Artigo de método

Estudo Comparativo dos Modos de Aquisição DDA e DIA em Espectrometria de Massa UPLC-Q-Orbitrap Usando Pó de Huaihua

DOI:

10.3791/69227

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3 de outubro de 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

Neste artigo

Resumo

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Este estudo compara os modos DDA e DIA (UPLC-QE-Orbitrap MS) para analisar o pó de Huaihua, um TCM complexo. Métodos otimizados de DDA e DIA foram desenvolvidos; compostos foram identificados via Compound Discoverer. O desempenho (identificação do composto, reprodutibilidade, qualidade espectral, sensibilidade) foi avaliado, fornecendo orientação empírica para a seleção do modo de varredura da MTC.

Resumo

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Este estudo avalia sistematicamente o desempenho comparativo de dois modos de aquisição de espectrometria de massa, aquisição dependente de dados (DDA) e aquisição independente de dados (DIA), juntamente com espectrometria de massa de alta resolução de cromatografia líquida de ultra-alta eficiência-quadrupolo-orbitrap (UPLC-Q-Orbitrap HRMS) para perfil químico abrangente de formulações complexas de medicina tradicional chinesa (MTC). O pó de Huaihua, uma prescrição formulada clássica, foi empregado como um sistema modelo para avaliação empírica. Os métodos otimizados de aquisição de DDA e DIA foram estabelecidos separadamente: o método DDA incorporou uma estratégia de seleção de íons precursores direcionados com parâmetros de fragmentação personalizados, enquanto o método DIA empregou uma estratégia de janela variável segmentada para cobrir a faixa m/z alvo, realizando fragmentação imparcial em todos os íons precursores. A identificação do composto foi executada usando o software Compound Discoverer. A avaliação comparativa concentrou-se especificamente nas características de desempenho dos dois modos de aquisição, abrangendo o número de compostos identificados, reprodutibilidade, qualidade espectral MS/MS e sensibilidade de detecção para constituintes ativos de baixa abundância. Os resultados demonstraram que o modo DDA produziu um número total maior de compostos detectados, enquanto o modo DIA gerou uma proporção maior de identificações de alta confiança (10,63% com pontuações de correspondência espectral >0,8). Notavelmente, a abordagem DIA exibiu reprodutibilidade significativamente superior no tempo de retenção e na área de pico para seis compostos representativos, com a rutina mostrando uma diferença de >3 vezes no tempo de retenção RSD entre os dois modos de aquisição. No entanto, o DDA produziu espectros MS/MS mais limpos com íons fragmentos distintos, enquanto os espectros DIA exibiram interferência de íons contaminantes. Ao mesmo tempo, o DIA detectou efetivamente constituintes ativos de baixa abundância cujos cromatogramas de íons e fragmentos de MS/MS não puderam ser extraídos no modo DDA. Este estudo contribui com evidências experimentais críticas e conjuntos de dados analíticos para informar a seleção de modos de aquisição de espectrometria de massa de alta resolução para pesquisas complexas de formulação de MTC. Pesquisadores subsequentes podem integrar as vantagens complementares de ambas as abordagens para atingir objetivos duplos na caracterização abrangente de compostos.

Introdução

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As fórmulas da medicina tradicional chinesa (MTC) possuem sistemas químicos complexos com variações significativas nas concentrações de componentes, particularmente a presença de numerosos ingredientes ativos de baixa abundância, que representam sérios desafios para as tecnologias analíticas. Huaihua Powder, uma fórmula clássica e renomada da medicina tradicional chinesa, é composta por quatro ervas medicinais: Sophora japonica, folhas de Platycladus orientalis, espigas de Schizonepeta tenuifolia e casca de Citrus aurantium. Esta fórmula contém uma gama diversificada de substâncias bioativas, incluindo flavonóides, alcalóides e óleos voláteis, com variações significativas em suas concentrações. Ele serve como um modelo representativo de sistemas complexos1 para estudar a base material das fórmulas da MTC. A caracterização precisa, abrangente e confiável de sua composição química é um pré-requisito crítico para elucidar a base do material farmacodinâmico e melhorar os padrões de controle de qualidade.

