Kapilární elektroforéza ve spojení s MS

Transkript

1 Hmotnostní detekce v separačních metodách VIII. - Kapilární elektroforéza ve spojení s MS. - Superkritická fluidní chromatografie ve spojení s MS. - Volba podmínek pro experimenty a praxe GC/MS, LC/MS a CE/MS. - Aplikace MS detekce, mobilní hmotnostní spektrometrie. Kapilární elektroforéza ve spojení s MS Spojení CE/MS - s pomocnou kapalinou - s kapalinovým spojem - bez pomocné kapaliny

2 Spojení CE a MS Problémy spojení kapilární zónové elektroforézy a MS: - nekompatibilita separačních pufrů s MS (snižování signálu, kontaminace iont. zdroje) - vzájemné ovlivňování separačního napětí a sprejovacího napětí iontového zdroje (výhodou je zdroj, kde je na sprejovací kapiláře 0 V a napětí se vkládá na protielektrodu) - velmi nízké průtoky v CE omezení ve výběru iontových zdrojů (jen nano a mikro-esi; další iontové zdroje na úkor ředění pomocnou kapalinou - průtoky CE jsou dány EOF, který velmi závisí na ph* spojení CE a MS S pomocnou kapalinou sheath-flow, liquid junction Bez pomocné kapaliny - sheathless Příklad: Separační napětí 27 kv, kapilára 75 cm x 50 m. EOF při ph 2,5 = 0.04 L/min. EOF při ph 9,0 = 0.21 L/min. Rozhraní s pomocnou kapalinou ( sheath flow ) Nejčastěji používaný typ rozhraní pro CE-MS. Pomocná kapalina proudí koaxiálně s koncem separační kapiláry a je na ní vloženo sprejovací napětí. Tento způsob umožňuje úpravu složení sprejovací kapaliny a tím překonání problémů s kompatibilitou. Citlivost je nižší než u řešení bez pomocné kapaliny, neboť dochází ke zředění zón. Výhodou je vysoká robustnost mezičlenu a účinnost ionizace.

3 Rozhraní s pomocnou kapalinou ( liquid junction ) Pomocná kapalina je pod tlakem dodávána pomocí rezervoáru v místě přerušení separační kapiláry. V rezervoáru je elektroda pro sprejovací i separační napětí. Citlivost je nižší než u řešení bez pomocné kapaliny, neboť dochází ke zředění zón. Výhodou je vyšší robustnost mezičlenu a vysoká účinnost ionizace. Obrázek Chem. Listy 107, 949 (2013) Rozhraní s pomocnou kapalinou: příklad (CESI 8000) kovová sprejovací kapilára separační kapilára pomocná kapalina porézní segment kapiláry Komerčně dodávané zařízení pro CE/ESI-MS. Separační kapilára je na konci zbavena polyimidové vrstvy a odleptána na velmi malý vnější průměr. Separační i sprejovací napětí je vkládáno na pomocnou kapalinu (např. 10% kyselina octová). Tenká stěna křemenné kapiláry je propustná pro malé ionty a tedy vede elektrický proud. Elektrosprejuje se pouze elektrolyt z CE (nedochází ke zředění pomocnou kapalinou).

4 Rozhraní bez pomocné kapaliny ( sheathless ) Původní řešení spojení CE-MS. Používá se z důvodu vyšší citlivosti. Sprejovací napětí je vloženo na konec separační kapiláry. Zóny analytu nejsou zřeďovány a zachovává se tak rozlišení a koncentrace analytu. Nevýhodou je nutnost plné kompatibility separačního pufru s MS. Pracuje při velmi nízkých průtocích danými EOF (nl/min). Superkritická fluidní chromatografie ve spojení s MS SFC SFC/MS technická řešení Mobilní fáze pro SFC/MS Obrázek Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 13868

