Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

נדיפים חיידקית משנית אפיון באמצעות Ionization electrospray ספקטרומטריית מסה (SESI-MS)

Published: June 8, 2011 doi: 10.3791/2664
Automatic Translation
1, 1, 1
1School of Engineering, University of Vermont

Summary

משני יינון electrospray ספקטרומטריית מסה (SESI-MS) מאפשרת זיהוי של תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) ללא צורך המקדים כל המדגם. פרוטוקול זה מספק הוראות לאפיון (בתוך דקות) המהירה של VOCs חיידקי באמצעות SESI-MS.

Abstract

משני יינון electrospray ספקטרומטריית מסה (SESI-MS) היא שיטה שפותחה לצורך זיהוי מהיר של תרכובות נדיפות, ללא צורך המקדים המדגם. השיטה תוארה לראשונה על ידי פן ועמיתיו 1 ו הוחל זיהוי של סמים וחומרי נפץ 2 3-4, אפיון של נדיפים עור 5, ועל ניתוח נשימה 6-7.

יינון SESI מתרחשת על ידי העברת תגובות בין פרוטון הפתרון electrospray ואת אנליטי תנודתי, ולכן הוא מתאים לניתוח הטרו מולקולות אורגניות, בדיוק כמו יינון electrospray המסורתית (ESI). עם זאת, בניגוד ESI סטנדרטי, העברת הפרוטון תהליך SESI מתרחשת בשלב אדי ולא הפתרון (איור 1), ולכן SESI הוא המתאים ביותר לאיתור נדיפים אורגניים אירוסולים.

אנחנו מרחיבים את השימוש SESI-MS על זיהוי של נדיפים חיידקי כשיטה לזיהוי החיידק ואפיון 8. אנחנו הוכיחו כי SESI-MS טביעת אצבע נדיפים, בשילוב עם שיטת ניתוח סטטיסטי, יכול לשמש כדי להבדיל בין סוגים חיידקי, מין, ותרבויות מעורבת במגוון רחב של מדיה צמיחה. 8 הנה אנו מספקים את הצעדים להשגת טביעות אצבעות נדיפים חיידקי באמצעות SESI -MS, כולל פרמטרים אינסטרומנטלי כי צריך להיות מותאם על מנת להבטיח זיהוי חיידקים אפיון חזקים.

Protocol

איור 1
באיור 1. סכמטי לניתוח SESI-MS של נדיפים חיידקי. אמיץ של התרבות חיידקי שנעקרו על ידי CO 2 (1) החדרה התגובה SESI (2). כפי נדיפים לעבור את תא התגובה SESI כשהם עוברים דרך ענן electrospray ולהיות מיונן (3). מיונן פעם, נדיפים הם משכו לתוך ספקטרומטר מסה לניתוח (4). גז המוביל עודף נדיפים חיידקי unreacted הם עברו דרך מסנן 0.22 מיקרומטר (5), כאמצעי הגנה נוספים, פרקו את מכסה המנוע כימי. הבלעה: מחט electrospray SESI הוא סיליקה נימי (40 מזהה מיקרומטר) עם קצה מחודד ומחט.

כמו הפגנה של השימוש SESI-MS לאפיון של נדיפים חיידקים, E. coli K12 ו פ PAO1 aeruginosa הם מתורבתים aerobically ב 37 שעות במשך 24 מ"ל ב 50 LB-לנוקס ° C ואת ספקטרום SESI-MS של נדיפים אמיץ נאספים 2 דקות. דו תחמוצת הפחמן (99.99%) בקצב זרימה של L 2 / min משמש הגז המוביל למסירה נדיפים לתא התגובה. תא התגובה SESI היה מנהג נבנה מצויד ה-API-3000 (SCIEX), להחליף את המקור יון electrospray. ספקטרה נאספים במצב יון חיובי באמצעות חומצה פורמית 0.1%, מתנול 5.0% ו 94.9% מים (v / v) כפתרון electrospray, שנשא 5 NL / s דרך סיליקה שאינו מוליך נימי עם קצה מחודד ומחט (40 מזהה מיקרומטר). המתח הוא מיושם 2.5 kV. 1.4.2 אנליסט תוכנה (Applied Biosystems) משמש לאיסוף נתונים עם הפרמטרים הבאים: 20-500 דה, MCA מצב, 40 סריקות, 3 s / סריקה, ו -2 דקות הזמן הכולל ניתוח.

