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Ionización secundaria por electrospray

SESI-MS SUPER SESI acoplado con Thermo Fisher Scientific-Orbitrap

La ionización por electrospray secundaria ( SESI ) es una técnica de ionización ambiental para el análisis de concentraciones traza de vapores, donde un nanoelectrospray produce agentes de carga que chocan con las moléculas del analito directamente en fase gaseosa. En la reacción subsiguiente, la carga se transfiere y los vapores se ionizan, la mayoría de las moléculas se protonan (en modo positivo) y se desprotonan (en modo negativo). La SESI funciona en combinación con la espectrometría de masas o la espectrometría de movilidad iónica .

Historia

El hecho de que las concentraciones traza de gases en contacto con una columna de electrospray se ionizaran de manera eficiente fue observado por primera vez por Fenn y colegas cuando notaron que pequeñas concentraciones de plastificantes producían picos intensos en sus espectros de masas. [1] Sin embargo, no fue hasta el año 2000 cuando este problema se reformuló como una solución, cuando Hill y colaboradores utilizaron un electrospray para ionizar moléculas en la fase gaseosa, [2] y denominaron a la técnica Ionización Secundaria por Electrospray. En 2007, los trabajos casi simultáneos de Zenobi [3] y Pablo Sinues [4] aplicaron SESI al análisis del aliento por primera vez, marcando el comienzo de un campo de investigación fructífero. [5] Con sensibilidades en el rango bajo de ppt v (10 −12 ), SESI se ha utilizado en otras aplicaciones, donde la detección de vapores de baja volatilidad es importante.

La detección de especies de baja volatilidad en la fase gaseosa es importante porque las moléculas más grandes tienden a tener una mayor importancia biológica. Las especies de baja volatilidad se han pasado por alto porque es técnicamente difícil detectarlas, ya que se encuentran en concentraciones muy bajas y tienden a condensarse en las tuberías internas de los instrumentos. Sin embargo, a medida que se resuelve este problema y los nuevos instrumentos pueden manejar moléculas más grandes y específicas, la capacidad de realizar análisis en línea y en tiempo real de moléculas liberadas naturalmente en el aire, incluso en concentraciones mínimas, está atrayendo la atención hacia esta técnica de ionización.

Principio de funcionamiento

Diagrama del mecanismo de ionización por electrospray secundario

En los primeros días de SESI, se debatían dos mecanismos de ionización: el modelo de interacción gotita-vapor postula que los vapores se adsorben en las gotitas de ionización por electrospray (ESI) y luego se reemiten a medida que la gotita se encoge, tal como se producen los analitos regulares en fase líquida en la ionización por electrospray; por otro lado, el modelo de interacción ion-vapor postula que las moléculas y los iones o pequeños grupos chocan, y la carga se transfiere en esta colisión. Las fuentes SESI comerciales actualmente disponibles operan a alta temperatura para manejar mejor las especies de baja volatilidad. [6] En este régimen, las nanogotas del electrospray se evaporan muy rápidamente para formar grupos de iones en equilibrio. Esto da como resultado reacciones ion-vapor que dominan la mayor parte de la región de ionización. Como los iones de carga se originan a partir de nanogotas y no intervienen iones de alta energía en ningún punto del proceso de ionización ni en la creación de agentes ionizantes, la fragmentación en SESI es notablemente baja y los espectros resultantes son muy limpios. Esto permite un rango dinámico muy alto, donde los picos de baja intensidad no se ven afectados por especies más abundantes. [7]

Algunas técnicas relacionadas son la ionización por electrospray por ablación láser , la espectrometría de masas por reacción de transferencia de protones y la espectrometría de masas con tubo de flujo de iones seleccionados .

Aplicaciones

Análisis del aliento en tiempo real

La característica principal de SESI es que puede detectar concentraciones minúsculas de especies de baja volatilidad en tiempo real, con masas moleculares de hasta 700 Da, que caen en el ámbito de la metabolómica . Estas moléculas son liberadas naturalmente por los organismos vivos y se detectan comúnmente como olores, lo que significa que pueden analizarse de forma no invasiva . SESI, combinado con la espectrometría de masas de alta resolución, proporciona información biológicamente relevante y resuelta en el tiempo de los sistemas vivos, donde el sistema no necesita ser interferido. Esto permite capturar sin problemas la evolución temporal de su metabolismo y su respuesta a estímulos controlados.

SESI se ha utilizado ampliamente para el análisis de gases respiratorios para el descubrimiento de biomarcadores y estudios farmacocinéticos in vivo :

Descubrimiento de biomarcadores

Descubrimiento de biomarcadores

Infección bacteriana

Se ha informado ampliamente sobre la identificación de bacterias por su huella de compuestos orgánicos volátiles . SESI-MS ha demostrado ser una técnica robusta para la identificación de bacterias a partir de cultivos celulares e infecciones in vivo a partir de muestras de aliento, después del desarrollo de bibliotecas de perfiles de vapor. [8] [9] [10] [11] Otros estudios incluyen: diferenciación in vivo entre patógenos críticos Staphylococcus aureus y Pseudomonas aeruginosa . [12] o detección diferencial entre S. aureus resistente a antibióticos y sus cepas no resistentes. [13] También se ha informado sobre la detección de infecciones bacterianas a partir de otros fluidos como la saliva. [14]

Enfermedades respiratorias

Muchas enfermedades respiratorias crónicas carecen de un método adecuado para su seguimiento y diferenciación entre las distintas etapas de la enfermedad. La SESI-MS se ha utilizado para diagnosticar y distinguir las exacerbaciones a partir de muestras de aliento en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica . [15] [16] El perfil metabólico de las muestras de aliento ha permitido diferenciar con precisión a los individuos sanos de los pacientes con fibrosis pulmonar idiopática [17] o apnea obstructiva del sueño . [18]

Cáncer

La SESI-MS se está estudiando como un sistema de detección no invasivo de biomarcadores de cáncer en el aliento. Un estudio preliminar diferencia a los pacientes que padecen neoplasia de mama. [19]

Piel

Los volátiles liberados de la piel se pueden detectar tomando muestras del gas ambiental que la rodea, lo que proporciona un método rápido para detectar cambios metabólicos en los patrones de composición de los ácidos grasos. [20] [21]

Monitoreo no invasivo de medicamentos

Farmacocinética

Para estudiar la farmacocinética, es necesaria una técnica robusta debido a la naturaleza compleja de la matriz de las muestras, ya sea plasma, orina o aliento. [22] Estudios recientes muestran que la ionización por electrospray secundaria (SESI) es una técnica poderosa para monitorear la cinética de los fármacos a través del análisis del aliento. [23] [24] Debido a que el aliento se produce naturalmente, se pueden recolectar fácilmente varios puntos de datos. Esto permite aumentar considerablemente la cantidad de puntos de datos recopilados. [25] En estudios con animales, este enfoque SESI puede reducir el sacrificio de animales al tiempo que produce curvas farmacocinéticas con resoluciones temporales inigualables. [24] [25] En humanos, el análisis no invasivo SESI-MS del aliento puede ayudar a estudiar la cinética de los fármacos a un nivel personalizado. [23] [26] [27] El monitoreo de especies introducidas exógenamente permite rastrear su vía metabólica específica, lo que reduce el riesgo de detectar factores de confusión .

Metabolómica in vivo

Análisis metabólico resuelto en el tiempo

La introducción de estímulos conocidos, como metabolitos específicos, compuestos marcados isotópicamente u otras fuentes de estrés, desencadena cambios metabólicos que pueden monitorearse fácilmente con SESI-MS. Algunos ejemplos de esto incluyen: perfil de compuestos volátiles de cultivos celulares; [28] y estudios metabólicos para plantas [29] o rastreo de vías metabólicas humanas. [30] [31] [32]

Otras aplicaciones

Otras aplicaciones desarrolladas con SESI-MS incluyen:

Referencias

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