אנליזת נשימה בזמן אמת באמצעות Nanoelectrospray משני יינון מצמידים ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה
Summary
פרוטוקול עבור אפיון ההרכב הכימי של והבל הפה בזמן אמת באמצעות nanoelectrospray משני יינון מצמידים ברזולוציה גבוהה ספקטרומטר מסה הוכח.
Abstract
תרכובות אורגניות נדיפות (Voc) בריכוז עוררו עניין רב, מאז הם יכולים לשמש סמנים ביולוגיים עבור אבחון מחלת וחשיפה סביבתית בצורה לא פולשנית. בעבודה זו, אנו מציגים פרוטוקול כדי לאפיין את Voc בריכוז בזמן אמת באמצעות nanoelectrospray משני יינון מצמידים ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה (שניה-nanoESI-HRMS). המקור שניה-nanoESI תוצרת בית בקלות הוקם בהתבסס על מקור nanoESI מסחרי. מאות פסגות נצפתה המופחת-רקע ספקטרום המונית של והבל הפה, ואת הערכים דיוק מסת הם-4.0-13.5 עמודים לדקה ו–20.3-ppm 1.3 המצבים זיהוי יונים חיוביים ושליליים, בהתאמה. הפסגות שהוקצו להרכב אלמנטלים מדויקת על פי המסה מדויק דפוס איזוטרופי. פחות מ 30 s משמש למדידה נשיפה אחת, וזה לוקח בערך 7 דקות למדידות משוכפל שש.
Introduction
להתפתחות מהירה של שיטות אנליטיות מודרני, מאות חומרים אורגניים נדיפים (Voc) זוהו האנושי והבל הפה1. Voc אלו נובעות בעיקר מכתשי אוויר (~ 350 מ”ל עבור מבוגר בריא), שטח מת אנטומי אוויר (~ 150 מ ל)2, אשר מושפעות על ידי הגוף חילוף החומרים3,4,5,6,7 ,8 , זיהום סביבתי9, בהתאמה. כתוצאה מכך, אם מזוהה, Voc אלו הם מבטיחים כדי לשמש סמנים אבחון מחלת וחשיפה סביבתית בצורה לא פולשנית.
למרות ספקטרומטר מסה גז כרומטוגרפיה (GC-MS) היא השיטה הנפוצה ביותר לניתוח כמותיים של בריכוז Voc2, טכניקות MS ישיר, אשר פותחו עבור אנליזת נשימה בזמן אמת, יש יתרונות הגיע הזמן רזולוציה, הכנה מראש דוגמה פשוטה. טכניקות MS ישיר, כגון העברת פרוטון התגובה MS (PTR-MS)10, נבחר צינור זרימה יון MS (לנפות-MS)11, ספקטרומטריית electrospray משני יינון MS (SESI-MS)12,13 (גם בשם עקורה ספקטרומטריית electrospray יינון MS,14,EESI-MS15), עקבות גז באטמוספירה מנתח (טגה)16 ו פלזמה יינון MS (PI-MS)17 נחקרו בשנים האחרונות.
בין כל ישירה MS הטכניקות, SESI הוא ידוע יינון רך אוניברסלי טכניקה19,20,21; המקור זה קל להיות אישית, בשילוב לסוגים שונים של ספקטרומטרים המוני, למשל, זמן טיסה ספקטרומטר מסה8,15, מלכודת יונים מסה ספקטרומטר14 ו- orbitrap ספקטרומטר מסה12 ,18. עד עכשיו, SESI-MS בהצלחה שימש באבחון מחלות נשימה22, מודד שעון ביולוגי3,6,23, פרמקוקינטיקה7,8, ו חשיפת מסלולים מטבוליים4, וכו ‘. לאחרונה, מקור SESI מסחרי הפך זמין.
במחקר זה, מקור יינון נתיישב וקומפקטי nanoelectrospray משנית (שניה-nanoESI) היה להגדיר, מצמידים בספקטרומטר ברזולוציה גבוהה. הוצגו מדידות בזמן אמת של Voc בריכוז נשימה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בונים את מקור שניה-nanoESI מבוססים על מקור nanoESI מסחרי, היעילות יינון הוא גבוה מזה של שימוש של מקור ESI30. בנוסף, היעילות יינון בהמשך משופרת בתוך תא סגור, כמו זה מבודד את התהליך מהאוויר רקע הסביבה, ו באותו זמן מקלה על ערבוב בין המדגם גז הפלומה ספריי. על ידי שימוש של שניה-nanoESI, פחות צורך הפ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מבחינה כלכלית בתמיכתם הלאומי מדעי הטבע קרן של סין (מספר 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).
