Вторичная ионизация электрораспылением (SESI) - это метод ионизации окружающей среды для анализа следовых концентраций паров, при котором нано-электрораспыление производит заряжающие агенты, которые сталкиваются с молекулами анализируемого вещества непосредственно в газовой фазе. В последующей реакции переносится заряд и пары ионизируются, большинство молекул протонируются (в положительном режиме) и депротонируются (в отрицательном режиме). SESI работает в сочетании с масс-спектрометрией или спектрометрией ионной подвижности .
История
Тот факт, что следовые концентрации газов в контакте со струей электрораспыления были эффективно ионизированы, впервые был замечен Фенном и его коллегами, когда они отметили, что крошечные концентрации пластификаторов дают интенсивные пики в их масс-спектрах. [1] Однако только в 2000 году эта проблема была переосмыслена как решение, когда Хилл и его коллеги использовали электрораспыление для ионизации молекул в газовой фазе [2] и назвали этот метод вторичной ионизацией электрораспылением. В 2007 году почти одновременные работы Зеноби [3] и Пабло Синуэса [4] впервые применили SESI к анализу дыхания, положив начало плодотворной области исследований. [5] При чувствительности в диапазоне низких значений ppt v (10 -12 ), SESI использовался в других приложениях, где важно обнаружение паров с низкой летучестью.
Обнаружение веществ с низкой летучестью в газовой фазе важно, потому что более крупные молекулы имеют более высокую биологическую значимость. Виды с низкой летучестью упускаются из виду, поскольку их технически сложно обнаружить, поскольку они находятся в очень низкой концентрации и имеют тенденцию конденсироваться во внутренних трубопроводах инструментов. Однако по мере того, как эта проблема решена и новые инструменты могут работать с более крупными и более конкретными молекулами, возможность выполнять в режиме реального времени анализ молекул, естественным образом высвобождаемых в воздухе, даже при минимальных концентрациях, привлекает внимание к этому. ионизационная техника.
Принцип действия
В первые дни SESI обсуждались два механизма ионизации: модель взаимодействия капля-пар постулирует, что пары адсорбируются в каплях ионизации электрораспылением (ESI), а затем повторно испускаются по мере сжатия капли, как и обычные жидкие аналиты. производится при ионизации электрораспылением; с другой стороны, модель взаимодействия ионов с паром постулирует, что молекулы и ионы или небольшие кластеры сталкиваются, и в этом столкновении передается заряд. Доступные в настоящее время коммерческие источники SESI работают при высоких температурах, чтобы лучше справляться с низколетучими веществами. [6] В этом режиме нанокапли из электроспрея испаряются очень быстро, образуя ионные кластеры в равновесии. Это приводит к реакциям ион-пар, преобладающим в большей части области ионизации. Поскольку заряженные ионы происходят из нанокапель, и ни в какой точке процесса ионизации и создания ионизирующих агентов не участвуют высокоэнергетические ионы, фрагментация в SESI чрезвычайно мала, и результирующие спектры очень чистые. Это позволяет получить очень высокий динамический диапазон, в котором пики низкой интенсивности не подвержены влиянию более многочисленных видов. [7]
Некоторые родственные методы лазерной абляции ионизации электрораспылением , масс - спектрометрии протонного переноса реакция и массового расхода трубки спектрометрии выбран-иона .
Приложения
Главная особенность SESI является то , что он может обнаружить незначительные концентрации низких летучести видов в реальное время, с молекулярными массами выше , чем 700 дальтона, попадающих в сфере метаболомики . Эти молекулы естественным образом выделяются живыми организмами и обычно обнаруживаются как запахи, что означает, что их можно анализировать неинвазивно . SESI в сочетании с масс-спектрометрией высокого разрешения предоставляет биологически значимую информацию с временным разрешением о живых системах, в которые не нужно вмешиваться. Это позволяет легко фиксировать эволюцию их метаболизма во времени и их реакцию на контролируемые раздражители.
SESI широко используется для анализа дыхательных газов с целью обнаружения биомаркеров и фармакокинетических исследований in vivo :
Открытие биомаркера
Бактериальная инфекция
Широко сообщалось об идентификации бактерий по отпечаткам их летучих органических соединений . После разработки библиотек паровых профилей SESI-MS зарекомендовала себя как надежный метод идентификации бактерий в клеточных культурах и инфекций in vivo в образцах дыхания. [8] [9] [10] [11] Другие исследования включают: Дифференциация in vivo критических патогенов Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa . [12] или дифференциальное обнаружение среди устойчивых к антибиотикам S. aureus и его неустойчивых штаммов. [13] Сообщалось также об обнаружении бактериальной инфекции через другие жидкости, такие как слюна. [14]
Респираторные заболевания
Многие хронические респираторные заболевания не имеют надлежащих методов мониторинга и дифференциации стадий заболевания. SESI-MS использовался для диагностики и различения обострений по образцам дыхания при хронической обструктивной болезни легких . [15] [16] Метаболическое профилирование образцов дыхания позволило точно дифференцировать здоровых людей от пациентов с идиопатическим легочным фиброзом [17] или пациентов с обструктивным апноэ во сне . [18]
Рак
SESI-MS изучается как неинвазивная система обнаружения биомаркеров рака в дыхании. Предварительное исследование дифференцирует пациентов, страдающих неоплазией груди. [19]
Кожа
Летучие вещества, выделяемые кожей, могут быть обнаружены путем отбора проб окружающего ее газа, что обеспечивает быстрый метод обнаружения метаболических изменений в структуре жирных кислот. [20] [21]
Фармакокинетика.
Для изучения фармакокинетики необходима надежная методика из-за сложной природы матрицы образцов, будь то плазма, моча или дыхание. [22] Недавние исследования показывают, что вторичная ионизация электрораспылением (SESI) является мощным методом мониторинга кинетики лекарств с помощью анализа дыхания. [23] [24] Поскольку дыхание производится естественным образом, можно легко собрать несколько точек данных. Это позволяет значительно увеличить количество собранных точек данных. [25] В исследованиях на животных этот подход SESI может уменьшить количество жертвоприношений животных, создавая фармакокинетические кривые с непревзойденным временным разрешением. [24] [25] У людей неинвазивный анализ дыхания SESI-MS может помочь изучить кинетику лекарств на индивидуальном уровне. [23] [26] [27] Мониторинг экзогенно интродуцированных видов позволяет отслеживать их специфический метаболический путь, что снижает риск выбора мешающих факторов .
Метаболический анализ с временным разрешением
Введение известных стимулов, таких как определенные метаболиты изотопно-меченых соединений, или других источников стресса, вызывает метаболические изменения, которые можно легко отслеживать с помощью SESI-MS. Некоторые примеры, если это включает: профилирование летучих соединений культур клеток; [28] и метаболические исследования растений [29] или отслеживают метаболические пути человека. [30] [31] [32]
Другие приложения
Другие приложения, разработанные с помощью SESI-MS, включают:
- Обнаружение запрещенных наркотиков; [3]
- Обнаружение взрывчатых веществ; [33] [34]
- Мониторинг контроля качества пищевых продуктов. [35] [36]
Рекомендации
- ^ Фенн, JB; Mann, M .; Meng, CK; Вонг, Сан-Франциско; Белый дом, CM (1989-10-06). «Ионизация электрораспылением для масс-спектрометрии больших биомолекул». Наука . 246 (4926): 64–71. Bibcode : 1989Sci ... 246 ... 64F . DOI : 10.1126 / science.2675315 . ISSN 0036-8075 . PMID 2675315 .
- ^ Wu, C .; Siems, WF; Hill, HH (2000-01-15). «Вторичная электрораспылительная ионизационная спектрометрия ионной подвижности / масс-спектрометрия запрещенных наркотиков». Аналитическая химия . 72 (2): 396–403. DOI : 10.1021 / ac9907235 . ISSN 0003-2700 . PMID 10658336 .
