Interested Article - Капиллярный электрофорез-масс спектрометрия (КЭ-МС)

nelly
  • 2021-11-25
  • 1

Схема установки для капиллярного электрофореза — масс-спектрометрии

Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия (КЭ-МС) — метод аналитической химии , основанный на комбинации капиллярного электрофореза с масс-спектрометрией . КЭ-МС сочетает в себе преимущества КЭ и МС, обеспечивая высокую эффективность разделения и предоставляя полную информацию о молекулярной массе веществ в единичном анализе. Метод обладает высокой разрешающей способностью, чувствительностью, скоростью анализа, при этом требуется минимальный объем образца (несколько нанолитров). Ионы обычно получают путем ионизации электрораспылением , но они также могут быть образованы методом матричной лазерной десорбции / ионизации или с помощью других способов ионизации. Метод нашел применение для фундаментальных исследований в области протеомики и количественного анализа биомолекул а также в клинической медицине . С момента его появления в 1987 году метод претерпевал различные модификации и усовершенствования. Сейчас КЭ-МС является одной из наиболее эффективных техник разделения и определения. КЭ-МС активно используется для анализа белков, пептидов, метаболитов и других биомолекул. Однако, разработка онлайн КЭ-МС вызывает множество трудностей и требует детального подхода. В решении проблем при сочетании капиллярного электрофореза с масс-спектрометрией особенно важно понимание принципов капиллярного электрофореза, настройки интерфейса, техники ионизации и системы масс-спектрометрического детектирования.

История развития метода

Самый первый интерфейс (способ соединения) между капиллярным зонным электрофорезом и масс-спектрометрией был разработан в 1987 году Ричардом Д. Смитом и его сотрудниками из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории. Позже они также участвовали в разработке интерфейсов с другими вариантами КЭ, такими как капиллярный изотахофорез и капиллярное изоэлектрическое фокусирование.

Ввод образца

Существует два распространённых метода ввода образца в систему КЭ-МС, аналогичные способам, применяемых для традиционного КЭ : гидродинамический и электрокинетический ввод.

Гидродинамический ввод

Для введения пробы капилляр сначала помещается в виалу с образцом. Существуют разные способы гидродинамического ввода: путём приложения давления на входе в капилляр, созданием вакуума на конце капилляра или поднятием виалы с образцом относительно конца капилляра. При гидродинамическом способе можно обеспечить определённый объем вводимой пробы, а значение RSD для объёма образца последовательных вводов обычно ниже 2 %. Вводимый объем и воспроизводимость анализа как правило зависят от продолжительности ввода, смещения виалы с образцом по высоте относительно конца капилляра и/или давления, приложенного к пробе. Например, было выяснено, что использование более высокого давления и меньшего времени ввода способствует уменьшению RSD для площадей пиков и времени миграции аналитов. Одним из основных преимуществ гидродинамического ввода является то, что в данном методе эффективность ввода молекул в капилляр не зависит от их электрофоретической подвижности. Для увеличения производительности и скорости анализа КЭ-МС была создана методика гидродинамического мультисегментного ввода. В этом случае несколько образцов вводятся гидродинамически в капилляр перед анализом, при этом каждый сегмент образца находится между разделителями, заполненными фоновым электролитом.

Электрокинетический ввод

В этом методе к раствору с образцом прикладывают высокое напряжение. Молекулы вводятся в разделительный капилляр путём электромиграции под воздействием электроосмотического потока раствора. При электрокинетическом вводе улучшается чувствительность по сравнению с гидродинамическим способом, особенно при использовании более низкого напряжения и более длительного времени ввода. Однако, воспроизводимость площадей пиков и времени миграции аналитов хуже. Эффективность ввода связана с электрофоретической подвижностью образцов: молекулы с высокой подвижностью вводятся активнее. В результате, электрокинетический метод ввода чувствителен к матричным эффектам и изменениям ионной силы раствора образца.

