Лазерная абляция ионизация электрораспылением - Википедия - Laser ablation electrospray ionization

Схематическое изображение лазерной абляции ионизации электрораспылением (LAESI)

Лазерная абляция, ионизация электрораспылением (ЛАЕСИ) является ионизация окружающей среды метод масс-спектрометрии, сочетающий лазерная абляция из средний инфракрасный (средний ИК) лазер с вторичным ионизация электрораспылением (ESI) процесс. Лазер среднего ИК диапазона используется для генерации частиц газовой фазы, которые затем ионизируются посредством взаимодействия с заряженными каплями от источника ESI. LAESI был разработан профессором Акос Вертес лаборатория доктора Питер Немес в 2007 году и коммерчески продавалась Protea Biosciences, Inc. до 2017 года. Волоконно-LAESI для анализа отдельных клеток было разработано доктором Биндешем Шреста в лаборатории профессора Вертеса в 2009 году. LAESI - это новый источник ионизации для масс-спектрометрии (МС) который использовался для получения изображений растений методом МС,[1][2][3] ткани,[4][5][6][7] клеточные гранулы,[8] и даже одиночные клетки.[9][10][11][12] Кроме того, LAESI использовался для анализа исторических документов.[13] и необработанные биологические жидкости, такие как моча и кровь.[1] Методика LAESI выполняется при атмосферном давлении и, следовательно, преодолевает многие препятствия традиционных методов МС, включая обширные и инвазивные этапы подготовки образцов и использование высокого вакуума. Поскольку молекулы и аэрозоли ионизируются за счет взаимодействия с струей электрораспыления, механизм ионизации LAESI аналогичен SESI и EESI техники.

LAESI можно использовать для проведения МС-анализа многих различных классов соединений, начиная от небольших молекул, таких как фармацевтические препараты, сахариды,[1][2][3][9][10] липиды,[5][7] и метаболиты[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10] к более крупным биомолекулам, таким как пептиды[1] и белки.[1] Также было показано, что LAESI имеет количественный динамический диапазон в 4 декады и предел обнаружения (LOD) 8 фмоль с верапамилом, небольшой фармацевтической молекулой.[1] Этот метод имеет латеральное разрешение <200 мкм для приложений визуализации.[7][14] и использовался для трехмерной визуализации тканей растений.[3] Кроме того, в экспериментах по визуализации с использованием LAESI отдельные клетки могут использоваться в качестве пикселей молекулярного изображения.[12] В этом приложении LAESI используются протравленные оптические волокна для создания лазерного пятна размером <50 мкм для доставки лазерной энергии, а также в экспериментах по анализу отдельных ячеек.[9][10][11][12]

Принцип действия

LAESI производит ионы для анализа MS при нормальных атмосферных условиях для проб, содержащих воду.[15] Весь процесс можно разделить на два этапа.

Генерация аналитов

Когда лазерный луч среднего ИК-диапазона направлен на мишень, которая содержит гидроксидную группу, мишень будет поглощать энергию этого лазерного луча, что приводит к испарению влаги из целевой области.[16] В мишени происходит мелкомасштабный взрыв, и небольшая часть образца переходит в газовую фазу с помощью короткого (5 нс) лазерного импульса среднего ИК-диапазона (2940 нм).[17][18] Шлейф расширяется до тех пор, пока не схлопывается в образец из-за давления, оказываемого атмосферой. В этот момент с поверхности образца выбрасывается струя материала.[17][19] Поскольку средний ИК-диапазон имеет низкую энергию, большинство выброшенных из образца частиц остаются нейтральными.[16][20]

Реагирующие аналиты с заряженными частицами растворителя

An Электрораспылительная ионизация (ESI) источник расположен над образцом для постабляционной ионизации.[21] Струя аблированного материала пересекается и ионизируется струей распыления от источника ESI, расположенного над образцом. Затем ионизированные молекулы попадают в масс-спектрометр для анализа. Поскольку для ионизации используется источник ESI, масс-спектры LAESI аналогичны традиционным спектрам ESI, которые могут показывать многозарядные пики анализируемого вещества, и расширяют диапазон эффективных масс обнаружения до биомолекул размером> 100000 Да.[19][20]

Приложения

LAESI может быть использован для проведения экспериментов по визуализации с помощью МС различных образцов тканей не только в трех измерениях, но и во времени. Аналогичным образом, LAESI можно использовать для приложений мониторинга процессов, поскольку для выполнения каждого отдельного анализа требуется менее 2 секунд. Из-за скорости анализа LAESI этот метод подходит для быстрого, чувствительного и прямого анализа водных образцов в 96- и 384-луночных микропланшетах. Эти анализы также могут выполняться на жидких образцах, таких как биологические жидкости, содержащие пептиды, белки, метаболиты и другие биомаркеры для клинических, диагностических и исследовательских рабочих процессов.[22] Технология LAESI позволяет проводить высокопроизводительный анализ этих типов проб, а использование внутренних стандартов и калибровочных кривых позволяет проводить абсолютное количественное определение целевых биомолекул.[23][22][20]

