Характеризуя Бактериальные Летучие использованием вторичного Электроспрей ионизации масс-спектрометрия (СЕСИ-MS)

Bioengineering
 

Summary

Вторичные электрораспылением ионизации масс-спектрометрии (СЕСИ-MS) позволяет обнаружения летучих органических соединений (ЛОС), без необходимости каких-либо предварительной обработки образцов. Этот протокол содержит инструкции по быстрому (в течение нескольких минут) характеристика бактериальных ЛОС использованием СЕСИ-МС.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Вторичные электрораспылением ионизации масс-спектрометрии (СЕСИ-МС) является метод, разработанный для быстрого обнаружения летучих соединений, без необходимости предварительной обработки образцов. Этот метод был впервые описан Фенн и его коллеги 1 и была применена к обнаружению незаконного оборота наркотиков и взрывчатых веществ 2 3-4, характеристики кожи летучих 5 и анализа дыхания 6-7.

СЕСИ ионизация происходит путем переноса протона реакции между раствором электрораспылением и летучих аналита, и поэтому подходит для анализа гетеро-органические молекулы, как и в традиционных ионизации электрораспылением (ESI). Однако, в отличие от стандартных ESI, процесс переноса протона из СЕСИ происходит в паровой фазе, а не в растворе (рис. 1), и, следовательно, СЕСИ лучше всего подходит для обнаружения органических летучих веществ и аэрозолей.

Мы расширяем использование СЕСИ-MS для выявления бактериальных летучих как метод бактериального идентификация и характеристика 8. Мы показали, что СЕСИ-МС летучих отпечатков пальцев в сочетании с методом статистического анализа, может быть использован для отличать бактериальных родов, видов и смешанных культур в различных питательных сред. 8 Здесь мы предлагаем шаги для получения бактериальной летучих отпечатки пальцев использованием СЕСИ -MS, в том числе инструментальные параметры, которые должны быть оптимизированы, чтобы обеспечить надежную бактериальных идентификация и характеристика.

Protocol

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема для СЕСИ-МС анализа бактериальной летучих. Свободном пространстве бактериальной культуры, перемещенных в результате CO 2 (1) в камеру СЕСИ реакции (2). Как летучие пройти камеры СЕСИ реакции они проходят через облака и электрораспылением ионизируются (3). После ионизируется, летучие тянут в масс-спектрометр для анализа (4). Избыточный газ-носитель и непрореагировавшего бактериальных летучих пропускаются через фильтр 0,22 мкм (5), в качестве дополнительной меры защиты, и выбрасывается в химической капотом. Врезка: игла СЕСИ электрораспылением является кварцевую капиллярную (40 мкм ID) с заостренным кончиком иглы.

В качестве демонстрации использования СЕСИ-МС для характеристики бактериальной летучих веществ, E. палочки K12 и П. палочки PAO1 культивировали аэробно в течение 24 ч в 50 мл LB-Леннокс при 37 ° С и СЕСИ-МС спектры летучих свободном пространстве собраны в 2 минуты. Углекислый газ (99,99%) при расходе 2 л / мин, используется в качестве газа-носителя для доставки летучих в реакционную камеру. Камера СЕСИ реакция была специально построена и установлена ​​на API-3000 (Sciex), заменив первоначальный источник ионов электрораспылением. Спектры собранных в режиме положительного иона с помощью 0,1% муравьиной кислоты, 5,0% метанола и воды 94,9% (об. / об), а электрораспылением решение, сделанное на 5 нл / с через непроводящие кварцевую капиллярную с заостренным кончиком иглы (40 мкм ID). Приложенное напряжение 2,5 кВ. Аналитик 1.4.2 программного обеспечения (Applied Biosystems) используется для сбора данных со следующими параметрами: 20 - 500 Da, MCA режиме, 40 сканирует, 3 с / сканирование, и 2 мин общего времени анализа.

