Article de méthode

Etude comparative des modes d’acquisition DDA et DIA sur la spectrométrie de masse UPLC-Q-Orbitrap à l’aide de poudre de Huaihua

DOI :

10.3791/69227

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3 octobre 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

Dans cet article

Résumé

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Cette étude compare les modes DDA et DIA (UPLC-QE-Orbitrap MS) pour l’analyse de la poudre de Huaihua, une MTC complexe. Des méthodes DDA et DIA optimisées ont été développées ; Les composés ont été identifiés via Compound Discoverer. Les performances (identification des composés, reproductibilité, qualité spectrale, sensibilité) ont été évaluées, fournissant des indications empiriques pour la sélection du mode de balayage TCM.

Résumé

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

Cette étude évalue systématiquement les performances comparatives de deux modes d’acquisition par spectrométrie de masse, l’acquisition dépendante des données (DDA) et l’acquisition indépendante des données (DIA), couplée à la spectrométrie de masse haute résolution par chromatographie liquide à ultra-haute performance-quadripôle-orbitrap (UPLC-Q-Orbitrap HRMS) pour un profilage chimique complet des formulations complexes de médecine traditionnelle chinoise (MTC). La poudre Huaihua, une prescription classique, a été utilisée comme système modèle pour l’évaluation empirique. Les méthodes d’acquisition DDA et DIA optimisées ont été établies séparément : la méthode DDA incorporait une stratégie de sélection ciblée des ions précurseurs avec des paramètres de fragmentation personnalisés, tandis que la méthode DIA utilisait une stratégie de fenêtre variable segmentée pour couvrir la plage m/z cible, effectuant une fragmentation non biaisée sur tous les ions précurseurs. L’identification des composés a été effectuée à l’aide du logiciel Compound Discoverer. L’évaluation comparative s’est concentrée spécifiquement sur les caractéristiques de performance des deux modes d’acquisition, englobant le nombre de composés identifiés, la reproductibilité, la qualité spectrale MS/MS et la sensibilité de détection des constituants actifs de faible abondance. Les résultats ont démontré que le mode DDA produisait un nombre total plus élevé de composés détectés, tandis que le mode DIA générait une plus grande proportion d’identifications à haut niveau de confiance (10,63 % avec des scores de correspondance spectrale >0,8). Notamment, l’approche DIA a montré une reproductibilité significativement supérieure en termes de temps de rétention et de surface de pic pour six composés représentatifs, la rutine montrant une différence de >3 fois en temps de rétention RSD entre les deux modes d’acquisition. Cependant, le DDA produisait des spectres MS/MS plus propres avec des ions de fragments distincts, tandis que les spectres DIA présentaient des interférences dues à des ions contaminants. Parallèlement, DIA a détecté efficacement des constituants actifs de faible abondance dont les chromatogrammes ioniques et les fragments MS/MS n’ont pas pu être extraits en mode DDA. Cette étude apporte des preuves expérimentales essentielles et des ensembles de données analytiques pour éclairer la sélection des modes d’acquisition de spectrométrie de masse à haute résolution pour la recherche complexe sur la formulation de la MTC. Les chercheurs subséquents pourraient intégrer les avantages complémentaires des deux approches pour atteindre le double objectif de caractérisation complète des composés.

Introduction

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Les formules de la médecine traditionnelle chinoise (MTC) possèdent des systèmes chimiques complexes avec des variations importantes dans les concentrations de composants, en particulier la présence de nombreux ingrédients actifs de faible abondance, qui posent de sérieux défis aux technologies analytiques. La poudre de huaihua, une formule classique et renommée de la médecine traditionnelle chinoise, est composée de quatre herbes médicinales : Sophora japonica, feuilles de Platycladus orientalis, pointes de Schizonepeta tenuifolia et écorce de Citrus aurantium. Cette formule contient un large éventail de substances bioactives, notamment des flavonoïdes, des alcaloïdes et des huiles volatiles, avec des variations importantes dans leurs concentrations. Il sert de modèle représentatif des systèmes complexes1 pour l’étude de la base matérielle des formules de MTC. Une caractérisation précise, complète et fiable de sa composition chimique est une condition préalable essentielle pour élucider la base pharmacodynamique des matériaux et améliorer les normes de contrôle de la qualité.

