Article de méthode

Analyse de l’haleine en temps réel en utilisant l’ionisation secondaire SPECTROMETRIE couplée à la spectrométrie de masse haute résolution

DOI :

10.3791/56465

⸱

9 mars 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment, Jinan University, 2Guangdong Provincial Engineering Research Center for On-line Source Apportionment System of Air Pollution, 3School of Energy and Environment, City University of Hong Kong

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

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Un protocole permettant de caractériser la composition chimique de l’air expiré en temps réel en utilisant l’ionisation secondaire SPECTROMETRIE couplé à haute résolution, spectrométrie de masse est démontrée.

Résumé

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Exhalé de composés organiques volatils (COV) ont suscité un intérêt considérable, puisqu’ils peuvent servir de biomarqueurs pour le diagnostic de la maladie et l’exposition environnementale d’une manière non invasive. Dans ce travail, nous présentons un protocole afin de caractériser les COV expirés en temps réel en utilisant l’ionisation de SPECTROMETRIE secondaire couplée à la spectrométrie de masse haute résolution (Sec-nanoESI-HRMS). La source s-nanoESI maison est facilement mises en place basée sur une source commerciale nanoESI. Des centaines de pics ont été observées dans les spectres de masse soustrait au fond de l’air expiré, et les valeurs d’exactitude de masse sont -4,0-13,5 ppm et -20,3-1,3 ppm dans les modes de détection des ions positifs et négatifs, respectivement. Les sommets ont été assignés avec composition élémentaire exacte selon le modèle isotopique et de la masse exacte. Moins de 30 s est utilisé pour la mesure d’une expiration, et il faut environ 7 min pour les six mesures répétées.

Introduction

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Avec le développement rapide des techniques analytiques modernes, des centaines de composés organiques volatils (COV) ont été identifiées dans air expiré humaine1. Ces COV résultant principalement de l’air alvéolaire (~ 350 mL pour un adulte en bonne santé) et l’air de l’espace mort anatomique (~ 150 mL)2, qui sont touchés par l’organisme métabolisme3,4,5,6,7 ,8 et9de la pollution environnementale, respectivement. Ainsi, si identifiés, ces COV est prometteurs à être utilisés comme biomarqueurs pour le diagnostic de la maladie et l’exposition environnementale d’une manière non invasive.

Bien que la spectrométrie de masse de chromatographie en phase gazeuse (GC-MS) est la technique la plus utilisée pour l’analyse qualitative et quantitative des exhalé COV2, direct MS techniques, qui ont été développées pour l’analyse d’haleine en temps réel, ont les avantages de grand temps de résolution et préparation préalable de l’échantillon simple. Direct MS techniques, comme la réaction de transfert de proton de MS (PTR-MS)10, sélectionné tube de débit ion MS (SIFT-MS)11, secondaire electrospray ionisation MS (SESI-MS)12,13 (également appelés electrospray extractive ionisation, MS, MS-EESI14,,15), trace des gaz atmosphériques analyzer (TAGA)16 et plasma ionisation MS (PI-MS)17 ont été étudiées dans ces dernières années.

Parmi toutes les techniques MS directs, SESI est bien connue comme une ionisation douce universelle technique19,20,21; et la source est facile à être personnalisés et couplé aux différents types de spectromètres de masse, par exemple, temps de vol spectromètre de masse8,15, piège à ions de masse spectromètre14 et Orbitrap valant spectromètre de masse12 ,,18. Jusqu'à présent, SESI-MS a été utilisé avec succès dans le diagnostic des maladies respiratoires22, rythme circadien3,6,23, pharmacocinétique7,8, de jaugeage et révélant des voies métaboliques4, etc.. Plus récemment, une source commerciale de SESI est devenu disponible.

Dans cette étude, une source d’ionisation facile et compact SPECTROMETRIE secondaire (Sec-nanoESI) a été mises en place et couplée à un spectromètre de masse à haute résolution. Mesures en temps réel des COV expiré en haleine ont été présentés.

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Protocole

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ATTENTION : Veuillez consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. S’il vous plaît utiliser les équipements de protection individuelle approprié, par exemple, blouse, gants, lunettes, pantalons pleine longueur et chaussures fermées).

1. définir la source de Sec-nanoESI

  1. Définir une source de Sec-nanoESI selon le processus SESI, c'est-à-direle gaz de respiration est présenté au point d’intersection d’un panache electrospray et ionisé par les gouttelettes chargées (Figure 1). Les sources construits dans des laboratoires individuels dépendent de l’interface du spectromètre de masse utilisé24,25. Ici, mis en place la source s-nanoESI, basée sur une source commerciale nanoESI (Figure 2) et mettre en œuvre à un spectromètre de masse des Orbitrap valant quadripolaire de benchtop.
    Remarque : Le corps principal de la source est une chambre en acier inoxydable cubique (longueur 25 mm, diamètre intérieur 13 mm) (Figure 2 b) avec une entrée (diamètre intérieur 4 mm) pour introduire le capillaire de nanoESI dans la chambre. Ainsi, la chambre n’est pas complètement étanche (Figure 2 b).
  2. Installer deux tubes en acier inoxydable (longueur 8 mm, diamètre extérieur 5 mm, diamètre intérieur 3 mm) de chaque côté de la chambre pour la livraison de gaz.
  3. Équiper les deux fenêtres de quartz (diamètre intérieur 14 mm) sur le dessus et le fond de la chambre pour vérifier la position de la pointe de la nanoESI capillaire et nanoESI spray soit par les yeux ou un microscope numérique.
  4. Souder la chambre pour le cône de balayage de la spectrométrie de masse.
    Remarque : La conception peut changer en fonction de la géométrie particulière de l’interface de la pression atmosphérique du spectromètre de masse utilisé dans les laboratoires individuels.