1. Culturing מערכת

  1. בחר את הכלי המתאים לגידול תרביות שלך, בהתחשב בדרישות הגידול של מינים של הניסוי שלך (למשל, אוורור אור, טמפרטורה וכו '), כמו גם אספקה ​​יעילה של נדיפים כדי ספקטרומטר מסה. הבקבוקים תרבות אנחנו בוחרים להשתמש הם סטנדרטיים 100 מ"ל פיירקס בקבוקי המדיה מצויד כמוסות הליכי כי יש לפחות שתי יציאות luer. קו היניקה מוחדר דרך בנמל אחד luer למסירה המוביל גז הבקבוק מדגם קו לשקע מוחדר דרך נמל אחר למסירה VOC אל המכשיר (איור 1). כל יציאות נוספות מחוברים.
  2. לפני culturing דגימות, לחצים על כלי שיט לצלול במים כדי לבדוק דליפות. דליפות גז הם הגורם העיקרי תוצאות טיפוסיות בצורת אותות חלשים או נעדרים יון נדיפים.

2. ניסוי ביולוגי: הגדרת הבטיחות שיקולים

  1. לגדול תרבויות שלך בתנאים המתאימים ההשערה שלך. מומלץ כי לפחות שני ביולוגי משכפל, כל אחד עם שתי טכניות משכפל, משמשים עבור כל משתנה.
  2. הכן ריק עבור כל מצב התרבות (בינוני, אנטיביוטיקה, וכו ') דגירה ריק באותם תנאים כמו דגימות שלך.
  3. להעסיק אמצעי הבטיחות המתאימים גורמים ביולוגיים אתה משתמש, תוך התחשבות ברמת biosafety (ים) של המינים.
  4. כדי למנוע זיהום של המכשיר שלך והעברת קווי גז עם גורמים ביולוגיים קיימא, להתקין פילטרים של גודל הנקבוביות המתאים לתוך הקו המוביל את הגז. המסננים לא יפריע להעברת נדיפים לתא התגובה SESI, אבל אולי מעט השפעה על יעילות העברת אירוסול. 6
  5. השתמש בלימה משנית או קבינט biosafety בעת צירוף את הכובע העברת הגז בקבוק התרבות שלך כדי להבטיח את הבלימה הנכונה במקרה של שפיכת גורמים ביולוגיים.
  6. ליזום הפסקת זרימת הגז המוביל אל בקבוק מדגם שלך בצורה לא תבנה הלחץ בתוך הבקבוק.

3. כלי אופטימיזציה

הערה: SESI-MS היא תוכננה במיוחד כדי נדיפים המדגם, כך להגביל את השימוש ריחני פריטים טיפול אישי (למשל, מי קולון, מי פה, קרם לחות, מרכך), מסטיקים, סיגריות וכו 'לפני השימוש במכשיר. חזק כובע כל כימיקלים נדיפים במעבדה, ואוויר לשלוט טיוטות ככל האפשר במהלך הבדיקה.

הפרמטרים הבאים אינסטרומנטלי, אשר משפיעים על עוצמת האות ואת היציבות, יהיה צורך אופטימיזציה עבור כלי הניסוי שלך.

