Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема капиллярного электрофореза – масс-спектрометрии

Капиллярного электрофореза-масс - спектрометрии ( CE-МС ) является аналитической химии метод , образованный сочетанием жидкого процесса разделения на капиллярного электрофореза с масс - спектрометрии . [1] КЭ-МС сочетает в себе преимущества КЭ и МС для обеспечения высокой эффективности разделения и получения информации о молекулярной массе в одном анализе. [2] Он обладает высокой разрешающей способностью и чувствительностью, требует минимального объема (несколько нанолитров) и может анализировать с высокой скоростью. Ионы , как правило , образованы ионизацией электрораспылением , [3] , но они также могут быть образованы путемматричная лазерная десорбция / ионизация [4] или другие методы ионизации. Она находит применение в фундаментальных исследованиях в протеомики [5] и количественный анализ в биомолекулах [6] , а также в клинической медицине . [7] [8]С момента его появления в 1987 году новые разработки и приложения сделали CE-MS мощным методом разделения и идентификации. Использование CE-MS увеличилось для анализа белков, пептидов и других биомолекул. Однако разработка он-лайн CE-MS не обходится без проблем. Понимание CE, настройки интерфейса, техники ионизации и системы масс-детектирования важно для решения проблем при сочетании капиллярного электрофореза с масс-спектрометрией.

История [ править ]

Оригинальный интерфейс между капиллярного зонного электрофореза и масс - спектрометрии был разработан в 1987 году [9] по Ричард Д. Смит и его коллеги в Тихоокеанской северо - западной национальной лаборатории , и которые также впоследствии были вовлечены в разработку интерфейсов с другими CE вариантов, в том числе капиллярного изотахофорезе и капиллярная изоэлектрическая фокусировка.

Ввод образца [ править ]

Существует два распространенных метода загрузки образца в систему КЭ-МС, аналогичную подходам для традиционного КЭ : гидродинамический и электрокинетический ввод.

Гидродинамический впрыск [ править ]

Для загрузки аналитов капилляр сначала помещается во флакон с образцом. Кроме того, существуют различные способы гидродинамического впрыска: к нему можно приложить положительное давление на входе, отрицательное давление на выпуске или поднять впускное отверстие для образца по отношению к выпускному отверстию капилляра. [10] Этот метод может обеспечить надежное и воспроизводимое количество введенной пробы по сравнению с электрокинетической инъекцией, а значение RSD инъекции обычно ниже 2%. Вводимый объем и воспроизводимость пробы обычно зависят от времени впрыска, смещения пробы по высоте и давления, приложенного к пробе. Например, было обнаружено, что использование более высокого давления и меньшего времени впрыска приводит к уменьшению RSD для площадей пиков и времени миграции. [11]Одним из основных преимуществ гидродинамической инъекции также является то, что она не смещена к молекулам с высокой или низкой электрофоретической подвижностью. Для увеличения пропускной способности анализа CE-MS была создана методика гидродинамической многосегментной закачки. В этом случае несколько образцов загружаются гидродинамически в разделительный капилляр перед анализом, и каждый сегмент образца помещается между разделителями фонового электролита. [12]

Электрокинетическая инъекция [ править ]

В этом методе к раствору образца прикладывается высокое напряжение, и молекулы загружаются в капилляр CE за счет электромиграции и электроосмотического потока образца. [10] Электрокинетическое впрыскивание улучшает чувствительность по сравнению с гидродинамическим впрыском при использовании более низкого напряжения и более длительного времени впрыска, но воспроизводимость площадей пиков и времени миграции ниже. Однако метод смещен в сторону аналитов с высокой электрофоретической подвижностью: молекулы с высокой подвижностью вводятся лучше. В результате электрокинетическая инжекция чувствительна к матричным эффектам и изменениям ионной силы образца. [11]

Взаимодействие CE с MS [ править ]