Преимущества и ограничения

Преимущества

Этот метод требует очень небольшой пробоподготовки или совсем не требует ее и обладает высокой чувствительностью.[22][15] Этот метод ионизации не требует внешней матрицы. Следовательно, пространственное разрешение не ухудшается из-за наличия матричного кристалла, что обеспечивает высокое пространственное разрешение. [20] Этот метод ионизации можно проводить на естественной и неровной биологической поверхности.[24] Наконец, поскольку лазерная абляция и ионизация электронным распылением работают независимо, ими можно независимо управлять для достижения большего разрешения.[20]

Ограничения

LAESI - относительно новый метод для тех образцов, которые содержат воду и относительно стабильны. Однако у него есть ограничения для тех образцов, которые имеют более низкое содержание воды. Например, этот метод плохо ионизирует сухую кожу, ногти, зубы и кости; это связано с низким содержанием воды в этих образцах.[16] [22] Кроме того, для этого требуется относительно большая площадь отбора проб по сравнению с некоторыми другими распространенными методами ионизации.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Nemes, P .; Вертес, А., Лазерная абляция, ионизация электрораспылением при атмосферном давлении, in vivo и масс-спектрометрия с визуализацией. Аналитическая химия 2007, 79, (21), 8098-8106
  2. ^ а б c Nemes, P .; Barton, A. A .; Li, Y .; Вертес, А., Визуализация молекул окружающей среды и профилирование глубины живой ткани с помощью инфракрасной лазерной абляции и ионизационной масс-спектрометрии с электрораспылением. Аналитическая химия 2008, 80, (12), 4575-4582
  3. ^ а б c d Nemes, P .; Barton, A. A .; Вертес, А., Трехмерное изображение метаболитов в тканях в условиях окружающей среды с помощью масс-спектрометрии с ионизацией лазерным распылением и электрораспылением. Аналитическая химия 2009, 81, (16), 6668-6675
  4. ^ а б Nemes, P .; Вертес А. Молекулярная визуализация биологических тканей и биопленок при атмосферном давлении с помощью масс-спектрометрии LAESI. Журнал визуализированных экспериментов 2010, 43, 1-4
  5. ^ а б c Shrestha, B .; Nemes, P .; Назарян, Дж .; Hathoutn, Y .; Hoffman, E.P .; Вертес, А., Прямой анализ липидов и малых метаболитов в ткани мозга мышей с помощью AP IR-MALDI и реактивной масс-спектрометрии LAESI. Аналитик 2010, 135, 751-758
  6. ^ а б Sripadi, P .; Назарян, Дж .; Hathout, Y .; Hoffman, E. P .; Вертес А. Анализ метаболитов из необработанной ткани электрического органа Torpedo californica in vitro с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением в среднем инфракрасном диапазоне. Метаболомика 2009, 5, (2), 263-276
  7. ^ а б c d Nemes, P .; Woods, A. S .; Вертес, А., Одновременная визуализация малых метаболитов и липидов в тканях мозга крысы при атмосферном давлении с помощью масс-спектрометрии с ионизацией лазерной абляцией и электрораспылением. Аналитическая химия 2010, 82, (3), 982-988
  8. ^ а б Sripadi, P .; Shrestha, B .; Исли, Р. Л .; Carpio, L .; Kehn-Hall, K .; Chevalier, S .; Mahieux, R .; Кашанчи, Ф .; Вертес А. Прямое обнаружение разнообразных метаболических изменений в вирусно-трансформированных и экспрессирующих налоги клетках с помощью масс-спектрометрии. PLoS ONE 2010, 5, (9), e12590
  9. ^ а б c d Shrestha, B .; Вертес А. Прямой анализ одиночных клеток с помощью масс-спектрометрии при атмосферном давлении. Журнал визуализированных экспериментов 2010, 43, 1-4
  10. ^ а б c d Shrestha, B .; Вертес А. Метаболическое профилирование отдельных клеток in situ методом лазерной абляции с ионизационной масс-спектрометрией с электрораспылением. Аналитическая химия 2009, 81, (20), 8265-8271
