分子成像质谱:应用程序来取证

蒂芙尼门,^一个Emmanuel Varesio^b托马斯Kraemer^b和杰拉德Hopfgartner^一个

^一个制药科学学院,大学的日内瓦、洛桑大学生命科学质谱、法国Ernest-Ansermet 30, 1211年瑞士日内瓦
^b法医学系药理学和毒理学,苏黎世大学法医学研究所构建Y52 Winterthurerstrasse 190年,8057年苏黎世瑞士

介绍

成像质量spectrometry-based技术label-free和依靠分子解吸的固体表面平坦的样本。分子质量光谱成像(MSI)的兴趣已经在过去的几年里在法医领域的科学,因为它允许样本空间分辨率的保护。通过记录质荷比(m / z)感兴趣的信号分子在每个空间位置(即像素),二维地图和图像重建的样本内的分布。

本文主要关注matrix-assisted激光解吸/电离作用(MALDI)成像和女士也说明了解吸附电喷雾电离作用(DESI)和二次离子质谱(SIMS)作为替代解吸/电离技术。他们主要在法医学中的应用,以及所提供的优势在样品制备的方法通常用于毒理学实验室。

技术因素和一般MSI表演

Matrix-assisted激光解吸/电离作用(MALDI)

卡拉斯等。介绍了MALDI目前的形式在1980年代末。¹它是使用最广泛的电离作用女士成像技术,可以在大气压或真空条件下操作。谱技术是基于齐次矩阵的应用超过上面的示例中,生成的co-crystallisation矩阵和分析物。矩阵涂层是至关重要的,必须保持样品中的分析物本地化完好无损。矩阵通常是一个小的有机化合物(例如,alpha-cyano-4-hydroxycinnamic酸,sinapinic酸,2,5-dihydroxybenzoic酸)电离作用过程中起着重要的作用,吸收光子能量发出的激光(图1)。通过使用一个适当的矩阵,MALDI-MS适合描述范围广泛的化合物,包括大(即。蛋白质,肽)和小分子(即。制药、脂质)在低femtomole attomole水平。

如今,大多数医学仪器可用于MALDI女士成像(见,例如,www.maldi-msi.org)。混合工具等三重四极线性离子阱(回调_点燃),quadrupole-time-of-flight (QqToF) ToF / ToF、离子trap-ToF (QIT-ToF)或线性离子trap-orbitrap执行女士提供了可能性和/或串联质谱分析(MS / MS)成像实验。准确的质量是对选择性的吸引力,然而,回调_点燃在选择离子监测(SRM)模式是敏感和快速检测的重要决策。当比较MS仪器性能,必须考虑几个方面的决议,选择性,采集速度和灵敏度。在所有情况下,空间分辨率依赖于分散和矩阵大小的水晶和激光束的特征。最近在仪表女士支持快速发展与高重复频率激光(即数据生成。频率1000赫兹),聚焦激光束在10 - 50µm的顺序实现一项决议。

解吸附电喷雾电离作用(DESI)

德是最近环境解吸电离技术,已广泛被厨师和同事自2004年以来。²解吸和电离作用过程发生在大气压力,带电液滴生成一个pneumatically-assisted电喷射接口指向平面样品在一定的角度。喷雾提取分子出现在带电液滴的表面和第二代生产和质谱仪分析。样品是直接插入试样夹,保持环境压力和温度条件下,不需要任何样品制备(图1)。

DESI-MS适合小型和大型分子中度敏感性的分析与MALDI-MS相比,但是允许更广泛的分析物的分析。然而,由于电喷射梁的大表面积采样,德西的成像空间分辨率达到几百µm之上。

二次离子质谱(SIMS)

西姆斯被Benninghoven 1977年推出³和已被证明是一个强大的分子表面分析技术。超高真空下的电离作用机制发生在样品的表面是气急败坏的脉冲高能(5 keV 25 keV)主离子束(例如,遗传算法⁺,在⁺,非盟_n⁺C₆₀⁺,Bi₃⁺离子)。⁴由此产生的二次原子或分子离子与高压喷射和收集提取镜头的聚焦离子束(图1)。使超高分辨率图像原子离子和低分子质量碎片,但相关离子产生像素低于µm地区非常有限,因为只有不到1%的表面是在分析删除。

西姆斯适用于元素和低分子量的化合物(即。1000 Da)分析。上面的质量范围的一个重要缺乏敏感性米/z1000年观察到的是由于将复杂分子的分裂。⁵一个矩阵,如谱技术,可以应用到样本,以防止大量的碎片和提高电离作用效率(即matrix-enhanced二次离子质谱、ME-SIMS)。⁶至于德,不需要特定的样品制备。

应用程序取证

单一的头发样品

最近的体液或头发可以揭示药物的滥用的摄入量,但只有头发提供长期的消费信息。当前头发分析主要是基于气体或液体色谱法耦合/女士(MS / MS)。它可以揭示用户的药物摄入量历史但需要事先多个样品制备步骤(例如,洗涤、磨碎、一夜之间头发消化、提取、derivatisation)。此外,每根头发样本必须切成几个1厘米的段,摧毁和单独分析了重组的毒品消费从头皮到发梢(即从现在到过去)。

最近的研究提出成像非法药物的分布在单一的头发样本MALDI-MS (MS / MS),纵向切割^7,8或完整的头发。⁹对于纵向剖面分析,⁷成像所需的时间头发样本像素模式是关于2 h和高分辨率,高激光频率ToF / ToF乐器。在完整的头发的研究中,我们描述了如何生成一个图像的可卡因分布在几个月(即使用头发样本ca10厘米)在不到10分钟。这是实现回调_点燃仪器操作在SRM模式结合1000年Hz-frequency激光MALDI板速度相对较高(即。光栅在1 mm s执行每一个1毫米¹,图2 (a)]。⁹定性和定量数据获得确认可卡因摄入:(i)通过有针对性的MS / MS实验证实药物标识(图2 (b))和(2)一个相对定量从头皮到提示的同时测定benzoylecgonine(即一个可卡因代谢物)可卡因比(BZE / COC)必须大于0.05,防止假阳性结果由于外部污染(图2 (c))。方法允许监测慢性的消费用户的敏感性ng 5毫克¹涵盖范围广泛的现实情况下,典型的头发的可卡因浓度范围从0.5(与社会隔绝的头发测试)超过200 ng毫克¹。¹⁰同样的,单一的直接MALDI-ToF分析完整的头发ng(4厘米段)含有100毫克¹可卡因了¹¹但没有提供女士成像结果由于缺乏敏感度。

除了MALDI, DESI用于合成代谢类固醇的快速筛查酯bovine-incurred头发的激素和兽药分析和取证。¹²然而,低效的解吸电离作用和低数量的类固醇酯表面采样中没有给出任何令人满意的结果,需要简化超声波液体提取。ToF-SIMS也被成功地应用于提供外部化学物质的分子分布如染发剂成分在longitudinally-sectioned单一的头发。⁸

组织样本

检测和定量的药物在组织通常需要均化,提取和/或derivatisation感兴趣的分析物和其他可选步骤去除脂类或其他干扰内源性化合物女士前分析。因此,分析物的空间分布。女士成像,直接分析样品制备的事后组织只包含几个步骤:(i)器官/组织深度冻结,(ii)削减10 - 20µm-thickness片,(3)转移的组织切片样品支架上(例如,载玻片,不锈钢板)和(iv)应用矩阵在上面当MALDI-MSI分析执行。这种快速协议允许可卡因的定量解剖大脑或肾脏人类可卡因和吗啡的用户。^13,14,15

潜伏指纹

最后,另一个法医领域,医学成像技术是新兴的调整是潜在指纹(联赛)。联赛可以帮助识别一个人,给潜在的证据之前接触爆炸物或非法物质来证明他/她与一个犯罪现场。锂离子可以从不同的表面重建(例如,玻璃,纸,塑料)没有任何样品预处理使用德西在本土环境¹⁶西姆斯,^17,18甚至通过应用一个谱矩阵。¹⁹图3(一个)显示了DESI图像分布的可卡因LFP玻片上涂抹获得空间分辨率150µmµm×150。这项决议足以清晰可辨,山脊和细节可以导出到一个指纹识别软件(图3 (b))。该技术的另一个优点是能够区分重叠指纹属于不同个体,依靠他们呈现不同的暴露在化学物质(图3 (c)和3 (d)]。谱技术的潜力研究潜在的手指的内源性脂类(例如,油酸、硬脂酸、胆固醇)¹⁹和西姆斯检测外源污染物的能力(例如,安非他命的药物,火药残渣、砷)^17,18也被证实。

结论

选择性和敏感成像质量spectrometry-based方法提出了作为法医调查非常强大的工具。大大减少了样品制备女士之前分析使一个增强分析吞吐量。物质消费很低,药物及其代谢产物的空间分布在样品保存完好,可以揭示决定性的信息对于潜在指纹或头发分析监控,例如,可卡因消费。

环境质谱的发展有或没有一个矩阵仍在增长等技术的出现直接实时分析(DART), plasma-assisted解吸电离作用(PADI)或萃取电喷雾电离作用(EESI)^20.只是仅举几例。在法庭调查,几百微米的空间分辨率是足以生成相关数据。然而,直接遭受缺乏环境分析色谱步骤检测女士之前,这是特别至关重要的等压或二期代谢物(将分裂的情况下)。在这方面,微分离子迁移谱法(DMS)提供了一个有趣的替代色谱分离,因为它支持等压分析物的分离和最近成功应用结合液体提取表面分析(LESA)分析药物在人体组织。¹⁵

引用

1. m·卡拉斯d·巴赫曼和f . Hillenkamp影响high-irradiance紫外线波长的激光解吸质谱的有机分子”,肛门。化学。57岁的2935 - 2939 (1985)。doi:10.1021 / ac00291a042
2. z Takats J.M.怀斯曼,b . Gologan R.G.厨师,“与解吸附电喷雾离子化质谱采样环境条件下”,科学306年,471 - 473 (2004)。doi:10.1126 / science.1104404
3. 答:Benninghoven和w . Sichtermann,“二次离子质spectrometery:一种新的分析技术对生物重要的化合物”,Org。质量范围。12日,595 - 597 (1977)。doi:10.1002 / oms.1210120914
4. B.K. Kaletas¸贝聿铭van der, j .斯陶贝尔l·j·德克尔,c . Guzel J.M. kro, T.M.西欧和R.M.A. Heeren,“样品制备问题组织成像,成像女士”,蛋白质组学9日,2622 - 2633 (2009)。doi:10.1002 / pmic.200800364
5. 自动跟踪Altelaar,j . van Minnen C.R.吉梅内斯,R.M.A. Heeren S.R. Piersma,“直接的分子成像椎实螺属stagnalis神经组织在亚细胞空间分辨率质谱”,肛交。化学。77年,735 - 741 (2005)。doi:10.1021 / ac048329g
6. kj吴和前作空。奥多姆Matrix-enhanced次级离子质谱:固体表面的分子分析方法”,肛交。化学。68年,873 - 882 (1996)。
7. 答:杨爱瑾,m .人员t . Kamata k . Zaitsu m . Tatsuno t .录像,h . Tsuchihashi t Takubo和k铃木“MALDI-TOF MALDI-FTICR成像质谱的冰毒纳入头发”,j .质量范围。46岁,411 - 416 (2011)。doi:10.1021 / ac950717i
8. B.-J。陈,p.l.。李,W.-Y。陈,F.-D。梅和研究。凌,“ToF-SIMS染发剂分布头发”,达成。冲浪。科学。252年,6786 - 6788 (2006)。doi:10.1016 / j.apsusc.2006.02.230
9. t·门c . Grivet t . Kraemer大肠Varesio和g Hopfgartner“单一头发可卡因消费监控质量光谱成像”,肛门化学83年,4266 - 4272 (2011)。doi:10.1021 / ac200610c
10. p . Kintz诉Cirimele, c . Sengler和p•曼京”测试人类头发和尿液anhydroecgonine甲酯,可卡因的热解产物”,j .肛门。Toxicol。19日,479 - 482 (1995)。
11. s . Vogliardid . Favretto g . Frison r . Seraglia和p . Traldi费拉拉,时任“快速筛查MALDI可卡因及其代谢物的检测方法在头发”,j .质量范围。44岁的18 - 24 (2009)。doi:10.1002 / jms.1463
12. M.W.F. Nielen, A.W.J.M. Nijrolder, h . Hooijerink A.A.M. Stolker,“可行性的解吸附电喷雾离子化质谱快速筛选合成代谢类固醇酯在头发”,肛交。詹。学报700年,63 - 69 (2011)。doi:10.1016 / j.aca.2010.08.009
13. 水帝国,k . Cudzilo J.A. Levisky和R.A.约斯特,“定量MALDI-MSⁿ分析的可卡因的大脑解剖人类可卡因用户采用宽隔离窗口和内部标准”,j。Soc。质量范围。21日,564 - 571 (2010)。doi:10.1016 / j.jasms.2009.12.014
14. t门et al。在第58 asm质谱与盟军会议主题(2010)。
15. t门et al。在59 asm质谱与盟军会议主题(2011)。
16. Ifa,N.E. Manicke A.L.莳萝和R.G.厨师,“潜指纹的化学成像质谱”,科学321年,805 (2008)。doi:10.1126 / science.1157199
17. M.I. Szynkowska, k . Czerski j . Rogowski t Paryjczak和a . Parczewski“使用ToF-SIMS外源污染物的检测指纹”,冲浪。接口肛门。42岁的393 - 397 (2010)。doi:10.1002 / sia.3193
18. M.I. Szynkowska, k . Czerski j . Rogowski t Paryjczak和a . Parczewski“ToF-SIMS应用可视化和分析的指纹与安非他命的药物”,法医科学。Int。184年,e24-e26 (2009)。
19. r .五星行r·布拉德肖核磁共振握紧和s . Francese”研究的潜手印matrix-assisted激光解吸/电离质谱法成像的内源性脂类”,快速Commun。质量范围。23日,3031 - 3039 (2009)。doi:10.1002 / rcm.4218
20. F.M.绿色T.L. Salter, p .斯托克斯安全火花型吉尔摩和g·奥康纳,“取证环境质谱:进步和应用程序”,冲浪。接口肛门。42岁的347 - 357 (2010)。doi:10.1002 / sia.3131