de datos (DDA) y la adquisición independiente de datos (DIA) son dos modos principales 2,3,4 (Figura 1). El modo DDA desencadena selectivamente la fragmentación de iones de alta abundancia en función de reglas preestablecidas (por ejemplo, umbrales de intensidad de iones precursores, exclusión dinámica), lo que produce espectros MS/MS específicos de alta calidad que facilitan la elucidación estructural. Sin embargo, tiene limitaciones 5,6,7,8 para cubrir iones de baja abundancia. Por el contrario, el modo DIA realiza una fragmentación no discriminatoria de todos los iones precursores dentro de un rango específico de relación masa-carga utilizando ventanas continuas o variables. Teóricamente, captura todos los iones detectables, mejorando significativamente la amplitud y la reproducibilidad de la detección, particularmente adecuado para el análisis global no dirigido, aunque los espectros mixtos MS/MS resultantes son más complejos de interpretar 5,9.

Actualmente, si bien las técnicas DDA y DIA se han aplicado individualmente en el análisis de MTC, los estudios comparativos sistemáticos y empíricos sobre indicadores básicos de rendimiento, como la amplitud de identificación (especialmente para componentes de baja abundancia), la calidad del espectro MS/MS y la sensibilidad de detección, dentro del mismo complejo sistema de fórmula de MTC (por ejemplo, Huaihua Powder) siguen siendo insuficientes. Aclarar los escenarios aplicables, las ventajas y las limitaciones de estos dos modos en matrices complejas de MTC es crucial para que los investigadores optimicen la selección de estrategias en función de objetivos experimentales específicos10.

Los parámetros clave y las limitaciones se resumen aquí para guiar a los lectores sobre la aplicabilidad de este protocolo. El método es altamente efectivo para perfilar matrices herbales complejas, con parámetros optimizados para un sistema que contiene flavonoides y alcaloides. La ventana de variable crítica DIA se estableció en 30 m / z después de las pruebas empíricas; Este parámetro debe ajustarse para muestras con diferentes propiedades fisicoquímicas. El método detecta de forma fiable iones de baja abundancia (área de cresta ~105), pero requiere la adquisición en modos de ionización positiva y negativa separados para garantizar la calidad de los datos. Una limitación principal es la dependencia de DIA de las bibliotecas espectrales y el software de deconvolución avanzado para identificaciones confiables, lo que influye en los requisitos de recursos computacionales.

En consecuencia, este estudio tiene como objetivo realizar una comparación profunda y sistemática del rendimiento integral de los modos de escaneo DDA y DIA en la plataforma UPLC-QE-Orbitrap MS, utilizando la fórmula clásica Huaihua Powder como estudio de caso. Se desarrollarán métodos de escaneo DDA y DIA optimizados adaptados para el análisis de Huaihua Powder. El procesamiento de datos se realizará utilizando el software Compound Discoverer para evaluar y comparar los dos modos en las siguientes dimensiones: (1) número total de compuestos identificados; (2) calidad de los espectros SM/MS adquiridos; (3) reproducibilidad de áreas pico y tiempos de retención de compuestos representativos; y 4) sensibilidad de detección para componentes activos de baja abundancia. Se espera que esta investigación proporcione evidencia experimental sólida y soporte de datos para seleccionar modos de escaneo de espectrometría de masas de alta resolución en estudios de sistemas complejos de MTC, explorando el potencial de ventajas complementarias de DDA y DIA para lograr un "equilibrio entre amplitud y profundidad" y avanzar en la modernización de la MTC.

Durante el experimento, con respecto a la configuración de parámetros de la ventana de variables segmentadas en el modo de adquisición DIA, sugerimos configurarla a 30 m / z. Al mismo tiempo, el efecto de recolección de iones positivos y negativos por separado es mejor.

