方法論記事

高分解能質量分析に結合された二次 Nanoelectrospray イオン化を用いたリアルタイム呼吸解析

DOI：

10.3791/56465

⸱

2018年3月9日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

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高分解能質量分析法の実証に結合する二次 nanoelectrospray イオン化を使用して、リアルタイムで呼気の化学組成を評価するためのプロトコル。

要約

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呼気揮発性有機化合物 (Voc) は、彼らは非侵襲的な方法で病気の診断や環境曝露のバイオ マーカーとして機能するためにかなりの関心を喚起しています。この作品は、二次 nanoelectrospray イオン化結合した高分解能質量分析法 (秒システム人事管理システム) を使用してリアルタイムで呼気中の Voc を特徴付けるためのプロトコルを提案する.自家製秒システム ソース容易に開設さ商業システムのソースで。何百ものピークの呼気のバック グラウンド減算質量スペクトルで観察し、, 質量精度値が-4.0-13.5 ppm と-20.3-1.3 ppm 正と負イオン検出モードでそれぞれ。ピークは、正確な質量と同位体パターンに従って正確な元素組成と割り当てられました。未満 30 s を使用して 1 つの呼気測定と六つのレプリケートされた測定の約 7 分かかります。

概要

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最新の分析技術の急速な発展と人間の呼気1揮発性有機化合物 (Voc) の何百もを確認されています。これらの Voc 主に起因する肺胞の空気 (健康な大人のための 〜 350 mL) と解剖デッド スペース空気 (~ 150 mL)2、身体代謝3,4,5,6,7 に影響 ,8と環境汚染9、それぞれ。その結果、識別された場合、これらの Voc が非侵襲的な方法で病気の診断や環境曝露のバイオ マーカーとして使用することを約束。

ガスクロマトグラフィー質量分析法 (GC/MS) は最も広く使用されている呼気揮発性有機化合物2、リアルタイム呼吸分析のために開発されている、直接の質量分析の定性・定量分析法の利点があります。高時間分解能と簡単なサンプルの事前準備。プロトン移動反応10MS (PTR MS) などの直接の MS 技術選択イオン フロー チューブ MS (ふるいにかける MS)11、二次エレクトロ スプレー イオン化 MS (SESI MS)12,13 (採掘エレクトロ スプレーとして名前も電離 EESI MS14,15MS) トレース大気中のガス分析 (多賀)16とプラズマ イオン化 MS (PI MS)17に提案されている近年。

SESI はユニバーサル ソフト イオン化テクニック19,20,21; としてよく知られている直接の MS のテクニックのすべてそして、ソースは簡単にカスタマイズし、質量分析計、例えば時間の飛行質量分析計8,15の種類別に結合、イオン トラップ質量分析計14そして orbitrap 質量12 ,18。今まで、SESI MS 使用されています22呼吸器疾患の診断に概日リズム3,6,23, 薬物動態7、8を測定し、代謝経路4等を明らかにします。最近、商業 SESI ソースが利用可能になります。

本研究では簡便でコンパクトなセカンダリ nanoelectrospray イオン源 (Sec システム) がセットアップされ、高分解能質量分析計を結合します。呼吸の呼気揮発性有機化合物のリアルタイム測定も行いました。

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プロトコル

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注意: 使用前に関連するすべての材料安全データ用紙 (MSDS) を参照してください。ください適切な個人用保護具、例えば白衣、手袋、ゴーグル、フルの長さのズボン、閉じてつま先の靴)。

1 秒システム ソースを設定します。

  1. SESI プロセス、すなわち、に従って Sec システム ソースを設定呼吸ガスをエレクトロ スプレー プルームを交差する導入・帯電液滴 (図 1) でイオン化します。各研究室で構築されたソースは使用する質量分析計24,25のインターフェイスに依存します。ここでは、商業システム ソース (図 2) に基づく秒システム ソースを設定および卓上型四重極 orbitrap 質量分析計に実装します。
    注: ソースの本体は立方ステンレス製チャンバー (長さ 25 mm、内径 13 mm) (図 2 b) チャンバー システム キャピラリーに導入する入口 (内径 4 mm) と。したがって、商工会議所はありません (図 2 b) を完全に密封します。
  2. ガス供給のために部屋のそれぞれの側に 2 つのステンレス鋼チューブ (長さ 8 mm、外径 5 mm、内径 3 mm) をインストールします。
  3. キャピラリー システムとシステム スプレー目またはデジタル顕微鏡の先端の位置を確認する商工会議所の上下に 2 つの石英ガラス窓 (内径 14 mm) を装備します。
  4. 質量分析器の掃引コーンに商工会議所を溶接します。
    注: 個々 の演習で使用する質量分析計の気圧インタ フェースの特定の幾何学によりデザインが異なります。