1. Культивирование системы

  1. Выберите подходящий сосуд для выращивания вашего культур, с учетом роста потребностей видов в эксперименте (например, аэрация, свет, температура и т. д.), а также эффективную доставку летучих на масс-спектрометре. Культуры бутылки мы решили использовать стандартные 100 мл Pyrex СМИ бутылки снабжены резьбовыми колпачками, которые имеют по крайней мере два Луер портов. Входной линии вводится через один порт Луер для газа-носителя доставки образцов бутылку и выходе линии вводится через другой порт для ЛОС доставки инструмента (рис. 1). Любые дополнительные порты подключены.
  2. До культивирования образцов, давление на сосуды и погружаться в воду, чтобы проверить на наличие утечек. Утечки газа главной причиной атипичных результатов в виде слабых или отсутствует летучих сигналов иона.

2. Биологические эксперимент: настройка и соображения безопасности

  1. Развивайте свой культур в условиях, соответствующих вашей гипотезы. Рекомендуется, чтобы по крайней мере два биологических реплицируется, каждый с двумя техническими повторяет, используются для каждой переменной.
  2. Приготовьте чистый для каждой культуре условия (среда, антибиотики и др.) и инкубировать пустым при тех же условиях, что ваши образцы.
  3. Применять меры предосторожности, которые подходят для биологических агентов, который вы используете, принимая во внимание уровень биобезопасности (ы) видов.
  4. Для предотвращения порчи вашего инструмента и газа автоматических линий с жизнеспособными биологических агентов, устанавливать фильтры соответствующего размера пор в линию газа-носителя. Фильтры не будет вмешиваться в передачу летучих в камеру реакции СЕСИ, но может незначительно повлиять на эффективность переноса аэрозолей 6.
  5. Использование вторичного сдерживания или шкаф биобезопасности при подключении газовой шапки трансфер в культуре бутылки для обеспечения надлежащего сдерживания в случае разлива биологических агентов.
  6. Инициирование и прекратить поток газа-носителя вашему образцу бутылки таким образом, что не будет строить давление внутри бутылки.

3. Инструмент оптимизации

ПРИМЕЧАНИЕ: СЕСИ-МС, специально предназначенные для образца летучих веществ, поэтому ограничить использование ароматных предметы личной гигиены (например, одеколон, жидкость для полоскания рта, лосьоны, кондиционер для белья), жевательная резинка, сигареты и т.д. Прежде чем использовать инструмент. Плотно крышки всех летучих химических веществ в лаборатории, и управления воздушным проектам как можно больше во время тестирования.

Следующие инструментальных параметров, которые влияют интенсивность сигнала и стабильности, должны быть оптимизированы для вашего инструмента и эксперимента.

  1. Решение Электроспрей и расход: Выберите подходящее решение для электрораспылением класс молекул, вы хотите цели, с учетом полярности операционных инструмент (положительный или отрицательный ион-режиме) и молекулярного характера целевого соединения. В этом эксперименте электрораспылением решения составляет 0,1% муравьиной кислоты, 5,0% метанола, 94,9% воды (объем / объем), что увеличивает интенсивность сигнала менее полярных молекул whilэлектронной обеспечивая хорошую стабильность сигнала. Решение поставляется с расходом от 5 нл / с
  2. Расход газа-носителя: поток газа-носителя ставка может повлиять на стабильность электрораспылением и интенсивность сигнала. CO 2 (≥ 99,99%) при расходе 2 л / мин используется здесь.
  3. Форма иглы и должность: форму кончика иглы и положение сильно влияет на интенсивность сигнала и стабильность. При установке новой иглой, положение иглы должны быть оптимизированы, чтобы создать баланс между низким уровнем фона, высокая интенсивность сигнала аналита и стабильность сигнала. Для того, чтобы воспроизвести СЕСИ спектров после иглы изменения, необходимо периодически собирать спектры, как вы регулируете положение иглы, пока вы не в состоянии соответствовать наблюдаемым спектром в своем архиве. Расстояние от кончика иглы электрораспылением в отверстие массы спецификации будет составлять 1 - 5 мм.
  4. Под действием приложенного напряжения: напряжение, которое применяется к системе влияет на интенсивность сигнала ионов и стабильность электрораспылением конуса Тейлора. Кроме того, оптимальное напряжение зависит от вашего решения электрораспылением и форму кончика иглы. В начале вашей серии экспериментов, определить напряжение, которое дает оптимальный спектр и стабильность сигнала в вашей системе, а затем использовать это напряжение для всех последующих экспериментов. Для нашей системы, прикладные напряжением 2,0 - 5,0 кВ обеспечивают оптимальную интенсивность сигнала и электрораспылением стабильности. Для этого эксперимента 2,5 кВ используется.