  1. פתרון electrospray וקצב הזרימה: בחר את הפתרון המתאים electrospray לשיעור של מולקולות ברצונך להתמקד, תוך לקיחה בחשבון את המכשיר ההפעלה הקוטביות (מצב חיובי או שלילי-ion) ואת האופי המולקולרי של תרכובות מטרה. בניסוי זה הפתרון electrospray הוא חומצה פורמית 0.1%, מתנול 5.0%, 94.9% מים (V / V), אשר משפר את עוצמת האות של מולקולות קוטביות פחות whilהדואר לספק יציבות אות טוב. הפתרון מועבר בקצב הזרימה של 5 NL / s.
  2. גז המוביל קצב זרימה: גז הספק קצב הזרימה יכולה להשפיע על יציבות electrospray ועוצמת האות. CO 2 (≥ 99.99%) בקצב זרימה של L 2 / min משמש כאן.
  3. צורת מחט ואת המיקום: קצה מחט הצורה ואת המיקום מאוד משפיע על עוצמת האות ויציבות. בעת התקנת מחט חדשה, המיקום של המחט צריך להיות מותאם כדי ליצור איזון בין הרקע נמוך, בעוצמה גבוהה אות אנליטי, ויציבות האות. על מנת לשחזר ספקטרה SESI לאחר שינוי מחט, יש צורך מעת לעת לגבות ספקטרה כפי שאתה להתאים את מיקום המחט עד שתוכלו להתאים את ספקטרום נצפתה הרשומות שלך. המרחק בין קצה מחט electrospray אל פתח spec המונית יהיה 1-5 מ"מ.
  4. מתח יישומית: מתח המוחלת על המערכת משפיעה על עוצמת האות יון ואת היציבות של טיילור electrospray חרוט. בנוסף, מתח אופטימלית תלויה פתרון electrospray שלך ואת צורת קצה המחט. בתחילת הסדרה שלך של ניסויים, לקבוע את המתח כי התשואות ספקטרום אופטימלי ויציבות האות עבור המערכת שלך, ולאחר מכן להשתמש מתח עבור כל הניסויים הבאים. עבור המערכת שלנו, מתח של 2.0-5.0 kV לספק עוצמת האות אופטימלית ויציבות electrospray. לצורך ניסוי זה 2.5 kV משמש.

4. הפעלת וכוונון SESI-MS לניתוח

  1. בגין, על ידי הבטחת כי אספקת מתח מבוטלת וכי מערכת ריקה של חשמל. לעשות זאת על ידי 1) להבטיח את נוריות החיווי על אספקת מתח כבויים, 2) להבטיח את המתח על מודד הוא אפס, ו 3) הארקה מוביל חשמל.
  2. התקן את הפתרון המתאים electrospray עבור הניסוי שלך.
  3. הפעל גז המוביל ולהגדיר את זרימת קצב המתאים עבור הניסוי שלך.
  4. החל הלחץ המאגר electrospray ליזום את אספקת פתרון electrospray לתא התגובה.
  5. הפעל את אספקת מתח ולהתאים את מתח לערך המתאים לניסויים שלך.

הערה: בשלב זה משטחי מתכת מקור יינון מסוגלים לספק הלם מסוכן. תרגיל בזהירות רבה כאשר עובדים סביב המכשיר פעם אספקת מתח הופעל.

  1. הגדרת שיטת כוונון לניטור ספקטרום SESI-MS תוך מכויל התאמות מתח מיושם. שימוש בפרמטרים הרכישה שיש לך אופטימיזציה עבור המערכת שלך הניסוי. נקה את ערוץ מרובים רכישה (MCA) תיבת הסימון (אם קיים) כדי לסרוק את כל הספקטרום מייצר עצמאית, לקבוע את זמן הרכישה עד 10 - 15 דקות, ולהתחיל את הרכישה. ספקטרה הרקע גז המוביל כעת אמור להיות שנצפו.
  2. הפוך את מכויל התאמות מתח להחיל להשיג chromatogram יציב יון הכולל (עוית) וסריקות לשחזור התואמים את ה-CO 2 סריקות לניסויים הקודמים שלך. לאחר התאמות מתח נעשו, ממשיכים לאסוף ספקטרה ועוד עוית ​​במשך חמש דקות, כדי להבטיח את המכשיר הוא התייצב.
  3. לאחר יציבות אינסטרומנטלי מובטחת, להגדיר את שיטת הרכישה, בהתאם דגימות שלך, כדי להתאים את זמן הרכישה, טווח הנתונים, ואת הבחירה MCA כנדרש. איסוף גז המוביל רקע ספקטרום עבור הרשומות שלך.