2. 計測器の最適化

  1. 製造元の指示に従って両方の正と負イオン検出モードで質量分析計を調整します。校正を適用すると、レンズ電位検出条件などの質量パラメーターは、指定した解像度の値で良好な感度とピーク形状を与えるに最適化されています。70000 の質量分解能がここで使用されます。
    1. 商業の ESI ソース; を使用して完全な Q ミニトークショー & サイン会校正を実行します。ただし、カスタマイズされたものも含めて、任意の互換性のあるソースと質量校正が行えます。
  2. 質量分析計 > 100 ° C のイオン転送管 (ITT) の温度を設定します。最高温度は 350 ° C で設定できます、しかしそれ可能性がありますいくつかの化合物の分解。したがって、150 ° C は、この実験で使用されます。
    注: 質量分析計は、ITT ではなくサンプリング オリフィスを搭載、サンプリング口の温度はの設定の > 100 ° C
  3. ESI 溶媒とフロー率溶媒 (例えば極性、ボラティリティ) とターゲット化合物 (例えば、プロトン親和性) の特性に基づく適切な ESI 溶媒を選択します。さまざまな比率でメタノールおよび水の混合物は、ESI 溶剤25として一般的に使用されています。この実験では水を使用して、この溶剤13,19,23高イオン化効率がずっと 0.1% (v/v) ギ酸を含む報告されました。0 から 1.5 の範囲で ESI 溶媒の流量を設定 μ L/分、200 nL/分。
    注: ドガ ESI 使用前に 30 分の溶媒。
  4. 秒システム ソース、主にシステム電圧とシステム キャピラリー先端位置のパラメーターを最適化します。電圧一般的範囲 2.0 4.5 kV。使用 2.5 kV ここ。
    注記: ESI 電圧の高いフロー率が増加すると適用されます。先端と質量分析器の開口部間の距離は、1 から 5 mm に調整できます。質量スペクトルにみられる正規化輝度レベル (NL)、最適化後 10 x > 1 をする必要があります6総イオン ・ クロマト グラム (TIC) の変化が両方の正と負イオン検出モードで < 10% をする必要があります。質量スペクトルとチックは、 m/z 50 750 の質量範囲で取得されます。
  5. 純粋なガスをソースに適用されます。これは、室内の空気から Voc の影響の低減を目指して、オプションの手順です。高純度窒素 (N299.99%) または純粋な空気を使用することができます。純粋なガスの存在、質量スペクトルにみられる NL は 10 x > 1 をする必要があります5とチックの変化は両方の正と負イオン検出モードで < 10% をする必要があります。高純度 N2はここでは使用、0.8 L/分で配信。
    注: 純粋なガスの呼吸ガスの総流量は質量分析計のオリフィス流量よりも高いはずです。

3. 呼気の測定

  1. 室内の空気を吸い込むし、一定の流量で肺内のすべての空気を呼吸する通常の呼気を実行します。呼気流量、圧力計や流量計の件名に表示されるのいずれかを監視します。テフロン (PTFE) チューブを使用すると、呼吸ガス23を提供します。
    1. チューブ内部の水蒸気の凝縮を防ぐためには、80-100 oC7,23,27の温チューブかナフィオン ドライヤー28,29を使用します。この実験の主題は 0.4 L/分の流量計によって制御される息を吐きました。
    2. 呼気中の水蒸気を削除し、流量計のコンセントを接続ナフィオン チューブ (長さ 60 cm) 流量計の入口を PTFE チューブ (長さ 13 cm、内径 4 mm) に接続します。1 呼気測定 < 30 秒がかかります。
    3. 4-6 レプリケートされた測定28,29を実行します。
    4. 交絡の影響を最小限に抑えるために食べたり、飲んだり、ブラッシング、歯、少なくとも 30 分測定23前から参加者があります。
      注: 室内空気中の揮発性有機化合物の影響を最小限に抑えるためにいわれている室内空気26ではなく純粋なガスを吸い込む。ナフィオンは、チューブを使用すると、いくつかの極性化合物が失われます。
    5. 測定中にイオン強度計測器の線形の検出限界を超えるかどうかを確認してください。信号の飽和は、サンプルの化合物から実質的に行われませんアーティファクト ピークにつながります。鼻から息を吸い込んで、VOCs と粒子の一部は削除でしょう。ただし、鼻の通路で化合物を検出ことがありますまた、注目に値するです。