  11. ^ а б Shrestha, B .; Nemes, P .; Вертес, А., Абляция и анализ популяций мелких клеток и отдельных клеток с помощью последовательных лазерных импульсов. Прикладная физика A: Материаловедение и обработка 2010, 101, 121-126
  12. ^ а б c Shrestha, B .; Patt, J .; Вертес, А. Построчное изображение и анализ популяций малых клеток методом масс-спектрометрии. Аналитическая химия 2011
  13. ^ Stephens, C.H .; Shrestha, B .; Morris, H.R .; Bier, M.E .; Whitmore, P.M .; Вертес, А., Минимально инвазивный мониторинг разложения целлюлозы с помощью десорбционной ионизации электрораспылением и масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением с помощью лазерной абляции. Аналитик 2010, 135, 2434-2444
  14. ^ Nemes, P .; Вертес А. Ионизация электрораспылением с помощью лазерной абляции для молекулярной масс-спектрометрии с визуализацией атмосферного давления. В области масс-спектрометрии изображений, Рубахин, С. С .; Свидлер, Дж. В., ред. Springer Science + Business Media: 2010; стр 159-171
  15. ^ а б Бартельс, Бенджамин; Сватош, Алеш (2015). «Пространственно разрешенная метаболомика растений in vivo с помощью методов масс-спектрометрии на основе лазерной абляции (MSI): LDI-MSI и LAESI». Границы науки о растениях. 6: 471. Дои:10.3389 / fpls.2015.00471. ISSN  1664-462X. ЧВК  4498035. PMID  26217345.
  16. ^ а б c Немес, Питер; Вертес, Акос (2007-11-01). «Лазерная абляция ионизация электрораспылением для атмосферного давления, in vivo и масс-спектрометрия с визуализацией». Аналитическая химия. 79 (21): 8098–8106. Дои:10.1021 / ac071181r. ISSN  0003-2700. PMID  17900146.
  17. ^ а б Chen, Z .; Вертес А. Раннее расширение факела при лазерной абляции в среднем инфракрасном диапазоне атмосферного давления богатых водой целей. Physical Review E 2008, 77, 036316 1-9
  18. ^ Chen, Z .; Богертс, А .; Вертес А. Фазовый взрыв при абляции инфракрасным лазером атмосферного давления от богатых водой целей. Письма по прикладной физике 2006, 89, 041503 1-3
  19. ^ а б Apitz, I .; Фогель А., Выброс материала в наносекундной лазерной абляции Er: YAG воды, печени и кожи. Прикладная физика A: Материаловедение и обработка 2005, 81, 329–338
  20. ^ а б c d е ж Хуанг Минь-Цзун; Ченг, Сы-Чи; Чо, И-цзы; Шиа, Джентаи (2011). «Масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды: Учебное пособие». Analytica Chimica Acta. 702 (1): 1–15. Дои:10.1016 / j.aca.2011.06.017. PMID  21819855.
  21. ^ Vertes, A .; Nemes, P .; Shrestha, B .; Barton, A. A .; Chen, Z .; Ли Ю. Визуализация молекул методом масс-спектрометрии с лазерной абляцией в среднем ИК-диапазоне. Прикладная физика A: Материаловедение и обработка 2008, 93, (4), 885-891
  22. ^ а б c d Поцелуй, Андраш; Хопфгартнер, Жерар (2016). «Лазерные методы анализа низкомолекулярных соединений в биологических матрицах». Методы. 104: 142–153. Дои:10.1016 / j.ymeth.2016.04.017. PMID  27107904.
  23. ^ Román, Jessica K .; Walsh, Callee M .; О, Чуно! Дана, Екатерина Е .; Хун, Сонмин; Jo, Kyoo D .; Аллейн, Марианна; Милькович, Ненад; Кропек, Дональд М. (2018-03-01). «Химический анализ с пространственным разрешением крыльев цикад с использованием лазерной абляции с ионизацией электрораспылением (LAESI), визуализация масс-спектрометрии (IMS)». Аналитическая и биоаналитическая химия. 410 (7): 1911–1921. Дои:10.1007 / s00216-018-0855-7. ISSN  1618-2642. PMID  29380018.
  24. ^ Román, Jessica K .; Walsh, Callee M .; О, Чуно! Дана, Екатерина Е .; Хун, Сонмин; Jo, Kyoo D .; Аллейн, Марианна; Милькович, Ненад; Кропек, Дональд М. (2018-03-01). «Химический анализ с пространственным разрешением крыльев цикад с использованием лазерной абляции с ионизацией электрораспылением (LAESI), визуализирующей масс-спектрометрии (IMS)». Аналитическая и биоаналитическая химия. 410 (7): 1911–1921. Дои:10.1007 / s00216-018-0855-7. ISSN  1618-2642. PMID  29380018.