- ^ а б «Группа Зеноби, Лаборатория органической химии, Департамент химии и прикладных биологических наук, ETH Zurich» .
- ^ "Ботнар Профессор, Университетская детская больница Базеля, UKBB" .
- ^ «Цюрихский проект Exhalomics, Цюрихский университет, UZH» .
- ^ «Технология ископаемых ионов, Малага, Испания» .
- ^ Мартинес-Лозано Синуес, Пабло; Криадо, Эрнесто; Видаль, Гильермо (2012). «Механистическое исследование ионизации газовых примесей струей электрораспыления». Международный журнал масс-спектрометрии . 313 : 21–29. Bibcode : 2012IJMSp.313 ... 21M . DOI : 10.1016 / j.ijms.2011.12.010 .
- ^ Баллабио, Клаудиа; Кристони, Симоне; Пуччо, Джованни; Колер, Малькольм; Сала, Мария Роберта; Брамбилла, Паоло; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло (2014). «Быстрая идентификация бактерий в культурах крови с помощью масс-спектрометрического анализа летучих веществ». Журнал клинической патологии . 67 (8): 743–746. DOI : 10.1136 / jclinpath-2014-202301 . ISSN 0021-9746 . PMID 24817704 . S2CID 43907088 .
- ^ Чжу, Цзянцзян; Бин, Хизер Д .; Хименес-Диас, Хайме; Хилл, Джейн Э. (2013). «Вторичная электрораспылительная ионизация-масс-спектрометрия (SESI-MS), отпечатки дыхания множества бактериальных патогенов легких, исследование на мышиной модели» . Журнал прикладной физиологии . 114 (11): 1544–1549. DOI : 10.1152 / japplphysiol.00099.2013 . ISSN 8750-7587 . PMC 3680826 . PMID 23519230 .
- ^ Чжу, Цзянцзян; Хилл, Джейн Э. (2013). «Обнаружение Escherichia coli с помощью профилирования ЛОС с использованием вторичной ионизации с электрораспылением и масс-спектрометрии (SESI-MS)» . Пищевая микробиология . 34 (2): 412–417. DOI : 10.1016 / j.fm.2012.12.008 . ISSN 0740-0020 . PMC 4425455 . PMID 23541210 .
- ^ Ратиу, Илеана-Андреа; Лигор, Томаш; Бокос-Бинтан, Виктор; Бушевский, Богуслав (2017). «Масс-спектрометрические методы анализа летучих органических соединений, выделяемых бактериями». Биоанализ . 9 (14): 1069–1092. DOI : 10,4155 / био-2017-0051 . ISSN 1757-6180 . PMID 28737423 .
- ^ Чжу, Цзянцзян; Хименес-Диас, Хайме; Бин, Хизер Д; Дафтари, Нирав А; Алиева, Минара I; Лундблад, Леннарт К.А.; Хилл, Джейн Э (18 июля 2013 г.). «Надежное обнаружение острых инфекций легких, вызванных P. aeruginosa и S. aureus, методом вторичной ионизационно-масс-спектрометрии с электрораспылением (SESI-MS): от начальной инфекции до выведения» . Журнал исследования дыхания . 7 (3): 037106. Bibcode : 2013JBR ..... 7c7106Z . DOI : 10.1088 / 1752-7155 / 7/3/037106 . ISSN 1752-7155 . PMC 4425453 . PMID 23867706 .
- ^ Бин, Хизер Д .; Чжу, Цзянцзян; Сенгл, Джексон С.; Хилл, Джейн Э. (2014). «Выявление метициллин-устойчивых инфекций легких Staphylococcus aureus (MRSA) у мышей с помощью анализа дыхания с использованием вторичной ионизационно-масс-спектрометрии с электрораспылением (SESI-MS)» . Журнал исследования дыхания . 8 (4): 041001–41001. Bibcode : 2014JBR ..... 8d1001B . DOI : 10.1088 / 1752-7155 / 8/4/041001 . ISSN 1752-7163 . PMC 4443899 . PMID 25307159 .
