Methodenartikel

Een efficiënte Sample voorbereiding methode om koolhydraten Ion signalen in Laser Matrix-bijgewoonde desorptie/ionisatie massaspectrometrie

6.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/57660

⸱

29 juli 2018

 ,  ,  ,  , 
1Genomic Research Center, Academia Sinica, 2Department of Chemistry, National Taiwan University

In dit artikel

Samenvatting

Een protocol voor het verbeteren van koolhydraten ion signalen in de Spectrometrie van de massa van de MALDI door hervorming kristallijnen structuren tijdens preparatietechnieken voor monster wordt aangetoond.

Samenvatting

Bereiding van de monsters is een kritische proces in de Spectrometrie van de massa (MS) analyse van koolhydraten. Hoewel laser matrix-bijgewoonde desorptie/ionisatie (MALDI) MS is de methode van keuze in koolhydraten analyse, arme ion signaal en gegevens reproduceerbaarheid van koolhydraten monsters blijven ernstige problemen. Kwantitatieve analyse van koolhydraten is een effectieve analytische protocol bieden superieure datakwaliteit noodzakelijk. Deze video toont monster voorbereiding protocollen ter verbetering van de signaalsterkte en het minimaliseren van gegevens variatie van koolhydraten in MALDI-MS. Na het drogen en kristallisatie van monster druppels, wordt de morfologie van het kristal hervormd door methanol vóór massaspectrometrische analyse. De verhoging in koolhydraten signaal wordt onderzocht met MALDI imaging massaspectrometrie (IMS). Experimentele resultaten tonen aan dat de crystal Reformatie kristallijnen structuren past en koolhydraten analyten herverdeelt. In vergelijking met de gedroogde druppel voorbereiding methode in conventionele MALDI-MS, hervorming koolhydraten crystal morphologies met methanol shows significant beter signaal intensiteit, ion afbeelding distributie en stabiliteit van de gegevens. Aangezien de protocollen blijkt hierin geen veranderingen in de samenstelling van de steekproef, zijn ze over het algemeen van toepassing op verschillende koolhydraten en matrices.

Inleiding

Koolhydraten-analyse is een belangrijke en uitdagende onderwerp. Koolhydraten en daarvan afgeleide producten spelen een belangrijke rol in levende organismen1,2,3. Deze moleculen hebben gecompliceerd structuren en zijn vatbaar voor ontleden. Velen van hen kunnen niet duidelijk worden gekenmerkt door problemen in scheiding en opsporing. Hoewel laser matrix-bijgewoonde (MALDI) desorptie/ionisatie massaspectrometrie (MS) is toegepast op de analyse van een breed scala van biomoleculen, vanwege haar gevoeligheid en begrijpelijke resultaten4, blijft analyse van koolhydraten met behulp van MALDI-MS Als een grote uitdaging als gevolg van de lage ionisatie doelmatigheid van dergelijke moleculen5te doen. Chemische bewerking is een gemeenschappelijke manier om de doelmatigheid van de behandeling door ionisering van koolhydraten6,7, maar dergelijke procedures zijn tijd en monster consumeren. Trouwens, de efficiëntie van de behandeling door ionisering van derivatized koolhydraten is nog steeds lager dan dat van eiwitten. Aldus, is de ontwikkeling van methoden ter verbetering van koolhydraten signaal in MALDI-MS zonder ingewikkelde procedures nodig.