5. קבלת טביעת אצבע נדיף של התרבות חיידקי שלך

  1. כדי לאסוף קשת ריק, לכוון את זרימת הגז המוביל דרך לעקוף את הקווים, ולאחר מכן לצרף את המדגם ריק (שסתומים סגורים) כדי להעביר קווי גז של המכשיר.
  2. פתח את השסתומים כדי בקבוק המדגם, ולסגור את השסתומים של קווי מעקף.
  3. אפשר מערכת לאזן למשך 30 שניות, במהלכן הלחות בחדר התגובה היא ייצוב. זו תקופה של איזון הכרחי להשגת ספקטרום לשחזור. על מנת להבטיח כי המערכת היא equilibrated, מומלץ לעקוב אחר עוית, אשר ישתנו במהלך תקופת איזון, ולייצב לאחר מכן.
  4. ברגע שהמערכת equilibrated, ליזום איסוף ספקטרום.
  5. לאחר הקשת נאסף, להסיר את הבקבוק מדגם קודם כל פתיחת גז המוביל קווי מעקף, ואז סגירת שסתומים מדגם, ולבסוף הסרת בקבוק המדגם. לרוקן את המערכת עם גז המוביל עבור 2-4 דקות, להסיר את הלחות נדיפים adsorbed מקווי ההעברה, למניעת המדגם ל-מדגם שריד.
  6. חזור על שלבים 5.2-5.5 עבור כל דגימה חיידקי, לסירוגין איסוף ספקטרום ריק נוסף כדי להבטיח חיסור ריק יסודית. חיסור ריק הושלמה יובילהמראה של רקע פסגות כימיים בספקטרום מעובד שלך המשותפים טכניקות יינון לחץ אטמוספרי, (למשל, פתלטים, סיליקון וכו '). 9
  7. כאשר איסוף ספקטרום שלך, להבטיח את האותות יון לא לעבור את גבולות איתור ליניארי של המכשיר שלך, כפי שנקבע על ידי עוית ​​ואת עוצמתו המרבית של פסגות בודדים. יונים מעל המגבלות העליון של גלאי המכשיר שלך יכול לייצר פסגות חפץ, כי הם לא מדגם מייצג של שלך.

6. נציג תוצאות

כדוגמה ספקטרה SESI-MS כי ניתן לקבל עבור נדיפים חיידקי, במצב חיובי יון טביעות אצבעות נדיפים עבור E. coli ו פ aeruginosa גדל aerobically במשך 24 שעות בתוך לנוקס LB ב 37 ° C מוצגים (איור 2). E. coli ספקטרום תנודתי נשלט על ידי אינדול ב m / z = 118, אשר נותן E. coli תרבויות ריח אופייני שלהם, ואילו הקשת של פ aeruginosa מכיל מגוון גדול יותר של פסגות protonatable.

שים לב לעוצמות היחסי של פסגות בספקטרום נדיפים תלויים בפרמטרים אינסטרומנטלי המתואר בסעיף 3. פרמטרים אלה חייבים להיות מבוקרים היטב מניסוי לניסוי על מנת לקבל ספקטרום לשחזור.