2. optimisation de l’instrument

  1. Calibrer le spectromètre de masse dans les deux modes de détection des ions positifs et négatifs selon les instructions du fabricant. En appliquant le calibrage, paramètres du spectromètre de masse, tels que les potentiels de l’objectif et les conditions de détection, sont optimisés pour donner bonne sensibilité et une forme de pointe à une valeur de résolution spécifié. La résolution de masse de 70000 est utilisée ici.
    1. Étalonnages Q Exactive complète en utilisant la source commerciale des ESI ; Cependant, d’étalonnage des masses peut être effectuée avec toutes les sources compatibles, y compris customisables.
  2. Régler la température du tube de transfert ionique (ITT) le spectromètre de masse > 100 ° c Bien que la plus haute température peut être réglée à 350 ° C, il peut provoquer la décomposition de certains composés. Ainsi, 150° C est utilisé dans cette expérience.
    Remarque : Pour les spectromètres de masse avec un orifice d’échantillonnage plutôt que de l’ITT, la température de l’orifice d’échantillonnage est réglée > 100 ° C.
  3. Pour le taux de solvant et flux ESI, sélectionnez le solvant ESI approprié sur la base des propriétés de solvants (p. ex., la polarité et volatilité) et des composés ciblés (p. ex., affinité pour les protons). Un mélange d’eau et de méthanol dans divers rapports a été couramment utilisé comme solvant ESI25. Dans cette expérience, utiliser de l’eau contenant 0,1 % (v/v) d’acide formique, d’efficacité de l’ionisation élevé a été signalé ce solvant13,19,23. Régler le débit de solvant de l’ESI dans une plage de 0 à 1,5 μL/min et 200 nL/min.
    NOTE : Degas ESI solvant pendant 30 min avant utilisation.
  4. Optimiser les paramètres de la source s-nanoESI, principalement la tension nanoESI et la position de l’embout capillaire de nanoESI. La tension varie généralement de 2.0 à 4.5 kV. Utilisation de 2,5 kV ici.
    Remarque : Une tension plus élevée ESI est appliquée comme les augmentations de taux de flux. La distance entre la pointe et l’orifice du spectromètre de masse est réglable de 1 à 5 mm. Après l’optimisation, le niveau d’intensité normalisée (NL) observé dans un spectre de masse doit être > 1 x 106 et la variation du chromatogramme ionique total (TIC) doivent être < 10 % dans les deux modes de détection des ions positifs et négatifs. Le spectre de masse et les TIC sont obtenus dans la gamme de masse de m/z 50-750.
  5. Appliquer pur gaz à la source. Il s’agit d’une étape facultative, visant à réduire l’influence des COV dans l’air intérieur. Grande pureté azote gazeux (N2, 99,99 %) ou de l’air pur peut être utilisé. Avec la présence de gaz pur, la BN a observé dans un spectre de masse doit être > 1 x 105 et la variation des TIC doivent être < 10 % dans les deux modes de détection des ions positifs et négatifs. Grande pureté N2 est utilisé ici et livré à 0,8 L/min.
    Remarque : Le débit total de gaz pur et souffle du gaz doit être supérieur à la vitesse d’écoulement à travers l’orifice de la spectrométrie de masse.

3. mesure de l’air expiré

  1. Inspirez l’air intérieur et effectuer une expiration normale à expirer tout l’air dans les poumons à un débit constant. Surveiller le débit expiratoire par un manomètre ou un compteur visible sur le sujet. Tube téflon (PTFE) permet de livrer le gaz de respiration23.
    1. Pour empêcher la condensation de vapeur d’eau à l’intérieur de la tuyauterie, faire chauffer le tube à une température de 80 à 100 oC7,23,27 ou utilisez un Nafion sécheuse28,29. Dans cette expérience, le sujet a expiré à 0,4 L/min, contrôlé par un débitmètre.
    2. Se connecter à l’entrée du débitmètre à une tubulure Nafion (longueur 60 cm) pour enlever la vapeur d’eau dans l’air expiré et raccorder la sortie du débitmètre à un tube PTFE (longueur 13 cm, diamètre intérieur 4 mm). Il faut < 30 s pour une mesure de l’expiration.
    3. Effectuer 4 à 6 mesures répliqué28,29.
    4. Pour minimiser les effets confondants, ont les participants de manger, boire et brosser leur dents au moins 30 de min avant les mesures23.
      Remarque : Afin de minimiser l’influence des COV dans l’air intérieur, on a signalé d’inhaler les gaz pur au lieu de l’air intérieur26. Lorsqu’on utilise un tube Nafion, certains composés polaires peuvent être perdues.
    5. Pendant la mesure, garder le contrôle si l’intensité de l’ion dépasse la limite de détection linéaire de l’instrument ou pas. La saturation du signal peut entraîner un pic d’artefact qui ne résulte pas pratiquement de ce composé dans l’échantillon. En inhalant par le nez, partie des COV ambiants et des particules disparaîtrait ; Toutefois, il convient de noter que les composés présents dans les voies nasales peuvent aussi être détectés.

