stringtranslate.com

Ablación láser por ionización por electrospray

Representación esquemática de la ablación láser por ionización por electrospray (LAESI)

La ionización por electrospray por ablación láser ( LAESI ) es un método de ionización ambiental para espectrometría de masas que combina la ablación láser de un láser de infrarrojo medio (IR medio) con un proceso de ionización por electrospray (ESI) secundario. El láser de IR medio se utiliza para generar partículas en fase gaseosa que luego se ionizan a través de interacciones con gotitas cargadas de la fuente ESI. LAESI fue desarrollado en el laboratorio del profesor Akos Vertes por Peter Nemes en 2007 y fue comercializado por Protea Biosciences, Inc hasta 2017. El enfoque de análisis de células individuales con LAESI de fibra fue desarrollado por Bindesh Shrestha en el laboratorio del profesor Vertes en 2009. LAESI es una nueva fuente de ionización para espectrometría de masas (MS) que se ha utilizado para realizar imágenes MS de plantas, [1] [2] [3] tejidos, [4] [5] [6] [7] pellets de células, [8] e incluso células individuales. [9] [10] [11] [12] Además, LAESI se ha utilizado para analizar documentos históricos [13] y biofluidos no tratados como orina y sangre. [1] La técnica de LAESI se realiza a presión atmosférica y, por lo tanto, supera muchos de los obstáculos de las técnicas de MS tradicionales, incluidos los pasos de preparación de muestras extensos e invasivos y el uso de alto vacío. Debido a que las moléculas y los aerosoles se ionizan al interactuar con una columna de electrospray, el mecanismo de ionización de LAESI es similar a las técnicas SESI y EESI .

La LAESI se puede utilizar para realizar análisis de EM de muchas clases diferentes de compuestos que van desde moléculas pequeñas, como productos farmacéuticos, sacáridos, [1] [2] [3] [9] [10] lípidos, [5] [7] y metabolitos [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] hasta biomoléculas más grandes como péptidos [1] y proteínas. [1] También se ha demostrado que la LAESI tiene un rango dinámico cuantitativo de 4 décadas y un límite de detección (LOD) de 8 fmol con verapamilo, una pequeña molécula farmacéutica. [1] La técnica tiene una resolución lateral de <200 μm para aplicaciones de imágenes [7] [14] y se ha utilizado para imágenes 3D de tejidos vegetales. [3] Además, en experimentos de imágenes LAESI célula por célula, se pueden utilizar células individuales como píxeles de la imagen molecular. [12] Esta aplicación de LAESI utiliza fibras ópticas grabadas para producir tamaños de puntos láser de <50 μm para suministrar la energía láser y también se ha utilizado en experimentos de análisis de células individuales. [9] [10] [11] [12]

Principio de funcionamiento

LAESI produce iones para análisis MS en condiciones atmosféricas normales para muestras que contienen agua. [15] El proceso completo se puede dividir en dos pasos.

Generación de especies de analitos

Cuando se aplica un haz láser de infrarrojo medio a un objetivo que contiene un grupo hidróxido, el objetivo absorberá energía de este haz láser, lo que provocará la evaporación de la humedad del área objetivo. [16] Se produce una explosión a pequeña escala en el objetivo y una pequeña porción de la muestra se extirpa en la fase gaseosa mediante un pulso láser corto (5 ns) de infrarrojo medio (2940 nm). [17] [18] La columna se expande hasta que colapsa en la muestra debido a la presión ejercida por la atmósfera. En este punto, se expulsa un chorro de material de la superficie de la muestra. [17] [19] Como el infrarrojo medio tiene baja energía, la mayoría de las partículas expulsadas de la muestra permanecen neutras. [16] [20]

Reacción de especies de analito con especies de disolvente cargadas

Una fuente de ionización por electrospray (ESI) se ubica sobre la muestra para la ionización posterior a la ablación. [21] El chorro de material ablacionado es intersectado e ionizado por una columna de pulverización de la fuente de ESI ubicada sobre la muestra. Las moléculas ionizadas luego son arrastradas hacia el espectrómetro de masas para su análisis. Debido a que se utiliza una fuente de ESI para la ionización, los espectros de masas LAESI son similares a los espectros ESI tradicionales, que pueden exhibir picos de analito con carga múltiple y extender el rango de masa efectiva de detección a biomoléculas de tamaño >100,000 Da. [19] [20]