- ^ Бреги, Лукас; Müggler, Annick R .; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло; Гарсия-Гомес, Диего; Сутер, Янник; Белибасакис, Георгиос Н .; Колер, Малькольм; Шмидлин, Патрик Р .; Зеноби, Ренато (2015). «Дифференциация бактерий полости рта в культурах in vitro и слюне человека с помощью вторичной ионизации электрораспылением - масс-спектрометрия» . Научные отчеты . 5 (1): 15163. Bibcode : 2015NatSR ... 515163B . DOI : 10.1038 / srep15163 . ISSN 2045-2322 . PMC 4609958 . PMID 26477831 .
- ^ Гогг, Мартин Томас; Нуссбаумер-Охснер, Ивонн; Бреги, Лукас; Энглер, Анна; Стеблер, Нина; Гайсл, Томас; Брудерер, Тобиас; Новак, Нора; Синуэс, Пабло (2019). «Анализ дыхания в реальном времени выявляет специфические метаболические признаки обострений ХОБЛ». Сундук . 156 (2): 269–276. DOI : 10.1016 / j.chest.2018.12.023 . PMID 30685334 .
- ^ Бреги, Лукас; Нуссбаумер-Охснер, Ивонн; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло; Гарсия-Гомес, Диего; Сутер, Янник; Гайсл, Томас; Стеблер, Нина; Гогг, Мартин Томас; Колер, Малькольм (2018). «Масс-спектрометрическая идентификация в реальном времени метаболитов, характерных для хронической обструктивной болезни легких, на выдыхаемом воздухе» . Клиническая масс-спектрометрия . 7 : 29–35. DOI : 10.1016 / j.clinms.2018.02.003 .
- ^ Колер, М .; Zenobi, R .; Энглер, А .; Bregy, L .; Gaugg, MT; Nussbaumer-Ochsner, Y .; Синуэс, П. (2017-05-01). «119 Анализ выдыхаемого воздуха с помощью масс-спектрометрии в реальном времени у пациентов с фиброзом легких» . Сундук . 151 (5): A16. DOI : 10.1016 / j.chest.2017.04.017 . ISSN 0012-3692 . S2CID 79732485 .
- ^ Шварц, Эстер I; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло; Бреги, Лукас; Гайсл, Томас; Гарсия Гомес, Диего; Гогг, Мартин Т; Сутер, Янник; Стеблер, Нина; Нуссбаумер-Охснер, Ивонн (2015-12-15). «Влияние отмены CPAP-терапии на характер выдыхаемого воздуха при обструктивном апноэ во сне» . Грудная клетка . 71 (2): 110–117. DOI : 10.1136 / thoraxjnl-2015-207597 . ISSN 0040-6376 . PMID 26671307 .
- ^ Он, Цзинцзин; Синуес, Пабло Мартинес-Лозано; Холлмен, Майя; Ли, Сюэ; Детмар, Майкл; Зеноби, Ренато (2014-06-06). «Дактилоскопия рака молочной железы против нормальных клеток молочной железы с помощью масс-спектрометрического анализа летучих веществ» . Научные отчеты . 4 (1): 5196. Bibcode : 2014NatSR ... 4E5196H . DOI : 10.1038 / srep05196 . ISSN 2045-2322 . PMC 5381500 . PMID 24903350 .
- ^ Мартинес-Лозано, Пабло (2009). «Масс-спектрометрическое исследование кожных летучих веществ с помощью вторичной ионизации электрораспылением». Международный журнал масс-спектрометрии . 282 (3): 128–132. Bibcode : 2009IJMSp.282..128M . DOI : 10.1016 / j.ijms.2009.02.017 . ISSN 1387-3806 .