Cromatografia Líquida de Ultra-Alta Eficiência-Campo Quadrupolo-Eletrostático A Espectrometria de Massa de Alta Resolução Orbitrap (UPLC-QE-Orbitrap MS) surgiu como uma plataforma central para analisar componentes químicos em sistemas complexos de MTC, devido à sua excepcional resolução, sensibilidade e precisão de massa. Em termos de estratégias de aquisição de dados, a Aquisição Dependente de Dados (DDA) e a Aquisição Independente de Dados (DIA) são dois modos convencionais 2,3,4 (Figura 1). O modo DDA aciona seletivamente a fragmentação de íons de alta abundância com base em regras predefinidas (por exemplo, limiares de intensidade de íons precursores, exclusão dinâmica), produzindo espectros MS/MS de alta qualidade direcionados que facilitam a elucidação estrutural. No entanto, tem limitações 5,6,7,8 na cobertura de íons de baixa abundância. Em contraste, o modo DIA executa a fragmentação não discriminatória de todos os íons precursores dentro de uma faixa de relação massa-carga especificada usando janelas contínuas ou variáveis. Teoricamente, ele captura todos os íons detectáveis, aumentando significativamente a amplitude e a reprodutibilidade da detecção, particularmente adequado para análises globais não direcionadas, embora os espectros mistos MS / MS resultantes sejam mais complexos de interpretar 5,9.

Atualmente, embora as técnicas de DDA e DIA tenham sido aplicadas individualmente na análise da MTC, estudos comparativos empíricos e sistemáticos sobre os principais indicadores de desempenho, como amplitude de identificação (especialmente para componentes de baixa abundância), qualidade do espectro MS / MS e sensibilidade de detecção, dentro do mesmo sistema complexo de fórmula da MTC (por exemplo, pó de Huaihua) permanecem insuficientes. Esclarecer os cenários, vantagens e limitações aplicáveis desses dois modos em matrizes complexas de MTC é crucial para os pesquisadores otimizarem a seleção de estratégias com base em objetivos experimentais específicos10.

Os principais parâmetros e limitações são resumidos aqui para orientar os leitores sobre a aplicabilidade deste protocolo. O método é altamente eficaz para traçar perfis de matrizes herbáceas complexas, com parâmetros otimizados para um sistema contendo flavonóides e alcalóides. A janela da variável DIA crítica foi definida para 30 m/z após o teste empírico; Este parâmetro deve ser ajustado para amostras com diferentes propriedades físico-químicas. O método detecta de forma confiável íons de baixa abundância (área de pico ~ 105), mas requer aquisição em modos de ionização positivos e negativos separados para garantir a qualidade dos dados. Uma limitação primária é a dependência do DIA de bibliotecas espectrais e software avançado de deconvolução para identificações confiáveis, o que influencia os requisitos de recursos computacionais.

Assim, este estudo visa realizar uma comparação aprofundada e sistemática do desempenho abrangente dos modos de varredura DDA e DIA na plataforma UPLC-QE-Orbitrap MS, usando a fórmula clássica Huaihua Powder como estudo de caso. Serão desenvolvidos métodos otimizados de varredura DDA e DIA adaptados para análise de pó de Huaihua. O processamento dos dados será realizado utilizando o software Compound Discoverer para avaliar e comparar os dois modos nas seguintes dimensões: (1) número total de compostos identificados; (2) qualidade dos espectros MS/MS adquiridos; (3) reprodutibilidade das áreas de pico e tempos de retenção de compostos representativos; e 4) sensibilidade de detecção para componentes ativos de baixa abundância. Espera-se que esta pesquisa forneça evidências experimentais sólidas e suporte de dados para a seleção de modos de varredura de espectrometria de massa de alta resolução em estudos de sistemas complexos de MTC, explorando o potencial de vantagens complementares de DDA e DIA para alcançar um "equilíbrio entre amplitude e profundidade" e avançar na modernização da MTC.

Durante o experimento, em relação à parametrização da janela de variável segmentada no modo de aquisição DIA, sugerimos configurá-la para 30 m/z. Ao mesmo tempo, o efeito de coleta de íons positivos e negativos separadamente é melhor.

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Protocolo

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Os reagentes e os equipamentos utilizados neste estudo estão listados na Tabela de Materiais.