La spectrométrie de masse à haute résolution UPLC-QE-Orbitrap (UPLC-QE-Orbitrap MS) est devenue une plate-forme essentielle pour l’analyse des composants chimiques dans les systèmes TCM complexes, en raison de sa résolution, de sa sensibilité et de sa précision de masse exceptionnelles. En termes de stratégies d’acquisition de données, l’acquisition dépendante des données (DDA) et l’acquisition indépendante des données (DIA) sont deux modes courants 2,3,4 (Figure 1). Le mode DDA déclenche sélectivement la fragmentation d’ions de haute abondance sur la base de règles prédéfinies (par exemple, seuils d’intensité des ions précurseurs, exclusion dynamique), produisant des spectres MS/MS ciblés de haute qualité qui facilitent l’élucidation structurelle. Cependant, il présente des limites 5,6,7,8 pour couvrir les ions de faible abondance. En revanche, le mode DIA effectue une fragmentation non discriminatoire de tous les ions précurseurs dans une plage de rapport masse/charge spécifiée à l’aide de fenêtres continues ou variables. Théoriquement, il capture tous les ions détectables, ce qui améliore considérablement l’ampleur et la reproductibilité de la détection, ce qui est particulièrement adapté à l’analyse globale non ciblée, bien que les spectres mixtes MS/MS qui en résultent soient plus complexes à interpréter 5,9.

À l’heure actuelle, bien que les techniques DDA et DIA aient été appliquées individuellement dans l’analyse de la MTC, des études comparatives systématiques et empiriques sur les indicateurs de performance de base, tels que l’étendue d’identification (en particulier pour les composants à faible abondance), la qualité du spectre MS/MS et la sensibilité de détection, au sein d’un même système complexe de formule de MTC (par exemple, la poudre de Huaihua) restent insuffisantes. La clarification des scénarios applicables, des avantages et des limites de ces deux modes dans des matrices TCM complexes est cruciale pour les chercheurs afin d’optimiser la sélection de stratégies en fonction d’objectifs expérimentaux spécifiques10.

Les principaux paramètres et limitations sont résumés ici pour guider les lecteurs sur l’applicabilité de ce protocole. La méthode est très efficace pour profiler des matrices végétales complexes, avec des paramètres optimisés pour un système contenant des flavonoïdes et des alcaloïdes. La fenêtre de variable critique DIA a été réglée à 30 m/z après des tests empiriques ; Ce paramètre doit être ajusté pour des échantillons ayant des propriétés physicochimiques différentes. La méthode détecte de manière fiable les ions de faible abondance (aire de pic ~10,5), mais nécessite une acquisition dans des modes d’ionisation positifs et négatifs distincts pour garantir la qualité des données. L’une des principales limites est la dépendance de DIA vis-à-vis des bibliothèques spectrales et des logiciels de déconvolution avancés pour des identifications fiables, ce qui influence les besoins en ressources de calcul.

En conséquence, cette étude vise à effectuer une comparaison approfondie et systématique des performances globales des modes de balayage DDA et DIA sur la plate-forme UPLC-QE-Orbitrap MS, en utilisant la formule classique Huaihua Powder comme étude de cas. Des méthodes de balayage DDA et DIA optimisées adaptées à l’analyse de la poudre de Huaihua seront développées. Le traitement des données sera effectué à l’aide du logiciel Compound Discoverer pour évaluer et comparer les deux modes dans les dimensions suivantes : (1) nombre total de composés identifiés ; (2) qualité des spectres MS/MS acquis ; (3) la reproductibilité des zones de pics et des temps de rétention des composés représentatifs ; et 4) la sensibilité de détection des composants actifs de faible abondance. Cette recherche devrait fournir des preuves expérimentales solides et des données à l’appui de la sélection de modes de balayage par spectrométrie de masse à haute résolution dans les études de systèmes complexes de MTC, en explorant le potentiel d’avantages complémentaires de la DDA et de la DIA pour atteindre un « équilibre entre largeur et profondeur » et faire progresser la modernisation de la MTC.

Au cours de l’expérience, concernant le réglage des paramètres de la fenêtre de variable segmentée en mode d’acquisition DIA, nous suggérons de la régler à 30 m/z. Dans le même temps, l’effet de collecte des ions positifs et négatifs séparément est meilleur.

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Protocole

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Les réactifs et l’équipement utilisés dans cette étude sont énumérés dans la table des matériaux.

