Real-time adem analyse met behulp van secundaire Nanoelectrospray ionisatie gekoppeld aan massaspectrometrie voor hoge resolutie
Summary
Een protocol voor het karakteriseren van de chemische samenstelling van uitgeademde adem in real-time met behulp van ionisatie van de secundaire nanoelectrospray gekoppeld aan hoge resolutie massa spectrometrie wordt aangetoond.
Abstract
Uitgeademde vluchtige organische stoffen (VOS) hebben gewekt belangstelling, omdat ze als biomarkers voor diagnose van de ziekte en de milieublootstelling in een niet-invasieve wijze dienen kunnen. In dit werk presenteren wij een protocol karakteriseren de uitgeademde vos in real-time met behulp van secundaire nanoelectrospray ionisatie gekoppeld aan massaspectrometrie voor hoge resolutie (Sec-nanoESI-HRMS). De zelfgemaakte Sec-nanoESI bron gemakkelijk opgericht op basis van een commerciële nanoESI bron. Honderden pieken werden waargenomen in de achtergrond-afgetrokken massaspectra van uitgeademde adem, en de massale nauwkeurigheid waarden zijn-4.0-13.5 ppm en-20.3-1.3 ppm in de positieve en negatieve ion detectie modi, respectievelijk. De toppen zijn toegewezen met nauwkeurige elemental samengesteld al naar gelang de nauwkeurige massa en isotopische patroon. Minder dan 30 s wordt gebruikt voor een uitademing meting, en het duurt ongeveer 7 minuten voor zes gerepliceerde metingen.
Introduction
Met de snelle ontwikkeling van moderne analytische technieken, zijn honderden van vluchtige organische stoffen (VOS) geïdentificeerd in menselijke uitgeademde adem1. Deze Vos voornamelijk voortvloeien uit de alveolaire lucht (~ 350 mL voor een gezonde volwassene) en anatomische dode ruimte air (~ 150 mL)2, die worden beïnvloed door lichaam metabolisme3,4,5,6,7 ,8 en milieuvervuiling9, respectievelijk. Dientengevolge, als geïdentificeerd, zijn deze Vos veelbelovend om te worden gebruikt als biomarkers voor diagnose van de ziekte en de milieublootstelling in een niet-invasieve wijze.
Hoewel gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) de meest gebruikte techniek voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse van uitgeademde Vos2 is, hebben directe MS-technieken, die zijn ontwikkeld voor real-time adem analyse, de voordelen van hoog tijd resolutie en eenvoudige pre monstervoorbereiding. Directe MS-technieken, zoals proton overdracht reactie MS (PTR-MS)10, geselecteerd ion stroom buis MS (SIFT-MS)11, secundaire electrospray ionisatie MS (sessie-MS)12,13 (ook wel genoemd als de extractieve electrospray ionisatie MS, EESI-MS14,15), trace atmosferische gas analyzer (TAGA)16 en plasma ionisatie MS (PI-MS)17 zijn onderzocht de afgelopen jaren.
Onder alle de directe MS technieken staat sessie bekend als een universele zachte ionisatie techniek19,20,21; en de bron is gemakkelijk te worden aangepast en gekoppeld aan verschillende soorten massaspectrometers, bijvoorbeeld, het tijdstip van vlucht massaspectrometer8,15, ion trap massa spectrometer14 en orbitrap massaspectrometer12 ,18. Tot nu toe sessie-MS is met succes gebruikt in de diagnose van aandoeningen van de luchtwegen22, ijken van circadiane ritme3,6,23, farmacokinetiek7,8, en onthullend stofwisselingsroutes4, enz. Onlangs, een commerciële sessie bron beschikbaar is gekomen.
In deze studie werd een facile en compacte secundaire nanoelectrospray ionisatie bron (Sec-nanoESI) instellen en gekoppeld aan een hoge-resolutie massa spectrometer. Real-time metingen van uitgeademde vos in adem werden gepresenteerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bouw van de bron van de Sec-nanoESI op basis van een commerciële nanoESI bron, is de ionisatie-efficiëntie hoger dan die van het gebruik van een ESI bron30. Bovendien, de ionisatie-efficiëntie is verbeterd in een gesloten kamer, zoals het isoleert het proces vanuit de achtergrond van de omringende lucht, en tegelijkertijd tijd vergemakkelijkt het mengen tussen het gasmonster en de pluim van de spray. Met behulp van een Sec-nanoESI, minder parameters moeten worden geoptimaliseerd in vergelijking…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk is financieel ondersteund door nationale Natural Science Foundation of China (nr. 91543117).
