Artigo de método

Análise de respiração em tempo real usando o Nanoelectrospray secundário ionização acoplada a espectrometria de massa de alta resolução

DOI:

10.3791/56465

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9 de março de 2018

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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

Neste artigo

Resumo

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Um protocolo para caracterizar a composição química do ar exalado em tempo real usando nanoelectrospray secundário ionização acoplada a espectrometria de massa é demonstrada de alta resolução.

Resumo

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Exalado de compostos orgânicos voláteis (COV) têm despertado interesse considerável, uma vez que eles podem servir como biomarcadores para diagnóstico da doença e exposição ambiental de uma forma não-invasiva. Neste trabalho, apresentamos um protocolo para caracterizar os COV exalados em tempo real usando o nanoelectrospray secundário ionização acoplada a espectrometria de massa de alta resolução (Sec-nanoESI-HRMS). Fonte de Sec-nanoESI de caseiro foi prontamente constituída com base em uma fonte de nanoESI comercial. Centenas de picos foram observadas nos fundo-subtraído espectros de massa de ar exalado, e os valores de precisão em massa são-4.0-13,5 ppm e-20.3-1,3 ppm nos modos de deteção de iões positivos e negativos, respectivamente. Os picos foram atribuídos com a exata composição elementar de acordo com a massa exata e isotópica padrão. Menos de 30 s é utilizado para a medição de uma exalação, e demora cerca de 7 min para seis medições replicadas.

Introdução

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Com o rápido desenvolvimento de modernas técnicas analíticas, centenas de compostos orgânicos voláteis (COV) foram identificadas no ar exalado humana1. Estes compostos orgânicos voláteis resultam principalmente ar alveolar (~ 350 mL para um adulto saudável) e ar de espaço morto anatômico (~ 150 mL)2, que são afetados pelo corpo metabolismo3,4,5,6,7 ,8 e poluição ambiental9, respectivamente. Como resultado, se identificado, estes compostos orgânicos voláteis são promissores para ser usado como biomarcadores para diagnóstico da doença e exposição ambiental, de forma não-invasiva.

Apesar de espectrometria de massa de cromatografia gasosa (GC-MS) é a técnica mais amplamente utilizada para análise qualitativa e quantitativa de exalado VOCs2, técnicas de MS diretas, que têm sido desenvolvidos para análise em tempo real de respiração, têm as vantagens de tempo de resolução e pré-preparação da amostra simples. Técnicas de MS diretas, tais como a reação de transferência de próton MS (PTR-MS)10, selecionado tubo de fluxo do íon MS (SIFT-MS)11, secundário electrospray ionização MS (SESI-MS)12,13 (também chamado como electrospray extractiva ionização MS, EESI-MS14,15), rastreamento gás atmosférico analisador (TAGA)16 e plasma ionização MS (PI-MS)17 foram investigados nos últimos anos.

Entre todas as técnicas diretas do MS, o SESI é conhecido como um universal ionização suave técnica19,20,21; e a fonte é fácil de ser personalizado e acoplado para diferentes tipos de espectrómetros de massa, por exemplo, tempo de voo espectrômetro de massa8,15, ion trap em massa espectrômetro14 e orbitrap espectrômetro de massa12 ,18. Até agora, SESI-MS tem sido utilizado com sucesso no diagnóstico de doenças respiratórias,22, aferição de ritmo circadiano3,6,23, farmacocinética7,8, e revelando vias metabólicas4, etc. Mais recentemente, uma fonte comercial do SESI tornou-se disponível.

Neste estudo, uma fonte de ionização facile e compacto nanoelectrospray secundário (Sec-nanoESI) foi criada e acoplada a um espectrômetro de massa de alta resolução. Apresentaram-se medições em tempo real de COV exalado na respiração.

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Protocolo

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Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso. Por favor, use equipamento de protecção adequado, por exemplo, jaleco, luvas, óculos, calças de comprimento total e sapatos fechados).

1. configurar a fonte de Sec-nanoESI

  1. Configurar uma fonte de Sec-nanoESI de acordo com o processo do SESI, ou seja, o gás de respiração é introduzido para cruzam uma pluma de electrospray e ionizado pelas gotas carregadas (Figura 1). As fontes construídas em laboratórios individuais dependem da interface do espectrômetro de massa usado24,25. Aqui, configurar a fonte de Sec-nanoESI baseada em uma fonte de nanoESI comercial (Figura 2) e implementar para um bancada quadrupolo orbitrap espectrômetro de massa.
    Nota: O corpo principal da fonte é uma câmara de aço inoxidável cúbica (comprimento 25mm, identificação 13 mm) (Figura 2b) com uma entrada (identificação de 4 mm) para introduzir o nanoESI capilar para a câmara. Assim, a câmara não é completamente selado (Figura 2b).
  2. Instale dois tubos de aço inoxidável (comprimento 8 mm, 5mm de diâmetro externo, identificação 3 mm) de cada lado da câmara para entrega de gás.
  3. Equipe duas janelas de quartzo (identificação 14 mm) na parte superior e inferior da câmara para verificar a posição da ponta da nanoESI capilar e spray de nanoESI por olhos ou um microscópio digital.
  4. Solde a câmara para o cone de varredura do espectrômetro de massa.
    Nota: O design pode mudar dependendo da geometria particular da pressão atmosférica interface do espectrômetro de massa, usado em laboratórios individuais.