De toepassing van MALDI-MS op kwantitatieve analyse is een andere uitdagende onderwerp. Een groot probleem voor MALDI-MS is dat de reproduceerbaarheid van de gevoeligheid en de gegevens kritisch afhankelijk van de sample voorbereiding protocollen en experimentele parameters is. In veel gevallen is kwantitatieve analyse door MALDI-MS onbetrouwbaar als gevolg van heterogene monster morphologies en distributie van de analyt. Een bekend voorbeeld is bereid met een 2,5-dihydroxybenzoic zuur (DHB) MALDI matrix monsters. Wanneer DHB is langzaam gekristalliseerd onder omgevingstemperatuur milieu, is de omvang van de analyt opneming in matrix kristallen onvoorspelbaar, omdat daaruit voortvloeiende monsters onregelmatige morphologies blijkt. Dergelijke monsters bestaan gewoonlijk uit grote naald-vormige en fijne kristallen. Wanneer DHB wordt voorbereid met een vluchtige oplosmiddelen en/of een verwarmde monster plaat, resulteert een snelle droging proces in meer homogene fijne kristallen en betere kwantitatieve resultaten8,-9,10. Deze techniek staat bekend als "herkristallisatie" van sommige monsters. De verbetering wordt toegeschreven aan betere opneming van de analyten in fijne matrix kristallen tijdens de snelle kristallisatie proces. We hebben ook aangetoond dat het aanpassen van de voorbereiding van de voorbeeldomgeving verminderd de heterogeniteit van koolhydraten signaal en betere kwantitatieve resultaten11,12. De bevindingen in deze werken suggereren dat monster morfologie een kritische factor is bij het bepalen van de signaalkwaliteit van koolhydraten. Ontwikkeling van een algemene strategie voor dagelijkse analyse, is een efficiënte monster Reformatie methode bieden verbeterde koolhydraten gevoeligheid verplicht.

Wij hebben de correlatie tussen monster morfologie en koolhydraten gevoeligheid in MALDI-MS in een recent verslag13systematisch onderzocht. De resultaten verkregen met behulp van verschillende belangrijke koolhydraten en matrices Toon dat de beste signaal-verhoging is voldaan door de recrystallizing gedroogd MALDI monsters. De morfologie van monsters die zijn opgesteld in overeenstemming met de conventionele gedroogde druppel (DD) methode wordt hervormd door snelle herkristallisatie met methanol (MeOH). De gedetailleerde monster voorbereiding protocollen worden hier gedemonstreerd. Het protocol bestaat uit drie stappen, met inbegrip van monster plaat conditionering, monster afzetting en herkristallisatie en analyse van de Spectrometrie van de massa. De benutte koolhydraten behoren sialyl-lewis een (SLeA) en maltoheptaose (MH). DHB is gebruikt als een model matrix. Uit de resultaten blijkt dat koolhydraten signaal intensiteit en ruimtelijke spreiding aanzienlijk verbeterd na herkristallisatie. Deze methode kan worden toegepast op monsters met andere populaire matrices, met inbegrip van 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP) en α- cyano-4-hydroxycinnamic zuur. Deze methode dient als een algemene aanpak die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in de routine van het laboratorium voor analyse van koolhydraten.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. steekproef plaat voorbehandeling

  1. Reiniging van de monster-plaat
    1. Draag nitril handschoenen om verontreiniging van de steekproef plaat tijdens het reinigen te voorkomen.
    2. Handwas de monster-plaat met 100.0 mL schoonmaakmiddel (1.0 mg/mL).
    3. Handwas de monster-plaat met gedistilleerd-gedeïoniseerd water (DDW).
    4. Spoel het oppervlak van de plaat monster met 30.0 mL MeOH.
    5. Zet de plaat monster in een bekerglas van 600 mL en vul met DDW totdat de monster plaat is volledig ondergedompeld in water.
    6. Zet het bekerglas in een ultrasoon bad (Zie tabel van materialen) en bewerk ultrasone trillingen ten de plaat monster gedurende 15 minuten (200 W, 40 kHz).
    7. Neem de monster-plaat en waterdruppels die met behulp van hydrofoor stikstof afblazen.
    8. Kluisje 0.2 µL van MeOH op de plaat van de steekproef om te controleren of de MeOH zich naar andere plekken uitbreidt.
      Opmerking: Als MeOH worden samengevoegd met andere plekken, herhaal stappen 1.1.3-1.1.5; Als dat niet het geval is, gaat u verder met de volgende stap.
  2. Verordening voor het drogen van de kamer temperatuur
    1. Gebruik een droogrek kamer onder constante omstandigheden te drogen droplets, zoals eerder beschreven11,12,13. In het bijzonder, gebruik de gedetailleerde procedure die is beschreven in stap 2.1-2.5 van Ou, Y.-M. et al. 201612. Kort:
      1. Purge het drogen kamer door kamertemperatuur stikstof op een constant debiet te handhaven van een lage relatieve vochtigheid-milieu.
      2. Houd de monster plaat temperatuur constant bij regelmatige - (25 ° C) of sneldrogende voorwaarden (50 ° C), geregeld door een temperatuurgevoelig koperen block in het drogen kamer.
  3. Voorbereiding van de matrix en de analyt oplossingen
    1. Voorbereiding van matrix oplossingen
      1. Ontbinden van DHB in 50% acetonitril (ACN): 50% DDW te bereiden van een oplossing 0,1 M.
    2. Voorbereiding van koolhydraten analyten
      1. Ontbinden SLeA in DDW te bereiden van een 10-4 M-oplossing.
      2. Ontbinden MH in DDW te bereiden van een oplossing van 10-4 M.