1. Preparação da solução de teste de pó Huaihua

  1. De acordo com as normas de processamento de "Flor de Sophora Frita" na edição de 2020 da Farmacopeia Chinesa (Parte I), pegue uma quantidade adequada do material original da flor de Sophora, remova impurezas e galhos, peneire cinzas e detritos, coloque em uma frigideira quente e frite em fogo baixo (100 ° C) até amarelo escuro. Retire e deixe esfriar.
  2. Prepare os produtos processados de folhas de Platycladus orientalis de acordo com as "Regras Gerais de Preparação 0213" na edição de 2020 da Farmacopeia Chinesa (Parte IV). Pegue uma quantidade adequada das folhas originais de Platycladus orientalis , remova as impurezas, coloque em uma panela quente e frite em fogo baixo (100 ºC) até amarelar. Retire e deixe esfriar.
  3. Prepare os produtos processados de Zhike de acordo com o método de "farelo frito Fructus Aurantii" na edição de 2020 da Farmacopeia Chinesa (Parte I). Pegue uma quantidade adequada de matéria-prima Zhike, remova as impurezas, aqueça a 100 °C e polvilhe uma quantidade adequada de farelo de trigo na proporção de 1:10 (materiais para excipientes).
    1. Assim que a fumaça subir, adicione fatias de Zhike cruas e frite rapidamente. Quando a superfície ficar amarela ou amarela escura, remova, peneire o farelo, deixe esfriar e reserve.
  4. Prepare o pó de Huaihua de acordo com a prescrição de proporção de peso 1:1:1:1 da Formulologia Médica Chinesa (New Century 3ª Edição). Pesar com precisão 1 g de cada pó de ervas (peneirado através de uma peneira nº 5).
    1. Combine os pós em um pilão e misture de acordo com o "método de trituração e mistura" para pós da medicina tradicional chinesa: moa suave e consistentemente em uma direção por 10 min.
    2. Considere o pó uniformemente misturado quando não forem observadas estrias visíveis, aglomerados ou variações de cor, resultando em uma aparência homogênea em toda a mistura. Prepare a amostra final de pó de Huaihua usando este método.
  5. Avalie a uniformidade da mistura usando um protocolo de inspeção visual padronizado. Examine a mistura de pó sob condições de iluminação consistentes contra um fundo branco.
    NOTA: Considere a mistura homogênea somente se ela atender a todos os seguintes critérios: cor uniforme em toda parte, sem listras ou manchas visíveis de componentes individuais; textura consistente sem divergência grosseira ou fina; nenhuma variação óbvia na tonalidade da cor quando amostrada de vários pontos; e nenhum nódulo granular agregado detectável após inspeção cuidadosa. Realize essa avaliação por dois analistas independentes para garantir a consistência.
  6. Pese com precisão 0,1 g da amostra de pó Huaihua bem misturada. Transferir a amostra para um balão volumétrico de 10 ml. Adicione 8 mL de metanol.
  7. Realize a extração ultrassônica por 60 min com uma potência de 500 W e uma frequência de 40 kHz. Resfrie à temperatura ambiente. Completar o volume com metanol.
    1. Agite bem para obter uma concentração final de 10 mg/mL de extrato de Huaihua em pó. Filtrar através de uma membrana microporosa de 0,22 μm (PVDF). Transferir o filtrado para um frasco de amostra para ensaio.
      NOTA: Durante o experimento, o líquido de resíduos orgânicos e outros reagentes tóxicos e nocivos relacionados foram classificados e rotulados. E a cada 2 semanas, a equipe do Escritório de Gerenciamento de Ativos e Experimentais da Universidade de Medicina Tradicional Chinesa de Chengdu o transporta para uma instituição qualificada para reciclagem e processamento unificados.

2. Condições de detecção para UPLC-Q-Orbitrap HRMS

  1. Configurações de parâmetros do sistema cromatográfico
    1. Use uma coluna C18 (3,0 mm × 100 mm, 2,6 μm). Manter a temperatura da coluna a 30 °C. Empregar a fase móvel A (0,1% de ácido fórmico em água) e a fase móvel B (acetonitrila).
    2. Programe o gradiente da seguinte forma: 0-10 min, 5%-20% B; 10-25 min, 20%-50% B; 25-40 min, 50%-95% B; 40-45 min, 95% B. Defina a taxa de fluxo para 0,3 mL / min. Injetar 5 μL da amostra.
  2. Realize o estudo de espectrometria de massa com as seguintes configurações de parâmetros.
    NOTA: Fonte de íons: Ionização por eletrospray aquecida (H-ESI); Modo de varredura: No modo de aquisição DDA, adquira íons positivos e negativos simultaneamente; no modo de aquisição DIA, adquira íons positivos e negativos separadamente; Parâmetros da fonte de íons: Tensão de pulverização +3,5 kV (íons positivos)/-2,8 kV (íons negativos); velocidade do fluxo de ar da bainha 40 arb; velocidade do fluxo de ar auxiliar 10 arb; velocidade do gás de sopro 1 arb; Temperatura do tubo de transmissão de íons: 320 °C; Temperatura de evaporação: 350 °C; Nível de RF da lente S: 55%.
    1. Construção e otimização do método de Aquisição Dependente de Dados (DDA)
      1. Para MS Scan completo (MS completo), escolha as seguintes configurações:
        NOTA: Resolução: 35.000; Faixa de varredura: 100-1000 m/z; Alvo de Controle Automático de Ganho (AGC): 3e6; Tempo máximo de injeção (Max IT): 100 ms.
      2. Para Análise MS/MS dependente de dados (dd-MS2), escolha as seguintes configurações:
        1. Para a seleção de íons moleculares, mantenha o limiar de intensidade de 5e4. Exclua íons não carregados e picos de isótopos (ative a exclusão de isótopos). Aplique exclusão dinâmica com um tempo de exclusão de 15 s e uma tolerância de massa de ±10 ppm para evitar a seleção repetida de íons de alta intensidade.
        2. Para configurações de fragmentação, mantenha o seguinte: Janela de isolamento: 1,0 m/z; Método de fragmentação: Dissociação de colisão de alta energia (HCD); Energia de colisão normalizada (NCE): 20, 40, 60 V; Resolução secundária: 17.500; Alvo AGC: 1e5; TI máxima: 50 ms; Estratégia TopN: Selecione os 3 principais íons moleculares com a maior intensidade para fragmentação em cada ciclo de varredura.
    2. Construção e otimização do Método DIA
      1. Para o Full MS Scan, use os mesmos parâmetros do método DDA.
      2. Para varredura de MS/MS independente de dados (DIA-MS/MS), estabeleça uma estratégia de janela de isolamento de variável segmentada.
      3. Defina o intervalo alvo como 100-1000 m/z. Divida as janelas com base na distribuição da abundância de íons em toda a faixa m/z usando espectros DDA de alta qualidade sob condições cromatográficas otimizadas. Defina janelas variáveis para equilibrar a abundância total de íons entre os segmentos, evitando saturação ou insuficiência.
      4. Otimize para 30 janelas para equilibrar a cobertura e o tempo de ciclo.
        NOTA: Configurações de fragmentação - Método de fragmentação: HCD; NCE: 20, 40, 60 V; Resolução: 17.500; Alvo AGC: 1e6; TI máxima: Auto; Janela variável segmentada: 30 m/z.; Contagem de loops: 30.
      5. Estabeleça a lista de inclusão com base no peso molecular central de cada segmento da janela de isolamento, por exemplo, m/z 115, 145, 175, 205 ... 925, 955, 985.
    3. Processo de aquisição de dados
      1. Equilíbrio do sistema: Equilibre a coluna cromatográfica com a fase móvel por pelo menos 5 min.
      2. Execução da amostra pré-experimento: Prepare a solução de teste de pó Huaihua de acordo com o procedimento de preparação. Injetar 5 amostras consecutivas. Avalie a estabilidade do sistema (tempo de retenção RSD < 2%, intensidade total da corrente iônica RSD < 5%).
      3. Execução em branco: Injete a solução em branco de metanol para subtração de fundo.
      4. Amostra de pó Huaihua em execução: Analise cada amostra por injeção em ordem aleatória. Execute todas as amostras independentemente para cada modo de varredura (DDA, DIA).
    4. Processamento de dados
      1. Identificação de compostos
        1. Importe os dados brutos adquiridos por espectrometria de massa para o software Compound Discoverer. Estabeleça um fluxo de trabalho de identificação para componentes desconhecidos. Execute o processamento de pico e o alinhamento de pico. Combine os espectros MS/MS medidos com o banco de dados MS/MS on-line mzCloud e o banco de dados MS/MS local mzVault.
        2. Aplique os seguintes parâmetros de filtragem: limiar da área de pico 105, desvio de massa ± 5 ppm para íons primários e secundários e pontuação correspondente ≥80. Compare íons filtrados com informações compostas de bancos de dados, padrões de referência e literatura relevante para identificar componentes químicos.
        3. Operação específica no software Compound Discoverer: Crie um novo processo de análise e selecione o fluxo de trabalho Produto natural/ID desconhecido do produto natural com Estatísticas on-line e Pesquisas de banco de dados local .
        4. Garanta a inclusão do nó Detectar Compostos para identificação e extração de picos. Adicione os bancos de dados Search mzCloud e Search mzVault ao fluxo de trabalho.
        5. Adicione o arquivo de dados brutos e defina os parâmetros de filtragem (limite de área de pico 105, desvio de massa ± 5 ppm para íons primários e secundários). Clique em executar para executar a análise.
      2. Análise comparativa de indicadores relacionados
        1. Quantidade de identificação: Compare o número total de compostos identificados nos modos de íons positivos e negativos para os modos DDA e DIA. Construa mapas de distribuição de íons para cada modo.
        2. Estudo de reprodutibilidade: Compare as diferenças de tempo de retenção (RT) e área de pico (AA) de compostos representativos com alta abundância (rutina, quercitrina), abundância média (neohesperidina, naringina) e baixa abundância (psoralenol, ácido trimetilcolchicínico) entre os modos DDA e DIA (n = 5).
        3. Qualidade do espectro MS / MS: Avalie a qualidade dos espectros de íons de fragmentos MS / MS de pulegona, um composto-chave no Q-Marker, nos modos DDA e DIA.
        4. Detecção de componentes de baixa abundância: Comparar a detecção de fragmentos MS/MS de compostos representativos de baixa abundância (carvona, adenosina) nos modos DDA e DIA5.

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Resultados

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Identificação global dos compostos

Os cromatogramas de corrente iônica total do pó de Huaihua sob os dois modos de aquisição são mostrados na Figura 2, com diferenças gerais mínimas. No modo de aquisição de DDA, um total de 14.958 compostos foram identificados nos modos de íons positivos e negativos, enquanto 9.489 compostos foram identificados no modo de aquisição de DIA (

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Discussão

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Neste estudo, vale a pena mencionar que descobrimos que, no modo de aquisição do DIA, a configuração do valor da janela de variável segmentada não deve ser muito grande. Tentamos configurá-lo para 300mz e 100mz, mas o efeito espectral final foi ruim. Após repetidas explorações e tentativas, finalmente escolhemos a janela de aquisição de 30mz como a mais adequada. Portanto, a configuração da janela de aquisição tem um impacto crucial no sucesso ou fracasso do experimento.

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Divulgações

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Os autores declaram não haver conflito de interesses.

Agradecimentos

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O presente estudo foi apoiado financeiramente pelo Fundo da Juventude da Fundação Provincial de Ciências Naturais de Sichuan (No.2025ZNSFSC1823); o Projeto de Mudas de Inovação em Ciência e Tecnologia da Província de Sichuan (MZGC20230055); e o Programa de Promoção de Pesquisa de Talentos da Disciplina "Xinglin Scholars" da Universidade de Medicina Tradicional Chinesa de Chengdu para o Projeto Especial de Talentos de Berçário (MPRC2022017).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
AcetonitriloThermo Fisher/Pureza cromatográfica
Software Compound Discoverer 3.3Thermo Fisher/Processamento de dados de espectrometria de massa e identificação de compostos
Fructus aurantiiSichuan Neijiang220709As ervas na prescrição de Huaihua Powder
Folhas de Platycladus orientalisShandong Linyi240619As ervas na prescrição de Huaihua Powder
Pico de SchizonepetaJiangsu Taizhou240601As ervas na prescrição de Huaihua Powder
Flor de SophoraSichuan Guangan241017As ervas na prescrição de Huaihua Powder
Máquina de limpeza ultrassônicaEquipamento ultrassônico Co. da limpeza de Jietuto, LTD240HTExtração de componentes do pó de Huaihua
UPLC-Q-Orbitrap HRMSThermo Fisher/Espectrômetro de massa de alta resolução
ÁguaEmpresa Watsons/Água ultrapura

Referências

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