Analysis of receptor signaling pathways by mass spectrometry: Identification of Vav-2 as a substrate of the epidermal and platelet-derived growth factor receptors

Oligomerization of receptor protein tyrosine kinases such as the epidermal growth factor receptor (EGFR) by their cognate ligands leads to activation of the receptor. Transphosphorylation of the receptor subunits is followed by the recruitment of signaling molecules containing src homology 2 (SH2) or phosphotyrosine interaction domains (PID). Additionally, several cytoplasmic proteins that may or may not associate with the receptor undergo tyrosine phosphorylation. To identify several components of the EGFR signaling pathway in a single step, we have immunoprecipitated molecules that are tyrosine phosphorylated in response to EGF and analyzed them by one-dimensional gel electrophoresis followed by mass spectrometry. Combining matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) and nanoelectrospray tandem mass spectrometry (MS/MS) led to the identification of nine signaling molecules, seven of which had previously been implicated in EGFR signaling. Several of these molecules were identified from low femtomole levels of protein loaded onto the gel. We identified Vav-2, a recently discovered guanosine nucleotide exchange factor that is expressed ubiquitously, as a substrate of the EGFR. We demonstrate that Vav-2 is phosphorylated on tyrosine residues in response to EGF and associates with the EGFR in vivo. Binding of Vav-2 to the EGFR is mediated by the SH2 domain of Vav-2. In keeping with its ubiquitous expression, Vav-2 seems to be a general signaling molecule, since it also associates with the platelet-derived growth factor (PDGF) receptor and undergoes tyrosine phosphorylation in fibroblasts upon PDGF stimulation. The strategy suggested here can be used for routine identification of downstream components of cell surface receptors in mammalian cells.

Direct genetic analysis by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry

An approach to analyzing single-nucleotide polymorphisms (SNPs) found in the human genome has been developed that couples a recently developed invasive cleavage assay for nucleic acids with detection by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). The invasive cleavage assay is a signal amplification method that enables the analysis of SNPs by MALDI-TOF MS directly from human genomic DNA without the need for initial target amplification by PCR. The results presented here show the successful genotyping by this approach of twelve SNPs located randomly throughout the human genome. Conventional Sanger sequencing of these SNP positions confirmed the accuracy of the MALDI-TOF MS analysis results. The ability to unambiguously detect both homozygous and heterozygous genotypes is clearly demonstrated. The elimination of the need for target amplification by PCR, combined with the inherently rapid and accurate nature of detection by MALDI-TOF MS, gives this approach unique and significant advantages in the high-throughput genotyping of large numbers of SNPs, useful for locating, identifying, and characterizing the function of specific genes.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Identification of oxidized phospholipids by electrospray ionization mass spectrometry and LC-MS using a QQLIT instrument

Phospholipids are complex and varied biomolecules that are susceptible to lipid peroxidation after attack by free radicals or electrophilic oxidants and can yield a large number of different oxidation products. There are many available methods for detecting phospholipid oxidation products, but also various limitations and problems. Electrospray ionization mass spectrometry allows the simultaneous but specific analysis of multiple species with good sensitivity and has a further advantage that it can be coupled to liquid chromatography for separation of oxidation products. Here, we explain the principles of oxidized phospholipid analysis by electrospray mass spectrometry and describe fragmentation routines for surveying the structural properties of the analytes, in particular precursor ion and neutral loss scanning. These allow targeted detection of phospholipid headgroups and identification of phospholipids containing hydroperoxides and chlorine, as well as the detection of some individual oxidation products by their specific fragmentation patterns. We describe instrument protocols for carrying out these survey routines on a QTrap5500 mass spectrometer and also for interfacing with reverse-phase liquid chromatography. The article highlights critical aspects of the analysis as well as some limitations of the methodology.

