Functional Surfaces for Microfluidics in Proteomic Analysis

Microchips for use in biomolecular analysis show a lot of promise for medical diagnostics and biomedical basic research. Among the potential advantages are more sensitive and faster analyses as well as reduced cost and sample consumption. Due to scaling laws, the surface are to volume ratios of microfluidic chips is very high. Because of this, tailoring the surface properties and surface functionalization are very important technical issues for microchip development. This thesis studies two different types of functional surfaces, surfaces for open surface capillary microfluidics and surfaces for surface assisted laser desorption ionization mass spectrometry, and combinations thereof. Open surface capillary microfluidics can be used to transport and control liquid samples on easily accessible open surfaces simply based on surface forces, without any connections to pumps or electrical power sources. Capillary filling of open partially wetting grooves is shown to be possible with certain geometries, aspect ratios and contact angles, and a theoretical model is developed to identify complete channel filling domains, as well as partial filling domains. On the other hand, partially wetting surfaces with triangular microstructures can be used for achieving directional wetting, where the water droplets do not spread isotropically, but instead only spread to a predetermined sector. Furthermore, by patterning completely wetting and superhydrophobic areas on the same surface, complex droplet shapes are achieved, as the water stretches to make contact with the wetting surface, but does not enter into the superhydrophobic domains. Surfaces for surface assisted laser desorption ionization mass spectrometry are developed by applying various active thin film coatings on multiple substrates, in order to separate surface and bulk effects. Clear differences are observed between both surface and substrate layers. The best performance surfaces consisted of amorphous silicon coating and an inorganic-organic hybrid substrate, with nanopillars and nanopores. These surfaces are used for matrix-free ionization of drugs, peptides and proteins, and for some analytes, the detection limits were in the high attomoles. Microfluidics and laser desorption ionization surfaces are combined on a functionalized drying platforms, where the surface is used to control the shape of the deposited analyte droplet, and the shape of the initial analyte droplet affects the dried droplet solute deposition pattern. The deposited droplets can then directly detected by mass spectrometry. Utilizing this approach, results of analyte concentration, splitting and separation are demonstrated.

Methods and tools for mass spectrometric lipidome analysis

The analysis of lipid compositions from biological samples has become increasingly important. Lipids have a role in cardiovascular disease, metabolic syndrome and diabetes. They also participate in cellular processes such as signalling, inflammatory response, aging and apoptosis. Also, the mechanisms of regulation of cell membrane lipid compositions are poorly understood, partially because a lack of good analytical methods. Mass spectrometry has opened up new possibilities for lipid analysis due to its high resolving power, sensitivity and the possibility to do structural identification by fragment analysis. The introduction of Electrospray ionization (ESI) and the advances in instrumentation revolutionized the analysis of lipid compositions. ESI is a soft ionization method, i.e. it avoids unwanted fragmentation the lipids. Mass spectrometric analysis of lipid compositions is complicated by incomplete separation of the signals, the differences in the instrument response of different lipids and the large amount of data generated by the measurements. These factors necessitate the use of computer software for the analysis of the data. The topic of the thesis is the development of methods for mass spectrometric analysis of lipids. The work includes both computational and experimental aspects of lipid analysis. The first article explores the practical aspects of quantitative mass spectrometric analysis of complex lipid samples and describes how the properties of phospholipids and their concentration affect the response of the mass spectrometer. The second article describes a new algorithm for computing the theoretical mass spectrometric peak distribution, given the elemental isotope composition and the molecular formula of a compound. The third article introduces programs aimed specifically for the analysis of complex lipid samples and discusses different computational methods for separating the overlapping mass spectrometric peaks of closely related lipids. The fourth article applies the methods developed by simultaneously measuring the progress curve of enzymatic hydrolysis for a large number of phospholipids, which are used to determine the substrate specificity of various A-type phospholipases. The data provides evidence that the substrate efflux from bilayer is the key determining factor for the rate of hydrolysis.

Accurate mass-based analysis in human sport doping control : Application of liquid chromatography - time-of-flight mass spectrometry

Human sport doping control analysis is a complex and challenging task for anti-doping laboratories. The List of Prohibited Substances and Methods, updated annually by World Anti-Doping Agency (WADA), consists of hundreds of chemically and pharmacologically different low and high molecular weight compounds. This poses a considerable challenge for laboratories to analyze for them all in a limited amount of time from a limited sample aliquot. The continuous expansion of the Prohibited List obliges laboratories to keep their analytical methods updated and to research new available methodologies. In this thesis, an accurate mass-based analysis employing liquid chromatography - time-of-flight mass spectrometry (LC-TOFMS) was developed and validated to improve the power of doping control analysis. New analytical methods were developed utilizing the high mass accuracy and high information content obtained by TOFMS to generate comprehensive and generic screening procedures. The suitability of LC-TOFMS for comprehensive screening was demonstrated for the first time in the field with mass accuracies better than 1 mDa. Further attention was given to generic sample preparation, an essential part of screening analysis, to rationalize the whole work flow and minimize the need for several separate sample preparation methods. Utilizing both positive and negative ionization allowed the detection of almost 200 prohibited substances. Automatic data processing produced a Microsoft Excel based report highlighting the entries fulfilling the criteria of the reverse data base search (retention time (RT), mass accuracy, isotope match). The quantitative performance of LC-TOFMS was demonstrated with morphine, codeine and their intact glucuronide conjugates. After a straightforward sample preparation the compounds were analyzed directly without the need for hydrolysis, solvent transfer, evaporation or reconstitution. The hydrophilic interaction technique (HILIC) provided good chromatographic separation, which was critical for the morphine glucuronide isomers. A wide linear range (50-5000 ng/ml) with good precision (RSD<10%) and accuracy (±10%) was obtained, showing comparable or better performance to other methods used. In-source collision-induced dissociation (ISCID) allowed confirmation analysis with three diagnostic ions with a median mass accuracy of 1.08 mDa and repeatable ion ratios fulfilling WADA s identification criteria. The suitability of LC-TOFMS for screening of high molecular weight doping agents was demonstrated with plasma volume expanders (PVE), namely dextran and hydroxyethylstarch (HES). Specificity of the assay was improved, since interfering matrix compounds were removed by size exclusion chromatography (SEC). ISCID produced three characteristic ions with an excellent mean mass accuracy of 0.82 mDa at physiological concentration levels. In summary, by combining TOFMS with a proper sample preparation and chromatographic separation, the technique can be utilized extensively in doping control laboratories for comprehensive screening of chemically different low and high molecular weight compounds, for quantification of threshold substances and even for confirmation. LC-TOFMS rationalized the work flow in doping control laboratories by simplifying the screening scheme, expediting reporting and minimizing the analysis costs. Therefore LC-TOFMS can be exploited widely in doping control, and the need for several separate analysis techniques is reduced.

Tandemmassaspektrometrinen menetelmä neutraalien isomeeristen oligosakkaridien rakenteen määrittämisessä

Tutkimuksen tavoitteena oli ottaa käyttöön tandemmassaspektrometrinen (MS/MS) menetelmä, jolla voidaan analysoida polysakkarideista purkautuneiden oligosakkaridien rakenteita. Tavoitteena oli, että menetelmällä voidaan määrittää glykosidisten sidosten eri asemat monosakkaridirakenteiltaan samanlaisista neutraaleista lineaarisista oligosakkarideista. Kirjallisuustutkimuksessa tarkasteltiin oligosakkaridien rakenteiden määrittämiseen käytettyjä MS/MS-menetelmiä ja oligosakkaridien pilkkoutumisreaktioita MS/MS-analyysissa. Kirjallisuuden perusteella MS/MS-analyysissa oligosakkaridien pilkkoutuminen voi tapahtua joko glykosidisen sidoksen katkeamisella tai monosakkaridirenkaan halkeamisella. Monosakkaridirenkaan pilkkoutumisesta muodostuvia tuoteioneja voidaan käyttää glykosidisen sidoksen aseman määrittämiseen. Kokeellisessa tutkimuksessa selvitettiin aluksi monosakkaridirakenteiltaan isomeerisilla disakkaridimalliaineilla glykosidisen sidoksen sijainnin vaikutus disakkaridin pilkkoutumiseen MS/MS-analyysissa. Tämän jälkeen pyrittiin löytämään tunnetuista tri- ja tetrasakkaridimalliaineista näitä eri sidoksille tyypillisiä tuoteionien jakaumia. Tunnettujen tri- ja tetrasakkaridien pilkkoutuminen yhdenmukaisesti disakkaridien pilkkoutumisen kanssa antaisi mahdollisuuden pitkäketjuisempien oligosakkaridien glykosidisten sidosten tunnistamiseen sovelletulla MS/MS-menetelmällä. MS/MS-analyysit tehtiin ioniloukkumassadetektorilaitteistolla käyttäen sähkösumutusionisaatiota (ESI). Oligosakkaridit määritettiin positiivisella ionisaatiolla litium- ja natriumaddukti-ioneina ja negatiivisella ionisaatiolla kloridiaddukti-ioneina. Vertaamalla tri- ja tetrasakkarideista MS/MS-analyyseissa muodostuneita tuoteioneja disakkarideista muodostuneisiin tuoteioneihin, voitiin sekä positiivisella että negatiivisella ionisaatiolla määrittää oligosakkaridin pelkistävän pään sidoksen asema. Negatiivisella ionisaatiolla tri- ja tetrasakkarideista muodostuneista tuoteioneista voitiin määrittää myös muiden kuin pelkistävän pään sidosten asemia. Positiivisella ionisaatiolla muiden sidosten määrittäminen ei ollut mahdollista, koska rengasfragmentti-ioneja muodostui pääosin oligosakkaridin pelkistävästä päästä. Glykosidisen sidoksen katkeamisesta muodostuneet tuoteionit analysoitiin edelleen MS3-analyysilla. MS3-analyysissa muodostuneista tuoteioneista ei voitu tulkita sidosten asemia, koska lähtöionit koostuivat sekä terminaalisen että pelkistävän pään isomeerisista ioneista.

Desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa takavarikoitujen huumausaineiden, steroidien ja räjähdysaineiden tutkimuksessa

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa tekniikan (engl. desorption atmospheric pressure photoionization, DAPPI) soveltuvuutta rikosteknisen laboratorion näytteiden analysointiin. DAPPI on nopea massaspektrometrinen ionisaatiotekniikka, jolla voidaan tutkia yhdisteitä suoraan erilaisilta pinnoilta. DAPPI:ssa käytetään lämmitettyä mikrosirua, joka suihkuttaa höyrystynyttä liuotin- ja kaasuvirtausta kohti näytettä. Näytteen pinnan komponentit desorboituvat lämmön vaikutuksesta, jonka jälkeen ionisoituminen tapahtuu VUV-lampun emittoimien fotonien avulla.DAPPI:lla tutkittiin takavarikoituja huumausaineita, anabolisia steroideja ja räjähdysaineita sekä niiden jäämiä erilaisilta pinnoilta. Lisäksi kartoitettiin DAPPI:n mahdollisuuksia ja rajoituksia erilaisille näytematriiseille ilman näytteiden esikäsittelyä. Takavarikoitujen huumausaineiden tutkimuksessa analysoitiin erilaisia tabletteja, jauheita, kasvirouheita, huumekasveja (khat, oopium, kannabis) ja sieniä. Anabolisia steroideja tunnistettiin tableteista sekä ampulleista, jotka sisälsivät öljymäistä nestettä. Jauheet ripoteltiin kaksipuoliselle teipille ja analysoitiin siltä. Muut näytteet analysoitiin sellaisenaan ilman minkäänlaista esikäsittelyä, paitsi nestemäisten näytteiden kohdalla näyte pipetoitiin talouspaperille, joka analysoitiin DAPPI:lla. DAPPI osoittautui nopeaksi ja yksinkertaiseksi menetelmäksi takavarikoitujen huumausaineiden ja steroidien analysoimisessa. Se soveltui hyvin rikoslaboratorion erityyppisten näytteiden rutiiniseulontaan ja helpotti erityisesti huumekasvien ja öljymäisten steroidiliuosten tutkimusta. Massaspektrometrin likaantuminen pystyttiin ehkäisemään säätämällä näytteen etäisyyttä sen suuaukosta. Likaantumista ei havaittu huolimatta näytteiden korkeista konsentraatioista ja useita kuukausia jatkuneista mittauksista. Räjähdysaineiden tutkimuksessa keskityttiin seitsemän eri räjähdysaineen DAPPI-MS-menetelmän kehitykseen; trinitrotolueeni (TNT), nitroglykoli (NK), nitroglyseriini (NG), pentriitti (PETN), heksogeeni (RDX), oktogeeni (HMX) ja pikriinihappoä Nämä orgaaniset räjähteet ovat nitraattiyhdisteitä, jotka voidaan jakaa rakenteen puolesta nitroamiineihin (RDX ja HMX), nitroaromaatteihin (TNT ja pikriinihappo) sekä nitraattiestereihin (PETN, NG ja NK). Menetelmäkehityksessä räjähdysainelaimennokset pipetoitiin polymetyylimetakrylaatin (PMMA) päälle ja analysoitiin siitä. DAPPI:lla tutkittiin myäs autenttisia räjähdysainejäämiä erilaisista matriiseista. DAPPI:lla optimoitiin jokaiselle räjähdysaineelle sopiva menetelmä ja yhdisteet saatiin näkymään puhdasaineina. Räjähdysainejäämien analysoiminen erilaisista rikospaikkamateriaaleista osoittautui haastavammaksi tehtäväksi, koska matriisit aiheuttivat itsessään korkean taustan spektriin, josta räjähdysaineiden piikit eivät useimmiten erottuneet tarpeeksi. Muut desorptioionisaatiotekniikat saattavat soveltua paremmin haastavien räjähdysainejäämien havaitsemiseksi.