5 Superkritická fluidní chromatografie (SFC) SFC je varianta NP-HPLC, při které je mobilní fáze v superkritickém stavu (celý systém musí být udržován pod vysokým tlakem) - mobilní fáze CO 2 s organickým modifikátorem nebo vodou a aditivy - pro širokou škálu analytů, chirální separace, zelená technika Fázový diagram CO 2 : - fázová rozhraní (silné čáry) - izochory konst. hustot (slabé čáry) - kritický bod (červený bod) - kritické body pro směsi CO 2 s methanolem (14-38 %, modré body) Colin F. Poole, Supercritical Fluid Chromatography, 2017 Spojení SFC a MS Nastavení parametrů v SFC: průtok mobilní fáze, složení modifikátoru, zpětný tlak systému a teplota kolony (> 40 C pro superkritické podmínky) - regulátor zpětného tlaku (elektronicky kontrolované vyhřívané ventily) označovaný jako BPR (back pressure regulator) Iontové zdroje pro SFC/MS: ESI: dnes často používaný zdroj v SFC, robustní, citlivý. Nižší citlivost ESI při vyšších průtocích (>0,5 ml/min v SFC) je kompenzována vysokou těkavostí MF APCI: V minulosti nejčastěji používaný zdroj (dobrá kompatibilita s vysokými průtoky i polaritou analytů) APPI: Omezené využití, nutnost použití dopantu, vyšší závislost na experimentálních podmínkách

6 Spojení SFC a MS Přímé spojení - Nejjednodušší, fixní restriktor (kapilára), ionizace závisí na složení MF a průtoku UV MS Dělení toku před regulátorem BPR - dobrá flexibilita díky BPR, nedochází k rozmývání píků MS UV BPR Dělení toku za regulátorem BPR - Nejčastěji používané řešení, vysoká citlivost díky přídavnému čerpadlu (optimalizace prostředí pro ionizaci) čerpadlo UV BPR MS Mobilní fáze pro SFC/MS SFC-MS lze použít pro širokou škálu analytů L. Kott Am. Pharm. Rev. 16, 26 (2013)

7 Volba podmínek pro separace s MS detekcí Podmínky analýzy Kapalné mobilní fáze rozpouštědla, aditiva, ph, průtok, Kompatibilita separačních systémů s MS Plynné mobilní fáze Nastavitelné parametry iontových zdrojů Rutinní provoz přístrojů Obrázek: Volba podmínek Optimalizace analytického systému z hlediska separace analytů a zároveň jejich účinné ionizace (citlivost detekce hmotnostním detektorem). Podmínky pro LC(CE) a MS se mohou značně lišit a je nutno mezi nimi najít vhodný kompromis. To, co musí být kompatibilní, je mobilní fáze: složení (rozpouštědla, obsah solí, ph) a průtok Požadavky na kapalné mobilní fáze: - rozpouští analyty a umožňuje jejich chromatografickou separaci - snadno se zmlžuje, odpařuje, má nízkou solvatační energii - umožňuje ionizaci analytu - neposkytuje intenzivní signál pozadí - nekontaminuje a nezahlcuje iontový zdroj

8 Kapalné mobilní fáze: rozpouštědla ESI, Nano-ESI polární rozpouštědla, která podporují vznik iontů v roztoku voda, methanol, acetonitril, ethanol, tetrahydrofuran APCI, APPI polární i méně polární rozpouštědla, která podporují přenos protonu v plynné fázi voda, methanol, acetonitril, 2-propanol, aceton, chloroform, toluen, hexan Kapalné mobilní fáze: aditiva Pufry, ion-párová činidla, detergenty apod. je lépe nepoužívat, případně v co nejnižších koncentracích. Aditiva by měla být těkavá. Vhodná aditiva: kyselina mravenčí,kyselina octová amoniak octan amonný, mravenčan ammoný uhličitan amonný Nevhodná aditiva: minerální kyseliny (fosforečná, sírová) alkalické hydroxidy, kvartérní amoniové báze, fosfátové pufry, TRIS pufry, detergenty (např. SDS)

9 Kapalné mobilní fáze: aditiva TRIS (THAM) Tris(hydroxymethyl)aminomethane MES 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid CHAPS 3-[(3-Cholamidopropyl)dimethylammonio]- 1-propanesulfonate HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1- piperazineethanesulfonic acid ) Pufry a detergenty používané v biochemii nejsou příliš kompatibilní s MS! Kapalné mobilní fáze: aditiva a geometrie sprejování V případě použití vysoké koncentrace netěkavých solí v mobilní fázi klesá účinnost ionizace, zejména u zdrojů s geometrií v ose. Jiná uspořádání zajišťují větší robustnost.

10 Kapalné mobilní fáze: ph Elektrosprej: bazické látky - detekce pozitivně nabitých iontů (MF kyselá, ph aspoň 2 jednotky pod pka) kyselé látky - detekce negativně nabitých iontů (MF bazická, ph aspoň 2 jednotky nad pka) Odezva (účinnost ionizace) je závislá na ph mobilní fáze. Pro techniky, které vyžadují jako první krok odpaření (APCI, APPI) je výhodnější, pokud je analyt neutrální (vyšší těkavost). Pro ESI je výhodnější, aby byla látka v roztoku ionizována (desorpce iontu). Pokud se optimální ph pro separaci liší od optima pro detekci, je možná pokolonová úprava ph. Kapalné mobilní fáze: ph ESI spektra 2 -microglobulinu ( Da) ph 6.0: nedenaturující podmínky, protein ve sbaleném stavu, méně míst pro protonizaci ph 2.4: denaturující podmínky, protein v rozbaleném stavu, více aktivních center pro protonizaci, vyšší protonizace v nízkém ph DOI: /B417724J

11 Kapalné mobilní fáze: průtok Odezva (účinnost ionizace) je závislá i na průtoku mobilní fáze. Různé iontové zdroje pracují optimálně jen v určitém rozmezí průtoků: velmi nízké průtoky (nl/min, jednotky L/min): nanoesi nízké průtoky (desítky až stovky L/min): ESI střední průtoky (do 1 ml/min): ESI, APCI, APPI vysoké průtoky (do 2,5 ml/min): APCI, APPI Rozměry kolony je vhodné přizpůsobit optimu použitého iontového zdroje. Alternativně je možno splitovat (dělit tok) část analytu jde do odpadu- nebo zvýšit průtok pomocnou kapalinou zředění chromatografických zón Kompatibilita HPLC systémů s MS Reverzní chromatografie, RP-HPLC vodně-organické nebo organické mobilní fáze, nízké koncentrace těkavých pufrů, ph většinou 2-8 velmi dobrá kompatibilita s ESI (nanoesi), APCI, APPI Normální chromatografie NP-HPLC organické mobilní fáze bez pufrů a úpravy ph většinou dobrá kompatibilita s APCI a APPI Iontově párová chromatografie vodně-organické nebo organické mobilní fáze s přídavkem iontověpárového činidla omezená kompatibilita s ESI, iontově-párové činidlo potlačuje signál (nejsou volné ionty). Pokud je tento separační systém nezbytný, pak lze použít trialkylamonium acetát (pro anionty) nebo perfluorované karboxylové kyseliny (pro kationty).

12 Plynné mobilní fáze: podmínky pro GC/MS Mobilní fáze v GC je velmi dobře kompatibilní s MS detekcí (EI/CI) - nosný plyn He (lepší čerpání vakua, inertní); lze použít i H 2 (mírné úpravy zdroje, není inertní) - průtoky ~ 1 ml/min Zpoždění sběru dat ( solvent delay ) vlákno v iontovém zdroji se zapíná až po eluci píku solventu (zabrání se poškození vlákna) - další podmínky pro GC/MS analýzu stejné jako u GC s ostatními typy detektorů - čištění iontového zdroje, výměna oleje v rotační pumpě Nastavitelné parametry iontových zdrojů ESI: průtoky nebulizačního a sušícího plynu kvalita a stabilita spreje, účinnost desolvatace napětí na sprejovací kapiláře ovlivňuje sprej a účinnost ionizace, polarita podle sledovaných iontů (pozitivní nebo negativní) napětí na prvcích iontové optiky ve zdroji fokusace iontů, in-source fragmentace. APCI/APPI: průtoky nebulizačního a sušícího plynu kvalita a stabilita spreje, účinnost desolvatace teplota odpařovače - účinnost desolvatace napětí (proud) pro korónový výboj ovlivňuje účinnost ionizace, polarita podle sledovaných iontů (pozitivní nebo negativní) napětí na prvcích iontové optiky ve zdroji fokusace iontů, fragmentace ve zdroji EI/CI: Ionizační energie obvykle 70 ev napětí na prvcích iontové optiky fokusace iontů teplota zdroje zabránění kondenzace Volba plynu pro CI obvykle methan

13 Role dopantu v APPI Přímá fotoionizace analytu (M) v APPI je většinou málo účinná -> pro zvýšení signálu se používá dopant (D) D + hv D + + e - M + D + M + + D fotoionizace dopantu IE D < energie fotonu charge exchange, výměna náboje; IE M < IE D v přítomnosti protického rozpouštědla (solvent S) se tvoří protonované molekuly D + + n S (D-H) + S n H + M + S n H + [M+H] + proton transfer, výměna protonu; PA S > PA D PA M > PA S Dopanty: aceton, chlorbenzen, toluen, anisol Kr 10.6 ev Požadavky na kvalitu rozpouštědel Pro MS měření je důležité používat velmi čisté chemikálie (specifikované pro MS). Rozpouštědla by měla být uchovávána ve skle. Pozor na kontaminaci změkčovadly z plastů (plastové nádobí, hadičky, rukavice), krémů na ruce apod. Běžné kontaminanty: ftaláty, sebakáty, adipáty, fenylfosfáty, silikony, polyethylenglykoly Neznámé kontaminanty lze identifikovat pomocí volně přístupných seznamů a databází: Mass spectrometry Contaminant Database

14 Provoz a údržba hmotnostních spektrometrů Požadavky na laboratoř Pravidelná údržba Ladění, kalibrace Čištění zdroje, výměna oleje Provoz přístrojů Požadavky na laboratoř: - stálá teplota (klimatizace) - stabilní napájení (záložní zdroje UPS) - odtah par z vakuového systému (a zdroje) - zdroj dusíku vysoké čistoty pro API zdroje - tlakové lahve - generátor dusíku - tank s kapalným dusíkem a odpařovačem - zdroj kolizního plynu (Ar pro QQQ, He pro IT) vysoké čistoty - příprava velmi čisté vody pro MF, případně destilovna rozpouštědel

15 Provoz přístrojů Pravidelné činnosti a údržba: - ladění, kalibrace hmotnostní škály - čištění iontového zdroje, optiky (analyzátoru) - výměna oleje v rotační pumpě, filtrů v generátoru N 2 - údržba datasystému Ladění přístroje Nastavení iontové optiky a dalších parametrů přístroje tak, aby se získal za daných podmínek maximální signál pro daný analyt. Sleduje se i tvar signálu (symetrie píku, rozlišení apod.) Ladit je možno ručně po jednotlivých parametrech nebo automaticky (dle možností ovládacího softwaru).

16 Kalibrace hmotnostní škály Hmotnostní škála každého hmotnostního spektrometru musí být kalibrována, abychom získaly správné výsledky. Kalibrace se provádí změřením spektra kalibrační látky (směsi) a následnou korelací změřených a vypočítaných (tj. správných) hodnot m/z. Typy kalibrací: Externí (vnější) kalibrace Kalibrace se provádí před měřením analyzované látky. Měření kalibračního spektra a spektra analyzované látky probíhá odděleně. Interní (vnitřní) kalibrace Kalibrace se provádí ze spektra obsahujícího jak píky analyzované látky, tak píky kalibrační látky. Měření kalibračního spektra a spektra analyzované látky probíhá současně. Interní kalibrace poskytuje přesnější výsledky. Kalibrace hmotnostní škály Kotvící hmotnost (Lock mass) Způsob vnitřní kalibrace, kdy se celá hmotnostní škála posunuje podle jednoho kalibračního bodu. Slouží k malým úpravám hmotnostní škály předem nakalibrovaného přístroje. Kalibrant s kotvící hmotností může být dávkován do iontového zdroje, nebo se využívá některého iontu z pozadí. Kalibrační křivky se získají proložením (interpolací) změřených kalibračních bodů vhodnou funkcí (lineární, polynomické různých stupňů) Kvalitu kalibrace popisujeme statistickým parametrem RMS (Root Mean Square), tj. směrodatnou odchylkou chyby (v ppm): E ppm - chyba v ppm

17 Kalibrace Změřené spektrum Kalibrační spektrum (vypočítané správné m/z) Chyby pro jednotlivé píky Kalibrační látky Požadavky na kalibrační sloučeniny: - poskytují spektra s dostatečným počtem píků v celém kalibrovaném rozsahu - píky dostatečně intenzivní, s jednoduchými izotopovými klastry - bez paměťového efektu (nesetrvávají v iontovém zdroji po kalibraci) - dostatečná čistota, dostupnost, nízká toxicita Perfluorované látky jednoduché izotopické klastry, negativní mass defect (výhodné pro vnitřní kalibraci) kalibrant hmotnostní úbytek C,H,N,O organické látky hmotnostní nadbytek Typy kalibrantů: chemická individua fragmentační (EI-MS) nebo MS/MS spektra chemická individua tvorba klastrových iontů směsi homologů nebo oligomerů směsi látek, komerční směsi

