Sanntid pusten analyse ved hjelp av sekundære Nanoelectrospray Ionization koblet til høy oppløsning massespektrometri
Summary
En protokoll for å karakterisere kjemiske sammensetningen av utåndet pusten i sanntid ved hjelp av sekundære nanoelectrospray ionization koblet til høy oppløsning massespektrometri demonstreres.
Abstract
Skjermbilde for utåndet flyktige organiske forbindelser (VOCs) har vakt stor interesse, siden de kan tjene som biomarkers for sykdom diagnose og miljømessige eksponering på en ikke-invasiv måte. I dette arbeidet presenterer vi en protokoll som betegner de utåndet VOCs i sanntid ved hjelp av sekundære nanoelectrospray ionization koblet til høy oppløsning massespektrometri (Sec-nanoESI-HRMS). Hjemmelaget sek-nanoESI kilde var lett sette opp basert på en kommersiell nanoESI kilde. Hundrevis av toppene ble observert i bakgrunn-trukket masse spektra av utåndet pusten, og masse nøyaktighet verdiene er-4.0-13,5 ppm og-20.3-1,3 ppm i de positive og negative ion oppdagelsen modusene, henholdsvis. Toppene ble tildelt nøyaktig elementær sammensetning i henhold til nøyaktige masse og isotopanrikning mønster. Mindre enn 30 s brukes for en utånding måling, og det tar ca 7 min for seks replikerte målinger.
Introduction
Med raske utviklingen av moderne analytiske teknikker, har hundrevis av flyktige organiske forbindelser (VOCs) blitt identifisert i menneskelig utåndet pusten1. Disse VOCs skyldes hovedsakelig alveolar luft (~ 350 mL for en sunn voksen) og anatomisk dead space luft (~ 150 mL)2, som er påvirket av kropp stoffskifte3,4,5,6,7 ,8 og miljøforurensning9, henholdsvis. Som et resultat, hvis identifisert, er disse VOCs lovende skal brukes som biomarkers for sykdom diagnose og miljømessige eksponering på en ikke-invasiv måte.
Om gass kromatografi massespektrometri (GC-MS) er mest brukte teknikken for kvalitativ og kvantitativ analyse av utåndet VOCs2, har direkte MS teknikker, som er utviklet for sanntids pusten analyse, fordelene høy tid oppløsning og enkelt eksempel pre forberedelse. Direkte MS teknikker, som proton overføring reaksjon MS (PTR-MS)10, valgt ion flyt tube MS (SIFT-MS)11, sekundære electrospray ionization MS (SESI-MS)12,13 (også-benevnt idet extractive electrospray ionisering MS, EESI-MS14,15), spor atmosfærisk gass analyzer (Servicenummeret)16 og plasma ionisering MS (PI-MS)17 har vært undersøkt i de siste årene.
Blant alle de direkte MS teknikkene er SESI godt kjent som en universell myk ionisering teknikk19,20,21; og kilden er lett å bli tilpasset og koblet til ulike typer masse spektrometre, f.eks, tid flight masse spectrometer8,15, ion felle masse spectrometer14 og orbitrap masse spectrometer12 ,18. Inntil nå, SESI-MS har blitt brukt diagnostisere luftveissykdommer22, måle døgnrytmen3,6,23, farmakokinetikken7,8, og avslørende metabolske veier4, etc. Nylig har en kommersiell SESI kilde blitt tilgjengelig.
I denne studien var en lettvinte og kompakt sekundære nanoelectrospray ionization kilde (Sec-nanoESI) defineres og koplet til en høy oppløsning masse spectrometer. Sanntid målinger av utåndet VOCs i pusten ble presentert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Konstruere sek-nanoESI kilde basert på en kommersiell nanoESI kilde, er ionisering effektiviteten høyere enn ved bruk av en ESI kilde30. I tillegg ionisering effektiviteten er ytterligere forbedret i et lukket kammer, som isolerer prosessen fra ambient bakgrunn luften, og på samme tid forenkler blanding mellom gass prøven og spray plume. Ved å bruke en Sec-nanoESI, må mindre optimaliseres sammenlignet en ESI kilde, gjør det enklere for installasjon, programmet og vedlikehold.
<p class="…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet har vært økonomisk støttet av National 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. |
References
- 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).