4. Включение и настройка СЕСИ-MS для анализа

  1. Начните, гарантируя, что напряжение питания выключен и что система освобождается от электричества. Для этого 1) обеспечение загорается индикатор напряжения питания не горят, 2) обеспечение напряжение на мультиметр равно нулю, и 3) заземления электрических проводов.
  2. Установите соответствующее решение электрораспылением для вашего эксперимента.
  3. Включите газ-носитель и установить поток со скоростью подходит для вашего эксперимента.
  4. Подайте давление в резервуаре электрораспылением инициировать доставку электрораспылением решение реакционной камере.
  5. Включить напряжение питания и регулировать напряжение на соответствующее значение для ваших экспериментов.

ПРИМЕЧАНИЕ: На данный момент металлические поверхности источника ионизации может стать источником опасного шока. Проявлять большую осторожность при работе вокруг инструмента один раз напряжения питания был включен.

  1. Настройка настройка метод мониторинга СЕСИ-МС спектра, делая тонкой настройки корректировки приложенного напряжения. Используйте приобретение параметры, которые вы оптимизировали для вашей системы и вашего эксперимента. Очистить несколько канала Acquisition (MCA) флажок (если применимо), так что в каждом цикле производит независимую спектра, установить время обнаружения до 10 - 15 минут, и начать приобретение. Спектр фонового газа перевозчик должен теперь быть соблюдены.
  2. Сделать тонкой настройки корректировки приложенного напряжения для получения стабильного общего ионная хроматограмма (TIC) и воспроизводимые сканирования, которые соответствуют CO 2 сканирует ваши предыдущие эксперименты. Как только напряжение корректировки были сделаны, продолжают собирать спектры и TIC в течение пяти минут, чтобы обеспечить инструмент стабилизируется.
  3. Как только инструментальную стабильность обеспечена, созданы приобретение метод подходит для ваших образцов, регулируя время захвата, диапазон данных, и MCA отбор по мере необходимости. Сбор фон газа-носителя спектра для ваших записей.

5. Получение летучих отпечатков пальцев вашей бактериальной культуры

  1. Для сбора пустой спектр, прямой поток газа-носителя через обход линий, а затем присоединить пустой образца (клапаны закрыты) для газоперекачивающих линии инструмента.
  2. Откройте клапаны на образец бутылки, и закрыть клапан обхода линий.
  3. Разрешить системе, чтобы уравновесить в течение 30 секунд, в течение которых влажность воздуха в реакционной камере стабилизируется. Этот период равновесия имеет важное значение для получения воспроизводимых спектров. Чтобы убедиться, что система находится в равновесии, вы можете следить TIC, которая будет меняться в течение периода равновесия и стабилизации в дальнейшем.
  4. Когда система находится в равновесии, инициировать спектр коллекции.
  5. После спектр собирается, удалить образец бутылки, сначала открыв перевозчика газопроводов обход, то закрытие образца клапанов, и, наконец, удаление образца бутылку. Промыть систему с газа-носителя в течение 2 - 4 мин, удаление влаги и адсорбированных летучих из автоматических линий, предотвращая образца к образцу переноса.
  6. Повторите шаги 5.2 - 5.5 для каждого бактериального образца, периодически собирать дополнительные пустые спектры для обеспечения тщательного пустым вычитанием. Неполное пустым вычитанием приведет кПоявление химических фоне пики в спектре обрабатываемых которые являются общими для атмосферных методы ионизации давлением (например, фталаты, силиконы и т.д.) 9.
  7. При сборе вашего спектров, убедитесь, что ионные сигналы не превышает линейные пределы обнаружения вашего инструмента, как это определено ТИЦ и максимальной интенсивности отдельных пиков. Ионы превысив верхний ограничения детектор Ваш инструмент может генерировать артефакт пики, которые не отражают вашего образца.