Капиллярный электрофорез - это метод разделения, в котором используется сильное электрическое поле для создания электроосмотического потока для разделения ионов. Аналиты перемещаются от одного конца капилляра к другому в зависимости от их заряда, вязкости и размера. Чем выше электрическое поле, тем больше подвижность. Масс-спектрометриипредставляет собой аналитический метод, который определяет химические соединения в зависимости от их отношения массы к заряду. Во время этого процесса ионный источник преобразует молекулы, поступающие от CE, в ионы, которыми затем можно управлять с помощью электрического и магнитного поля. Затем разделенные ионы измеряют с помощью детектора. Основная проблема, с которой сталкиваются при соединении CE с MS, возникает из-за недостаточного понимания фундаментальных процессов, когда два метода взаимодействуют друг с другом. Разделение и обнаружение аналитов можно улучшить с помощью лучшего интерфейса. CE был подключен к MS с использованием различных методов ионизации, таких как FAB , ESI , MALDI , APCI и DESI . Наиболее распространенный метод ионизации - ESI.

Интерфейс ионизации электрораспылением [ править ]

Интерфейс без оболочки

В первом интерфейсе CE-MS вместо оконечного электрода в типичной установке CE использовалась капиллярная оболочка из нержавеющей стали вокруг разделительного конца капилляра. [13] Электрический контакт капилляра из нержавеющей стали с фоновым электролитом, вытекающим из разделительного капилляра, был выполнен в этой точке, замыкая цепь и инициируя электрораспыление. У этой интерфейсной системы было несколько недостатков, таких как несоответствие скорости потока двух систем. С тех пор интерфейсная система была улучшена, чтобы обеспечить постоянный расход и хороший электрический контакт. Еще одним ключевым фактором успешного интерфейса CE-MS является выбор буферного раствора, который должен подходить как для разделения CE, так и для работы ESI. В настоящее время существует три типа интерфейсной системы для CE / ESI-MS, которые кратко обсуждаются.

Интерфейс без оболочки [ править ]

Капилляр CE подсоединен непосредственно к источнику ионизации электрораспылением с системой сопряжения без оболочки. Электрический контакт для ESI реализован с помощью капилляра, покрытого токопроводящим металлом. [14] Поскольку жидкость в оболочке не используется, система обладает высокой чувствительностью, низким расходом и минимальным фоном. Однако все эти конструкции интерфейса имеют проблемы, включая низкую механическую прочность и плохую воспроизводимость.

В новейшей конструкции интерфейса без оболочки используется пористый излучатель ESI, полученный методом химического травления. Эта конструкция эффективно обеспечивает надежное взаимодействие с масс-спектрометрией и решает проблемы воспроизводимости, связанные с предыдущими разработками. Этот пористый интерфейс эмиттера был исследован для пары CITP / CZE (или переходного ITP ), что значительно улучшает емкость CE по загрузке образцов и обеспечивает сверхчувствительное обнаружение следов аналитов. [15] Высокая воспроизводимость, надежность и чувствительность были достигнуты при переходном капиллярном изатохорезе без оболочки (CITP)./ капиллярный зональный электрофорез (CZE) -MS, где использовалась проводящая жидкость. Проводящая жидкость контактирует с покрытой металлом внешней поверхностью эмиттера, замыкающего контур, но в то же время она не смешивается с разделительной жидкостью и, следовательно, не происходит разбавления пробы. [16]

Интерфейс оболочки-потока [ править ]

Интерфейс потока оболочки
Интерфейс потока оболочки

На границе раздела оболочка-поток электрическое соединение между электродом и фоновым электролитом устанавливается, когда разделяющая жидкость CE смешивается с жидкостью оболочки, протекающей соосно в металлической капиллярной трубке. В наиболее популярных коммерческих интерфейсах CE-ESI-MS используется дополнительная внешняя трубка (трехтрубная коаксиальная конструкция) с газовой оболочкой, которая помогает улучшить стабильность электрораспыления и испарение растворителя. Но было обнаружено, что поток газа в оболочке может вызывать эффект всасывания около конца капилляра, что приводит к параболическому профилю потока и, как следствие, к низкой эффективности разделения. [3]Обычно используемая жидкость для оболочки представляет собой смесь воды, метанола (или изопропанола) в соотношении 1: 1 с 0,1% уксусной кислотой или муравьиной кислотой. Система более надежна и имеет широкий выбор разделительного электролита. Однако, поскольку скорость потока жидкости для оболочки, необходимая для стабильного электроспрея, обычно довольно высока (1-10 мкл / мин), здесь может наблюдаться некоторое снижение чувствительности из-за разбавления образцов жидкостью для оболочки. Жидкость в оболочке может подаваться гидродинамически (с помощью шприцевого насоса) или электрокинетическим способом. Электрокинетический метод позволяет легко работать в режиме наноэлектрораспыления (скорость потока ESI нл / мин) и, таким образом, повысить чувствительность. [17]

Есть несколько новых подходов и улучшений для интерфейса поток-оболочка. Для уменьшения мертвого объема и повышения чувствительности был создан расширяемый интерфейс CE-ESI-MS. Выходной конец разделительного капилляра обрабатывали плавиковой кислотой для уменьшения толщины стенки и сужения кончика. Конец разделительного капилляра выступал из сужающегося капилляра-оболочка. Из-за тонкой стенки разделительного капилляра мертвый объем невелик. В результате повышается чувствительность и эффективность разделения. [18]Использование режима электрораспыления нанопотока (с небольшими излучателями и расходом ESI ниже 1000 нл / мин) также помогает повысить чувствительность, воспроизводимость и надежность. Для создания этой границы раздела можно использовать боросиликатный эмиттер с заостренным концом и разделительный капилляр с протравленным концом. [19] Для повышения стабильности и срока службы интерфейса был применен эмиттер с золотым покрытием. [20]

Интерфейс жидкостного соединения [ править ]

В этом методе используется тройник из нержавеющей стали для смешивания разделительного электролита из капилляра CE с подпиточной жидкостью. Капилляр CE и игла ESI вводятся через противоположные стороны тройника, при этом сохраняется узкий зазор. Электрический контакт устанавливается подпиточной жидкостью, окружающей соединение между двумя капиллярами. Эта система проста в эксплуатации. Однако чувствительность снижается, и смешивание двух жидкостей может ухудшить разделение. Одним из видов границ раздела жидкостей является жидкостный переход под давлением, где давление прикладывается к резервуару с подпиточной жидкостью. В этом методе разбавление меньше, чем в традиционной границе раздела жидкостей из-за низких скоростей потока (менее 200 нл / мин). Кроме того, дополнительное давление предотвращает расфокусировку стока КЭ и, как следствие, разрешение увеличивается. [21]

Бомбардировка быстрыми атомами в непрерывном потоке [ править ]

CE может быть связан с ионизацией бомбардировкой быстрыми атомами с использованием интерфейса непрерывного потока. [22] Интерфейс должен соответствовать скорости потока между двумя системами. CF-FAB требует относительно высокого расхода, но CE требует низкого расхода для лучшего разделения. Подпиточный поток можно использовать с использованием обтекателя или жидкостного перехода.

Соединение CE с MALDI-MS [ править ]

Принципиальная схема онлайн-CE-MALDI-MS

Автономное связывание CE с MALDI, поток CE можно распылять или добавлять по каплям на планшет-мишень MALDI, затем сушить и анализировать с помощью MS. Для онлайн-соединения требуется движущаяся мишень с постоянным контактом с концом капилляра CE. Движущаяся мишень переносит аналиты в МС, где они десорбируются и ионизируются. Musyimi et al. разработал новую технику, в которой вращающийся шар использовался для переноса КЭ на МС. [23] Образец из CE смешивается с матрицей, проходящей через другой капилляр. По мере вращения шара образец сушится до того, как достигнет области ионизации. Эта техника имеет высокую чувствительность, поскольку не используется жидкость для макияжа.

Приложения [ править ]

Способность CE-MS разделять аналиты, присутствующие в чрезвычайно низких концентрациях с высокой эффективностью и высокой скоростью, сделала его применимым во всех областях науки. CE-MS используется в биоаналитических, фармацевтических, экологических и судебно-медицинских целях. [24] [25] Основное применение CE-MS было для биологических исследований, в основном для анализа белков и пептидов. Кроме того, его часто используют для рутинного анализа фармацевтических препаратов. Существует ряд исследований, в которых описываются характеристики смесей пептидов и белков. CE-MS можно использовать для обычного клинического осмотра. Жидкости организма, такие как кровь и моча, были проанализированы с помощью CE-MS для выявления биомаркеров почечных заболеваний и рака. [26]

CE-MS также можно применять для метаболомики, особенно для одноклеточной метаболомики из-за необходимого небольшого объема образца. Нейроны [27], эмбрионы лягушки [28] и клетки HeLa RBC007 [29] уже были проанализированы с помощью CE-MS. Анализ клеток обычно включает экстракцию молекул небольшим количеством (несколько мкл) органического растворителя перед CE-MS. Благодаря новой методике взятия проб с поверхности CE-MS (SS-CE-MS) можно анализировать целые срезы ткани без подготовки проб непосредственно с поверхности. [30]

См. Также [ править ]

  • Жидкостная хроматография – масс-спектрометрия.
  • Газовая хроматография – масс-спектрометрия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Loo JA, Udseth HR, Smith RD (июнь 1989). «Анализ пептидов и белков методами электрораспылительной ионизации-масс-спектрометрии и капиллярного электрофореза-масс-спектрометрии» . Анальный. Биохим. 179 (2): 404–12. DOI : 10.1016 / 0003-2697 (89) 90153-X . PMID  2774189 .
  2. ^ Цай, Цзяньи; Хенион, Джек (1995). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия». Журнал хроматографии A . 703 (1-2): 667–692. DOI : 10.1016 / 0021-9673 (94) 01178-час .
  3. ^ a b Максвелл Э.Д., Чен Д.Д. (октябрь 2008 г.). «Двадцать лет разработки интерфейса для капиллярного электрофореза-электрораспылительной ионизации-масс-спектрометрии». Анальный. Чим. Acta . 627 (1): 25–33. DOI : 10.1016 / j.aca.2008.06.034 . PMID 18790125 . 
  4. ^ Zhang H, Caprioli RM (сентябрь 1996). «Капиллярный электрофорез в сочетании с матричной лазерной десорбцией / ионизационной масс-спектрометрией; непрерывное осаждение образца на мембранную мишень с предварительно нанесенным матриксом». J. Mass Spectrom . 31 (9): 1039–46. Bibcode : 1996JMSp ... 31.1039Z . DOI : 10.1002 / (SICI) 1096-9888 (199609) 31: 9 <1039 :: AID-JMS398> 3.0.CO; 2-F . PMID 8831154 . 
  5. ^ Мецгер Дж, Schanstra ДП, Mischak Н (август 2008 г.). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия в протеомном анализе мочи: текущие приложения и будущие разработки». Anal Bioanal Chem . 393 (5): 1431–42. DOI : 10.1007 / s00216-008-2309-0 . PMID 18704377 . S2CID 23483338 .  
  6. ^ Ohnesorge Дж, Neusüss С, Wätzig Н (ноябрь 2005 г.). «Количественное определение в капиллярном электрофорезе-масс-спектрометрии». Электрофорез . 26 (21): 3973–87. DOI : 10.1002 / elps.200500398 . PMID 16252322 . S2CID 6897545 .  
  7. ^ Kolch Вт, Neusüss С, Pelzing М, Mischak Н (2005). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия как мощный инструмент в клинической диагностике и открытии биомаркеров». Mass Spectrom Rev . 24 (6): 959–77. Bibcode : 2005MSRv ... 24..959K . DOI : 10.1002 / mas.20051 . PMID 15747373 . 
  8. ^ Dakna M, он Z, Ю. WC, Mischak H, Kolch W (ноябрь 2008). «Технические, биоинформатические и статистические аспекты жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС) и капиллярного электрофореза-масс-спектрометрии (КЭ-МС) на основе клинической протеомики: критическая оценка». J. Chromatogr. B . 877 (13): 1250–8. DOI : 10.1016 / j.jchromb.2008.10.048 . PMID 19010091 . 
  9. ^ Шмитт-Копплин, П., Фроммбергер, М. (2003). Капиллярный электрофорез - масс-спектрометрия: 15 лет разработок и применений. Электрофорез, 24, 3837-3867.
  10. ^ Б Breadmore, MC (2009). «Электрокинетическая и гидродинамическая инъекция: правильный выбор для капиллярного электрофореза». Биоанализ . 1 (5): 889–894. DOI : 10.4155 / bio.09.73 . PMID 21083060 . 
  11. ^ a b Schaeper, JP; Сепаниак, MJ (2000). «Параметры, влияющие на воспроизводимость при капиллярном электрофорезе». Электрофорез . 21 (7): 1421–1429. DOI : 10.1002 / (SICI) 1522-2683 (20000401) 21: 7 <1421 :: AID-ELPS1421> 3.0.CO; 2-7 . PMID 10826690 . 
  12. ^ Kuehnbaum, Нидерланды; Корменди, А .; Бритц-Маккиббин П. (2013). «Многосегментная инъекция, капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия: высокопроизводительная платформа для метаболомики с высокой точностью данных». Аналитическая химия . 85 (22): 10664–10669. DOI : 10.1021 / ac403171u . PMID 24195601 . 
  13. ^ Olivares, JA; Nguyen, NT; Йонкер, CR; Смит, Р.Д. «Он-лайн масс-спектрометрическое обнаружение CZE». Аналитическая химия . 59 : 1230–1232. DOI : 10.1021 / ac00135a034 .
  14. ^ Томер, Кеннет Б. (2001). «Разделения в сочетании с масс-спектрометрией». Химические обзоры . 101 (2): 297–328. DOI : 10.1021 / cr990091m . ISSN 0009-2665 . PMID 11712249 .  
  15. ^ Ван, Ченчен; Lee, Cheng S .; Смит, Ричард Д .; Тан, Кэци (2013-08-06). "Капиллярный изотахофорез-наноэлектроспрей-ионизация-выбранная реакция мониторинга МС через новый интерфейс без оболочки для высокочувствительного количественного анализа образцов" . Аналитическая химия . 85 (15): 7308–7315. DOI : 10.1021 / ac401202c . ISSN 0003-2700 . PMC 3744340 . PMID 23789856 .   
  16. ^ Guo, X .; Филлмор, TL; Gao, Y .; Тан, К. (2016) (2016). «Капиллярный электрофорез-наноэлектроспрей-ионизация-выбранная реакция масс-спектрометрия, контролирующая масс-спектрометрию с помощью настоящего безоболочечного интерфейса эмиттера с металлическим покрытием для надежного и высокочувствительного количественного анализа образцов» . Аналитическая химия . 88 (8): 4418–4425. DOI : 10.1021 / acs.analchem.5b04912 . PMC 4854437 . PMID 27028594 .  
