Вторичная электрораспылительная ионизация ( SESI ) — это метод ионизации окружающей среды для анализа следовых концентраций паров, где наноэлектроспрей производит заряжающие агенты, которые сталкиваются с молекулами аналита непосредственно в газовой фазе. В последующей реакции заряд передается, и пары ионизируются, большинство молекул протонируются (в положительном режиме) и депротонируются (в отрицательном режиме). SESI работает в сочетании с масс-спектрометрией или спектрометрией подвижности ионов .
История
Тот факт, что следовые концентрации газов, контактирующих с электрораспылительной струей, эффективно ионизируются, был впервые обнаружен Фенном и его коллегами, когда они заметили, что крошечные концентрации пластификаторов создают 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 электрораспылительной ионизацией. В 2007 году почти одновременные работы Зеноби [3] и Пабло Синуэса [4] впервые применили SESI для анализа дыхания, что ознаменовало начало плодотворной области или исследования. [5] Благодаря чувствительности в низком диапазоне ppt v (10−12 ) , SESI использовался в других приложениях, где важно обнаружение паров с низкой летучестью.
Обнаружение низколетучих видов в газовой фазе важно, поскольку более крупные молекулы, как правило, имеют более высокую биологическую значимость. Низколетучие виды были упущены из виду, поскольку их технически сложно обнаружить, поскольку они находятся в очень низкой концентрации и имеют тенденцию конденсироваться во внутренних трубках приборов. Однако, поскольку эта проблема решена, и новые приборы способны обрабатывать более крупные и более специфичные молекулы, возможность выполнять онлайн-анализ в реальном времени молекул, естественным образом выделяемых в воздух, даже при незначительных концентрациях, привлекает внимание к этому методу ионизации.
Принцип действия
На заре SESI обсуждались два механизма ионизации: модель взаимодействия капель и паров постулирует, что пары адсорбируются в каплях ионизации электрораспылением (ESI), а затем повторно испускаются по мере сжатия капли, точно так же, как обычные аналиты жидкой фазы производятся при ионизации электрораспылением; с другой стороны, модель взаимодействия ионов и паров постулирует, что молекулы и ионы или небольшие кластеры сталкиваются, и заряд передается при этом столкновении. В настоящее время доступные коммерческие источники SESI работают при высокой температуре, чтобы лучше справляться с низколетучими видами. [6] В этом режиме нанокапли из электрораспыления испаряются очень быстро, образуя ионные кластеры в равновесии. Это приводит к тому, что реакции ион-пар доминируют в большей части области ионизации. Поскольку заряжающиеся ионы возникают из нанокапель, и ни в одной точке процесса ионизации, ни в создании ионизирующих агентов не участвуют ионы высокой энергии, фрагментация в SESI является исключительно низкой, а полученные спектры очень чистыми. Это обеспечивает очень высокий динамический диапазон, где пики низкой интенсивности не подвержены влиянию более распространенных видов. [7]
Главной особенностью SESI является то, что он может обнаруживать мельчайшие концентрации низколетучих видов в режиме реального времени с молекулярными массами до 700 Да, попадая в сферу 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 о живых системах с временным разрешением, когда в систему не нужно вмешиваться. Это позволяет бесшовно фиксировать временную эволюцию их метаболизма и их реакцию на контролируемые стимулы.
Широко сообщалось об идентификации бактерий по их летучим органическим соединениям . SESI-MS оказалась надежным методом идентификации бактерий из клеточных культур и инфекций in vivo из образцов дыхания после разработки библиотек профилей паров. [8] [9] [10] [11] Другие исследования включают: Дифференциация in vivo между критическими патогенами Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa . [12] или дифференциальное обнаружение среди антибиотикоустойчивых штаммов S. aureus и его неустойчивых штаммов. [13] Также сообщалось об обнаружении бактериальных инфекций из других жидкостей, таких как слюна. [14]
Респираторные заболевания
Многие хронические респираторные заболевания не имеют соответствующего метода мониторинга и дифференциации между стадиями заболевания. SESI-MS использовался для диагностики и различения обострений по образцам дыхания при хронической обструктивной болезни легких . [15] [16] Метаболическое профилирование образцов дыхания точно дифференцировало здоровых людей от идиопатического легочного фиброза [17] или пациентов с обструктивным апноэ сна . [18]
Рак
SESI-MS изучается как неинвазивная система обнаружения биомаркеров рака в дыхании. Предварительное исследование дифференцирует пациентов, страдающих неоплазией молочной железы. [19]
Кожа
Летучие вещества, выделяемые кожей, можно обнаружить, отбирая пробы окружающего ее газа, что обеспечивает быстрый метод обнаружения метаболических изменений в моделях состава 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 электрораспылительная ионизация (SESI) является мощным методом мониторинга кинетики лекарств с помощью анализа дыхания. [23] [24] Поскольку дыхание вырабатывается 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 сократить количество жертв животных, одновременно получая фармакокинетические кривые с непревзойденным временным разрешением. [24] [25] У людей неинвазивный анализ дыхания SESI-MS может помочь изучить кинетику лекарств на персонализированном уровне. [23] [26] [27] Мониторинг экзогенно введенных видов позволяет отслеживать их специфический метаболический путь, что снижает риск выбора мешающих факторов .