- ^ Мартинес-Лосано, Пабло; Мора, Хуан Фернандес (2009). «Он-лайн обнаружение паров кожи человека» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 20 (6): 1060–1063. DOI : 10.1016 / j.jasms.2009.01.012 . ISSN 1044-0305 . PMID 19251441 .
- ^ Касас-Феррейра, Ана Мария; Ногаль-Санчес, Мигель дель; Перес-Павон, Хосе Луис; Морено-Кордеро, Бернардо (январь 2019 г.). «Безраздельные масс-спектрометрические методы неинвазивной медицинской диагностики на основе летучих органических соединений: обзор». Analytica Chimica Acta . 1045 : 10–22. DOI : 10.1016 / j.aca.2018.07.005 . PMID 30454564 .
- ^ а б Гамез, Херардо; Чжу, Лян; Диско, Андреас; Чен, Хуанвэнь; Азов, Владимир; Чингин, Константин; Кремер, Гюнтер; Зеноби, Ренато (2011). «Мониторинг в реальном времени in vivo и фармакокинетика вальпроевой кислоты с помощью нового биомаркера выдыхаемого воздуха». Химические коммуникации . 47 (17): 4884–6. DOI : 10.1039 / c1cc10343a . ISSN 1359-7345 . PMID 21373707 .
- ^ а б Ли, Сюэ; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло; Даллманн, Роберт; Бреги, Лукас; Холлмен, Майя; Пру, Стивен; Браун, Стивен А .; Детмар, Майкл; Колер, Малькольм; Зеноби, Ренато (26.06.2015). «Фармакокинетика лекарств, определяемая анализом дыхания мышей в реальном времени». Angewandte Chemie International Edition . 54 (27): 7815–7818. DOI : 10.1002 / anie.201503312 . ЛВП : 20.500.11850 / 102558 . PMID 26015026 .
- ^ а б Гогг, Мартин Т; Энглер, Анна; Нуссбаумер-Охснер, Ивонн; Бреги, Лукас; Stöberl, Anna S; Гайсл, Томас; Брудерер, Тобиас; Зеноби, Ренато; Колер, Малькольм; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло (13 сентября 2017 г.). «Метаболические эффекты ингаляционного сальбутамола определяются анализом выдыхаемого воздуха» . Журнал исследования дыхания . 11 (4): 046004. DOI : 10,1088 / 1752-7163 / aa7caa . ISSN 1752-7163 . PMID 28901297 .
- ^ Martinez-Lozano Sinues, P .; Колер, М .; Браун, SA; Zenobi, R .; Даллманн, Р. (2017). «Измерение суточных колебаний метаболизма кетамина с помощью анализа дыхания в реальном времени» (PDF) . Химические коммуникации . 53 (14): 2264–2267. DOI : 10.1039 / C6CC09061C . ISSN 1359-7345 . PMID 28150005 .
- ^ Техеро Риосерас, Альберто; Сингх, Капил Дев; Новак, Нора; Gaugg, Martin T .; Брудерер, Тобиас; Зеноби, Ренато; Sinues, Пабло М.-Л. (2018-06-05). «Мониторинг метаболитов трикарбоновых кислот в выдыхаемом воздухе в режиме реального времени». Аналитическая химия . 90 (11): 6453–6460. DOI : 10.1021 / acs.analchem.7b04600 . ISSN 0003-2700 . PMID 29767961 .
- ^ Техеро Риосерас, Альберто; Гарсия Гомес, Диего; Ebert, Birgitta E .; Бланк, Ларс М .; Ибаньес, Альфредо Дж .; Sinues, Пабло М.Л. (27.10.2017). «Комплексный анализ волатиллома дрожжей в реальном времени» . Научные отчеты . 7 (1): 14236. Bibcode : 2017NatSR ... 714236T . DOI : 10.1038 / s41598-017-14554-у . ISSN 2045-2322 . PMC 5660155 . PMID 29079837 .