Materials
| Ultrapure water | Merck Millipore, USA | MPGP04001 | Resistance >18.2 MΩ·cm |
| Formic acid | Sigma-Aldrich, USA | F0507 | Corrosive to the respiratory tract. |
| Nitrogen gas | Guangzhou Shiyuan Gas Co. Ltd., China | N.A.a | Purity >99.99% |
| Q Exactive hybrid quadrupole-orbitrap mass spectrometer | Thermo Scientific, USA | 02634L(S/N) | Beware of high voltage and high temperature |
| NanoESI source | Thermo Scientific, USA | ES002373(S/N); ES071(P/N) | Beware of high voltage and high temperature |
| Nano LC pump | Thermo Scientific, USA | 5041.0010A(P/N) | / |
| Xcalibur software (Version 3.0) | Thermo Scientific, USA | BRE0008596 | / |
| Dino-Lite Digital Microscope | Tech Video System (SuZhou) Co.Ltd., China | CQ401833R(S/N) | / |
| Nafion tubing | Perma Pure LLC, USA | ME60 | / |
| PTFE tubing (I.D. 4 mm) | Dongguan Hongfu Insulating Material Co. Ltd., China | N.A. | Beware of the possible loss of polar compounds |
| Mass flow controller | Line-Tech, Korea | M15122007 (S/N) | / |
| Flow meter | Yuyao Industrial Automation Meter Factory, China | 40784 | / |
| aN.A.: not available. |
Riferimenti
- De Lacy Costello, B., et al. A review of the volatiles from the healthy human body. J. Breath Res. 8 (1), 014001-014030 (2014).
- Phillips, M., Greenberg, J. Ion-trap detection of volatile organic compounds in alveolar breath. Clin. Chem. 38 (1), 60-65 (1992).
- Martínez-Lozano Sinues, P., et al. Circadian variation of the human metabolome captured by real-time breath analysis. PLoS One. 9 (12), 0114422-0114438 (2014).
- Garcia-Gomez, D., et al. Secondary electrospray ionization coupled to high-resolution mass spectrometry reveals tryptophan pathway metabolites in exhaled human breath. Chem. Common. 52 (55), 8526-8528 (2016).
- Garcia-Gomez, D., et al. Real-time quantification of amino acids in the exhalome by secondary electrospray ionization-mass spectrometry: A proof-of-principle Study. Clin. Chem. 62 (9), 1230-1237 (2016).
- Martínez-Lozano Sinues, P., Kohler, M., Brown, S. A., Zenobia, R., Dallmann, R. Gauging circadian variation in ketamine metabolism by real-time breath analysis. Chem. Common. 53 (14), 2264-2267 (2017).
- Gamez, G., et al. Real-time, in vivo monitoring and pharmacokinetics of valproic acid via a novel biomarker in exhaled breath. Chem. Common. 47 (17), 4884-4886 (2011).
- Li, X., et al. Drug pharmacokinetics determined by real-time analysis of mouse breath. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (27), 7815-7818 (2015).
- Amorim, L. L. A., Cardeal, Z. L. Breath air analysis and its use as a biomarker in biological monitoring of occupational and environmental exposure to chemical agents. J. Chromatogr. B. 853 (1-2), 1-9 (2007).
- Bajtarevic, A., et al. Noninvasive detection of lung cancer by analysis of exhaled breath. BMC Cancer. 9, 348 (2009).
- Smith, D., Wang, T. S., Pysanenko, A., Španěl, P. A selected ion flow tube mass spectrometry study of ammonia in mouth- and nose-exhaled breath and in the oral cavity. Rapid Commun. Mass Spectrom. 22 (6), 783-789 (2008).