2. voorbeeld van de depositie en herkristallisatie

Opmerking: De geoptimaliseerde procedures voor het analyseren van de kleine en regelmatige hoeveelheid monsters worden hier beschreven. Zorg ervoor dat de temperatuur van de plaat monster is gestabiliseerd op de gewenste temperatuur voor het storten van de oplossingen. Als het monster verspreidt zich over een groot gebied ter dekking van de andere plekken van het monster tijdens herkristallisatie, bereiden een nieuw monster of Herhaal stap 1.1.

  1. Voor analyse van een kleine hoeveelheid (0.1 µL) monster
    Opmerking:     de volgende stappen zijn ontwikkeld voor het minimaliseren van de consumptie van het monster en de tijd. Het is geschikt voor de kwantitatieve analyse van echte monsters met een beperkt bedrag of een snelle IMS kwantificering p.a..
    1. Meng 0,25 µL van DHB oplossing en 0,25 µL van SLeA of MH oplossing in een buis van microcentrifuge.
    2. Vortex de gemengde oplossing met behulp van een vortex-mixer voor 3 s.
    3. Spin down de gemengde oplossing in een mini centrifuge voor 2 s (2000 x g).
    4. Gebruik een pipet onmiddellijk deponeren op de plaat van het monster te trekken uit 0.1 µL van de voorgemengde oplossing.
      Opmerking: Bij de neerlegging van een kleine hoeveelheid monster, Niet houden de voorgemengde oplossing in het uiteinde van de pipet voor meer dan 10 s.
    5. Wacht totdat het monster te drogen. Typische droogtijden zijn vermeld in tabel 1.
    6. Gebruik een pipet te deponeren 0.2 µL van MeOH rechtsaf de gedroogde monster plek. Het monster krijgt nat en droog uit onmiddellijk.
      Opmerking: Zorgen dat de afzetting procedure is afgerond in 3 s om significante verdamping verlies van MeOH te voorkomen.
    7. Onderzoeken van het monster met behulp van een microscoop. Als de crystal morphologies niet zoals verwacht (Zie Figuur 1 bijvoorbeeld van gewenste resultaten), herhaal stap 2.1.1-2.1.6 ter voorbereiding van een nieuw monster.
    8. Nitril handschoenen dragen en zorgvuldig nemen de monster plaat boven het drogen kamer.
  2. Voor analyse van een regelmatige hoeveelheid (1 µL) monster
    Opmerking: De volgende stappen zijn ontwikkeld voor het maximaliseren van de homogeniteit van koolhydraten monsters met meestal gebruikte MALDI monster bedrag. Het proces is geschikt voor routine en kwantitatieve analyses. Het proces van herkristallisatie herverdeelt monsters en matrices gelijkmatig naar grotere gebieden.
    1. Meng 2.5 µL van DHB oplossing en 2.5 µL SLeA of MH oplossing in een buis van microcentrifuge.
    2. Vortex de voorgemengde oplossing met een vortex-mixer voor 5 s.
    3. Spin down de gemengde oplossing in een mini centrifuge voor 2 s (2000 x g).
    4. Gebruik een pipet onmiddellijk deponeren op de plaat van het monster te trekken uit 1,0 µL van de voorgemengde oplossing.
      Opmerking: niet gebruik de resterende vooraf gemengd oplossing weer na de neerlegging van de monsters.
    5. Wacht totdat het monster te drogen. Typische droogtijden zijn vermeld in tabel 1.
    6. Gebruik een pipet te deponeren 1.5 µL van MeOH rechtsaf de gedroogde monster plek. Het monster krijgt nat en droog uit onmiddellijk.
      Opmerking: In gevallen met veel monsters plaat temperatuur (50 ° C), de herkristallisatie stap moet gebeuren binnen 5 s tot een minimum beperken van verdamping van MeOH in pipette uiteinde.
    7. Onderzoeken van het monster met behulp van een microscoop. Als de crystal morphologies niet zoals verwacht (Zie Figuur 1 bijvoorbeeld van gewenste resultaten), herhaal stap 2.2.1-2.2.6 ter voorbereiding van een nieuw monster.
    8. Nitril handschoenen dragen en zorgvuldig nemen de monster plaat boven het drogen kamer.