Aplicaciones

La LAESI se puede utilizar para realizar experimentos de obtención de imágenes de espectrometría de masas de diversas muestras de tejido, no solo en tres dimensiones, sino también con respecto al tiempo. De manera similar, la LAESI también se puede utilizar para aplicaciones de monitoreo de procesos porque cada análisis individual requiere menos de 2 segundos para realizarse. Debido a la velocidad de un análisis LAESI, la técnica es adecuada para el análisis rápido, sensible y directo de muestras acuosas en microplacas de 96 y 384 pocillos. Estos análisis también se pueden realizar en muestras líquidas, como biofluidos, que contienen péptidos, proteínas, metabolitos y otros biomarcadores para flujos de trabajo clínicos, de diagnóstico y de descubrimiento. [22] La tecnología LAESI permite un análisis de alto rendimiento de estos tipos de muestras y el uso de estándares internos y curvas de calibración permiten la cuantificación absoluta de biomoléculas específicas. [23] [22] [20]

Ventajas y limitaciones

Ventajas

Esta técnica necesita muy poca o ninguna preparación de la muestra y tiene una alta sensibilidad. [22] [15] Esta técnica de ionización no necesita ninguna matriz externa. Por lo tanto, la resolución espacial no se ve comprometida por la presencia de cristal de matriz, lo que da como resultado una alta resolución espacial. [20] Esta técnica de ionización se puede llevar a cabo en superficies biológicas naturales y desiguales. [23] Finalmente, como la ablación láser y la ionización por pulverización de electrones funcionan de forma independiente, se pueden manipular de forma independiente para lograr una mayor resolución. [20]