Анализ метаболизма с временным разрешением
Введение известных стимулов, таких как специфические метаболиты, изотопно-меченые соединения или другие источники стресса запускают метаболические изменения, которые можно легко контролировать с помощью SESI-MS. Вот некоторые примеры: профилирование летучих соединений клеточной культуры; [28] и метаболические исследования для растений [29] или отслеживание метаболических путей человека. [30] [31] [32]
Другие приложения
Другие приложения, разработанные с помощью SESI-MS, включают:
Обнаружение запрещенных наркотиков; [3]
Обнаружение взрывчатых веществ; [33] [34]
Контроль качества пищевых продуктов. [35] [36]
Ссылки
^ Fenn, JB; Mann, M.; Meng, CK; Wong, SF; Whitehouse, CM (1989-10-06). "Электроспрейная ионизация для масс-спектрометрии больших биомолекул". Science . 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 ионизация ионной подвижности спектрометрия/масс-спектрометрия запрещенных наркотиков». Аналитическая химия . 72 (2): 396–403. doi :10.1021/ac9907235. ISSN 0003-2700. PMID 10658336.
^ ab "Zenobi Group, Лаборатория органической химии, Кафедра химии и прикладных биологических наук, Швейцарская высшая техническая школа Цюриха".
^ "Профессорская должность имени Ботнара, Детская университетская больница Базеля, UKBB".
^ "Проект Zurich Exhalomics, Университет Цюриха, UZH". Архивировано из оригинала 2021-05-20 . Получено 29-05-2019 .
^ «Технология ископаемых ионов, Малага, Испания».
^ Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Криадо, Эрнесто; Видал, Гильермо (2012). «Механистическое исследование ионизации следовых газов электрораспылительным шлейфом». Международный журнал масс-спектрометрии . 313 : 21–29. Bibcode : 2012IJMSp.313...21M. doi : 10.1016/j.ijms.2011.12.010.
^ Баллабио, Клаудия; Кристони, Симоне; Пуччио, Джованни; Колер, Малкольм; Сала, Мария Роберта; Брамбилла, Паоло; Мартинес-Лозано Синуэс, 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) дыхательных отпечатков нескольких 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 электрораспылительной ионизации-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-Бинтинтан, Виктор; Бушевский, Богуслав (2017). «Масс-спектрометрические методы анализа летучих органических соединений, выделяемых бактериями». Биоанализ . 9 (14): 1069–1092. doi :10.4155/bio-2017-0051. ISSN 1757-6180. PMID 28737423.
^ Чжу, Цзянцзян; Хименес-Диас, Хайме; Бин, Хизер Д; Дафтари, Нирав А; Алиева, Минара И; Лундблад, Леннарт КА; Хилл, Джейн Э (18 июля 2013 г.). "Надежное обнаружение острых легочных инфекций P. aeruginosa и S. aureus с помощью вторичной электрораспылительной ионизации-масс-спектрометрии (SESI-MS) с отпечатками дыхания: от первоначального заражения до выздоровления". Журнал исследований 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; Сэнгл, Джексон К.; Хилл, Джейн Э. (2014). «Идентификация инфекций легких, вызванных метициллин-резистентным золотистым стафилококком (MRSA) у мышей с помощью анализа дыхания с использованием вторичной электрораспылительной ионизации-масс-спектрометрии (SESI-MS)». Журнал исследований 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; Мюгглер, Анник Р.; Мартинес-Лосано Синуэс, Пабло; Гарсия-Гомес, Диего; Сутер, Янник; Белибасакис, Георгиос Н.; Колер, Малкольм; Шмидлин, Патрик Р.; Зеноби, Ренато (2015). «Дифференциация бактерий полости рта в культурах in vitro и человеческой слюне с помощью вторичной электрораспылительной ионизации – масс-спектрометрии». Scientific Reports . 5 (1): 15163. Bibcode :2015NatSR...515163B. doi :10.1038/srep15163. ISSN 2045-2322. PMC 4609958 . PMID 26477831.
