El dispositivo DRILL está conectado a un espectrómetro de masas para clasificar las gotas cargadas y mejorar la desolvatación de biomoléculas ionizadas para su análisis. El dispositivo no requiere ninguna modificación del espectrómetro de masas, y se puede acomodar dentro del flujo de trabajo estándar que ahora utilizan los investigadores. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Agregar el equivalente de un tornado en miniatura a la interfaz entre la ionización por electropulverización (ESI) y un espectrómetro de masas (MS) ha permitido a los investigadores mejorar la sensibilidad y la capacidad de detección de la técnica analítica ESI-MS ampliamente utilizada. Entre los campos científicos que podrían beneficiarse de la nueva técnica se encuentran la proteómica, metabolómica y lipidómica, que sirven a aplicaciones biomédicas y de salud que van desde la detección y el diagnóstico de biomarcadores hasta el descubrimiento de fármacos y la medicina molecular.
Conocido como localización y locomoción de iones secos (DRILL), el nuevo dispositivo crea un flujo en forma de remolino que puede separar las gotas de electropulverización según su tamaño. En esta aplicación, uno de los muchos usos potenciales de DRILL, las gotas más pequeñas se dirigen a entrar en el espectrómetro de masas, mientras que los más grandes, que todavía contienen solvente, permanecen en el flujo de vórtice hasta que el solvente se evapora. La eliminación del disolvente permite el análisis de iones adicionales que pueden perderse en las técnicas actuales y reduce el "ruido" químico que inhibe la selectividad del espectrómetro de masas.
"Un desafío importante para la detección de pequeñas cantidades de biomoléculas mediante la tecnología de espectrometría de masas es que no podemos ver todo lo que hay realmente en la muestra". "dijo Matthew Torres, profesor asistente en la Facultad de Ciencias Biológicas de Georgia Tech. "El dispositivo DRILL proporciona una nueva forma de resolver ese problema al aumentar la cantidad de iones que podemos introducir en el instrumento de espectrometría de masas para que podamos detectarlos de manera productiva. Los iones están ahí ahora, pero no necesariamente en una forma que la especificación de masas pueda manejar ".
Desarrollado por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia con el apoyo de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, DRILL se puede agregar a los espectrómetros de masas de ionización por electropulverización existentes sin modificarlos.
"El principio es hacer que las gotas giren y usar la inercia para separarlas por tamaño, "explicó Andrei Fedorov, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech. "Queremos que las gotas permanezcan en el flujo el tiempo suficiente para eliminar el disolvente. En la práctica, gotas más pequeñas permanecen en el centro, donde se pueden eliminar primero para su análisis, mientras que los más grandes permanecen en el borde del flujo hasta que se secan ".
Este esquema representa cómo funciona el dispositivo DRILL cuando transmite iones al espectrómetro de masas utilizando un flujo de vórtice cuidadosamente diseñado. Crédito:Peter Kottke, Georgia Tech
La idea clave de DRILL se basa en la invención de Fedorov de 2007 "Estructura de transmisión de flujo de vórtice de confinamiento / enfoque, Sistemas de espectrometría de masas, y métodos de transmisión de partículas, Gotas, e iones ". (Patente de EE. UU. núm. 7, 595, 487). En los últimos tres años, el dispositivo DRILL ha sido desarrollado con el apoyo del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud, y su última versión fue descrita el 14 de junio en la revista American Chemical Society Química analítica .
En ionización por electropulverización (ESI), se aplica un potencial eléctrico a una solución dentro de un capilar, produciendo un fuerte campo eléctrico en la punta del capilar de pulverización. Eso conduce a la expulsión de un aerosol que contiene gotitas cargadas que transportan las moléculas a analizar. The ejected droplets then break up into smaller droplets, creating a plume that expands spatially beyond the inlet intake capacity of the mass spectrometer, resulting in sample loss. The DRILL device provides an effective interface for collection and transmission of charged analytes from ionization sources, such as ESI, to detection devices, such as mass spectrometers, resulting in significantly improved detection capability.
As much as 80 to 90 percent of large biopolymers (proteins, peptides, and DNA) are currently lost to analysis using existing ESI-MS techniques, which have grown in importance to the life sciences community. Capturing all of the biopolymers could lead to new discoveries, said Torres, whose lab studies post-translational changes in proteins. By allowing analysis of large biomolecules, DRILL could facilitate top-down proteomics in which complete protein molecules could be studied without the need to enzymatically break them up into smaller pieces before MS analysis.
"This could allow us to see combinatorial modifications that exist on a single protein molecule, " said Torres. "It's very important for us to understand how proteins communicate with one another, and DRILL may allow us to do that by more effectively removing the solvent from these types of samples."
The Georgia Tech researchers are using DRILL in their lab to interface between liquid chromatography and the ESI-MS instrument. Multiple electrodes and inlet/outlet ports enable precise control over the flow generation and guiding electric field inside the DRILL, so the device can be configured for a variety of uses, Fedorov noted. En un sentido general, DRILL adds a new approach for manipulating the trajectory of charged droplets, cuales, when combined with hydrodynamic drag forces and electric field forces, provides a rich range of possible operational modes.
Research Scientist Alex Jonke (left) connects DRILL to a mass spectrometer in the Torres laboratory at Georgia Tech, while Graduate Research Assistant Jung Lee prepares to collect mass spectra resulting from the analysis. Credit:Rob Felt, Georgia Tech
DRILL can improve the signal-to-noise ratio by a factor of 10 in the detection of angiotensin I, a peptide hormone, and boost the sensitivity for angiotensin II ten-fold to picomole levels. DRILL demonstrated improved signal strength – up to 700-fold – for eight of nine peptides included in a test extract of biological tissue.
DRILL could potentially allow the study of entire cell contents, analyzing thousands of different molecule types simultaneously. That could allow researchers to see how these molecules change over time to detect problems in chemical pathways and to determine why drugs work in some people and not others.
"This could be a huge advance for biologists and others who are interested in protein biochemistry and cell biology because it enhances the sensitivity of the analytical technical and overcomes a major hurdle in studying large biological molecules, " Torres added. "We expect to be able to see things we haven't been able to see before."
The Georgia Tech researchers have been collaborating with David Muddiman, a professor in the Department of Chemistry at North Carolina State University, on developing DRILL and its analytical characterization using state-of-the-art mass spectrometry experiments. A unique contribution of the North Carolina State University researchers is in using a powerful statistical method called "design of experiments" to guide the multi-parameter optimization of the DRILL device, resulting in identification of a sweet spot for optimal operation.
Fedorov and Torres hope to expand use of the DRILL device beyond Georgia Tech laboratories and further enhance its design. Among the near-term improvements planned is the addition of internal heating to accelerate the removal of solvent. "We see many additional improvements that will allow DRILL to further enhance the ESI-MS process, " said Fedorov. "We plan to continue evolving it as more labs start to use the device."