4. 息指紋および化合物の時間トレースを取得します。

  1. クロマト グラムとマススペクトルを取得します。レコードのクロマト グラムとマススペクトルのソフトウェア (例えば、Xcalibur) を使用します。これは直接 MS 分析とクロマト グラフ分離は行われず、総イオン ・ クロマト グラム (TIC) は、実際に質量スペクトルで検出されるすべての信号の時間トレースを示します、抽出したイオン ・ クロマト グラム (EIC) の時間トレースを示していますので、指定した化合物。
    注: その他の商業的質量分析計用クロマト グラムとマススペクトルすることによって対応するデータ集録ソフトウェア。
  2. 呼気を測定する場合、チックのスキャンの数を選択することにより、呼気の指紋を取得します。ソフトウェアによってこれらのスキャンの平均を表す質量スペクトルを取得します。
    1. 息指紋からバック グラウンド ピークを取り除くには、ソフトウェアの減算の背景を使用します。製造元のユーザーズ ガイドを参照してください。簡単に言えば、息のサンプルが生じないときスキャンの同じ数を選択し、息指紋から背景の質量スペクトルを減算します。
      注: この方法で息指紋認証の機能を識別するためにしきい値はバック グラウンド信号の標準偏差の 3 倍として定義されます。その他の商業的質量分析計用背景差分は対応するデータ集録ソフトウェアによって実行できます。
  3. 指定された化合物の時間のトレースを取得します。息指紋で対象化合物のピークを選択し、その後ソフトウェアによって化合物の時間のトレースを取得します。

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結果

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図 3は、 m/z 50 750 両方の正と負イオン検出モードの下で記録の質量範囲の息指紋を示します。291 ピーク (ピーク強度 > 5.0x104)、173 の峰 (ピーク強度 > 3.0x104) それぞれ正と負のイオンの検出モードでバック グラウンド減算息指紋で観察されています。質量スペクトルのピークを識別するために詳細12,18,24,29先行文献を参照してください。簡単に言うと、室内の空気から Voc と揮発性の代謝物が検出されました。たとえば、(図 3 a) m/z 74.0606 でピークに起因...

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ディスカッション

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商業システムのソースに基づいて秒システム ソースを構築し、イオン化効率は ESI ソース30を使用してのそれより高い。さらに、イオン化効率をさらに改善、密室でそれ分離プロセスとして周囲の空気からと同時に時間を容易にガスのサンプルとスプレー プルームの混合します。秒システムを使用して、以下のパラメーターはインストール、アプリケーションおよびメンテナンスしやすく、ESI ソースと比較して最適化する必要。

信号が観測されない、または息秒-システム-質量分析法による分析を実行するときに感度が大幅に低下、1 つスプレー キャピラリー先端の位置、また毛細血管の先端に液滴の形成確認してください。質量分析計のオリフィスで先端を合わせます。スプレー毛細血管をブロックまたはチップが汚染されている場合スプレー毛細血管を新しいものに変更します。それ以外の場合、楽器の ITT をブロックするか、汚染されているかどうかを確認します。交換または必要に応じて、ITT をクリーンアップします。切って ESI 電圧から確認スプレー キャピラリー。ITT の温度を部屋の温...

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開示事項

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著者が明らかに何もありません。

謝辞

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この作品は、国家自然科学基金の中国 (第 91543117) によって財政的にサポートされています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
超純水メルク・ミリポア米国 MPGP04001レジスタンス >18.2 MΩ&ミッドドット;cm
ギ酸Sigma-Aldrich、米国F0507気道に腐食性。
窒素ガス広州石源ガス株式会社、中国N.A.a純度 >99.99%
Q Exactive ハイブリッド四重極-orbitrap質量分析計Thermo Scientific, USA02634L(S/N)高電圧および高温
の NanoESI ソースThermo Scientific, USAES002373(S/N);ES071(P / N)高電圧および高温の
ナノLCポンプThermo Scientific、米国5041.0010A(P / N)/
Xcaliburソフトウェア(バージョン3.0)Thermo Scientific、米国BRE0008596/
Dino-Lite Digital MicroscopeTech Video System (SuZhou) Co.Ltd., ChinaCQ401833R(S/N)/
Nafion tubingPerma Pure LLC, USAME60/
PTFEチューブ(内径4 mm)Dongguan Hongfu Insulating Material Co. Ltd., ChinaN.A.極性化合物の損失の可能性に注意してください
マスフローコントローラーラインテック、韓国M15122007(S / N)/
流量計余姚工業自動化メーター工場、中国40784/
a < / sup > NA:利用できません。
に注意してください に注意してください

参考文献

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