L'aggiunta dell'equivalente di un tornado in miniatura all'interfaccia tra la ionizzazione elettrospray (ESI) e uno spettrometro di massa (MS) ha consentito ai ricercatori di migliorare la sensibilità e la capacità di rilevamento della tecnica analitica ESI-MS ampiamente utilizzata. Tra i campi scientifici che potrebbero beneficiare della nuova tecnica ci sono la proteomica, metabolomica e lipidomica – che servono applicazioni biomediche e sanitarie che vanno dal rilevamento e diagnostica di biomarcatori alla scoperta di farmaci e alla medicina molecolare.

Conosciuto come Localizzazione e locomozione degli ioni secchi (DRILL), il nuovo dispositivo crea un flusso vorticoso in grado di separare le gocce di elettrospray a seconda delle loro dimensioni. In questa applicazione, uno dei tanti potenziali usi di DRILL, le goccioline più piccole sono dirette ad entrare nello spettrometro di massa, mentre quelli più grandi – che contengono ancora solvente – rimangono nel flusso del vortice fino a quando il solvente evapora. La rimozione del solvente consente l'analisi di ioni aggiuntivi che possono essere persi nelle tecniche attuali e riduce il "rumore" chimico che inibisce la selettività dello spettrometro di massa.

"Una delle principali sfide per rilevare piccole quantità di biomolecole utilizzando la tecnologia della spettrometria di massa è che non possiamo vedere tutto ciò che è effettivamente nel campione, "ha detto Matteo Torres, un assistente professore presso la School of Biological Sciences della Georgia Tech. "Il dispositivo DRILL offre un nuovo modo per risolvere questo problema aumentando il numero di ioni che possiamo immettere nello strumento di spettroscopia di massa in modo da poterli rilevare in modo produttivo. Gli ioni sono ora disponibili, ma non necessariamente in una forma che lo spettrometro di massa possa gestire."

Sviluppato dai ricercatori del Georgia Institute of Technology con il supporto della North Carolina State University, DRILL può essere aggiunto agli spettrometri di massa a ionizzazione elettrospray esistenti senza modificarli.

"Il principio è far ruotare le goccioline e usare l'inerzia per separarle per dimensione, " ha spiegato Andrei Fedorov, un professore della Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "Vogliamo che le goccioline rimangano nel flusso abbastanza a lungo da rimuovere il solvente. In pratica, goccioline più piccole rimangono al centro, dove sono possono essere rimossi prima per l'analisi, mentre i più grandi rimangono ai margini del flusso finché non si sono asciugati".

L'idea chiave di DRILL si basa sull'invenzione di Fedorov del 2007 "Struttura di trasmissione del flusso di vortice di confinamento/focalizzazione, Sistemi di spettrometria di massa, e metodi di trasmissione delle particelle, Goccioline, e ioni." (Brevetto USA n. 7, 595, 487). Negli ultimi tre anni, il dispositivo DRILL è stato sviluppato con il supporto dell'Istituto Nazionale di Scienze Mediche Generali degli Istituti Nazionali di Sanità, e la sua ultima versione è stata descritta il 14 giugno sulla rivista dell'American Chemical Society Chimica analitica .

Nella ionizzazione elettrospray (ESI), un potenziale elettrico viene applicato a una soluzione all'interno di un capillare, producendo un forte campo elettrico all'estremità del capillare di spruzzatura. Ciò porta all'espulsione di un aerosol contenente goccioline cariche che trasportano le molecole da analizzare. Le goccioline espulse poi si rompono in goccioline più piccole, 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, quale, 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."