Сочетание КЭ и МС

Капиллярный электрофорез — это метод разделения, в котором высокое напряжение применяется для создания электроосмотического потока при разделении ионов. Аналиты мигрируют от одного конца капилляра к другому с разной скоростью в зависимости от их заряда, размера и вязкости среды. Чем выше напряжённость электрического поля , тем больше подвижность. Масс-спектрометрия — это аналитический метод, позволяющий идентифицировать химические соединения на основании отношения их массы к заряду (m/z). В ионном источнике молекулы, поступающие из разделительного капилляра, преобразуются в ионы, которые разделяются в зависимости от m/z под воздействием электрического и магнитных полей. Затем разделённые ионы фиксируются детектором. Основная проблема соединения КЭ с МС — выбор оптимального метода ионизации и его сочетание с техникой капиллярного электрофореза. Разделение и обнаружение веществ можно улучшить с помощью подходящего интерфейса. КЭ успешно сочетается с такими методами ионизации, как ББА , ЭРИ , МАЛДИ , ХИАД и . Наиболее распространённый метод ионизации, хорошо сочетающийся с капиллярным электрофорезом, — электроспрей (ЭРИ).

Интерфейс КЭ-МС с ионизацией электрораспылением

В первоначальном интерфейсе КЭ-МС использовали капиллярную оболочку из нержавеющей стали , обернутую вокруг конца разделительного капилляра. Капилляр из нержавеющей стали обеспечивает электрический контакт с фоновым электролитом, вытекающим из разделительного капилляра, тем самым замыкая цепь и инициируя электрораспыление. У данного интерфейса есть несколько недостатков, например, несоответствие скоростей потока двух систем. С тех пор интерфейсные системы постоянно совершенствуют, стараясь обеспечить хороший электрический контакт между разделительным капилляром и масс-спектрометром и постоянную скорость потока. Ещё одним ключевым фактором успешного сочетания КЭ-МС является выбор буферного раствора, который должен быть оптимальным для разделения, но в то же время быть совместимым с электрораспылительной ионизацией. В настоящее время существует три основных типа интерфейсной системы для КЭ-МС, которые кратко обсуждаются ниже. В двух из них используется проводящая обволакивающая жидкость (sheath liquid) для обеспечения электрического контакта.

Интерфейс c обволакивающей жидкостью (sheath-flow interface)

Интерфейс КЭ-МС с обволакивающей жидкостью

В этом типе интерфейса электрический контакт между электродом и фоновым электролитом осуществляется с помощью проводящей обволакивающей жидкости (ОЖ). ОЖ протекает во внешней трубке, коаксиально разделительному капилляру, и, смешиваясь с фоновым электролитом на конце капилляра, образует конус Тейлора. В наиболее популярных коммерческих интерфейсах КЭ-ЭРИ-МС используется дополнительная внешняя трубка (трёхтрубная коаксиальная конструкция) с потоком распыляющего газа (sheath gas), который помогает стабилизировать электроспрей и ускорить испарение растворителя . Но было обнаружено, что распыляющий газ может вызывать эффект всасывания около конца капилляра, что приводит к параболическому профилю потока и, как следствие, низкой эффективности разделения. ОЖ обычно представляет собой смесь воды и метанола (или изопропанол ) в соотношении 1:1 с 0,1 % уксусной или муравьиной кислотой . Данный интерфейс отличается стабильностью. Кроме того, выбор фонового электролита гораздо шире, чем в интерфейсе без ОЖ. Однако, поскольку скорость потока ОЖ, необходимая для стабильного электроспрея, обычно довольно большая (1-10 мкл / мин), чувствительность снижается из-за разбавления образцов. ОЖ можно подавать в систему гидродинамическим (с помощью шприцевого насоса) или электрокинетическим способом. Электрокинетический метод позволяет легко работать в режиме наноэлектрораспыления (скорость потока ЭРИ на уровне нл / мин) и, таким образом, повысить чувствительность.

В настоящее время существует несколько новых подходов и улучшений для интерфейса с использованием ОЖ. Для уменьшения мертвого объема и повышения чувствительности был создан так называемый «расширяемый» интерфейс КЭ-ЭРИ-МС. Кончик разделительного капилляра обрабатывали плавиковой кислотой для уменьшения толщины стенки. Конец разделительного капилляра при этом немного выступает из сужающегося внешнего капилляра. Из-за тонкой стенки разделительного капилляра мертвый объем довольно мал, в результате чего повышается чувствительность и эффективность разделения. Работа в режиме наноэлектрораспыления (с использованием эмиттеров малого диаметра и скоростями потока ЭРИ ниже 1000 нл / мин) также помогает повысить чувствительность, воспроизводимость и надежность. Для создания такого интерфейса можно использовать, например, боросиликатный эмиттер с заострённым концом и разделительный капилляр с протравленным концом. Для повышения стабильности и срока службы интерфейса был использован эмиттер с золотым покрытием.

Интерфейс без обволакивающей жидкости (sheathless interface)

Интерфейс КЭ-МС без обволакивающей жидкости

В этом случае капилляр подсоединяется непосредственно к источнику ЭРИ. Электрический контакт фонового электролита и напряжения источника ЭРИ реализуется путем покрытия конца капилляра проводящим материалом. Поскольку в этом случае не используется обволакивающая жидкость, разбавляющая пробу, система обладает высокой чувствительностью, низкими скоростями потока и минимальным фоновым сигналом. Однако, такие системы имеют множество недостатков, включая низкую механическую прочность и плохую воспроизводимость.

В одной из последних разработок конструкции интерфейса без обволакивающей жидкости используется пористый эмиттер ЭРИ, обычно получаемый методом химического травления. Данный интерфейс обеспечивает надёжное взаимодействие КЭ с ЭРИ и решает проблемы воспроизводимости и стабильности. С помощью пористого эмиттера ЭРИ удалось соединить системы переходного изотахофореза и капиллярного зонного электрофореза с масс-спектрометрией, что позволило значительно повысить ёмкость КЭ и с высокой чувствительностью определять аналиты, присутствующие в следовых количествах. Высокая воспроизводимость, надежность и чувствительность может быть также достигнута в системе переходного капиллярного изотахофореза (CITP) или капиллярного зонного электрофореза в сочетании с ЭРИ с использованием проводящей жидкости. Проводящая жидкость контактирует с покрытой металлом внешней поверхностью эмиттера, замыкая контур. В то же время она не смешивается с фоновым электролитом, выходящим из разделительного капилляра, и, следовательно, не происходит разбавления образца.

Интерфейс с жидкостным соединением (liquid junction interface)

В этом методе обычно используют тройник из нержавеющей стали для смешивания фонового электролита, выходящего из разделительного капилляра, с проводящей жидкостью (make up liquid). Разделительный капилляр и эмиттер ЭРИ вставляют в противоположные стороны тройника, при этом между ними поддерживается небольшой зазор фиксированного размера. Проводящая жидкость, находящаяся в зазоре между капилляром и эмиттером, обеспечивает электрический контакт. Эта система довольно простая, недорогая и стабильная. Однако чувствительность снижается из-за разбавления образцов проводящей жидкостью. Одним из видов данного интерфейса является жидкостное соединение, находящееся под давлением (pressurized liquid junction interface). Давление при этом прикладывают к резервуару с проводящей жидкостью. В этом методе разбавление меньше, чем в обычном интерфейсе с жидкостным соединением из-за низких скоростей потока (менее 200 нл / мин). Кроме того, дополнительное давление предотвращает расфокусировку вытекающего потока из капилляра и, как следствие, разрешение возрастает.

Сочетание КЭ с методом бомбардировки быстрыми атомами в непрерывном потоке

КЭ можно также сочетать с таким методом ионизации, как бомбардировка быстрыми атомами , с использованием интерфейса непрерывного потока. Интерфейс должен способствовать выравниванию скорости потока между двумя системами. Для ББА необходима довольно высокая скорость потока, в то время как для КЭ для лучшего разделения скорость потока должна быть небольшой. Дополнительный выравнивающий поток можно сделать с помощью обволакивающей жидкости или жидкостного соединения.