- ^ Барриос-Колладо, Сезар; Гарсия-Гомес, Диего; Зеноби, Ренато; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Ибаньес, Альфредо Дж .; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло (04.02.2016). «Захват in vivo метаболизма растений с помощью анализа в реальном времени летучих веществ с низкой и высокой молекулярной массой». Аналитическая химия . 88 (4): 2406–2412. DOI : 10.1021 / acs.analchem.5b04452 . ISSN 0003-2700 . PMID 26814403 .
- ^ Мартинес-Лозано Синуес, Пабло; Колер, Малькольм; Зеноби, Ренато (2013-04-03). «Анализ человеческого дыхания может подтвердить существование индивидуальных метаболических фенотипов» . PLOS ONE . 8 (4): e59909. Bibcode : 2013PLoSO ... 859909M . DOI : 10.1371 / journal.pone.0059909 . ISSN 1932-6203 . PMC 3616042 . PMID 23573221 .
- ^ Гарсия-Гомес, Диего; Бреги, Лукас; Барриос-Колладо, Сезар; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Зеноби, Ренато (17.06.2015). «Тандемная масс-спектрометрия высокого разрешения в реальном времени идентифицирует производные фурана в выдыхаемом воздухе». Аналитическая химия . 87 (13): 6919–6924. DOI : 10.1021 / acs.analchem.5b01509 . ЛВП : 20.500.11850 / 103100 . ISSN 0003-2700 . PMID 26052611 .
- ^ Гарсия-Гомес, Диего; Мартинес-Лосано Синуес, Пабло; Барриос-Колладо, Сезар; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Гогг, Мартин; Зеноби, Ренато (13 февраля 2015). «Идентификация 2-алкеналов, 4-гидрокси-2-алкеналов и 4-гидрокси-2,6-алкадиеналов в конденсате выдыхаемого воздуха с помощью UHPLC-HRMS и в дыхании с помощью HRMS в реальном времени». Аналитическая химия . 87 (5): 3087–3093. DOI : 10.1021 / ac504796p . ISSN 0003-2700 . PMID 25646646 .
- ^ Тэм, Мэгги; Хилл, Герберт Х. (2004). "Вторичная ионизация электрораспылением - спектрометрия подвижности ионов для обнаружения паров взрывчатых веществ". Аналитическая химия . 76 (10): 2741–2747. DOI : 10.1021 / ac0354591 . ISSN 0003-2700 . PMID 15144183 .
- ^ Мартинес-Лосано, Пабло; Русь, Хуан; Фернандес де ла Мора, Гонсало; Эрнандес, Марта; Фернандес де ла Мора, Хуан (2009). «Вторичная ионизация электрораспылением (SESI) паров окружающей среды для обнаружения взрывчатых веществ при концентрациях ниже частей на триллион» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 20 (2): 287–294. DOI : 10.1016 / j.jasms.2008.10.006 . ISSN 1044-0305 . PMID 19013080 .
- ^ Бин, Хизер Д .; Меллорс, Теодор Р .; Чжу, Цзянцзян; Хилл, Джейн Э. (22 апреля 2015 г.). «Профилирование выдержанного кустарного сыра чеддер с использованием вторичной масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 63 (17): 4386–4392. DOI : 10.1021 / jf5063759 . ISSN 0021-8561 . PMID 25865575 .
- ^ Фаррелл, Росс Р .; Фарентрапп, Йоханнес; Гарсия-Гомес, Диего; Мартинес-Лозано Синуес, Пабло; Зеноби, Ренато (2017). «Быстрое снятие отпечатков пальцев с летучего состава винограда с использованием вторичной электрораспылительной ионизации и орбитальной масс-спектрометрии: предварительное исследование созревания винограда». Пищевой контроль . 81 : 107–112. DOI : 10.1016 / j.foodcont.2017.04.041 . ISSN 0956-7135 .
Внешние ссылки
- Инициатива глубокого дыхания
- Fossiliontech
- Исследование дыхания Sinueslab