18 Čištění iontového zdroje a iontové optiky - postupná ztráta citlivosti, případně zhoršení tvaru MS signálů nutné provádět čištění zdroje po čištění Před čištěním rozebrání zdroje dbát doporučení výrobce doporučené postupy se liší podle typu iontového zdroje, materiálů apod. mechanické čištění sonikace v rozpouštědlech sušení složení zdroje montáž do MS Agilent, EN, 2006 Výměna oleje v rotační vývěvě - olej se postupně oxiduje a kontaminuje odčerpávanými látkami, snižuje se jeho mazivost musí být vyměňován v pravidelných intervalech - hladina a barva oleje musí být neustále kontrolována nový olej znečištěný olej, nutno vyměnit vysoce znečištěný, omezená funkčnost

19 Aplikace MS detekce v separačních metodách Analytické strategie Analýza vzorku Cílená Necílená Cílená analýza: postup analýzy, při kterém se hledají pouze určité chemické látky, které jsou dobře charakterizovány (známe hmotnostní spektra, retenční časy) a pro které je k dispozici standard. Typická metoda je založená na monitorování vybrané reakce (SRM, MRM) na trojitém kvadrupólu. - ostatní látky, které nehledáme, nejsou detegovány - vyšší citlivost a selektivita ve srovnání s necílenými postupy Necílená analýza: postup analýzy, při kterém je snaha detegovat co možná nejvíce analytů současně (ideálně všechny). Typická metoda je založená na využití vysokorozlišujících analyzátorů (TOF, Orbitrap, ICR) pro sledování přesných hmotností a současně využití MS/MS. - stále častěji využívaná v metabolomice a dalších omikách skvělý nástroj pro komplexní popis biologického systému a jeho změn - problém s vyhodnocením dat, zejména s identifikací, ale i kvantifikací

20 Forenzní analýza: benzodiazepiny ve vlasech Příprava vzorku - dekontaminace vzorku v isooktanu - sušení, mletí - přídavek vnitřního standardu - sonikace, inkubace v pufru 12 hodin - extrakce org. rozpouštědly delorazepam HPLC/MS: - kolona Luna C18 (150 1 mm, 5 μm), 40 C - gradientová eluce, průtok 100 μl/min. A: 0.1% kyselina mravenčí ve vodě B: 0.1% kyselina mravenčí v acetonitrilu - detekce HRMS ESI, orbitrap nordiazepam Anal Bioanal Chem (2011) 400:51 67 Forenzní analýza: benzodiazepiny ve vlasech - současná identifikace a kvantifikace 28 benzodiazepinů - 50 mg vzorku koncentrace ve vlasech: - kvantifikační limity 1-10 pg/mg až pg/mg - linearita do pg/mg Anal Bioanal Chem (2011) 400:51 67

21 Analýza potravin: mykotoxiny v potravinách Příprava vzorku - přídavek vnitřního standardu - extrakce v acetonitrilu/vodě/k. octové - centrifugace, naředění mobilní fází Aflatoxin B1 HPLC/MS: - kolona Gemini C mm, 5-μm částice, 25 C - předkolona C m. - gradientová eluce, 1 ml/min A: methanol/voda/k. octová 10:89:1, 5 mm octan amonný B: methanol/voda/k. octová 97:2:1, 5 mm octan amonný - detekce ESI-MS/MS (MRM) na Q-trap 4000 Aflatoxin G1 Anal Bioanal Chem (2007) 389:1505 Analýza potravin: mykotoxiny v potravinách - metoda pro 87 analytů v plesnivých potravinách - limity detekce μg/kg - nalezeno 37 fungálních metabolitů koncentrace: až 33 mg/kg potraviny Anal Bioanal Chem (2007) 389:1505