6. Представитель Результаты

В качестве примера СЕСИ-МС спектров, которые могут быть получены и для бактериальной летучие вещества, положительный ион режим летучих отпечатков пальцев для E. палочки и P. палочки выращивают аэробно в LB-Леннокс в течение 24 ч при 37 ° С, показали (рис. 2). E. кишечной летучих спектра доминирует индол на м / Z = 118, что дает Е. кишечной культур их характерным запахом, в то время как спектр P. палочки содержит большее разнообразие protonatable пиков.

Обратите внимание, что относительные интенсивности пиков в спектре летучих зависят от инструментальных параметрам, описанным в разделе 3. Эти параметры должны быть под жестким контролем от эксперимента к эксперименту с целью получения воспроизводимых спектров.

Рисунок 2
Рисунок 2 Бланк-вычитается положительный ион режиме СЕСИ-МС спектры (20 - 150 м / г). Е. палочки K12 и П. палочки PAO1 летучих после 24 ч роста в аэробных LB-Леннокс при температуре 37 ° C. Более подробную информацию о пиков, наблюдаемых в спектрах СЕСИ, пожалуйста, обратитесь к Чжу, и соавт. 8.

Discussion

Бактерии производят различные комбинации летучих веществ, которые могут быть использованы для идентификации бактериальной 10-12 и оценки метаболического статуса. СЕСИ-МС метод, описанный здесь, является средством быстрого характеризующие бактериальных летучих веществ (в две минуты или меньше) без пробоподготовки, генерируя бактериальной "отпечатки пальцев" для идентификации видов. 8 В последние несколько десятилетий других атмосферных ионизации давлением MS методы были применены к характеристике летучих соединений, в том числе селективные трубки потока ионов (SIFT) и реакции переноса протона (PTR) масс-спектрометрии. Отличительной преимущество, которое обеспечивает более СЕСИ эти другие методы ионизации в том, что можно фрагмент конкретных пиков (при условии соответствующего типа масс-спектрометра была адаптирована для СЕСИ), которая является важным инструментом для соединения идентификации. Мы не обращались пик фрагментации в протокол, перечисленные выше, но для примера того, как фрагментация информация может быть использована в характеристике бактериальных летучих веществ, пожалуйста, обратитесь к Чжу, и др. 8.

СЕСИ-МС имеет прямое отношение к на месте обнаружения бактериальных инфекций легких с помощью анализа дыхания, но также может быть применен к любой обстановке, в которой летучие выборки возможно. Например, анализ летучих веществ в моче, крови и дыхания, которые имеют отношение к диагностике нарушений обмена веществ, желудочно-кишечных заболеваний, рака и окружающую среду, хорошо подходят для СЕСИ-МС. 13,14 СЕСИ-МС также имеет широкий спектр доклинических ЛОС приложений отпечатков пальцев, в том числе экспресс-анализ пищевых продуктов для характерных летучих связаны с созревания, старения или порчи. 15-18

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Эта работа финансируется за счет гранта NIH P20 RR021905-01, CF RPD грант STANTO07R0, и НАСА грант 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics