Капиллярный электрофорез – масс-спектрометрия. - Capillary electrophoresis–mass spectrometry

Схема капиллярного электрофореза – масс-спектрометрии

Капиллярный электрофорез – масс-спектрометрия. (CE-MS) является аналитическая химия техника, образованная комбинацией жидкости процесс разделения из капиллярный электрофорез 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 имеет высокую разрешающую способность и чувствительность, требует минимального объема (несколько нанолитров) и может анализировать с высокой скоростью. Ионы обычно образуются ионизация электрораспылением,[3] но они также могут быть образованы матричная лазерная десорбция / ионизация[4] или другие методы ионизации. Он находит применение в фундаментальных исследованиях в протеомика[5] и количественный анализ из биомолекулы[6] а также в клиническая медицина.[7][8]С момента его появления в 1987 году новые разработки и приложения сделали CE-MS мощным методом разделения и идентификации. Использование CE-MS расширилось 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

Первоначальный интерфейс между капиллярным зональным электрофорезом и масс-спектрометрией был разработан в 1987 году.[9] к Ричард Д. Смит и коллеги в Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория, и которые позже также участвовали в разработке интерфейсов с другими вариантами CE, включая капиллярный изотахофорез и капиллярное изоэлектрическое фокусирование.

Ввод образца

Существует два распространенных метода загрузки образца в систему CE-MS, которые аналогичны подходам для традиционных CE: гидродинамический и электрокинетический впрыск.

Гидродинамический впрыск

Для загрузки аналитов капилляр сначала помещается во флакон с образцом. Кроме того, существуют разные способы гидродинамического впрыска: к нему можно приложить положительное давление на входе, отрицательное давление на выпуске или поднять входное отверстие для пробы по отношению к капиллярному выпуску.[10] Этот метод может обеспечить надежное и воспроизводимое количество вводимой пробы по сравнению с электрокинетическим вводом и вводом. RSD значения 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 является то, что она не смещена к молекулам с высокой или низкой электрофоретической подвижностью. Для увеличения пропускной способности анализа CE-MS была создана методика гидродинамического многосегментного закачивания. В этом случае несколько образцов загружаются гидродинамически в разделительный капилляр перед анализом, и каждый сегмент образца помещается между разделителями фонового электролита.[12]

Электрокинетическая инъекция

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 большего 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 инъекция чувствительна к матричным эффектам и изменениям ионной силы образца.[11]

Взаимодействие CE с MS

Капиллярный электрофорез это метод разделения, который использует сильное электрическое поле для получения электроосмотический поток для разделения ионов. Аналиты мигрируют от одного конца капилляра к другому в зависимости от их заряда, вязкости и размера. Чем выше электрическое поле, тем больше подвижность.Масс-спектрометрии представляет собой аналитический метод, позволяющий определять 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. Разделенные ионы затем измеряются с помощью детектора. Основная проблема, с которой сталкивается при соединении CE и MS, возникает из-за недостаточного понимания фундаментальных процессов, когда два метода взаимодействуют. Разделение и обнаружение аналитов можно улучшить с помощью лучшего интерфейса. CE был соединен с MS с использованием различных методов ионизации, таких как FAB, ESI, МАЛДИ, APCI и DESI. Наиболее распространенный метод ионизации - ESI.

Интерфейс ионизации электрораспылением

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

Капилляр CE подсоединен непосредственно к источнику ионизации электрораспылением с системой интерфейса без оболочки. Электрический контакт для ESI реализуется с помощью капилляра, покрытого проводящим металлом.[14] Поскольку жидкость в оболочке не используется, система имеет высокую чувствительность, низкие скорости потока и минимальный фон. Однако все эти конструкции интерфейса имеют проблемы, включая низкую механическую надежность 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 переходный ITP ), что значительно увеличивает емкость CE по загрузке проб и обеспечивает сверхчувствительное обнаружение следов аналитов.[15] Высокая воспроизводимость, надежность и чувствительность были достигнуты в переходных капиллярах без оболочки. изатохофорез (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 образца. [16]

Интерфейс оболочка-поток

Интерфейс потока оболочки
Интерфейс потока оболочки

С интерфейсом оболочка-поток электрическое соединение между электродом и фоновым электролитом устанавливается, когда разделяющая жидкость CE смешивается с жидкостью оболочки, текущей 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 тем самым 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 наконечника. Окончание разделительного капилляра выступало 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 расходами ESI ниже 1000 нл / мин) также помогает повысить чувствительность, воспроизводимость и надежность. Для создания этой границы 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 перехода