2. otimização do instrumento

  1. Calibre o espectrômetro de massa em ambos os modos de deteção de iões positivos e negativos de acordo com as instruções do fabricante. Aplicando a calibração, parâmetros de espectrômetro de massa, tais como a lente potenciais e as condições de deteção, são otimizados para dar boa sensibilidade e forma de pico em um valor de resolução especificada. A resolução em massa de 70000 é usada aqui.
    1. Realizar calibrações Q Exactive completas usando a fonte ESI comercial; no entanto, calibração de massa pode ser executada com quaisquer fontes compatíveis, incluindo os personalizados.
  2. Regule a temperatura do tubo de transferência de iões (ITT) o espectrômetro de massa > 100 ° c. Embora a mais alta temperatura pode ser definida a 350 ° C, pode resultar na decomposição de alguns compostos. Assim, a 150° C é usado neste experimento.
    Nota: Para os espectrómetros de massa, apresentando um orifício de amostragem em vez de ITT, a temperatura do orifício de amostragem é definida > 100 ° C.
  3. Para a taxa de fluxo e solvente ESI, selecione o solvente apropriado ESI com base nas propriedades de solvente (por exemplo, polaridade e volatilidade) e compostos alvo (por exemplo, afinidade protônica). Uma mistura de água e metanol em várias relações tem sido comumente usada como solvente de ESI25. Neste experimento, usar água contendo 0,1% (v/v) de ácido fórmico, para eficiência de ionização elevada foi relatado este solvente13,19,23. Definir a taxa de fluxo do solvente ESI no intervalo de 0 a 1,5 µ l/min e 200 nL/min.
    Nota: Degas ESI solvente por 30 min antes de usar.
  4. Otimize a Sec-nanoESI fonte de parâmetros, principalmente a tensão de nanoESI e a posição de ponta capilar nanoESI. A tensão comumente varia de 2,0 a 4,5 kV. Uso 2,5 kV aqui.
    Nota: Maior tensão ESI é aplicada a medida que aumenta a taxa de fluxo. A distância entre a ponta e o orifício de espectrômetro de massa pode ser ajustada de 1 a 5 mm. Após a otimização, o nível de intensidade normalizada (NL), observado em um espectro de massa deve ser > 1 x 106 e a variação do cromatograma de íons totais (TIC) devem ser < 10% em ambos os modos de deteção de iões positivos e negativos. O espectro de massa e TIC são obtidos na faixa de massa de m/z 50-750.
  5. Aplicam-se à fonte de gás puro. Essa é uma etapa opcional, visando reduzir a influência de compostos orgânicos voláteis do ar interior. Gás de nitrogênio de alta pureza (N.2, 99,99%) ou ar puro pode ser usado. Com a presença de gás puro, o NL observada em um espectro de massa deve ser > 1 x 105 e a variação das TIC devem ser < 10% em ambos os modos de deteção de iões positivos e negativos. Alta pureza N2 é usado aqui e entregue a 0,8 L/min.
    Nota: A taxa de fluxo total de gás puro e respiração deve ser superior a taxa de fluxo através do orifício do espectrômetro de massa.

3. medição de ar exalado

  1. Inalar o ar interior e realizar uma expiração normal para expirar todo o ar dos pulmões em uma taxa de fluxo constante. Monitore a taxa de fluxo de exalação através de um manómetro ou um medidor de fluxo visível para o assunto. Use tubos de Teflon (PTFE) para entregar o gás de respiração23.
    1. Para evitar a condensação do vapor de água dentro da tubulação, aqueça o tubo a uma temperatura de 80-100 oC7,23,27 ou usar um secador Nafion28,29. Neste experimento, o sujeito expirado a 0,4 L/min, controlada por um medidor de fluxo.
    2. Conecte a entrada do medidor de fluxo de uma tubulação de Nafion (comprimento 60 cm) para remover o vapor de água do ar exalado e conectar a saída do medidor de fluxo para um tubo de PTFE (13 cm, identificação de 4 mm de comprimento). É preciso < 30 s para uma medição de exalação.
    3. Realize medições replicadas de 4-628,29.
    4. Para minimizar os efeitos de confundimento, tem participantes de comer, beber e escovar seu dentes pelo menos 30 min antes das medidas23.
      Nota: Para minimizar a influência de compostos orgânicos voláteis do ar interno, foi relatado para inalar gás puro em vez de ar interior,26. Quando é usado um tubo de Nafion, alguns compostos polares podem ser perdidos.
    5. Durante a medição, continua a verificar se a intensidade do íon excede o limite de detecção linear do instrumento ou não. A saturação do sinal pode levar a um pico de artefato que praticamente não resulta do composto na amostra. Por inalar através do nariz, seria removido parte do ambientes compostos orgânicos voláteis e partículas; no entanto, é notável que compostos nas passagens nasais também podem ser detectados.