Соединение КЭ с МАЛДИ-МС

Схема онлайн КЭ-МАЛДИ-МС

При сочетании КЭ и МАЛДИ-МС офлайн, поток, выходящий из разделительного капилляра, распыляют или добавляют по каплям на пластинку МАЛДИ, затем высушивают и анализируют. Для онлайн соединения необходима подвижная пластинка, контактирующая с выходным концом разделительного капилляра. Движущаяся пластинка переносит образцы в масс-спектрометр, где они под воздействием лазера десорбируются и ионизируются. Musyimi с коллегами разработал новую технику, в которой для переноса аналитов из разделяющего капилляра в масс-спектрометр используется вращающийся шар. Образец на выходе из капилляра смешивается с матрицей, которая подаётся через другой капилляр. По мере вращения шара образец высыхает, прежде чем достигнет области ионизации. Эта техника обладает высокой чувствительностью, поскольку не используются дополнительные потоки, разбавляющие пробу.

Применение

Метод КЭ-МС применяется в биоаналитических, фармацевтических, экологических и судебно-медицинских целях. Основное применение КЭ-МС — биологические исследования, особенно анализ белков и пептидов. Кроме того, его часто используют для рутинного анализа фармацевтических препаратов и в клиническом анализе. Исследуя такие биологические жидкости, как кровь и моча, с помощью КЭ-МС можно выявить биомаркеры почечных заболеваний и рака.

КЭ-МС также можно применять для метаболомики, особенно для профайлинга метаболитов единичных клеток благодаря небольшому объему образца, требуемого для анализа. С помощью КЭ-МС уже были проанализированы нейроны, эмбрионы лягушки и клетки HeLa RBC007 . Исследование клеток обычно включает экстракцию молекул небольшим количеством (несколько мкл) органического растворителя перед анализом КЭ-МС. Благодаря новой методике взятия проб с поверхности ткани методом КЭ-МС ( англ. surface sampling CE-MS, SS-CE-MS) можно анализировать целые срезы ткани без дополнительной пробоподготовки.