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 стык между двумя капиллярами. Эта система проста в эксплуатации. Однако чувствительность снижается, и смешивание двух жидкостей может ухудшить разделение. Одним из видов поверхностей 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 потока КЭ и, как следствие, увеличивает разрешение. [21]

Бомбардировка быстрыми атомами в непрерывном потоке

CE может быть соединен с бомбардировка быстрыми атомами ионизация 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

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 цель 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 в МС.[23] Образец из CE смешивается с матрицей, проходящей через другой капилляр. По мере вращения шара образец сушится, прежде чем достигнет области ионизации. Эта техника имеет высокую чувствительность, поскольку не используется жидкость для макияжа.

Приложения

Способность CE-MS разделять аналиты, присутствующие в чрезвычайно низкой концентрации с высокой эффективностью и высокой скоростью, сделала его применимым во всех областях науки. CE-MS использовался 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] лягушка вышивает [28] и HeLa RBC007 клетки [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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лу Дж. А., Удсет Х. Р., Смит Р. Д. (июнь 1989 г.). «Анализ пептидов и белков методами электрораспылительной ионизации-масс-спектрометрии и капиллярного электрофореза-масс-спектрометрии». Анальный. Biochem. 179 (2): 404–12. Дои:10.1016 / 0003-2697 (89) 90153-Х. PMID  2774189.
  2. ^ Цай, Цзяньи; Хенион, Джек (1995). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия». Журнал хроматографии А. 703 (1–2): 667–692. Дои:10.1016 / 0021-9673 (94) 01178-ч.
  3. ^ а б 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. Дои:10.1016 / j.aca.2008.06.034. PMID  18790125.
  4. ^ Чжан Х., Caprioli RM (сентябрь 1996 г.). «Капиллярный электрофорез в сочетании с матричной лазерной десорбцией / ионизационной масс-спектрометрией; непрерывное осаждение образца на мембранную мишень с предварительно нанесенным матриксом». J Масс-спектр. 31 (9): 1039–46. Bibcode:1996JMSp ... 31.1039Z. Дои:10.1002 / (SICI) 1096-9888 (199609) 31: 9 <1039 :: AID-JMS398> 3.0.CO; 2-F. PMID  8831154.
  5. ^ Мецгер Дж., Шанстра Дж. П., Мишак Х. (август 2008 г.). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия в протеомном анализе мочи: современные приложения и будущие разработки». Анальный Биоанал Химия. 393 (5): 1431–42. Дои:10.1007 / s00216-008-2309-0. PMID  18704377. S2CID  23483338.
  6. ^ Ohnesorge J, Neusüss C, Wätzig H (ноябрь 2005 г.). «Количественное определение в капиллярном электрофорезе-масс-спектрометрии». Электрофорез. 26 (21): 3973–87. Дои:10.1002 / elps.200500398. PMID  16252322. S2CID  6897545.
  7. ^ Колч В., Нойсюсс С., Пельцинг М., Мишак Н. (2005). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия как мощный инструмент в клинической диагностике и открытии биомаркеров». Масс-спектрометр Rev. 24 (6): 959–77. Bibcode:2005MSRv ... 24..959K. Дои:10.1002 / mas.20051. PMID  15747373.
  8. ^ Дакна М, Хе З, Ю. В., Мишак Х, Колч В. (ноябрь 2008 г.). «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. Дои: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. ^ а б Бредмор, М. К. (2009). «Электрокинетическая и гидродинамическая инъекция: правильный выбор для капиллярного электрофореза». Биоанализ. 1 (5): 889–894. Дои:10.4155 / био.09.73. PMID  21083060.
  11. ^ а б Schaeper, J. P .; Сепаниак, М. Дж. (2000). «Параметры, влияющие на воспроизводимость при капиллярном электрофорезе». Электрофорез. 21 (7): 1421–1429. Дои:10.1002 / (SICI) 1522-2683 (20000401) 21: 7 <1421 :: AID-ELPS1421> 3.0.CO; 2-7. PMID  10826690.
  12. ^ Kuehnbaum, N.L .; 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. Дои:10.1021 / ac403171u. PMID  24195601.