Desorptioilmanpainefotoionisaatio- ja desorptiosähkösumutusionisaatio-massaspektrometria lipidien analytiikassa

Lipidit ovat rasvaliukoisia kudoksesta peräisin olevia yhdisteitä, joilla on monia eri fysiologisia tehtäviä. Lipidien analyysimenetelmien kehittämien on tärkeää, sillä niiden esiintymistä elimistössä voidaan käyttää biomarkkerina sairauksien diagnostiikassa ja apuna sairauksien kehittymismekanismien tutkimisessa. Lipideihin kuuluu polaarisuudeltaan ja rakenteeltaan hyvin erilaisia yhdisteitä. Niiden massaspektrometria-analytiikassa on aikaisemmin käytetty useita erilaisia ionisaatiomenetelmiä, jotka vaativat näytteen esikäsittelyn ennen analyysia. Desorptiosähkösumutusionisaatio-massaspektrometria (DESI-MS) ja desorptio-ilmanpainefotoionisaatio-massaspektrometria (DAPPI-MS) ovat uusia ionisaatio-menetelmiä, jotka mahdollistavat yhdisteiden analysoinnin suoraan eri matriiseista, kuten kudosnäytteistä, usein ilman esikäsittelyä. DESI-MS soveltuu parhaiten suhteellisen polaaristen yhdisteiden analytiikkaan, kun taas DAPPI:lla voidaan ionisoida myös poolittomia yhdisteitä. DESI-MS:lla on jo aikaisemmin analysoitu erilaisia lipidejä, kun taas DAPPI-MS:lla on aikaisemmin analysoitu vain steroideja. DAPPI- ja DESI-MS:lla tutkittiin erilaisten lipidien (fosfolipidit, triglyseridit, rasvahapot, rasvaliukoiset vitamiinit ja steroidit) ionisoitumista. Molemmilla menetelmillä optimoitiin standardiyhdisteille mittausolosuhteet. Lipidejä analysoitiin myös suoraan farmaseuttisista valmisteista. DAPPI:n ja DESI:n soveltuvuudessa erilaisten lipidien ionisoimiseen oli jonkin verran eroja. DAPPI toimi hyvin varsinkin poolittomampien lipidien, eli triglyseridien, steroidien, vitamiinien ja rasvahappojen ionisaatiossa, mutta huonosti hieman polaarisempien ja herkästi hajoavien fosfolipidien ionisaatiossa. Fosfolipidit fragmentoituivat DAPPI-ionisaatiossa, eikä moolimassatiedon sisältävää ionia saatu näkyviin. DESI puolestaan toimii hyvin fosfolipidien ionisoimisessa ja melko hyvin myös muiden tutkittavien lipidien ionisoimisessa, lukuunottamatta kaikkein poolittomimpia lipidejä. Uutta tietoa tutkimuksessa saatiin varsinkin DAPPI:n soveltuvuudesta erilaisten lipidien analytiikkaan. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että DAPPI toimii yhtä hyvin tai jopa DESI:a paremmin useiden eri lipidien analytiikkassa. Menetelmää tulisi kuitenkin kehittää edelleen, jotta fosfolipidien, jotka ovat elimistön tärkeä lipidiryhmä, analysointi onnistuisi DAPPI:lla. Työssä ei analysoitu lipidejä suoraan kudosnäytteestä, joten DAPPI:n soveltuvuudesta lipidien analysointiin suoraan kudosnäytteistä ei voida tehdä johtopäätöksiä tämän työn perusteella.

3D MHD simulations of subsurface convection in OB stars

During their main sequence evolution, massive stars can develop convective regions very close to their surface. These regions are caused by an opacity peak associated with iron ionization. Cantiello et al. (2009) found a possible connection between the presence of sub-photospheric convective motions and small scale stochastic velocities in the photosphere of early-type stars. This supports a physical mechanism where microturbulence is caused by waves that are triggered by subsurface convection zones. They further suggest that clumping in the inner parts of the winds of OB stars could be related to subsurface convection, and that the convective layers may also be responsible for stochastic excitation of non-radial pulsations. Furthermore, magnetic fields produced in the iron convection zone could appear at the surface of such massive stars. Therefore subsurface convection could be responsible for the occurrence of observable phenomena such as line profile variability and discrete absorption components. These phenomena have been observed for decades, but still evade a clear theoretical explanation. Here we present preliminary results from 3D MHD simulations of such subsurface convection.