22 Environmentální analýza: hormonálně aktivní látky ve vodách Příprava vzorku - filtrace vody - ředění v případě vody z ČOV Estron HPLC/MS: - kolona Acclaim PA2, 3 um, 3x150 mm (stabilní ve 100% vodě) - gradientová eluce, 0.2 ml/min A: acetonitril B: 1 amoniak ve vodě - detekce ESI-MS/MS (QqQ) Estradiol Journal of Chromatography A, 1281 (2013) 9 Environmentální analýza: hormonálně aktivní látky ve vodách - prekoncentrace analytů na SPE koloně IonPac NG1, 4x35 mm, 2.5 ml vzorku - odstranění nečistot (30% acetonitril ve vodě) - vypláchnutí mobilní fází, separace na analytické koloně - regenerace SPE kolony (90% acetonitril ve vodě) Journal of Chromatography A, 1281 (2013) 9

23 Environmentální analýza: hormonálně aktivní látky ve vodách - plně automatická metoda pro on-line SPE prekoncentraci - kvantifikace 5 estrogenů a 4 androgenů ve vodách - MRM v negativním módu pro estrogeny, v positivním pro androgeny - limity detekce ng/l. The - poměrně nízké výtěžnosti pro androgeny 32% - 60% Journal of Chromatography A, 1281 (2013) 9 CZE/MS analýza peptidů Enzymaticky štěpený krysí H1 protein směs peptidů CZE/MS - sep. pufr : 0.1% kys.mravenčí - průměr kapiláry : 30 μm - sheathless porézní nanoesi- MS Výhody CZE/MS: Vyšší citlivost Vyšší separační účinnost Kratší analýza doi: /ac

24 CZE/MS analýza peptidů Jiný mechanismus separace oproti LC, jiná selektivita Komplementární způsob analýzy peptidů k LC/ESI-MS Data: CESI 8000 (Sciex) Omiky - obory biologie, které se zaměřují na souhrnnou charakterizaci a kvantifikaci skupin biologických molekul, které se promítají do struktury, funkce a dynamiky organismu (např. genomika, proteomika nebo lipidomika). Metabolom: soubor intra- i extracelulárních nízkomolekulárních látek v živém systému, které se účastní metabolických reakcí, a které jsou nezbytné pro růst a normální funkci buňky Metabolomika: komplexní analýza metabolomu za konkrétního fyziologického nebo vývojového stádia organismu, tkáně či buňky

25 Metabolomika analytické metody NMR MS LC/MS GC/MS CE/MS chromatografie GC/MS: - vysoká separační účinnost - ideální pro analýzu slož.směsí - souběžná analýzu různých tříd látek - reprodukovatelnost - nevhodné pro termolabilní metabolity - nutná derivatizace netěkavých látek LC/MS - vysoká citlivost - umožňuje analýzu termolabilních metabolitů - průměrné chromatografické rozlišení - efekty spojené s matricí vzorku - omezené informace o struktuře Chem. Listy 105, 745 (2011) Metabolomika rostlin: GC/MS Příprava vzorku: kritický krok analýzy. Zahrnuje zastavení veškerých biochem. procesů (rychlé zmražení při -60 C, inaktivace enzymů), odstranění lipidů, derivatizace pro GC/MS Nat Protoc. 2006;1(1):

26 Metabolomika rostlin: GC/MS GC/MS komplexní chromatogramy s velkým množstvím píků různých intenzit, velmi častá koeluce. Pro určení retenčních časů a spekter koeluujících látek se provádí dekonvoluce záznamu: Retenční časy stejných látek se mírně mění vzorek od vzorku nutná normalizace pomocí referenčních látek (uhlovodíky, FAMEs) retenční indexy Vyhodnocení dat pomocí statistických metod (např. PCA) /csbj Lipidomika Lipidy: mastné kyseliny, jejich deriváty a látky příbuzné biosynteticky nebo funkčně k těmto sloučeninám Lipidová třída: skupina lipidů mající stejný strukturní motiv, nejčastěji polární funkční skupinu. Uvnitř třídy rozlišujeme molekulové druhy, které se vzájemně liší alifatickými řetězci Lipidom: kompletní soubor lipidů v buňce, tkáni nebo organismu; podmnožina metabolomu Lipidomika: obor, který se zabývá studiem lipidomu v biologických systémech, jeho vzájemnými interakcemi a interakcemi s dalšími biomolekulami - zvláštní postavení v rámci metabolomiky díky specifickým funkcím v živých organismech a zásadnímu vlivu na vznik a průběh onemocnění u řady závažných chorob