1. Préparation de la solution d’essai de poudre de Huaihua

  1. Conformément aux normes de traitement de la « Fleur de Sophora sautée » dans l’édition 2020 de la Pharmacopée Chinoise (Partie I), prélevez une quantité appropriée de la matière originale de la fleur de Sophora, enlevez les impuretés et les branches, tamisez les cendres et les débris, placez-les dans une poêle chaude et faites sauter à feu doux (100 °C) jusqu’à ce qu’ils soient jaune foncé. Retirer et laisser refroidir.
  2. Préparer les produits transformés des feuilles de Platycladus orientalis selon les « Règles générales de préparation 0213 » de l’édition 2020 de la Pharmacopée chinoise (Partie IV). Prenez une quantité appropriée de feuilles originales de Platycladus orientalis , enlevez les impuretés, placez-les dans une poêle chaude et faites-les sauter à feu doux (100 ºC) jusqu’à ce qu’elles jaunissent. Retirer et laisser refroidir.
  3. Préparez les produits transformés de Zhike selon la méthode du « son Fructus Aurantii sauté » dans l’édition 2020 de la Pharmacopée chinoise (Partie I). Prenez une quantité appropriée de matière première Zhike, éliminez les impuretés, chauffez à 100 °C et saupoudrez une quantité appropriée de son de blé dans un rapport de 1:10 (matériaux par excipients).
    1. Une fois que la fumée monte, ajoutez des tranches de Zhike crues et faites sauter rapidement. Lorsque la surface devient jaune ou jaune foncé, retirez, tamisez le son, laissez-le refroidir et réservez.
  4. Préparez la poudre de huaihua selon le rapport de poids 1:1:1:1 prescrit par la formalologie médicale chinoise (New Century 3rd Edition). Pesez avec précision 1 g de chaque poudre à base de plantes (tamisée à travers un tamis n° 5).
    1. Mélangez les poudres dans un mortier et mélangez selon la méthode de trituration et de mélange pour les poudres de médecine traditionnelle chinoise : broyer doucement et régulièrement dans un sens pendant 10 min.
    2. Considérez la poudre mélangée uniformément lorsqu’aucune traînée, agglomération ou variation de couleur visible n’est observée, ce qui donne un aspect homogène sur l’ensemble du mélange. Préparez l’échantillon final de poudre de Huaihua en utilisant cette méthode.
  5. Évaluez l’uniformité du mélange à l’aide d’un protocole d’inspection visuelle standardisé. Examinez le mélange de poudre dans des conditions d’éclairage constantes sur un fond blanc.
    REMARQUE : Considérez le mélange homogène seulement s’il répond à tous les critères suivants : couleur uniforme partout sans stries ou taches visibles des composants individuels ; texture uniforme sans divergence grossière ou fine ; aucune variation évidente de la nuance de couleur lorsqu’il est échantillonné à partir de plusieurs points ; et aucun grumeau granulaire agrégé détectable lors d’une inspection minutieuse. Effectuez cette évaluation par deux analystes indépendants pour assurer la cohérence.
  6. Pesez avec précision 0,1 g de l’échantillon de poudre de Huaihua bien mélangé. Transvaser l’échantillon dans une fiole jaugée de 10 ml. Ajouter 8 mL de méthanol.
  7. Effectuez une extraction par ultrasons pendant 60 min avec une puissance de 500 W et une fréquence de 40 kHz. Refroidir à température ambiante. Augmentez le volume au trait de jauge avec du méthanol.
    1. Bien agiter pour obtenir une concentration finale de 10 mg/mL d’extrait de poudre de Huaihua. Filtrer à travers une membrane microporeuse (PVDF) de 0,22 μm. Transférez le filtrat dans un flacon d’échantillon pour l’analyse.
      REMARQUE : Au cours de l’expérience, les déchets organiques liquides et autres réactifs toxiques et nocifs connexes ont été classés et étiquetés. Et toutes les 2 semaines, le personnel du Bureau de gestion des actifs et des expériences de l’Université de médecine traditionnelle chinoise de Chengdu le transporte vers une institution qualifiée pour un recyclage et un traitement unifiés.