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Protocolo

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Los reactivos y el equipo utilizado en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Preparación de la solución de prueba de polvo Huaihua

  1. De acuerdo con las normas de procesamiento de "Flor de sófora salteada" en la edición 2020 de la Farmacopea China (Parte I), tome una cantidad adecuada del material original de la flor de Sófora, elimine las impurezas y las ramas, tamice las cenizas y los escombros, colóquelo en una sartén caliente y saltee a fuego lento (100 ° C) hasta que se ponga amarillo oscuro. Retirar y enfriar.
  2. Prepare los productos procesados de hojas de Platycladus orientalis de acuerdo con las "Reglas generales de preparación 0213" en la edición 2020 de la Farmacopea China (Parte IV). Tomar una cantidad adecuada de las hojas originales de Platycladus orientalis , eliminar las impurezas, colocar en una sartén caliente y sofreír a fuego lento (100 ºC) hasta que estén amarillas. Retirar y enfriar.
  3. Prepare los productos procesados de Zhike según el método de "salvado salteado Fructus Aurantii" en la edición 2020 de la Farmacopea China (Parte I). Tome una cantidad adecuada de materia prima Zhike, elimine las impurezas, caliente a 100 °C y espolvoree una cantidad adecuada de salvado de trigo en una proporción de 1:10 (materiales a excipientes).
    1. Una vez que suba el humo, agregue rodajas de Zhike crudas y saltee rápidamente. Cuando la superficie se vuelva amarilla o amarilla oscura, retírelo, tamice el salvado, enfríe y reserve.
  4. Prepare Huaihua Powder de acuerdo con la prescripción de relación de peso 1: 1: 1: 1 de Chinese Medical Formulology (New Century 3rd Edition). Pese con precisión 1 g de cada polvo de hierbas (tamizado a través de un tamiz No. 5).
    1. Combine los polvos en un mortero y mezcle de acuerdo con el "método de trituración y mezcla" para los polvos de la medicina tradicional china: muela suave y consistentemente en una dirección durante 10 min.
    2. Considere el polvo mezclado uniformemente cuando no se observan rayas, aglomerados o variaciones de color visibles, lo que da como resultado una apariencia homogénea en toda la mezcla. Prepare la muestra final de Huaihua Powder usando este método.
  5. Evalúe la uniformidad de la mezcla utilizando un protocolo de inspección visual estandarizado. Examine la mezcla de polvo en condiciones de iluminación constantes sobre un fondo blanco.
    NOTA: Considere que la mezcla es homogénea solo si cumple con todos los siguientes criterios: color uniforme en todas partes sin rayas o parches visibles de componentes individuales; textura consistente sin divergencia gruesa o fina; no hay variación obvia en el tono de color cuando se muestrea desde múltiples puntos; y no se detectan grumos granulares agregados tras una inspección minuciosa. Realice esta evaluación por dos analistas independientes para garantizar la coherencia.
  6. Pese con precisión 0,1 g de la muestra de polvo Huaihua bien mezclada. Transfiera la muestra a un matraz aporatorizado de 10 ml. Agregue 8 ml de metanol.
  7. Realice una extracción ultrasónica durante 60 min con una potencia de 500 W y una frecuencia de 40 kHz. Deje enfriar a temperatura ambiente. Compensa el volumen hasta la marca con metanol.
    1. Agitar bien para obtener una concentración final de 10 mg/mL de extracto de Huaihua Polvo. Filtrar a través de una membrana microporosa (PVDF) de 0,22 μm. Transfiera el filtrado a un vial de muestra para su análisis.
      NOTA: Durante el experimento, se clasificaron y etiquetaron el líquido de desecho orgánico y otros reactivos tóxicos y nocivos relacionados. Y cada 2 semanas, el personal de la Oficina de Gestión de Activos y Experimentos de la Universidad de Medicina Tradicional China de Chengdu lo transporta a una institución calificada para su reciclaje y procesamiento unificados.