3. massa spectrometrie Data acquisitie en analyse

Opmerking: De analyse wordt uitgevoerd met behulp van een commerciële time-of-flight massaspectrometer (Tabel of Materials) uitgerust met een MALDI ion bron. Het instrument wordt beheerd door specifieke besturingssoftware (Tabel of Materials) met vooraf geoptimaliseerde extractie vertraging en laser energie. Spectra worden geregistreerd in lineaire mode met een massa van het aantal m/z = 0-1500. De potentiële monster-plaat is ±25 keV en elke spectrum gemiddeld 10 laser schoten. Gebruikers moeten voeren instrument optimalisatie en analyse van het monster met behulp van compatibele software en volg de instructies van de fabrikant van het instrument.

  1. Open de software van de controle van het instrument (Zie Tabel van materialen).
  2. De monster-plaat in de massaspectrometer invoegen.
  3. Selecteer de methode voor de overname van vooraf geoptimaliseerde gegevens in de software.
  4. De gehele monster regio voor IMS met behulp van het imaging software registreren (Zie Tabel van materialen).
    Opmerking: Sla deze stap als niet doet IMS.
  5. Start data-acquisitie in de batch mode van de besturingssoftware.
  6. Uitzetten van de ion-beelden met behulp van het imaging software na voltooiing van data-acquisitie.
  7. Analyseren met behulp van analysesoftware massaspectra (Zie Tabel van materialen) als de gegevens zonder een ion-afbeelding is opgenomen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Representatieve SEM beelden van SLeA vermengd met DHB bereid met behulp van DD en herkristallisatie methoden zijn afgebeeld in Figuur 1. Een typische morfologie van DHB is zoals opgesteld door de DD methode grote naald-vormige kristallen op de rand en de fijne kristallijnen structuren in het centrum van monster vlekken. De typische lengtes van dergelijke kristallen naald-vormige zijn ~ 100 µm. Na herkristallisatie door MeOH heeft het monster een gr...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Voorbeeld heterogeniteit is dat een cruciaal probleem in MALDI-MS. DD is het meest gebruikte monster voorbereiding methode, maar de resulterende kristallen zijn zeer heterogeen. Dergelijke monsters blijkt slecht schot-voor-schot en monster-naar-sample signaal reproduceerbaarheid. Daarom is zoeken naar "sweet spots' in monster gebieden tijdens data-acquisitie een gemeenschappelijke procedure in sommige experimenten. Dergelijke heterogene monsters zijn ongeschikt voor de kwantificering van routinematige analyses.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteurs hebben geen bevestigingen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Reagens
DetergenspoederAlconox242985
MethanolMerck106009
AcetonitrilMerck100003
2,5-dihydroxybenzoëzuur (DHB)Alfa AesarA11459
sialyl-lewis A (SLeA)Sigma-AldrichS1782
MaltoheptaoseSigma-AldrichM7753
PipetpuntenMettler Toledo17005091
MicrocentrifugebuisAxygenMCT-150-C
Apparatuur
Milli-Q waterzuiveringssysteemMilliporeZMQS6VFT1
Poedervrije nitrilhandschoenenMicroflexSU-690
600 mL bekerDuran2110648
Ultrasoon reinigingsapparaatDeltaDC300H
VochtmeterWisewind5330
Stroommeter voor stikstofgasDwyerRMA-6-SSV
K-type thermokoppelsDigitron311-1670
VortexmixerScientific Industries SI-0236
Mini centrifugeSelect BioProductsForce Mini 
PipetRaininpipet-lite XLS
StereomicroscoopOlympusSZX16
Temperatuurcontroleerbare droogkamerDit lab
Ultraflex II TOF/TOF massaspectrometerBruker Daltonics
MTP 384 doelplaat gepolijst staal BCBruker Daltonics8280781
Flexcontrol versie 3.4Bruker DaltonicsBesturingssoftware
Fleximaging versie 2.1Bruker DaltonicsBeeldvormingssoftware
Flexanalysis versie 3.4Bruker DaltonicsAnalysesoftware