27 Strukturní a funkční rozmanitost lipidů Wenk M.R., Cell 143, (2010) Lipidomická analýza pomocí MS Celkový lipidom biologického vzorku VZORE K HOMOGENIZA CE IZOLACE LIPIDŮ VZOREK PRO MS Vzorek: od celých organismů po buněčné organely, ve kterých je možné studovat kompartmentaci buněčných funkcí Prostorová distribuce lipidů ve vzorku VZORE K TKÁŇOVÉ ŘEZY ÚPRAVA VZORKU VZOREK PRO MSI Vzorek: tkáň, povrchové vrstvy

28 Příprava vzorku v lipidomice - postupy přípravy vzorků využívají hydrofobní povahu lipidů a jsou založeny na extrakci z biologické matrice. Další složky matrice, jako jsou proteiny, cukry nebo anorganické soli, jsou během extrakčního procesu odstraněny. - extrakční metoda je vybrána na základě lipidových struktur, které mají být analyzovány Tumanov and Kamphorst, Curr. Opin. Biotechnol., 2017, 43:127 Lipidomika na bázi hmotnostní spektrometrie Dva hlavní přístupy k analýze celkového lipidomu: Shotgun lipidomika (přímá infuze; koncentrace lipidů přiváděných do hmotnostního spektrometru zůstává konstantní) LC/MS lipidomika (HPLC, koncentrace lipidů přiváděných do hmotnostního spektrometru se mění)

29 Přímá analýza celkového lipidového extraktu Shotgun lipidomika, přímé zavádění vzorku do MS (nejčastěji nanoesi). Lipidy jsou identifikovány a kvantifikovány pomocí QqQ nebo QqTOF (sken prekursorového iontu, sken neutrální ztráty). Př. Analýza phosphatidylinositolů HPLC/HR-MS celkového lipidového extraktu Necílené profilování (analýza lipidů pokud možno ze všech lipidových tříd) optimalizovaná HPLC, HRAM a MS/MS pro maximum strukturní informace SF: C18, 2.1 x 150 mm 2.7 μm MF: gradient voda/acetonitril/2-propanol + HCOOH/HCOONH 4 MS: HESI, HCD MS/MS, orbitrap, R= Bird et al., Anal. Chem. 83, (2011)

30 HPLC/HR-MS molekulových druhů v rámci třídy HPLC/ESI-MS/MS sulfoquinovosyldiacylglycerolů Identifikováno 32 SQDG (z toho 17 oxidovaných) HPLC: C18, gradient MeOH/MeCN/H 2 O Zábranská et al., v přípravě (2013) Mobilní hmotnostní spektrometrie

31 Mobilní hmotnostní spektrometrie Hmotnostní spektrometr s malými rozměry, nízkou hmotností a malou spotřebou energie určený pro měření vzorků mimo laboratoř - přístroje s jednoduchým ovládáním, nenáročné na obsluhu. - většinou horší parametry (a nižší cena) ve srovnání s laboratorními přístroji. Transportovatelné spektrometry Přenosné spektrometry Ruční spektrometry rostoucí požadavky na malou hmotnost, velikost a spotřebu zařízení Mobilní hmotnostní spektrometrie - aplikace Monitoring životního prostředí Detekce látek během průmyslových katastrof Bezpečnostní kontroly Detekce látek na bojištích Mobilní MS Kontrola kvality potravin, surovin Výzkum nepřístupných míst (mořské hlubiny, sopky ) Lékařské aplikace Výzkum vesmíru Kriminalistika, forenzní analýzy

32 Mobilní hmotnostní spektrometrie - technologie Tradiční technologie obrábění Mikrofabrikační technologie - levnější, sub-µm přesnost, stabilní kvalita výrobku - hmotnostní spektrometrie na čipu - iontové zdroje, analyzátory, detektory www-mtl.mit.edu jpl.nasa.gov kvadrupól s Einzelovými čočkami pole válcových iontových pastí kvadupól s tyčemi čtvercového průřezu miniaturizovaný MS systém na čipu Vakuové systémy Standardní vakuová čerpadla jsou těžká a spotřebovávají velké množství energie. vývoj menších čerpadel použití analyzátorů, které nevyžadují příliš vysoké vakuum