^ Бреги, Лукас; Нуссбаумер-Охснер, Ивонн; Мартинес-Лосано Синуэс, Пабло; Гарсия-Гомес, Диего; Сутер, Янник; Гайсл, Томас; Стеблер, Нина; Гаугг, Мартин Томас; Колер, Малкольм (2018). «Масс-спектрометрическая идентификация метаболитов, характерных для хронической обструктивной болезни легких, в выдыхаемом воздухе в режиме реального времени». Клиническая масс-спектрометрия . 7 : 29–35. doi : 10.1016/j.clinms.2018.02.003 . PMC 11322756 .
^ Kohler, M.; Zenobi, R.; Engler, A.; Bregy, L.; Gaugg, MT; Nussbaumer-Ochsner, Y.; Sinues, P. (2017-05-01). "119 Анализ выдыхаемого воздуха с помощью масс-спектрометрии в реальном времени у пациентов с легочным фиброзом". Chest . 151 (5): A16. doi :10.1016/j.chest.2017.04.017. ISSN 0012-3692. S2CID 79732485.
^ Шварц, Эстер I; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Бреги, Лукас; Гайсл, Томас; Гарсия Гомес, Диего; Гаугг, Мартин Т; Сутер, Янник; Стеблер, Нина; Нуссбаумер-Охснер, Ивонн (15.12.2015). «Влияние отмены терапии CPAP на характер выдыхаемого дыхания при обструктивном апноэ сна». Thorax . 71 (2): 110–117. doi : 10.1136/thoraxjnl-2015-207597 . ISSN 0040-6376. PMID 26671307.
^ He, Jingjing; Sinues, Pablo Martinez-Lozano; Hollmén, Maija; Li, Xue; Detmar, Michael; Zenobi, Renato (2014-06-06). "Дактилоскопия рака молочной железы против нормальных клеток молочной железы с помощью масс-спектрометрического анализа летучих веществ". Scientific Reports . 4 (1): 5196. Bibcode :2014NatSR...4E5196H. doi :10.1038/srep05196. ISSN 2045-2322. PMC 5381500 . PMID 24903350.
^ Мартинес-Лозано, Пабло (2009). «Масс-спектрометрическое исследование летучих веществ кожи методом вторичной электрораспылительной ионизации». 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). «Онлайн-обнаружение паров человеческой кожи». 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.). «Несепарационные методы масс-спектрометрии для неинвазивной медицинской диагностики на основе летучих органических соединений: обзор». Аналитика Химика Акта . 1045 : 10–22. Бибкод : 2019AcAC.1045...10C. дои : 10.1016/j.aca.2018.07.005. PMID 30454564. S2CID 53874283.
^ ab Gamez, Gerardo; Zhu, Liang; Disko, Andreas; Chen, Huanwen; Azov, Vladimir; Chingin, Konstantin; Krämer, Günter; Zenobi, Renato (2011). «Мониторинг in vivo и фармакокинетика вальпроевой кислоты в реальном времени с помощью нового биомаркера в выдыхаемом воздухе». Chemical Communications . 47 (17): 4884–6. doi :10.1039/c1cc10343a. ISSN 1359-7345. PMID 21373707.
^ ab Ли, Сюэ; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Даллманн, Роберт; Бреги, Лукас; Холлмен, Майя; Пру, Стивен; Браун, Стивен А.; Детмар, Майкл; Колер, Малкольм; Зеноби, Ренато (2015-06-26). "Фармакокинетика лекарств, определяемая с помощью анализа дыхания мышей в реальном времени". Angewandte Chemie International Edition . 54 (27): 7815–7818. doi :10.1002/anie.201503312. hdl : 20.500.11850/102558 . PMID 26015026.