Limitaciones

La LAESI es una técnica relativamente nueva para aquellas muestras que contienen agua y son relativamente estables. Sin embargo, tiene limitaciones para aquellas muestras que tienen un menor contenido de agua. Por ejemplo, esta técnica no ioniza bien la piel seca, las uñas, los dientes y los huesos; esto se debe al bajo contenido de agua en estas muestras. [16] [22] Además, necesita un área de muestreo relativamente grande, en comparación con algunas otras técnicas de ionización comunes. [20]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdefg Nemes, Peter; Vertes, Akos (27 de septiembre de 2007). "Ablación láser por ionización por electropulverización para presión atmosférica, in vivo, y espectrometría de masas por imágenes". Química analítica . 79 (21). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 8098–8106. doi :10.1021/ac071181r. ISSN  0003-2700. PMID  17900146.
  2. ^ abc Nemes, Peter; Barton, Alexis A.; Li, Yue; Vertes, Akos (13 de mayo de 2008). "Imágenes moleculares ambientales y perfilado de profundidad de tejido vivo mediante espectrometría de masas de ionización por electropulverización por ablación láser infrarroja". Química analítica . 80 (12). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 4575–4582. doi :10.1021/ac8004082. ISSN  0003-2700. PMID  18473485.
  3. ^ abcd Nemes, Peter; Barton, Alexis A.; Vertes, Akos (2009-07-02). "Obtención de imágenes tridimensionales de metabolitos en tejidos en condiciones ambientales mediante espectrometría de masas de ionización por electropulverización por ablación láser". Química analítica . 81 (16). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 6668–6675. doi :10.1021/ac900745e. ISSN  0003-2700.
  4. ^ ab Nemes, Peter; Vertes, Akos (3 de septiembre de 2010). "Imágenes moleculares a presión atmosférica de tejidos biológicos y biopelículas mediante espectrometría de masas LAESI". Journal of Visualized Experiments (43). MyJove Corporation: 1–4. doi :10.3791/2097. ISSN  1940-087X. PMC 3157867. PMID  20834223. 
  5. ^ abc Shrestha, Bindesh; Nemes, Peter; Nazarian, Javad; Hathout, Yetrib; Hoffman, Eric P.; Vertes, Akos (2010). "Análisis directo de lípidos y metabolitos pequeños en tejido cerebral de ratón mediante espectrometría de masas AP IR-MALDI y LAESI reactiva". The Analyst . 135 (4). Royal Society of Chemistry (RSC): 751–758. doi :10.1039/b922854c. ISSN  0003-2654. PMID  20349540.
  6. ^ ab Sripadi, Prabhakar; Nazarian, Javad; Hathout, Yetrib; Hoffman, Eric P.; Vertes, Akos (14 de diciembre de 2008). "Análisis in vitro de metabolitos del tejido no tratado del órgano eléctrico de Torpedo californica mediante espectrometría de masas de ionización por electropulverización por ablación láser de infrarrojo medio". Metabolómica . 5 (2). Springer Science and Business Media LLC: 263–276. doi :10.1007/s11306-008-0147-x. ISSN  1573-3882. S2CID  8286288.
  7. ^ abcd Nemes, Peter; Woods, Amina S.; Vertes, Akos (5 de enero de 2010). "Obtención simultánea de imágenes de pequeños metabolitos y lípidos en tejidos cerebrales de ratas a presión atmosférica mediante espectrometría de masas de ionización por electropulverización por ablación láser". Química analítica . 82 (3). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 982–988. doi :10.1021/ac902245p. ISSN  0003-2700. PMC 2964874 . PMID  20050678. 
  8. ^ ab Sripadi, Prabhakar; Shrestha, Bindesh; Easley, Rebecca L.; Carpio, Lawrence; Kehn-Hall, Kylene; Chevalier, Sebastien; Mahieux, Renaud; Kashanchi, Fatah; Vertes, Akos (7 de septiembre de 2010). Jacobson, Steven (ed.). "Detección directa de diversos cambios metabólicos en células transformadas por virus y que expresan tax mediante espectrometría de masas". PLOS ONE . ​​5 (9). Biblioteca Pública de Ciencias (PLoS): e12590. doi : 10.1371/journal.pone.0012590 . ISSN  1932-6203. PMC 2935367 . PMID  20830293. 
  9. ^ abcd Shrestha, Bindesh; Vertes, Akos (4 de septiembre de 2010). "Análisis directo de células individuales mediante espectrometría de masas a presión atmosférica". Journal of Visualized Experiments (43). MyJove Corporation: 1–4. doi :10.3791/2144. ISSN  1940-087X. PMC 3157873. PMID 20834224  . 
  10. ^ abcd Shrestha, Bindesh; Vertes, Akos (17 de septiembre de 2009). "Perfil metabólico in situ de células individuales mediante espectrometría de masas de ionización por electropulverización por ablación láser". Química analítica . 81 (20). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 8265–8271. doi :10.1021/ac901525g. ISSN  0003-2700.