  17. ^ Sun, L .; Zhu, G .; Zhang, Z .; Mou, S .; Довичи, Нью-Джерси (2015) (2015). «Третье поколение электрокинетически накачиваемой поверхности наноспрея оболочки-потока с улучшенной стабильностью и чувствительностью для автоматизированного капиллярного зонного электрофореза-масс-спектрометрического анализа сложных протеомных гидролизатов» . J. Proteome Res . 14 (5): 2312–2321. DOI : 10.1021 / acs.jproteome.5b00100 . PMC 4416984 . PMID 25786131 .  
  18. ^ Fang, P .; Pan, J .; Фанг, Q. (2018) (2018). «Прочный и расширяемый интерфейс потока оболочки с минимальным мертвым объемом для соединения CE с ESI-MS». Таланта . 180 : 376–382. DOI : 10.1016 / j.talanta.2017.12.046 . PMID 29332826 . 
  19. ^ Höcker, O .; Montealegre, C .; Neusüß, C. (2018) (2018). «Характеристика поверхности раздела жидкой оболочки нанопотока и сравнение с жидкой оболочкой и границей раздела пористый наконечник без оболочки для CE-ESI-MS при положительной и отрицательной ионизации». Аналитическая и биоаналитическая химия . 410 (21): 5265–5275. DOI : 10.1007 / s00216-018-1179-3 . PMID 29943266 . S2CID 49409772 .  
  20. ^ Sauer, F .; Sydow, C .; Трапп, О. (2020) (2020). «Надежный интерфейс CE-MS для расстановки переносов с помощью Orbitrap MS» . Электрофорез . 41 (15): 1280–1286. DOI : 10.1002 / elps.202000044 . PMID 32358866 . 
  21. ^ Fanali, S .; D'Orazio, G .; Клепарник, К .; Атурки, З. (2006) (2006). «Оперативная КЭ-МС с использованием жидкостного перехода под давлением, нанопотока, электрораспыления и капилляров с поверхностным покрытием». Электрофорез . 27 (23): 4666–4673. DOI : 10.1002 / elps.200600322 . PMID 17091468 . S2CID 39270706 .  
  22. ^ Caprioli, Ричард М .; Мур, Уильям Т. (1990). «[9] Непрерывная масс-спектрометрия с бомбардировкой быстрыми атомами». Масс-спектрометрия . Методы энзимологии. 193 . С. 214–237. DOI : 10.1016 / 0076-6879 (90) 93417-J . ISBN 9780121820947. ISSN  0076-6879 . PMID  2127450 .
  23. ^ Musyimi HK; Нарцисс DA; Чжан X .; Stryjewski, W .; Soper SA; Мюррей К.К. (2004 г.) «Онлайн CE-MALDI –TOF MS с использованием вращающегося шарикового интерфейса». Анальный химический 76: 5968-5973
  24. ^ Haselberg R, Бринкс В, Hawe А, Чен ГДж, Somsen GW, Циммерман HP (2011). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия с использованием капилляров с нековалентным покрытием для анализа биофармацевтических препаратов» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 400 (1): 295–303. DOI : 10.1007 / s00216-011-4738-4 . PMC 3062027 . PMID 21318246 .  
  25. ^ Уиммер В, Pattky М, зад Л., Майкснер М, Haderlein СО, Циммерман HP, Huhn С (2020). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия для прямого анализа глифосата: разработка метода и применение к пивным напиткам и исследованиям окружающей среды» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 412 (20): 4967–4983. DOI : 10.1007 / s00216-020-02751-0 . PMID 32524371 . S2CID 219554622 .  
  26. ^ Мишак Х .; Coon JJ; Novak J .; Вайсингер Э.М.; Schanstra JP; Доминичак А.Ф. Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия как мощный инструмент в открытии биомаркеров и клинической диагностике: обновление последних достижений. Масс Спец. Обзоры. 28 (2008)
  27. ^ Лю, JX; Aerts, JT; Рубахин, СС; Чжан, XX; Свидлер, СП (2014) (2014). «Анализ эндогенных нуклеотидов методом капиллярного электрофореза-масс-спектрометрии отдельных клеток» . Аналитик . 139 (22): 5835–5842. Bibcode : 2014Ana ... 139.5835L . DOI : 10.1039 / c4an01133c . PMC 4329915 . PMID 25212237 .  
  28. ^ Портеро, EP; Немес, П. (2019) (2019). «Двойное катионно-анионное профилирование метаболитов в одной идентифицированной клетке в живом эмбрионе Xenopus laevis с помощью микрозонда CE-ESI-MS» . Аналитик . 144 (3): 892–900. DOI : 10.1039 / c8an01999a . PMC 6349542 . PMID 30542678 .  
  29. ^ Kawai, T .; Ota, N .; Окада, К .; Imasato, A .; Owa, Y .; Morita, M .; Тада, М .; Танака, Ю. (2019) (2019). «Сверхчувствительная метаболомика одиночных клеток с помощью капиллярного электрофореза-масс-спектрометрии с тонкостенным коническим излучателем и двойным концентрированием большого объема». Аналитическая химия . 91 (16): 10564–10572. DOI : 10.1021 / acs.analchem.9b01578 . PMID 31357863 . 
  30. ^ Дункан, KD; Ланекофф, И. (2019) (2019). «Пространственно заданная поверхность, пробоотборная капиллярная масс-спектрометрия с электрофорезом». Аналитическая химия . 91 (12): 7819–7827. DOI : 10.1021 / acs.analchem.9b01516 . PMID 31124661 .