2. Condiciones de detección para UPLC-Q-Orbitrap HRMS

  1. Configuración de parámetros del sistema cromatográfico
    1. Utilice una columna C18 (3,0 mm × 100 mm, 2,6 μm). Mantenga la temperatura de la columna a 30 °C. Emplear la fase móvil A (0,1 % de ácido fórmico en agua) y la fase móvil B (acetonitrilo).
    2. Programe el gradiente de la siguiente manera: 0-10 min, 5%-20% B; 10-25 min, 20%-50% B; 25-40 min, 50%-95% B; 40-45 min, 95% B. Ajuste el caudal a 0,3 ml/min. Inyecte 5 μL de la muestra.
  2. Realice un estudio de espectrometría de masas con los siguientes ajustes de parámetros.
    NOTA: Fuente de iones: Ionización por electropulverización calentada (H-ESI); Modo de escaneo: en el modo de adquisición DDA, adquiera iones positivos y negativos simultáneamente; en el modo de adquisición DIA, adquiera iones positivos y negativos por separado; Parámetros de la fuente de iones: Tensión de pulverización +3,5 kV (iones positivos)/-2,8 kV (iones negativos); velocidad del flujo de aire de la vaina 40 arb; velocidad del flujo de aire auxiliar 10 arb; velocidad de gas de soplado 1 arb; Temperatura del tubo de transmisión de iones: 320 °C; Temperatura de evaporación: 350 °C; Nivel de RF de la lente S: 55%.
    1. Construcción y optimización del método de adquisición dependiente de datos (DDA)
      1. Para MS Scan completo (MS completo), elija la siguiente configuración:
        NOTA: Resolución: 35,000; Rango de escaneo: 100-1000 m/z; Objetivo de control automático de ganancia (AGC): 3e6; Tiempo máximo de inyección (Max IT): 100 ms.
      2. Para MS/MS Scan dependiente de datos (dd-MS2), elija la siguiente configuración:
        1. Para la selección de iones moleculares, mantenga el umbral de intensidad de 5e4. Excluir iones no cargados y picos de isótopos (habilitar la exclusión de isótopos). Aplique la exclusión dinámica con un tiempo de exclusión de 15 s y una tolerancia de masa de ±10 ppm para evitar la selección repetida de iones de alta intensidad.
        2. Para la configuración de fragmentación, mantenga lo siguiente: Ventana de aislamiento: 1,0 m/z; Método de fragmentación: Disociación de colisión de alta energía (HCD); Energía de colisión normalizada (NCE): 20, 40, 60 V; Resolución secundaria: 17.500; Objetivo AGC: 1e5; TI máxima: 50 ms; Estrategia TopN: seleccione los 3 iones moleculares principales con la mayor intensidad de fragmentación en cada ciclo de escaneo.
    2. Construcción y optimización del Método DIA
      1. Para el escaneo completo de MS, use los mismos parámetros que en el método DDA.
      2. Para MS/MS Scan independiente de los datos (DIA-MS/MS), establezca una estrategia de ventana de aislamiento de variables segmentadas.
      3. Defina el rango objetivo como 100-1000 m/z. Divida las ventanas en función de la distribución de la abundancia de iones en todo el rango m/z utilizando espectros DDA de alta calidad en condiciones cromatográficas optimizadas. Establezca ventanas variables para equilibrar la abundancia total de iones en los segmentos, evitando la saturación o la insuficiencia.
      4. Optimice a 30 ventanas para equilibrar la cobertura y el tiempo de ciclo.
        NOTA: Configuración de fragmentación - Método de fragmentación: HCD; NCE: 20, 40, 60 V; Resolución: 17,500; Objetivo AGC: 1e6; TI máxima: Automático; Ventana variable segmentada: 30 m/z.; Número de bucles: 30.
      5. Establezca la lista de inclusión en función del peso molecular central de cada segmento de ventana de aislamiento, por ejemplo, m / z 115, 145, 175, 205 ... 925, 955, 985.
    3. Proceso de adquisición de datos
      1. Equilibrio del sistema: Equilibre la columna cromatográfica con la fase móvil durante al menos 5 min.
      2. Ejecución de muestra previa al experimento: prepare la solución de prueba de polvo Huaihua de acuerdo con el procedimiento de preparación. Inyecte 5 muestras consecutivas. Evaluar la estabilidad del sistema (tiempo de retención RSD < 2 %, intensidad de corriente iónica total RSD < 5 %).
      3. Ejecución en blanco: Inyecte la solución de metanol en blanco para la sustracción de fondo.
      4. Ejecución de muestras de polvo Huaihua: analice cada muestra por inyección en orden aleatorio. Ejecute todas las muestras de forma independiente para cada modo de escaneo (DDA, DIA).
    4. Procesamiento de datos
      1. Identificación de compuestos
        1. Importe los datos sin procesar adquiridos por espectrometría de masas al software Compound Discoverer. Establezca un flujo de trabajo de identificación para componentes desconocidos. Realice el procesamiento de picos y la alineación de picos. Haga coincidir los espectros MS/MS medidos con la base de datos MS/MS en línea de mzCloud y la base de datos local de MS/MS de mzVault.
        2. Aplique los siguientes parámetros de filtrado: umbral de área máxima 105, desviación de masa ± 5 ppm para iones primarios y secundarios, y puntuación de coincidencia ≥80. Compare los iones filtrados con la información de compuestos de bases de datos, estándares de referencia y literatura relevante para identificar componentes químicos.
        3. Operación específica en el software Compound Discoverer: Cree un nuevo proceso de análisis y seleccione el flujo de trabajo Producto natural/ID desconocido de producto natural con Stats Online y Local Database Searchers .
        4. Garantice la inclusión del nodo Detectar compuestos para la identificación y extracción de picos. Agregue las bases de datos Search mzCloud y Search mzVault al flujo de trabajo.
        5. Agregue el archivo de datos sin procesar y establezca los parámetros de filtrado (umbral de área máxima 105, desviación de masa ± 5 ppm para iones primarios y secundarios). Haga clic en ejecutar para ejecutar el análisis.
      2. Análisis comparativo de indicadores relacionados
        1. Cantidad de identificación: Compare el número total de compuestos identificados en los modos de iones positivos y negativos para los modos DDA y DIA. Construya mapas de distribución de iones para cada modo.
        2. Estudio de reproducibilidad: Compare las diferencias de tiempo de retención (RT) y área máxima (AA) de compuestos representativos con alta abundancia (rutina, quercitrina), abundancia media (neohesperidina, naringina) y baja abundancia (psoralenol, ácido trimetilcolchicínico) entre los modos DDA y DIA (n = 5).
        3. Calidad del espectro MS/MS: Evalúe la calidad de los espectros de iones de fragmentos MS/MS de pulegona, un compuesto clave en Q-Marker, en los modos DDA y DIA.
        4. Detección de componentes de baja abundancia: Compare la detección de fragmentos de MS/MS de compuestos representativos de baja abundancia (carvona, adenosina) en los modos DDA y DIA5.

