Att lägga till motsvarigheten till en miniatyrtornado till gränssnittet mellan elektrosprayjonisering (ESI) och en masspektrometer (MS) har gjort det möjligt för forskare att förbättra känsligheten och detektionsförmågan hos den allmänt använda analystekniken ESI-MS. Bland de vetenskapliga områden som kan dra nytta av den nya tekniken är proteomik, metabolomics och lipidomics - som tjänar biomedicinska och hälsotillämpningar som sträcker sig från detektering och diagnostik av biomarkörer till läkemedelsupptäckt och molekylär medicin.

Känd som Dry Ion Localization and Locomotion (DRILL), den nya enheten skapar ett virvlande flöde som kan separera elektrospraydroppar beroende på deras storlek. I denna ansökan, en av många potentiella användningsområden för DRILL, de mindre dropparna riktas in i masspektrometern, medan de större – som fortfarande innehåller lösningsmedel – stannar kvar i virvelflödet tills lösningsmedlet avdunstar. Att ta bort lösningsmedlet möjliggör analys av ytterligare joner som kan gå förlorade i nuvarande tekniker och minskar det kemiska "bruset" som hämmar masspektrometerns selektivitet.

"En stor utmaning för att upptäcka små mängder biomolekyler med hjälp av masspektrometriteknik är att vi inte kan se allt som faktiskt finns i provet, sa Matthew Torres, en biträdande professor vid Georgia Techs School of Biological Sciences. "DRILL -enheten ger ett nytt sätt att lösa det problemet genom att öka antalet joner vi kan få in i massspecifikationsinstrumentet så att vi produktivt kan upptäcka dem. Jonerna finns där nu, men inte nödvändigtvis i en form som massspecifikationen kan hantera."

Utvecklad av forskare vid Georgia Institute of Technology med stöd från North Carolina State University, DRILL kan läggas till befintliga elektrosprayjoniseringsmasspektrometrar utan att modifiera dem.

"Principen är att få dropparna att rotera och använda tröghet för att separera dem efter storlek, " förklarade Andrei Fedorov, en professor i Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering. "Vi vill att dropparna ska stanna i flödet tillräckligt länge för att avlägsna lösningsmedlet. I praktiken, mindre droppar finns kvar i mitten, var de finns kan först tas bort för analys, medan de större förblir på kanten av flödet tills de torkat."

Nyckelidén med DRILL är baserad på Fedorovs uppfinning från 2007 "Confining/Focusing Vortex Flow Transmission Structure, masspektrometrisystem, och metoder för överföring av partiklar, Droppar, och joner." (US patent nr 7, 595, 487). Under de senaste tre åren har DRILL -enheten har utvecklats med stöd från National Institute of General Medical Sciences vid National Institutes of Health, och dess senaste version beskrevs den 14 juni i tidskriften American Chemical Society Analytisk kemi .

Vid elektrosprayjonisering (ESI), en elektrisk potential appliceras på en lösning inuti en kapillär, producerar ett starkt elektriskt fält vid spraykapillärspetsen. That leads to the expulsion of an aerosol containing charged droplets that carry the molecules to be analyzed. 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. In a general sense, DRILL adds a new approach for manipulating the trajectory of charged droplets, som, when combined with hydrodynamic drag forces and electric field forces, provides a rich range of possible operational modes.

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."