Капиллярный электрофорез-масс спектрометрия (КЭ-МС)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема установки для капиллярного электрофореза — масс-спектрометрии

Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия (КЭ-МС) — метод аналитической химии, основанный на комбинации капиллярного электрофореза с масс-спектрометрией.[1] КЭ-МС сочетает в себе преимущества КЭ и МС, обеспечивая высокую эффективность разделения и предоставляя полную информацию о молекулярной массе веществ в единичном анализе.[2] Метод обладает высокой разрешающей способностью, чувствительностью, скоростью анализа, при этом требуется минимальный объем образца (несколько нанолитров). Ионы обычно получают путем ионизации электрораспылением,[3] но они также могут быть образованы методом матричной лазерной десорбции / ионизации[4] или с помощью других способов ионизации. Метод нашел применение для фундаментальных исследований в области протеомики[5] и количественного анализа биомолекул[6] а также в клинической медицине.[7][8] 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[править | править код]

Самый первый интерфейс (способ соединения) между капиллярным зонным электрофорезом и масс-спектрометрией был разработан в 1987 году[9] 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[править | править код]

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

Гидродинамический ввод[править | править код]

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.[10] 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.[11] 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.[12]

Электрокинетический ввод[править | править код]

В этом методе к раствору с образцом прикладывают высокое напряжение. Молекулы вводятся в разделительный капилляр путём электромиграции под воздействием электроосмотического потока раствора.[10] 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[править | править код]

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 ДЭРИ. Наиболее распространённый метод ионизации, хорошо сочетающийся с капиллярным электрофорезом, — электроспрей (ЭРИ).

Интерфейс КЭ-МС с ионизацией электрораспылением[править | править код]

В первоначальном интерфейсе КЭ-МС использовали капиллярную оболочку из нержавеющей стали, обернутую вокруг конца разделительного капилляра.[13] 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)[править | править код]

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.[3] 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.[14]

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.[15] 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.[16] Для повышения стабильности и срока службы интерфейса был использован эмиттер с золотым покрытием.[17]

Интерфейс без обволакивающей жидкости (sheathless interface)[править | править код]

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.[18] 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.[19] 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.[20]

Интерфейс с жидкостным соединением (liquid junction interface)[править | править код]

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.[21]

Сочетание КЭ с методом бомбардировки быстрыми атомами в непрерывном потоке[править | править код]

КЭ можно также сочетать с таким методом ионизации, как бомбардировка быстрыми атомами, с использованием интерфейса непрерывного потока.[22] 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[править | править код]

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.[23] 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[править | править код]

Метод КЭ-МС применяется в биоаналитических, фармацевтических, экологических и судебно-медицинских целях.[24][25] 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.[26]

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,[27] эмбрионы лягушки[28] и клетки HeLa RBC007.[29] 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.[30]

См. также[править | править код]

Ссылки[править | править код]

  1. ↑ "Peptide and protein analysis by electrospray ionization-mass spectrometry and capillary electrophoresis-mass spectrometry" (PDF). Anal. Biochem. 179 (2): 404—12. June 1989. doi:10.1016/0003-2697(89)90153-X. PMID 2774189. Архивировано (PDF) 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:10.1016/0021-9673(94)01178-h.
  3. ↑ 1 2 "Twenty years of interface development for capillary electrophoresis-electrospray ionization-mass spectrometry". Anal. Chim. Acta. 627 (1): 25—33. October 2008. doi:10.1016/j.aca.2008.06.034. PMID 18790125.
  4. ↑ "Capillary electrophoresis combined with matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry; continuous sample deposition on a matrix-precoated membrane target". J Mass Spectrom. 31 (9): 1039—46. September 1996. doi:10.1002/(SICI)1096-9888(199609)31:9<1039::AID-JMS398>3.0.CO;2-F. PMID 8831154.
  5. ↑ "Capillary electrophoresis-mass spectrometry in urinary proteome analysis: current applications and future developments". Anal Bioanal Chem. 393 (5): 1431—42. August 2008. doi:10.1007/s00216-008-2309-0. PMID 18704377.
  6. ↑ "Quantitation in capillary electrophoresis-mass spectrometry". Electrophoresis. 26 (21): 3973—87. November 2005. doi:10.1002/elps.200500398. PMID 16252322.
  7. ↑ "Capillary electrophoresis-mass spectrometry as a powerful tool in clinical diagnosis and biomarker discovery". Mass Spectrom Rev. 24 (6): 959—77. 2005. Bibcode:2005MSRv...24..959K. doi:10.1002/mas.20051. PMID 15747373.
  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". J. Chromatogr. B. 877 (13): 1250—8. November 2008. doi:10.1016/j.jchromb.2008.10.048. PMID 19010091.
  9. ↑ Schmitt-Kopplin, P., Frommberger, M.(2003).Capillary electrophoresis — mass spectrometry: 15 years of developments and applications. Electrophoresis, 24, 3837-3867.
  10. ↑ 1 2 Breadmore, M.C. (2009). "Electrokinetic and hydrodynamic injection: Making the right choice for capillary electrophoresis". Bioanalysis. 1: 889—894. doi:10.4155/bio.09.73.{{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:10.1002/(SICI)1522-2683(20000401)21:7<1421::AID-ELPS1421>3.0.CO;2-7.
  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:10.1021/ac403171u.
  13. ↑ Olivares, J.A. "On-line mass spectrometric detection for CZE". Analytical Chemistry. 59: 1230—1232. doi:10.1021/ac00135a034.
  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:10.1021/acs.jproteome.5b00100.
  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:10.1016/j.talanta.2017.12.046.
  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:10.1007/s00216-018-1179-3.
  17. ↑ Sauer, F. "A robust sheath-flow CE-MS interface for hyphenation with Orbitrap MS". Electrophoresis. 41: 1280—1286. doi:10.1002/elps.202000044.
  18. ↑ Tomer, Kenneth B. (2001). "Separations Combined with Mass Spectrometry". Chemical Reviews. 101 (2): 297—328. doi:10.1021/cr990091m. ISSN 0009-2665.
  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:10.1021/ac401202c. ISSN 0003-2700. PMID 23789856.
  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:10.1021/acs.analchem.5b04912.
  21. ↑ Fanali, S. "On‐line CE‐MS using pressurized liquid junction nanoflow electrospray interface and surface‐coated capillaries". Electrophoresis. 27: 4666—4673. doi:10.1002/elps.200600322.
  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". Analytical and Bioanalytical Chemistry . 400: 295—303. 2011. doi:10.1007/s00216-011-4738-4.
  25. ↑ "Capillary electrophoresis-mass spectrometry for the direct analysis of glyphosate: method development and application to beer beverages and environmental studies". Analytical and Bioanalytical Chemistry . 412: 4967—4983. 2020. doi:10.1007/s00216-020-02751-0.
  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:10.1039/c4an01133c.
  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:10.1039/c8an01999a.
  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:10.1021/acs.analchem.9b01578.
  30. ↑ Duncan, K.D. "Spatially defined surface sampling capillary electrophoresis mass spectrometry". Analytical chemistry. 91: 7819—7827. doi:10.1021/acs.analchem.9b01516.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Капиллярный_электрофорез-масс_спектрометрия_(КЭ-МС)&oldid=135552918