См. также

Ссылки

  1. (PDF) . 179 (2): 404—12. June 1989. doi : . PMID . (PDF) из оригинала 24 октября 2020 . Дата обращения: 21 октября 2020 .
  2. Cai, Jianyi (1995). "Capillary electrophoresis-mass spectrometry". Journal of Chromatography A . 703 (1—2): 667—692. doi : .
  3. ↑ "Twenty years of interface development for capillary electrophoresis-electrospray ionization-mass spectrometry". . 627 (1): 25—33. October 2008. doi : . PMID .
  4. "Capillary electrophoresis combined with matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry; continuous sample deposition on a matrix-precoated membrane target". . 31 (9): 1039—46. September 1996. doi : . PMID .
  5. "Capillary electrophoresis-mass spectrometry in urinary proteome analysis: current applications and future developments". . 393 (5): 1431—42. August 2008. doi : . PMID .
  6. "Quantitation in capillary electrophoresis-mass spectrometry". . 26 (21): 3973—87. November 2005. doi : . PMID .
  7. "Capillary electrophoresis-mass spectrometry as a powerful tool in clinical diagnosis and biomarker discovery". . 24 (6): 959—77. 2005. Bibcode : . doi : . PMID .
  8. "Technical, bioinformatical and statistical aspects of liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS) based clinical proteomics: A critical assessment". . 877 (13): 1250—8. November 2008. doi : . PMID .
  9. Schmitt-Kopplin, P., Frommberger, M.(2003).Capillary electrophoresis — mass spectrometry: 15 years of developments and applications. Electrophoresis, 24, 3837-3867.
  10. ↑ Breadmore, M.C. (2009). "Electrokinetic and hydrodynamic injection: Making the right choice for capillary electrophoresis". Bioanalysis . 1 : 889—894. doi : . {{ cite journal }} : Википедия:Обслуживание CS1 (числовые имена: authors list) ( ссылка )
  11. Schaeper, J.P. "Parameters affecting reproducibility in capillary electrophoresis". Electrophoresis . 21 : 1421—1429. doi : .
  12. Kuehnbaum, N.L. "Multisegment injection-capillary electrophoresis-mass spectrometry: A high-throughput platform for metabolomics with high data fidelity". Analytical chemistry . 85 : 10664—10669. doi : .
  13. Olivares, J.A. "On-line mass spectrometric detection for CZE". Analytical Chemistry . 59 : 1230—1232. doi : .
  14. Sun, L. "Third-Generation electrokinetically pumped sheath-flow nanospray interface with improved stability and sensitivity for automated capillary zone electrophoresis−mass spectrometry analysis of complex proteome digests". J. Proteome Res . 14 : 2312—2321. doi : .
  15. Fang, P. "A robust and extendable sheath flow interface with minimal dead volume for coupling CE with ESI-MS". Talanta . 180 : 376—382. doi : .
  16. Höcker, O. "Characterization of a nanoflow sheath liquid interface and comparison to a sheath liquid and a sheathless porous-tip interface for CE-ESI-MS in positive and negative ionization". Analytical and Bioanalytical chemistry . 410 : 5265—5275. doi : .
  17. Sauer, F. "A robust sheath-flow CE-MS interface for hyphenation with Orbitrap MS". Electrophoresis . 41 : 1280—1286. doi : .
  18. Tomer, Kenneth B. (2001). "Separations Combined with Mass Spectrometry". Chemical Reviews . 101 (2): 297—328. doi : . ISSN .
  19. Wang, Chenchen (2013-08-06). "Capillary Isotachophoresis-Nanoelectrospray Ionization-Selected Reaction Monitoring MS via a Novel Sheathless Interface for High Sensitivity Sample Quantification". Analytical Chemistry . 85 (15): 7308—7315. doi : . ISSN . PMID .
  20. Guo, X. "Capillary electrophoresis−nanoelectrospray ionization−selected reaction monitoring mass spectrometry via a true sheathless metal-coated emitter interface for robust and high-sensitivity sample quantification". Analytical Chemistry . 88 : 4418—4425. doi : .
  21. Fanali, S. "On‐line CE‐MS using pressurized liquid junction nanoflow electrospray interface and surface‐coated capillaries". Electrophoresis . 27 : 4666—4673. doi : .
  22. Ошибка: не задан параметр | заглавие = в шаблоне {{ публикация }} . — ISBN 9780121820947 .
  23. Musyimi H.K.; Narcisse D. A.; Zhang X.; Stryjewski, W.; Soper S. A.; Murray K. K. (2004) «Online CE-MALDI -TOF MS using a rotating ball interface.» Anal Chem 76:5968-5973
  24. "Capillary electrophoresis-mass spectrometry using noncovalently coated capillaries for the analysis of biopharmaceuticals". . 400 : 295—303. 2011. doi : .
  25. "Capillary electrophoresis-mass spectrometry for the direct analysis of glyphosate: method development and application to beer beverages and environmental studies". . 412 : 4967—4983. 2020. doi : .
  26. Mischak H.; Coon J.J.; Novak J.; Weissinger E. M.; Schanstra J.P.; Dominiczak A.F.Capillary electrophoresis-mass spectrometry as a powerful tool in biomarker discovery and clinical diagnosis: an update of recent developments. Mass Spec. Reviews. 28(2008)
  27. Liu, J.X. "Analysis of endogenous nucleotides by single cell capillary electrophoresis-mass spectrometry". Analyst . 139 : 5835—5842. doi : .
  28. Portero, E.P. "Dual cationic–anionic profiling of metabolites in a single identified cell in a live Xenopus laevis embryo by microprobe CE-ESI-MS". Analyst . 144 : 892—900. doi : .
  29. Kawai, T. "Ultrasensitive Single Cell Metabolomics by Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry with a Thin-Walled Tapered Emitter and Large-Volume Dual Sample Preconcentration". Analytical Chemistry . 91 : 10564—10572. doi : .
  30. Duncan, K.D. "Spatially defined surface sampling capillary electrophoresis mass spectrometry". Analytical chemistry . 91 : 7819—7827. doi : .
Источник —

nelly
  • 2021-11-25
  • 1
  • Tags:

Same as Капиллярный электрофорез-масс спектрометрия (КЭ-МС)

The title for the last searches