Referenties

  1. Holme, D. J., Peck, H. Analytical Biochemistry. , 3rd edn, Addison Wesley Longman Limited. (1998).
  2. Costello, C. E. Time, life ... and mass spectrometry - New techniques to address biological questions. Biophysical Chemistry. 68 (1-3), 173-188 (1997).
  3. Caroff, M., Karibian, D. Structure of bacterial lipopolysaccharides. Carbohydrate Research. 338 (23), 2431-2447 (2003).
  4. Marvin, L. F., Roberts, M. A., Fay, L. B. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry in clinical chemistry. Clinica Chimica Acta. 337 (1), 11-21 (2003).
  5. Harvey, D. J. Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry of carbohydrates. Mass Spectrometry Reviews. 18 (6), 349-450 (1999).
  6. Ciucanu, I., Kerek, F. A simple and rapid method for the permethylation of carbohydrates. Carbohydrate Research. 131 (2), 209-217 (1984).
  7. Lamari, F. N., Kuhn, R., Karamanos, N. K. Derivatization of carbohydrates for chromatographic, electrophoretic and mass spectrometric structure analysis. Journal of Chromatography B. 793 (1), 15-36 (2003).
  8. Nishikaze, T., Amano, J. Reverse thin layer method for enhanced ion yield of oligosaccharides in matrix-assisted laser desorption/ionization. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 23 (23), 3787-3794 (2009).
  9. Williams, T. I., Saggese, D. A., Wilcox, R. J., Martin, J. D., Muddiman, D. C. Effect of matrix crystal structure on ion abundance of carbohydrates by matrix-assisted laser desorption/ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 21 (5), 807-811 (2007).
  10. Nicola, A. J., Gusev, A. I., Proctor, A., Jackson, E. K., Hercules, D. M. Application of the fast-evaporation sample preparation method for improving quantification of angiotensin II by matrix-assisted laser desorption/ionization. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 9 (12), 1164-1171 (1995).
  11. Lai, Y. H., et al. Reducing Spatial Heterogeneity of MALDI Samples with Marangoni Flows During Sample Preparation. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 27 (8), 1314-1321 (2016).
  12. Ou, Y. -M., et al. Preparation of Homogeneous MALDI Samples for Quantitative Applications. Journal of Visualized Experiments. (116), e54409(2016).
  13. Lee, H., et al. Enhancing carbohydrate ion yield by controlling crystalline structures in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry. Analytica Chimica Acta. , 49-55 (2017).
  14. Allwood, D. A., Perera, I. K., Perkins, J., Dyer, P. E., Oldershaw, G. A. Preparation of 'near' homogeneous samples for the analysis of matrix-assisted laser desorption/ionisation processes. Applied Surface Science. 103 (3), 231-244 (1996).
  15. Sadeghi, M., Vertes, A. Crystallite size dependence of volatilization in matrix-assisted laser desorption ionization. Applied Surface Science. 127 (Supplement C), 226-234 (1998).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

MALDI massaspectrometriekoolhydraatanalyseherkristallisatiemethanolbehandelingsignaalversterkingimaging massaspectrometriedried droplet methodeultrasoon badmicroscopisch onderzoek

Gerelateerde artikelen