^ ab Gaugg, Martin T; Engler, Anna; Nussbaumer-Ochsner, Yvonne; Bregy, Lukas; Stöberl, Anna S; Gaisl, Thomas; Bruderer, Tobias; Zenobi, Renato; Kohler, Malcolm; Martinez-Lozano Sinues, Pablo (13.09.2017). "Метаболические эффекты вдыхаемого сальбутамола, определяемые анализом выдыхаемого воздуха". Journal of Breath Research . 11 (4): 046004. Bibcode : 2017JBR....11d6004G. doi : 10.1088/1752-7163/aa7caa . hdl : 20.500.11850/220016 . ISSN 1752-7163. PMID 28901297.
^ Мартинес-Лозано Синуэс, П.; Колер, М.; Браун, СА; Зеноби, Р.; Даллманн, Р. (2017). «Измерение циркадных колебаний метаболизма кетамина с помощью анализа дыхания в реальном времени» (PDF) . Chemical Communications . 53 (14): 2264–2267. doi :10.1039/C6CC09061C. ISSN 1359-7345. PMID 28150005.
^ Tejero Rioseras, Alberto; Singh, Kapil Dev; Nowak, Nora; Gaugg, Martin T.; Bruderer, Tobias; Zenobi, Renato; Sinues, Pablo M.-L. (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.
^ Tejero Rioseras, Alberto; Garcia Gomez, Diego; Ebert, Birgitta E.; Blank, Lars M.; Ibáñez, Alfredo J.; Sinues, Pablo ML (2017-10-27). "Комплексный анализ дрожжевого летучего вещества в реальном времени". Scientific Reports . 7 (1): 14236. Bibcode :2017NatSR...714236T. doi :10.1038/s41598-017-14554-y. ISSN 2045-2322. PMC 5660155 . PMID 29079837.
^ Барриос-Кольядо, Сезар; Гарсия-Гомес, Диего; Зеноби, Ренато; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Ибаньес, Альфредо Х.; Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло (04 февраля 2016 г.). «Учет метаболизма растений in vivo с помощью анализа летучих веществ с низкой и высокой молекулярной массой в реальном времени». Аналитическая химия . 88 (4): 2406–2412. doi : 10.1021/acs.analchem.5b04452. ISSN 0003-2700. ПМИД 26814403.
^ Мартинес-Лозано Синуэс, Пабло; Колер, Малкольм; Зеноби, Ренато (2013-04-03). «Анализ дыхания человека 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, Сесар; 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. hdl : 20.500.11850/103100 . ISSN 0003-2700. PMID 26052611.
^ Гарсия-Гомес, Диего; Мартинес-Лосано Синуэс, Пабло; Барриос-Колладо, Сесар; Видаль-де-Мигель, Гильермо; Гаугг, Мартин; Зеноби, Ренато (13.02.2015). «Идентификация 2-алкеналов, 4-гидрокси-2-алкеналов и 4-гидрокси-2,6-алкадиенов в конденсате выдыхаемого воздуха методом УВЭЖХ-МСВР и в дыхании методом МСВР в реальном времени». Аналитическая химия . 87 (5): 3087–3093. doi :10.1021/ac504796p. ISSN 0003-2700. PMID 25646646.
^ Там, Мэгги; Хилл, Герберт Х. (2004). «Вторичная электрораспылительная ионизация — спектрометрия подвижности ионов для обнаружения взрывчатых паров». Аналитическая химия . 76 (10): 2741–2747. doi :10.1021/ac0354591. ISSN 0003-2700. PMID 15144183.
^ Мартинес-Лозано, Пабло; Рус, 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 в концентрациях ниже частей на триллион». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 20 (2): 287–294. дои : 10.1016/j.jasms.2008.10.006 . ISSN 1044-0305. ПМИД 19013080.
^ Бин, Хизер Д.; Меллорс, Теодор Р.; Чжу, Цзянцзян; Хилл, Джейн Э. (2015-04-22). «Профилирование выдержанного кустарного сыра чеддер с использованием масс-спектрометрии с вторичной электрораспылительной ионизацией». 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-Лосано Синуэс, Пабло; Зеноби, Ренато (2017). «Быстрое отпечатки пальцев летучего состава винограда с использованием вторичной электрораспылительной ионизации орбитальной масс-спектрометрии: предварительное исследование созревания винограда». Food Control . 81 : 107–112. doi :10.1016/j.foodcont.2017.04.041. ISSN 0956-7135.