איור 2
איור 2 בלנק, מחוסר יון חיובי במצב SESI-MS ספקטרה (20 - 150 מ '/ z). של E. coli K12 ו פ aeruginosa PAO1 נדיפים לאחר צמיחה h 24 אירובית לנוקס LB ב 37 ° C. לפרטים נוספים על הפסגות שנצפתה הספקטרום SESI, אנא פנה אל ג'ו, et al. 8.

Discussion

חיידקים לייצר שילובים שונים של נדיפים, אשר יכול להיות מנוצל לצורך זיהוי חיידקים 10-12 והערכת מצב מטבולי. השיטה SESI-MS המתואר כאן מספק אמצעי במהירות המאפיינת חיידקים נדיפים (תוך שתי דקות או פחות) בלי שום הכנה המדגם, יצירת "טביעת אצבע" חיידקי לזיהוי המין. 8 בעשורים האחרונים בלחץ אטמוספרי יינון אחרות טכניקות MS הוחלו על אפיון של תרכובות נדיפות, כולל צינור זרימת סלקטיבית יון (לנפות) ולהעביר פרוטון תגובה (PTR) ספקטרומטריית מסה. יתרון ייחודי זה מספק SESI על שיטות אלה יינון אחרות היא שזה אפשרי פסגות קטע ספציפי (בתנאי את הסוג המתאים של ספקטרומטר מסה הותאם SESI), המהווה כלי חשוב לזיהוי המתחם. אנחנו לא הכתובת הפיצול שיא בפרוטוקול המפורטים לעיל, אלא דוגמאות לאופן שבו מידע הפיצול ניתן להשתמש באפיון של חיידקי נדיפים, אנא פנה אל ג'ו, et al. 8

SESI-MS יש השלכה ישירה על איתור באתרו של דלקות ריאות חיידקית באמצעות ניתוח נשימה, אבל יכול גם להיות מיושם על כל הגדרה אשר הדגימה נדיפים אפשרי. למשל, ניתוח של נדיפים בשתן, דם, נשימה, אשר רלוונטיים האבחון של הפרעות מטבוליות, מחלות סרטן gastroenteric, וחשיפה סביבתית, הם גם מתאים SESI-MS. 13,14 SESI-MS יש גם מגוון רחב של יישומים שאינם קליניים טביעת אצבע VOC, כולל ניתוח מהיר של מזונות עבור נדיפים מאפיין הקשורים הבשלה, הזדקנות, או מקלקל. 15-18

Disclosures

אין ניגודי אינטרסים הכריז.

Acknowledgments

עבודה זו ממומנת על ידי מענק NIH RR021905 P20-01, CF rpd מענק STANTO07R0, ועל נאס"א מענק NNH09ZNE002C.

Materials

Name Type Company Catalog Number Comments
API-3000 Triple Quadrupole Instrument SCIEX Purchased with Analyst 1.4.2 (Applied Biosystems)
SESI Ion Source Instrument Custom-made; See reference 6
Gas flow meter Equipment Cole-Parmer EW-03217-74
Carbon dioxide Equipment Airgas CD I300 ≥ 99.99% pure
Nitrogen Equipment Airgas NI UHP300 Ultra high purity
100 mL glass media bottles Equipment VWR international 89012-114 GL45 screw threads
Bottle caps with luer ports Equipment Bio Chem Fluidics 00945T-3 Cap assembly
Luer port plugs Equipment Bio Chem Fluidics 009LP Cap assembly
Tubing 1/4" (OD) x 1/8" (ID) Equipment Cole-Parmer EW-95875-02 Cap assembly & gas transfer lines
Tubing 1/8" (OD) x 1/16" (ID) Equipment Cole-Parmer EW-06605-27 Cap assembly
Two-way valves Equipment Cole-Parmer 07391-04 Cap assembly
Filter, Grade AAQ Equipment Balston Filters 9922-05
Formic acid, LC/MS grade Reagent Fisher Scientific A117-05AMP Electrospray solution
Methanol, LC/MS grade Reagent Fisher Scientific A456-500 Electrospray solution
Water, LC/MS grade Reagent Fisher Scientific W6-500 Electrospray solution