2. Conditions de détection pour le HRMS UPLC-Q-Orbitrap

  1. Réglage des paramètres du système chromatographique
    1. Utilisez une colonne C18 (3,0 mm × 100 mm, 2,6 μm). Maintenez la température de la colonne à 30 °C. Utiliser la phase mobile A (0,1 % d’acide formique dans l’eau) et la phase mobile B (acétonitrile).
    2. Programmez la pente comme suit : 0-10 min, 5 %-20 % B ; 10 à 25 min, 20 % à 50 % B ; 25 à 40 min, 50 % à 95 % B ; 40-45 min, 95 % B. Réglez le débit à 0,3 mL/min. Injectez 5 μL de l’échantillon.
  2. Effectuez une étude de spectrométrie de masse avec les paramètres suivants.
    REMARQUE : Source d’ions : Ionisation par électronébulisation chauffée (H-ESI) ; Mode de balayage : En mode d’acquisition DDA, acquérez simultanément des ions positifs et négatifs ; en mode d’acquisition DIA, acquérir séparément les ions positifs et négatifs ; Paramètres de la source d’ions : Tension de pulvérisation +3,5 kV (ions positifs)/-2,8 kV (ions négatifs) ; vitesse du flux d’air de la gaine 40 arb ; vitesse du flux d’air auxiliaire 10 arb ; vitesse du gaz de soufflage 1 arb ; Température du tube de transmission d’ions : 320 °C ; Température d’évaporation : 350 °C ; Niveau RF de l’objectif S : 55 %.
    1. Construction et optimisation de la méthode d’Acquisition Dépendante des Données (DDA)
      1. Pour MS Scan complet (MS complet), choisissez les paramètres suivants :
        REMARQUE : Résolution : 35 000 ; Portée de balayage : 100-1000 m/z ; Contrôle automatique du gain (AGC) Cible : 3e6 ; Temps d’injection maximum (IT max) : 100 ms.
      2. Pour MS/MS Scan dépendant des données (dd-MS2), choisissez les paramètres suivants :
        1. Pour la sélection des ions moléculaires, maintenez le seuil d’intensité de 5e4. Exclure les ions non chargés et les pics isotopiques (activer l’exclusion isotopique). Appliquer l’exclusion dynamique avec un temps d’exclusion de 15 s et une tolérance de masse de ±10 ppm pour éviter la sélection répétée d’ions de haute intensité.
        2. Pour les paramètres de fragmentation, conservez les éléments suivants : Fenêtre d’isolation : 1,0 m/z ; Méthode de fragmentation : Dissociation par collision à haute énergie (HCD) ; Énergie de collision normalisée (NCE) : 20, 40, 60 V ; Résolution secondaire : 17 500 ; Cible AGC : 1e5 ; TI max. : 50 ms ; Stratégie TopN : Sélectionnez les 3 ions moléculaires ayant l’intensité de fragmentation la plus élevée dans chaque cycle de balayage.
    2. Construction et optimisation de la méthode DIA
      1. Pour Full MS Scan, utilisez les mêmes paramètres que dans la méthode DDA.
      2. Pour le balayage MS/MS indépendant des données (DIA-MS/MS), établissez une stratégie de fenêtre d’isolement de variables segmentées.
      3. Définissez la portée cible comme étant de 100-1000 m/z. Divisez les fenêtres en fonction de la distribution de l’abondance des ions sur toute la gamme m/z à l’aide de spectres DDA de haute qualité dans des conditions chromatographiques optimisées. Définissez des fenêtres variables pour équilibrer l’abondance totale des ions entre les segments, en évitant la saturation ou l’insuffisance.
      4. Optimisez à 30 fenêtres pour équilibrer la couverture et le temps de cycle.
        REMARQUE : Paramètres de fragmentation - Méthode de fragmentation : HCD ; NCE : 20, 40, 60 V ; résolution : 17 500 ; Cible AGC : 1e6 ; TI max. : Auto ; Fenêtre variable segmentée : 30 m/z. ; Nombre de boucles : 30.
      5. Établissez la liste d’inclusion en fonction de la masse moléculaire centrale de chaque segment de fenêtre d’isolement, par exemple, m/z 115, 145, 175, 205 ... 925, 955, 985.
    3. Processus d’acquisition des données
      1. Equilibration du système : Équilibrer la colonne chromatographique avec la phase mobile pendant au moins 5 min.
      2. Prélèvement d’échantillon avant l’expérience : Préparez la solution d’essai de poudre de Huaihua conformément à la procédure de préparation. Injectez 5 échantillons consécutifs. Évaluer la stabilité du système (temps de rétention RSD < 2 %, intensité totale du courant ionique RSD < 5 %).
      3. Fonctionnement à blanc : Injectez la solution de blanc de méthanol pour la soustraction de fond.
      4. Exécution d’échantillons de poudre Huaihua : Analysez chaque échantillon par injection dans un ordre aléatoire. Exécutez tous les échantillons indépendamment pour chaque mode de balayage (DDA, DIA).
    4. Traitement des données
      1. Identification des composés
        1. Importez les données brutes acquises par spectrométrie de masse dans le logiciel Compound Discoverer. Établissez un workflow d’identification des composants inconnus. Effectuez le traitement et l’alignement des pics. Faites correspondre les spectres MS/MS mesurés avec la base de données MS/MS en ligne mzCloud et la base de données MS/MS locale mzVault.
        2. Appliquez les paramètres de filtrage suivants : seuil de surface de crête 105, écart de masse ± 5 ppm pour les ions primaires et secondaires et score d’appariement ≥80. Comparez les ions filtrés avec les informations sur les composés provenant de bases de données, d’étalons de référence et de la littérature pertinente pour identifier les composants chimiques.
        3. Opération spécifique dans le logiciel Compound Discoverer : créez un nouveau processus d’analyse et sélectionnez le flux de travail Produit naturel/Produit naturel inconnu avec statistiques en ligne et Recherches de bases de données locales .
        4. Assurez-vous de l’inclusion du nœud Détecter les composés pour l’identification et l’extraction des pics. Ajoutez les bases de données Search mzCloud et Search mzVault au flux de travail.
        5. Ajoutez le fichier de données brutes et définissez les paramètres de filtrage (seuil de surface de pic 105, écart de masse ± 5 ppm pour les ions primaires et secondaires). Cliquez sur exécuter pour exécuter l’analyse.
      2. Analyse comparative d’indicateurs connexes
        1. Quantité d’identification : Comparez le nombre total de composés identifiés en modes d’ions positifs et négatifs pour les modes DDA et DIA. Construisez des cartes de distribution d’ions pour chaque mode.
        2. Étude de reproductibilité : Comparer les différences de temps de rétention (RT) et de surface de pic (AA) de composés représentatifs à forte abondance (rutine, quercitrine), à abondance moyenne (néohespéridine, naringine) et à faible abondance (psoralénol, acide triméthylcolchicinique) entre les modes DDA et DIA (n = 5).
        3. Qualité du spectre MS/MS : Évaluez la qualité des spectres d’ions de fragments MS/MS de la pulégone, un composé clé de Q-Marker, sous les modes DDA et DIA.
        4. Détection de composants de faible abondance : Comparer la détection de fragments MS/MS de composés représentatifs de faible abondance (carvone, adénosine) dans les modes DDA et DIA5.

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Résultats

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Identification globale des composés

Les chromatogrammes à courant ionique total de la poudre de Huaihua sous les deux modes d’acquisition sont illustrés à la figure 2, avec des différences globales minimes. Dans le mode d’acquisition DDA, un total de 14 958 composés ont été identifiés dans les modes d’acquisition d’ions positifs et négatifs, tandis que 9 489 composés ont été identif...

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Discussion

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Dans cette étude, il convient de mentionner en particulier que nous avons constaté que dans le mode d’acquisition DIA, la valeur de la fenêtre de variable segmentée ne devrait pas être trop grande. Nous avons essayé de le régler à 300 mz et 100 mz, mais l’effet spectral final était médiocre. Après des explorations et des tentatives répétées, nous avons finalement choisi la fenêtre d’acquisition de 30mz comme la plus appropriée. Par conséquent, le réglage de la fenêtre d’acquisition a un ...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

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La présente étude a été soutenue financièrement par le Fonds pour la jeunesse de la Fondation provinciale des sciences naturelles du Sichuan (n° 2025ZNSFSC1823) ; le projet de semis d’innovation scientifique et technologique de la province du Sichuan (MZGC20230055) ; et le programme de promotion de la recherche sur les talents de l’Université de médecine traditionnelle chinoise de Chengdu « Xinglin Scholars » pour le projet spécial Nursery Talent (MPRC2022017).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AcétonitrileThermo Fisher/Pureté chromatographique
Logiciel Compound Discoverer 3.3Thermo Fisher/Traitement des données de spectrométrie de masse et identification des composés
fructus aurantiiSichuan Neijiang220709Les herbes dans la prescription de poudre de huaihua
Feuilles de Platycladus orientalisShandong Linyi240619Les herbes dans la prescription de poudre de huaihua
Épi SchizonepetaJiangsu Taizhou240601Les herbes dans la prescription de poudre de huaihua
Fleur de sophoraSichuan Guangan241017Les herbes dans la prescription de poudre de huaihua
Machine de nettoyage à ultrasonsJietuo Ultrasonic Cleaning Equipment Co., LTD240HTExtraction des composants de la poudre de Huaihua
Système de gestion des ressources humaines UPLC-Q-OrbitrapThermo Fisher/Spectromètre de masse à haute résolution
EauSociété Watsons/Eau ultra-pure

Références

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Mots-clés

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