33 Iontové pasti Vhodný analyzátor pro miniaturizaci: - geometricky kompaktní, malé rozměry - nízké nároky na vakuum (postačuje ~10-3 Torr) - nižší nároky na dílenské zpracování - vysoká citlivost díky akumulaci iontů - možnost MS/MS 3D-IT Zjednodušené geometrie iontových pastí 2D-IT 3D hyperbolická cylindrická (válcová) lineární rektilineární Zajištění vysoké kapacity miniaturních pastí: - používání vysokokapacitních 2D pastí - mikrofabrikovaná pole válcových pastí toroidní válcová toroidní Annu. Rev. Anal. Chem : Iontové pasti: analyzátorová pole Pole iontových pastí: - způsob dosažení dostatečné kapacity analyzátoru - rozměry musí být naprosto identické (pro současné vypuzení stejné m/z) Mikrofabrikované pole válcových (cylindrických) iontových pastí - průměr pastí jednotky µm; v jedné pasti lze zachytit cca 100 iontů - počet pastí na 1 cm 2 : 10 6 (teoreticky zachycení 10 8 iontů) - detekce na 1-5 % pastí v poli Int. J. Mass Spectrom. 2004, 236, ; Rev. Sci. Instrum. 2007, 78,

34 Kvadrupóly Mikrofabrikovaný kvadrupól čtvercového průřezu (1 x 1 x 30 mm) Kvadrupól z nerezových tyčí průměru 2 mm osazených v mikrofabrikovaném držáku /JMEMS Miniaturizovaný QqQ Q0 Q1 Q2 Q3 - mikroesi - diferenční čerpání vakua - izolační okno 1Da - dostatečná citlivost pro kvantifikaci Anal. Chem. 2015, 87, c Mobilní MS: Mini 12 Kvantitativní analýza léčiv v krvi Graham Cooks Kapilára s vnitřním standardem Vložka s čárovým kódem - tandemová MS do MS 5 LOQ 7.5 ng/ml, RSD <10%, Další aplikace: potraviny, environmentální vzorky bez předúpravy Nerezeová kulička pro vložení VN Rozměry: 50 x 56 x 41 cm Hmotnost: 25 kg včetně baterií Napájení: baterie/ 110 V síť (< 100 W) Ionizace: ambientní papírový sprej/diskontinuální API Analyzátor: rektilineární iontová past do 900 Th Vakuum: membránová + turbomolekulární Anal. Chem. 2014, 86,

35 Mobilní MS: M908 Iontová past Ruční přístroj využívající vysokotlakou MS, multifázový detektor (plyny, kapaliny, pevné látky). Rychlý start (1 min). Termální desorpce Rozměry: 22 x 19 x 8 cm Hmotnost: 2 kg včetně baterií Napájení: baterie, 4 hod. provozu Vzorkování: vstup pro plyn, termální desorpce Ionizace: doutnavý výboj Analyzátor: válcová iontová past; Th Detektor: Faradayův pohár Vakuum: spirálová vývěva (hmotnost 200g) kontinuální monitoring Mobilní GC/MS: TRIDION-9 Rozměry: 38 x 39 x 23 cm Hmotnost: 14.5 kg včetně baterií Napájení: Li-Ion, 2,5 hod. provozu Kolona: 5 m x 0.1 mm, 0.4 μm film Teplotní program: C Rychlost ohřevu: max. 150 C/min Nástřik: split/splitless, SPME Ionizace: EI v pasti Analyzátor: toroidní iontová past; Th; nominální rozlišení Detektor: elektronový násobič Vakuum: dva stupně: membránová + turbomolekulární pumpa, Torr

36 Mobilní GC/MS: MM2 plynový chromatograf hmotnostní spektrometr Vyhřívaná sonda (3,5m) montážní rám Rozměry: 44 x 31 x 43 cm Hmotnost: 35 kg + 22 kg montážní rám Napájení: externí 24 V DC Ionizace: EI Analyzátor: kvadrupól do 520 Th; 7200 Da/s Vakuum: iontová pumpa, < 10-6 mbar Kolona: 15 m (HT-5) Teplotní program: nastavitelný do 240 C Mobilní fáze: okolní vzduch Vstup: membránový, vyhřívaný do 240 C