  11. ^ ab Shrestha, Bindesh; Nemes, Peter; Vertes, Akos (3 de junio de 2010). "Ablación y análisis de poblaciones de células pequeñas y células individuales mediante pulsos láser consecutivos". Applied Physics A . 101 (1). Springer Science and Business Media LLC: 121–126. doi :10.1007/s00339-010-5781-2. ISSN  0947-8396. S2CID  98617638.
  12. ^ abc Shrestha, Bindesh; Patt, Joseph M.; Vertes, Akos (9 de marzo de 2011). "Obtención de imágenes in situ célula por célula y análisis de poblaciones de células pequeñas mediante espectrometría de masas". Química analítica . 83 (8). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 2947–2955. doi :10.1021/ac102958x. ISSN  0003-2700. PMID  21388149.
  13. ^ Stephens, Catherine H.; Shrestha, Bindesh; Morris, Hannah R.; Bier, Mark E.; Whitmore, Paul M.; Vertes, Akos (2010). "Monitoreo mínimamente invasivo de la degradación de celulosa mediante ionización por electrospray por desorción y espectrometría de masas por ionización por electrospray por ablación láser". The Analyst . 135 (9). Royal Society of Chemistry (RSC): 2434–2444. doi :10.1039/c0an00155d. ISSN  0003-2654. PMID  20672159.
  14. ^ Nemes, Peter; Vertes, Akos (2010). "Ablación láser mediante ionización por electrospray para espectrometría de masas con imágenes moleculares a presión atmosférica". Métodos en biología molecular . Vol. 656. Totowa, NJ: Humana Press. págs. 159-171. doi :10.1007/978-1-60761-746-4_9. ISBN . 978-1-60761-745-7. ISSN  1064-3745.
  15. ^ ab Bartels, Benjamin; Svatoš, Aleš (2015). "Metabolómica de plantas in vivo resuelta espacialmente mediante técnicas de obtención de imágenes por espectrometría de masas (MSI) basadas en ablación láser: LDI-MSI y LAESI". Frontiers in Plant Science . 6 : 471. doi : 10.3389/fpls.2015.00471 . ISSN  1664-462X. PMC 4498035 . PMID  26217345. 
  16. ^ abc Nemes, Peter; Vertes, Akos (1 de noviembre de 2007). "Ablación láser por ionización por electrospray para presión atmosférica, in vivo, y espectrometría de masas por imágenes". Química analítica . 79 (21): 8098–8106. doi :10.1021/ac071181r. ISSN  0003-2700. PMID  17900146.
  17. ^ ab Chen, Zhaoyang; Vertes, Akos (25 de marzo de 2008). "Expansión temprana de la columna en la ablación láser de infrarrojo medio a presión atmosférica de objetivos ricos en agua". Physical Review E . 77 (3). American Physical Society (APS): 036316. doi :10.1103/physreve.77.036316. ISSN  1539-3755. PMID  18517520.
  18. ^ Chen, Zhaoyang; Bogaerts, Annemie ; Vertes, Akos (24 de julio de 2006). "Explosión de fase en la ablación por láser infrarrojo a presión atmosférica de objetivos ricos en agua". Applied Physics Letters . 89 (4). AIP Publishing: 041503. doi :10.1063/1.2243961. ISSN  0003-6951.
  19. ^ ab Apitz, I.; Vogel, A. (2005). "Expulsión de material en la ablación con láser Er:YAG de nanosegundos de agua, hígado y piel". Applied Physics A . 81 (2). Springer Science and Business Media LLC: 329–338. doi :10.1007/s00339-005-3213-5. ISSN  0947-8396. S2CID  97063971.
  20. ^ abcdef Huang, Min-Zong; Cheng, Sy-Chi; Cho, Yi-Tzu; Shiea, Jentaie (2011). "Espectrometría de masas de ionización ambiental: un tutorial". Analytica Chimica Acta . 702 (1): 1–15. doi :10.1016/j.aca.2011.06.017. PMID  21819855.
  21. ^ Vertes, Akos; Nemes, Peter; Shrestha, Bindesh; Barton, Alexis A.; Chen, Zhaoyang; Li, Yue (2008). "Imágenes moleculares mediante espectrometría de masas por ablación láser en el infrarrojo medio". Applied Physics A . 93 (4). Springer Science and Business Media LLC: 885–891. doi :10.1007/s00339-008-4750-5. ISSN  0947-8396. S2CID  97866908.
  22. ^ abcd Kiss, András; Hopfgartner, Gérard (2016). "Métodos basados ​​en láser para el análisis de compuestos de bajo peso molecular en matrices biológicas". Métodos . 104 : 142–153. doi :10.1016/j.ymeth.2016.04.017. PMID  27107904.
  23. ^ ab Román, Jessica K.; Walsh, Callee M.; Oh, Junho; Dana, Catherine E.; Hong, Sungmin; Jo, Kyoo D.; Alleyne, Marianne; Miljkovic, Nenad; Cropek, Donald M. (1 de marzo de 2018). "Análisis químico espacialmente resuelto de alas de cigarra usando espectrometría de masas de imágenes (IMS) por ionización por electropulverización por ablación láser (LAESI)". Química analítica y bioanalítica . 410 (7): 1911–1921. doi :10.1007/s00216-018-0855-7. ISSN  1618-2642. PMID  29380018. S2CID  3415847.