4. obter uma impressão digital de respiração e um rastreamento de tempo de um composto

  1. Obtenção de cromatogramas e espectros de massa. Use o software (por exemplo, Xcalibur) para registros cromatogramas e espectros de massa. Porque esta é a análise direta do MS e sem separação cromatográfica é executada, o cromatograma de íons totais (TIC) na verdade indica o rastreamento de tempo de todos os sinais detectados em espectros de massa e o cromatograma de íons extraídos (EIC) mostra o rastreamento de tempo de um composto especificado.
    Nota: Outros comerciais espectrómetros de massa, os cromatogramas e espectros de massa podem ser obtidos pelo software de aquisição de dados correspondente.
  2. Obter uma impressão digital ar exalado selecionando um número de exames em TIC ao ar exalado é medido. Obter um espectro de massa que representa uma média desses exames pelo software.
    1. Para eliminar os picos de fundo de digitais de respiração, use a ferramenta de subtrair fundo no software. Por favor, consulte o guia do usuário fornecido pelo fabricante. Em breve, selecione o mesmo número de varreduras quando nenhuma amostra de respiração é introduzida e subtrair o espectro de massa de fundo de digitais de respiração.
      Nota: Neste método, o limiar para identificar as características em digitais de respiração é definido como três vezes o desvio-padrão do sinal de fundo. Para outros comerciais espectrómetros de massa, subtração de fundo pode ser executada pelo software de aquisição de dados correspondente.
  3. Obter um rastreamento de tempo de um composto especificado. Selecione o pico de um alvo composto em digitais de respiração e o tempo de rastreamento do composto é adquirido posteriormente pelo software.

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Resultados

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A Figura 3 mostra as impressões digitais de respiração na faixa de massa de m/z 50-750 registados em ambos os modos de deteção de iões positivos e negativos. 291 picos (pico de intensidade > 5.0x104) e 173 picos (pico de intensidade > 3.0x104) foram observadas em impressões digitais de respirar fundo-subtraída nos modos de deteção de iões positivos e negativos, respectivamente. Para identificar picos em espectros de massa,...

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Discussão

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Construindo a Sec-nanoESI fonte baseada em uma fonte de nanoESI comercial, a eficiência de ionização é maior do que usando um ESI fonte30. Além disso, a eficiência de ionização é melhorada ainda mais em uma câmara fechada, como isola o processo do ar ambiente e ao mesmo tempo facilite a mistura entre a amostra de gás e a nuvem de pulverização. Usando um seg-nanoESI, menos parâmetros precisam ser otimizadas em comparação a uma fonte ESI, tornando mais fácil para a instalação, aplicação e manutenção...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho tem sido apoiado financeiramente pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (n. º 91543117).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Água ultrapuraMerck Millipore, EUAMPGP04001Resistência >18.2 MΩ · cm
Ácido fórmicoSigma-Aldrich, EUAF0507Corrosivo para o trato respiratório.
Gás nitrogênioGuangzhou Shiyuan Gas Co. Ltd., ChinaN.A.aPureza >99,99%
Q Espectrômetro de massa híbrido exativo quadrupolo-orbitrapThermo Scientific, EUA02634L(S/N)Cuidado com a fonte NanoESI de alta tensão e alta temperatura
Thermo Scientific, EUAES002373(S/N); ES071 (P / N)de alta tensão e alta temperatura
Thermo Scientific, EUA5041.0010A (P / N) /
Xcalibur software (Versão 3.0)Thermo Scientific, EUABRE0008596/
Dino-Lite Digital MicroscopeTech Video System (SuZhou) Co.Ltd., ChinaCQ401833R (S / N)/
Tubulação NafionPerma Pure LLC, EUAME60/
Tubulação de PTFE (ID 4 mm)Dongguan Hongfu Insulating Material Co. Ltd., ChinaN.A.Cuidado com a possível perda de compostos polares
Controlador de fluxo de massaLine-Tech, CoréiaM15122007 (S / N)/
Medidor de vazãoYuyao Industrial Automation Meter Factory, China40784/
< > a< / sup> N.A.: não disponível.
Cuidado com a bomba Nano LC

Referências

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