4. obtenir une empreinte de souffle et une trace temporelle d’un composé

  1. Obtenir des chromatogrammes et spectres de masse. Utiliser le logiciel (p. ex., Xcalibur) Records chromatogrammes et spectres de masse. Parce qu’il s’agit d’une analyse directe MS et aucune séparation chromatographique n’est effectuée, le chromatogramme ionique total (TIC) indique en fait la trace temporelle de tous les signaux détectés dans les spectres de masse et le chromatogramme de l’extrait d’ion (EIC) montre la trace temporelle d’un composé spécifié.
    NOTE : Pour les autres spectromètres de masse commerciales, les chromatogrammes et les spectres de masse peuvent être obtenues par le logiciel d’acquisition de données correspondante.
  2. Obtenir une empreinte de l’air expiré en sélectionnant un certain nombre d’analyses dans le TIC, lorsque de l’air expiré est mesurée. Obtenir un spectre de masse qui représente une moyenne de ces analyses par le logiciel.
    1. Pour éliminer les pics de fond de l’empreinte de l’haleine, utilisez l’outil de fond de soustraire dans le logiciel. Veuillez vous référer au guide d’utilisation fourni par le fabricant. En résumé, sélectionnez le même nombre d’analyses lorsqu’aucun échantillon d’haleine n’est introduit et soustraire le spectre de masse de fond de l’empreinte digitale de souffle.
      NOTE : Dans cette méthode, le seuil d’identifier les traits dans l’empreinte de souffle est défini comme trois fois l’écart-type du signal de fond. Pour autres spectromètres de masse commerciales, soustraction de fond peut être effectuée par le logiciel d’acquisition de données correspondante.
  3. Obtenir une trace temporelle d’un composé spécifié. Sélectionnez le sommet d’un composé ciblé dans l’empreinte de la respiration et la trace temporelle de ce composé est acquis par la suite par le logiciel.

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Résultats

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La figure 3 montre les empreintes digitales de souffle dans la gamme de masse de m/z 50-750 enregistrées sous les deux modes de détection des ions positifs et négatifs. 291 pics (pic d’intensité > 5.0x104) et 173 pics (pic d’intensité > 3.0x104) ont été observés chez empreintes digitales souffle soustraite à fond dans les modes de détection des ions positifs et négatifs, respectivement. Pour identifier les pics dans les sp...

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Discussion

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Construire la source s-nanoESI, basée sur une source commerciale nanoESI, l’efficacité de l’ionisation est plus élevée que celle de l’utilisation d’une ESI source30. En outre, l’efficacité de l’ionisation est encore améliorée dans une enceinte fermée, car il isole le processus de l’air de fond ambiant et en même temps facilite le mélange entre l’échantillon de gaz et le panache de pulvérisation. En utilisant un Sec-nanoESI, moins paramètres doivent être optimisés par rapport à une source ESI, rend...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu financièrement par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° 91543117).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Eau ultra-pureMerck Millipore, États-UnisMPGP04001Résistance >18,2 M&Omega ; &point moyen ; cm
Acide formiqueSigma-Aldrich, USAF0507Corrosif pour les voies respiratoires.
Azote gazeuxGuangzhou Shiyuan Gas Co. Ltd., ChineN.A.aPureté >99.99 %
Q Spectromètre de masse hybride quadripôle-orbitrap ExactiveThermo Scientific, États-Unis02634L(S/N)Méfiez-vous de la
source NanoESIThermo Scientific, États-UnisES002373(S/N) ; ES071(P/N)Méfiez-vous de la pompe Nano LC haute tension et haute température
Thermo Scientific, USA5041.0010A(P/N)/
Xcalibur software (Version 3.0)Thermo Scientific, USABRE0008596/
Dino-Lite Digital MicroscopeTech Video System (SuZhou) Co.Ltd., ChineCQ401833R(S/N)/
Nafion tubingPerma Pure LLC, USAME60/
Tube en PTFE (D.I. 4 mm)Dongguan Hongfu Insulating Material Co. Ltd., ChineN.A.Attention à la perte possible de composés polaires
Régulateur de débit massiqueLine-Tech, CoréeM15122007 (S/N)/
DébitmètreYuyao Industrial Automation Meter Factory, Chine40784/
aN.A. : non disponible.
haute tension et haute température

Références

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Mots-clés

Compos s organiques volatils exhal stalonnage par spectrom trie de massetemp rature du tube de transfert d ionsd bit de solvant ESIoptimisation de la tension Nano ESIsyst me d administration des gaz expir smesure de l exactitude de la masse

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