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Resultados

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Identificación global de compuestos

Los cromatogramas de corriente de iones totales de Huaihua Powder en los dos modos de adquisición se muestran en la Figura 2, con diferencias generales mínimas. En el modo de adquisición de DDA, se identificaron un total de 14.958 compuestos en modo de iones positivos y negativos, mientras que se identificaron 9.489 compuestos en el modo de adquis...

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Discusión

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En este estudio, cabe mencionar especialmente que encontramos que en el modo de adquisición DIA, la configuración de valores de la ventana de variables segmentadas no debe ser demasiado grande. Intentamos configurarlo en 300mz y 100mz, pero el efecto espectral final fue pobre. Después de repetidas exploraciones e intentos, finalmente elegimos la ventana de adquisición de 30mz como la más adecuada. Por lo tanto, la configuración de la ventana de adquisición tiene un impacto crucial en el ...

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Divulgaciones

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Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

Agradecimientos

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El presente estudio fue apoyado financieramente por el Fondo Juvenil de la Fundación Provincial de Ciencias Naturales de Sichuan (No.2025ZNSFSC1823); el Proyecto de Plántulas de Innovación Científica y Tecnológica de la Provincia de Sichuan (MZGC20230055); y el Programa de Promoción de Investigación de Talentos de la Disciplina "Xinglin Scholars" de la Universidad de Medicina Tradicional China de Chengdu para el Proyecto Especial de Talento Viverista (MPRC2022017).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
AcetonitriloTermo Fisher/Pureza cromatográfica
Software Compound Discoverer 3.3Termo Fisher/Procesamiento de datos de espectrometría de masas e identificación de compuestos
fructus aurantiiSichuan Neijiang220709Las hierbas en la prescripción de Huaihua Powder
Hojas de Platycladus orientalisShandong Linyi240619Las hierbas en la prescripción de Huaihua Powder
Espiga de SchizonepetaJiangsu Taizhou240601Las hierbas en la prescripción de Huaihua Powder
Flor de sóforaSichuan Guangan241017Las hierbas en la prescripción de Huaihua Powder
Máquina de limpieza por ultrasonidosJietuo Equipo de limpieza ultrasónica Co., LTD240HTExtracción de componentes de Huaihua Powder
UPLC-Q-Orbitrap HRMSTermo Fisher/Espectrómetro de masas de alta resolución
AguaCompañía Watsons/Agua ultrapura

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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