L'ajout de l'équivalent d'une tornade miniature à l'interface entre l'ionisation électrospray (ESI) et un spectromètre de masse (MS) a permis aux chercheurs d'améliorer la sensibilité et la capacité de détection de la technique analytique ESI-MS largement utilisée. Parmi les domaines scientifiques qui pourraient bénéficier de la nouvelle technique figurent la protéomique, la métabolomique et la lipidomique – qui servent des applications biomédicales et de santé allant de la détection et du diagnostic de biomarqueurs à la découverte de médicaments et à la médecine moléculaire.

Connu sous le nom de localisation et locomotion d'ions secs (DRILL), le nouveau dispositif crée un flux tourbillonnant qui peut séparer les gouttelettes d'électropulvérisation en fonction de leur taille. Dans cette application, l'une des nombreuses utilisations potentielles de DRILL, les plus petites gouttelettes sont dirigées pour entrer dans le spectromètre de masse, tandis que les plus gros – qui contiennent encore du solvant – restent dans le flux vortex jusqu'à ce que le solvant s'évapore. L'élimination du solvant permet l'analyse d'ions supplémentaires qui peuvent être perdus dans les techniques actuelles et réduit le « bruit » chimique qui inhibe la sélectivité du spectromètre de masse.

« Un défi majeur pour détecter de petites quantités de biomolécules à l'aide de la technologie de spectrométrie de masse est que nous ne pouvons pas voir tout ce qui se trouve réellement dans l'échantillon, " a déclaré Matthieu Torres, professeur adjoint à la School of Biological Sciences de Georgia Tech. "Le dispositif DRILL offre une nouvelle façon de résoudre ce problème en augmentant le nombre d'ions que nous pouvons entrer dans l'instrument de spécification de masse afin que nous puissions les détecter de manière productive. Les ions sont là maintenant, mais pas nécessairement sous une forme que la spécification de masse peut gérer."

Développé par des chercheurs du Georgia Institute of Technology avec le soutien de la North Carolina State University, DRILL peut être ajouté aux spectromètres de masse à ionisation électrospray existants sans les modifier.

"Le principe est de faire tourner les gouttelettes et d'utiliser l'inertie pour les séparer par taille, " a expliqué Andreï Fedorov, professeur à la Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. « Nous voulons que les gouttelettes restent dans le flux suffisamment longtemps pour éliminer le solvant. En pratique, des gouttelettes plus petites restent au centre, où ils sont peuvent être retirés d'abord pour analyse, tandis que les plus gros restent au bord du courant jusqu'à ce qu'ils soient séchés."

L'idée clé de DRILL est basée sur l'invention de 2007 de Fedorov "Confining/Focusing Vortex Flow Transmission Structure, Systèmes de spectrométrie de masse, et méthodes de transmission de particules, Gouttelettes, et des ions." (Brevet américain n° 7, 595, 487). Au cours des trois dernières années, le dispositif DRILL a été développé avec le soutien du National Institute of General Medical Sciences des National Institutes of Health, et sa dernière version a été décrite le 14 juin dans la revue American Chemical Society Chimie analytique .

En ionisation électrospray (ESI), un potentiel électrique est appliqué à une solution à l'intérieur d'un capillaire, produisant un fort champ électrique à la pointe du capillaire de pulvérisation. Cela conduit à l'expulsion d'un aérosol contenant des gouttelettes chargées qui portent les molécules à analyser. Les gouttelettes éjectées se brisent ensuite en gouttelettes plus petites, créer un panache qui s'étend spatialement au-delà de la capacité d'admission d'entrée du spectromètre de masse, entraînant une perte d'échantillon. Le dispositif DRILL fournit une interface efficace pour la collecte et la transmission d'analytes chargés à partir de sources d'ionisation, comme l'ESI, aux appareils de détection, 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. Dans un sens général, DRILL adds a new approach for manipulating the trajectory of charged droplets, lequel, 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."