  13. ^ Olivares, J. A .; Nguyen, N.T .; Yonker, C.R .; Смит, Р. Д. "Он-лайн масс-спектрометрическое обнаружение для CZE". Аналитическая химия. 59: 1230–1232. Дои:10.1021 / ac00135a034.
  14. ^ Томер, Кеннет Б. (2001). «Разделения в сочетании с масс-спектрометрией». Химические обзоры. 101 (2): 297–328. Дои: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-селективный мониторинг реакции МС с помощью нового интерфейса без оболочки для высокочувствительного количественного анализа образцов". Аналитическая химия. 85 (15): 7308–7315. Дои:10.1021 / ac401202c. ISSN  0003-2700. ЧВК  3744340. PMID  23789856.
  16. ^ Guo, X .; Fillmore, T.L .; Gao, Y .; Тан, К. (2016) (2016). «Капиллярный электрофорез-наноэлектрораспыление-ионизация-выбранная реакция масс-спектрометрия, контролирующая масс-спектрометрию с помощью безоболочечного интерфейса эмиттера с металлическим покрытием для надежного и высокочувствительного количественного анализа образцов». Аналитическая химия. 88 (8): 4418–4425. Дои:10.1021 / acs.analchem.5b04912. ЧВК  4854437. PMID  27028594.
  17. ^ Вс, л .; Zhu, G .; Zhang, Z .; Mou, S .; Довичи, Нью-Джерси (2015) (2015). «Электрокинетически накачиваемый наноразмерный слой оболочки-потока третьего поколения с улучшенной стабильностью и чувствительностью для автоматизированного капиллярного зонного электрофореза-масс-спектрометрического анализа сложных протеомных гидролизатов». J. Proteome Res. 14 (5): 2312–2321. Дои:10.1021 / acs.jproteome.5b00100. ЧВК  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. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1002 / elps.202000044. PMID  32358866.
  21. ^ Fanali, S .; D’Orazio, G .; Клепарник, К .; Атурки, З. (2006) (2006). «Интерактивный КЭ-МС с использованием жидкостного перехода под давлением, нанопотока, электрораспыления и капилляров с поверхностным покрытием». Электрофорез. 27 (23): 4666–4673. Дои: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-спектрометрии. Методы в энзимологии. 193. С. 214–237. Дои:10.1016 / 0076-6879 (90) 93417-Дж. ISBN  9780121820947. ISSN  0076-6879. PMID  2127450.
  23. ^ Musyimi H.K .; Нарцисс Д. А .; Чжан X .; Stryjewski, W .; Сопер С. А .; Мюррей К. К. (2004) «Онлайн-МС CE-MALDI-TOF с использованием вращающегося шарикового интерфейса». Анальный химический 76: 5968-5973
  24. ^ Haselberg R, Brinks V, Hawe A, Jong GJ, Somsen GW, Zimmermann HP (2011). «Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия с использованием капилляров с нековалентным покрытием для анализа биофармацевтических препаратов». Аналитическая и биоаналитическая химия. 400 (1): 295–303. Дои:10.1007 / s00216-011-4738-4. ЧВК  3062027. PMID  21318246.
  25. ^ Виммер Б., Паттки М., Зада Л.Г., Мейкснер М., Хадерлейн С.Б., Циммерманн Х.П., Хун 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. Дои:10.1007 / s00216-020-02751-0. PMID  32524371. S2CID  219554622.
  26. ^ Mischak H .; Coon J.J .; Novak J .; Weissinger E.M .; Schanstra J.P .; Доминичак А.Ф. Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия как мощный инструмент в открытии биомаркеров и клинической диагностике: последние разработки. Масс. Отзывы. 28 (2008)
  27. ^ Liu, J.X .; Aerts, J.T .; Рубахин, С.С .; Чжан, X.X .; Свидлер, Дж. В. (2014) (2014). «Анализ эндогенных нуклеотидов методом капиллярного электрофореза-масс-спектрометрии отдельных клеток». Аналитик. 139 (22): 5835–5842. Bibcode:2014Ana ... 139.5835L. Дои:10.1039 / c4an01133c. ЧВК  4329915. PMID  25212237.
  28. ^ Portero, E.P .; 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. Дои:10.1039 / c8an01999a. ЧВК  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 эмиттером и двойным концентрированием большого объема». Аналитическая химия. 91 (16): 10564–10572. Дои:10.1021 / acs.analchem.9b01578. PMID  31357863.
  30. ^ Дункан, К.Д .; Ланекофф, И. (2019) (2019). «Пространственно заданная поверхность, пробоотборная капиллярная масс-спектрометрия с электрофорезом». Аналитическая химия. 91 (12): 7819–7827. Дои:10.1021 / acs.analchem.9b01516. PMID  31124661.