Adicionar o equivalente a um tornado em miniatura à interface entre a ionização por eletrospray (ESI) e um espectrômetro de massa (MS) permitiu aos pesquisadores melhorar a sensibilidade e a capacidade de detecção da técnica analítica ESI-MS amplamente utilizada. Entre as áreas científicas que poderiam se beneficiar com a nova técnica estão a proteômica, metabolômica e lipidômica - que atendem a aplicações biomédicas e de saúde que vão desde a detecção e diagnóstico de biomarcadores até a descoberta de medicamentos e medicina molecular.

Conhecido como Localização e Locomoção de Íons Secos (DRILL), o novo dispositivo cria um fluxo em espiral que pode separar as gotículas de eletropulverização, dependendo de seu tamanho. Neste aplicativo, um dos muitos usos potenciais para DRILL, as gotículas menores são direcionadas para entrar no espectrômetro de massa, enquanto os maiores - que ainda contêm solvente - permanecem no fluxo de vórtice até que o solvente evapore. A remoção do solvente permite a análise de íons adicionais que podem ser perdidos nas técnicas atuais e reduz o "ruído" químico que inibe a seletividade do espectrômetro de massa.

"Um grande desafio para detectar pequenas quantidades de biomoléculas usando a tecnologia de espectrometria de massa é que não podemos ver tudo o que está realmente na amostra, "disse Matthew Torres, professor assistente na Escola de Ciências Biológicas da Georgia Tech. "O dispositivo DRILL fornece uma nova maneira de resolver esse problema, aumentando o número de íons que podemos entrar no instrumento de especulação de massa para que possamos detectá-los de forma produtiva. Os íons estão lá agora, mas não necessariamente de uma forma que o espectrômetro de massa possa manipular. "

Desenvolvido por pesquisadores do Georgia Institute of Technology com o apoio da North Carolina State University, DRILL pode ser adicionado aos espectrômetros de massa de ionização por eletropulverização existentes sem modificá-los.

“O princípio é fazer as gotículas girarem e usar a inércia para separá-las por tamanho, "explicou Andrei Fedorov, professor da Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. “Queremos que as gotículas fiquem no fluxo o tempo suficiente para remover o solvente. Na prática, gotículas menores permanecem no centro, onde eles estão podem ser removidos primeiro para análise, enquanto os maiores permanecem na borda do fluxo até secarem. "

A ideia principal do DRILL é baseada na invenção de Fedorov de 2007 "Estrutura de Transmissão de Fluxo de Vórtice de Confinamento / Focagem, Sistemas de espectrometria de massa, e métodos de transmissão de partículas, Gotas, e Ions. "(Patente US No. 7, 595, 487). Nos últimos três anos, o dispositivo DRILL foi desenvolvido com o apoio do Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde, e sua última versão foi descrita em 14 de junho no jornal American Chemical Society Química Analítica .

Na ionização por electrospray (ESI), um potencial elétrico é aplicado a uma solução dentro de um capilar, produzindo um forte campo elétrico na ponta do capilar de pulverização. 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, which, 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."