- Li, X., Huang, L., Zhu, H., Zhou, Z. Direct human breath analysis by secondary nano-electrospray ionization ultrahigh resolution mass spectrometry: Importance of high mass resolution and mass accuracy. Rapid Commun. Mass Spectrom. 31 (3), 301-308 (2017).
- Martínez-Lozano, P., Fernandez de la Mora, J. Electrospray ionization of volatiles in breath. Int. J. Mass Spectrom. 265 (1), 68-72 (2007).
- Zeng, Q., et al. Detection of creatinine in exhaled breath of humans with chronic kidney disease by extractive electrospray ionization mass spectrometry. J. Breath Res. 10 (1), 016008-016015 (2016).
- Chen, H. W., Wortmann, A., Zhang, W. H., Zenobi, R. Rapid in vivo fingerprinting of nonvolatile compounds in breath by extractive electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (4), 580-583 (2007).
- Benoi, F. M., Davldson, W. R., Lovett, A. M., Nacson, S., Ngo, A. Breath analysis by atmospheric pressure ionization mass spectrometry. Anal. Chem. 55 (4), 805-807 (1983).
- Bregy, L., Martínez-Lozano Sinues, P., Nudnova, M. M., Zenobi, R. Real-time breath analysis with active capillary plasma ionization-ambient mass spectrometry. J. Breath Res. 8 (2), 027102-027110 (2014).
- Gaugg, M. T., et al. Expanding metabolite coverage of real-time breath analysis by coupling a universal secondary electrospray ionization source and high resolution mass spectrometry-a pilot study on tobacco smokers. J. Breath Res. 10 (1), 016010-016020 (2016).
- Martínez-Lozano, P., Zingaro, L., Finiguerra, A., Cristoni, S. Secondary electrospray ionization-mass spectrometry: breath study on a control group. J. Breath Res. 5 (1), 016002-016012 (2011).
- Martínez-Lozano Sinues, P., Zenobi, R., Kohler, M. Analysis of the exhalome a diagnostic tool of the future. Chest. 144 (3), 746-749 (2013).
- Martínez-Lozano Sinues, P., Fernandez de la Mora, J. Direct analysis of fatty acid vapors in breath by electrospray ionization and atmospheric pressure Ionization-Mass Spectrometry. Anal. Chem. 80 (21), 8210-8215 (2008).
- Martínez-Lozano Sinues, P., et al. Breath analysis in real time by mass spectrometry in chronic obstructive pulmonary disease. Respiration. 87 (4), 301-310 (2014).
- Martínez-Lozano Sinues, P., Kohler, M., Zenobi, R. Monitoring diurnal changes in exhaled human breath. Anal. Chem. 85 (1), 369-373 (2013).
- Chen, H. W., Zenobi, R. Neutral desorption sampling of biological surfaces for rapid chemical characterization by extractive electropray ionization mass spectrometry. Nat. Protoc. 3 (9), 1467-1475 (2008).
- Li, X., Hu, B., Ding, J., Chen, H. W. Rapid characterization of complex viscous samples at molecular levels by neutral desorption extractive electrospray ionization mass spectrometry. Nat. Protoc. 7 (6), 1010-1025 (2011).
- Gordon, S. M., Szidon, J. P., Krotoszynski, B. K., Gibbons, R. D., O’Neill, H. J. Volatile organic compounds in exhaled air from patients with lung cancer. Clin. Chem. 31 (8), 1278-1282 (1985).
- Ding, J. H., et al. Development of extractive electrospray ionization ion trap mass spectrometry in vivo breath analysis. Analyst. 134 (10), 2040-2050 (2009).
- Basum, G., Dahnke, H., Halmer, D., Hering, P., Mürtz, M. Online recording of ethane trances in human breath via infrared laser spectroscopy. J. Appl. Physiol. 95 (6), 2583-2590 (2003).
- Tøien, &. #. 2. 1. 6. ;. Automated open flow respirometry in continuous and long-term measurements: design and principles. J. Appl. Physiol. 114 (8), 1094-1107 (2013).
- Huang, L., Li, X., Xu, M., Huang, Z. X., Zhou, Z. Identification of relatively high molecular weight compounds in human breath using secondary nano electrospray ionization ultrahigh resolution mass spectrometry. Chem. J. Chinese U. 38 (5), 752-757 (2017).