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fuerstenau, S., Kiselev, P., Fenn, J. B. ESI-MS in the analysis of trace species in gases. Proceedings of the 47th ASMS Conference on Mass Spectrometry Allied Topics, Dallas, TX, , (1999).
  2. Wu, C., Siems, W. F., Hill, H. H. Secondary electrospray ionization ion mobility spectrometry/mass spectrometry of illicit drugs. Anal. Chem. 72, 396-403 (2000).
  3. Tam, M., Hill, H. H. Secondary electrospray ionization-ion mobility spectrometry for explosive vapor detection. Anal. Chem. 76, 2741-2747 (2004).
  4. Martinez-Lozano, P., Rus, J., de la Mora, G. F., Hernandez, M., de la Mora, J. F. Secondary electrospray ionization (SESI) of ambient vapors for explosive detection at concentrations below parts per trillion. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 20, 287-294 (2009).
  5. Martinez-Lozano, P., de la Mora, J. F. On-line detection of human skin vapors. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 20, 1060-1063 (2009).
  6. Martinez-Lozano, P., de la Mora, J. F. Electrospray ionization of volatiles in breath. Int. J. Mass Spectrom. 265, 68-72 (2007).
  7. Martinez-Lozano, P., de la Mora, J. F., F, J. Direct analysis of fatty acid vapors in breath by electrospray ionization and atmospheric pressure ionization-mass spectrometry. Anal. Chem. 80, 8210-8215 (2008).
  8. Guo, X. H., Bruins, A. P., Covey, T. R. Characterization of typical chemical background interferences in atmospheric pressure ionization liquid chromatography-mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 20, 3145-3150 (2006).
  9. Rudzinski, C. M., Herzig-Marx, R., Lin, J., Szpiro, A., Johnson, B. Pathogen detection using headspace analysis. , Department of the Air Force. 16-16 (2004).
  10. Lechner, M., Fille, M., Hausdorfer, J., Dierich, M., Rieder, J. Diagnosis of bacteria in vitro by mass spectrometric fingerprinting: A pilot study. Curr. Microbiol. 51, 267-269 (2005).
  11. Schulz, S., Dickschat, J. S. Bacterial volatiles: The smell of small organisms. Nat. Prod. Rep. 24, 814-842 (2007).
  12. Ligor, T. Analytical methods for breath investigation. Crit. Rev. Anal. Chem. 39, 2-12 (2009).
  13. Cao, W. Q., Duan, Y. X. Breath analysis: Potential for clinical diagnosis and exposure assessment. Clin. Chem. 52, 800-811 (2006).
  14. Law, W. S. Rapid characterization of complex viscous liquids at the molecular level. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 8277-8280 (2009).
  15. Wu, Z. Sampling analytes from cheese products for fast detection using neutral desorption extractive electrospray ionization mass spectrometry. Anal. Bioanal. Chem. 397, 1549-1556 (2010).
  16. Fleming-Jones, M. E., Smith, R. E. Volatile organic compounds in foods: A five year study. J. Agric. Food Chem. 51, 8120-8127 (2003).
  17. Calkins, C. R., Hodgen, J. M. A fresh look at meat flavor. Meat Sci. 77, 63-80 (2007).

Tags

Bioengineering גיליון 52 ניתוח מהיר ספקטרומטריית מסה SESI חיידקים נדיפים פרופיל מטבולי
נדיפים חיידקית משנית אפיון באמצעות Ionization electrospray ספקטרומטריית מסה (SESI-MS)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bean, H. D., Zhu, J., Hill, J. E.… More

Bean, H. D., Zhu, J., Hill, J. E. Characterizing Bacterial Volatiles using Secondary Electrospray Ionization Mass Spectrometry (SESI-MS). J. Vis. Exp. (52), e2664, doi:10.3791/2664 (2011).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter