La ionización secundaria por electropulverización (SESI) es una técnica de ionización ambiental para el análisis de concentraciones de trazas de vapores, donde una nanoelectrospray produce agentes de carga que chocan con las moléculas del analito directamente en fase gaseosa. En la siguiente reacción, la carga se transfiere y los vapores se ionizan, la mayoría de las moléculas se protonan (en modo positivo) y se desprotonan (en modo negativo). SESI funciona en combinación con espectrometría de masas o espectrometría de movilidad iónica .
Historia
Fenn y sus colegas observaron por primera vez el hecho de que las concentraciones de trazas de gases en contacto con una pluma de electropulverización se ionizaran de manera eficiente cuando observaron que pequeñas concentraciones de plastificantes producían picos intensos en sus espectros de masas. [1] Sin embargo, no fue hasta el año 2000 cuando este problema se reformuló como una solución, cuando Hill y sus colaboradores utilizaron un electrospray para ionizar moléculas en fase gaseosa, [2] y llamaron a la técnica ionización secundaria por electrospray. En 2007, los trabajos casi simultáneos de Zenobi [3] y Pablo Sinues [4] aplicaron el SESI al análisis de la respiración por primera vez, marcando el inicio de un campo o investigación fructífero. [5] Con sensibilidades en el rango de ppt v bajo ( 10-12 ), SESI se ha utilizado en otras aplicaciones, donde la detección de vapores de baja volatilidad es importante.
La detección de especies de baja volatilidad en la fase gaseosa es importante porque las moléculas más grandes tienden a tener un mayor significado biológico. Las especies de baja volatilidad se han pasado por alto porque es técnicamente difícil detectarlas, ya que se encuentran en concentraciones muy bajas y tienden a condensarse en las tuberías internas de los instrumentos. Sin embargo, a medida que este problema se resuelve y los nuevos instrumentos son capaces de manejar moléculas más grandes y específicas, la capacidad de realizar análisis en línea y en tiempo real de las moléculas liberadas naturalmente en el aire, incluso en concentraciones mínimas, está atrayendo la atención sobre esto. técnica de ionización.
Principio de funcionamiento
En los primeros días de SESI, se debatían dos mecanismos de ionización: el modelo de interacción gota-vapor postula que los vapores se adsorben en las gotas de ionización por electropulverización (ESI) y luego se vuelven a emitir a medida que la gota se contrae, al igual que los analitos regulares en fase líquida. producido en ionización por electropulverización; por otro lado, el modelo de interacción ion-vapor postula que las moléculas y los iones o pequeños grupos chocan, y la carga se transfiere en esta colisión. Las fuentes comerciales de SESI actualmente disponibles operan a alta temperatura para manejar mejor las especies de baja volatilidad. [6] En este régimen, las nanogotas de la electropulverización se evaporan muy rápidamente para formar grupos de iones en equilibrio. Esto da como resultado reacciones de vapor de iones que dominan la mayor parte de la región de ionización. Como los iones de carga se originan a partir de nanogotas y no hay iones de alta energía involucrados en ningún punto del proceso de ionización ni en la creación de agentes ionizantes, la fragmentación en SESI es notablemente baja y los espectros resultantes son muy limpios. Esto permite un rango dinámico muy alto, donde los picos de baja intensidad no se ven afectados por especies más abundantes. [7]
Algunas técnicas relacionadas son láser de ablación de ionización por electrospray , espectrometría de masas de transferencia de protones-reacción y -ion seleccionado espectrometría de masas de flujo de tubo .
Aplicaciones
La característica principal de SESI es que puede detectar concentraciones minúsculas de especies de baja volatilidad en tiempo real, con masas moleculares de hasta 700 Da, pertenecientes al ámbito de la metabolómica . Estas moléculas son liberadas naturalmente por organismos vivos y comúnmente se detectan como olores, lo que significa que pueden analizarse de forma no invasiva . SESI, combinado con la espectrometría de masas de alta resolución, proporciona información biológicamente relevante y resuelta en el tiempo de los sistemas vivos, donde no es necesario interferir con el sistema. Esto permite capturar sin problemas la evolución temporal de su metabolismo y su respuesta a estímulos controlados.
El SESI se ha utilizado ampliamente para el análisis de gases respiratorios para el descubrimiento de biomarcadores y estudios farmacocinéticos in vivo :
Descubrimiento de biomarcadores
Infección bacteriana
Se ha informado ampliamente sobre la identificación de bacterias por su huella dactilar de compuestos orgánicos volátiles . SESI-MS ha demostrado ser una técnica robusta para la identificación de bacterias a partir de cultivos celulares e infecciones in vivo a partir de muestras de aliento, después del desarrollo de bibliotecas de perfiles de vapor. [8] [9] [10] [11] Otros estudios incluyen: Diferenciación in vivo entre patógenos críticos Staphylococcus aureus y Pseudomonas aeruginosa . [12] o detección diferencial entre S. aureus resistente a antibióticos y sus cepas no resistentes. [13] También se ha informado sobre la detección de infecciones bacterianas de otros fluidos como la saliva. [14]
Enfermedades respiratorias
Muchas enfermedades respiratorias crónicas carecen de un método adecuado de seguimiento y diferenciación entre las etapas de la enfermedad. El SESI-MS se ha utilizado para diagnosticar y distinguir las exacerbaciones de las muestras de aliento en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica . [15] [16] El perfil metabólico de las muestras de aliento ha diferenciado con precisión a los individuos sanos de los pacientes con fibrosis pulmonar idiopática [17] o con apnea obstructiva del sueño . [18]
Cáncer
SESI-MS se está estudiando como un sistema de detección no invasivo de biomarcadores de cáncer en el aliento. Un estudio preliminar diferencia a las pacientes que padecen neoplasia de mama. [19]
Piel
Los volátiles liberados de la piel se pueden detectar tomando muestras del gas ambiental que la rodea, lo que proporciona un método rápido para detectar cambios metabólicos en los patrones de composición de los ácidos grasos. [20] [21]
Farmacocinética
Para estudiar la farmacocinética, es necesaria una técnica robusta debido a la naturaleza compleja de la matriz de las muestras, ya sea plasma, orina o aliento. [22] Estudios recientes muestran que la ionización secundaria por electropulverización (SESI) es una técnica poderosa para monitorear la cinética de los fármacos a través del análisis del aliento. [23] [24] Debido a que la respiración se produce de forma natural, se pueden recopilar fácilmente varios puntos de datos. Esto permite aumentar considerablemente el número de puntos de datos recopilados. [25] En estudios con animales, este enfoque SESI puede reducir el sacrificio de animales al tiempo que produce curvas farmacocinéticas con resoluciones de tiempo inigualables. [24] [25] En los seres humanos, el análisis no invasivo de la respiración con SESI-MS puede ayudar a estudiar la cinética de los fármacos a un nivel personalizado. [23] [26] [27] El seguimiento de las especies introducidas exógenamente permite rastrear su ruta metabólica específica, lo que reduce el riesgo de detectar factores de confusión .
Análisis metabólico resuelto en el tiempo
La introducción de estímulos conocidos, como metabolitos específicos, compuestos marcados con isótopos, u otras fuentes de estrés, desencadena cambios metabólicos que pueden controlarse fácilmente con SESI-MS. Algunos ejemplos incluyen: perfiles de compuestos volátiles de cultivos celulares; [28] y estudios metabólicos para plantas [29] o trazas de vías metabólicas humanas. [30] [31] [32]
Otras aplicaciones
Otras aplicaciones desarrolladas con SESI-MS incluyen:
- Detección de drogas ilícitas; [3]
- Detección de explosivos; [33] [34]
- Seguimiento del control de la calidad de los alimentos. [35] [36]
Referencias
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enlaces externos
- Iniciativa de respiración profunda
- Fossiliontech
- Investigación de la respiración de Sinueslab