Interfacing low-energy SAW nebulization with liquid chromatography-mass spectrometry for the analysis of biological samples

Soft ionization methods for the introduction of labile biomolecules into a mass spectrometer are of fundamental importance to biomolecular analysis. Previously, electrospray ionization (ESI) and matrix assisted laser desorption-ionization (MALDI) have been the main ionization methods used. Surface acoustic wave nebulization (SAWN) is a new technique that has been demonstrated to deposit less energy into ions upon ion formation and transfer for detection than other methods for sample introduction into a mass spectrometer (MS). Here we report the optimization and use of SAWN as a nebulization technique for the introduction of samples from a low flow of liquid, and the interfacing of SAWN with liquid chromatographic separation (LC) for the analysis of a protein digest. This demonstrates that SAWN can be a viable, low-energy alternative to ESI for the LC-MS analysis of proteomic samples.

Trace elemental analysis of glass by inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) and laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS)

This work evaluated the capabilities of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) for elemental analysis of trace evidence. A method was developed and validated for the analysis of glass by ICP-MS. A database of ∼700 glass samples was analyzed for elemental composition by external calibration with internal standardization (EC) ICP-MS and refractive index (RI). Additional methods were developed during the course of this work using two well-known techniques, isotope dilution (ID) and laser ablation (LA). These methods were then applied to analyze subsets of this database. ICP-MS data from 161 containers, 45 headlamps, and 458 float glasses (among them at least 143 vehicle windows) are presented and summarized. Data from the analysis of ∼190 glass samples collected from a single glass manufacturing facility over a period of 53 months at different intervals, including 97 samples collected in a 24 hour period are presented. Data from the analysis of 125 glass samples representing 36 manufacturing plants in the U.S. are also presented. ^ The three methods used, ICP-MS, ID-ICP-MS and LA-ICP-MS, were shown to be excellent methods for distinguishing between different glass samples. The database provided information about the variability of refractive index and elemental composition in glasses from diverse population types. Using the proposed methods, the database supports the hypothesis that different glass samples have different elemental profiles and a comparison between fragments from the same source results in indistinguishable profiles. ^

Elemental analysis of glass and ink by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and laser induced breakdown spectroscopy (LIBS)

The necessity of elemental analysis techniques to solve forensic problems continues to expand as the samples collected from crime scenes grow in complexity. Laser ablation ICP-MS (LA-ICP-MS) has been shown to provide a high degree of discrimination between samples that originate from different sources. In the first part of this research, two laser ablation ICP-MS systems were compared, one using a nanosecond laser and another a femtosecond laser source for the forensic analysis of glass. The results showed that femtosecond LA-ICP-MS did not provide significant improvements in terms of accuracy, precision and discrimination, however femtosecond LA-ICP-MS did provide lower detection limits. In addition, it was determined that even for femtosecond LA-ICP-MS an internal standard should be utilized to obtain accurate analytical results for glass analyses. In the second part, a method using laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) for the forensic analysis of glass was shown to provide excellent discrimination for a glass set consisting of 41 automotive fragments. The discrimination power was compared to two of the leading elemental analysis techniques, μXRF and LA-ICP-MS, and the results were similar; all methods generated >99% discrimination and the pairs found indistinguishable were similar. An extensive data analysis approach for LIBS glass analyses was developed to minimize Type I and II errors en route to a recommendation of 10 ratios to be used for glass comparisons. Finally, a LA-ICP-MS method for the qualitative analysis and discrimination of gel ink sources was developed and tested for a set of ink samples. In the first discrimination study, qualitative analysis was used to obtain 95.6% discrimination for a blind study consisting of 45 black gel ink samples provided by the United States Secret Service. A 0.4% false exclusion (Type I) error rate and a 3.9% false inclusion (Type II) error rate was obtained for this discrimination study. In the second discrimination study, 99% discrimination power was achieved for a black gel ink pen set consisting of 24 self collected samples. The two pairs found to be indistinguishable came from the same source of origin (the same manufacturer and type of pen purchased in different locations). It was also found that gel ink from the same pen, regardless of the age, was indistinguishable as were gel ink pens (four pens) originating from the same pack.

Elemental analysis of biological matrices by laser ablation high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-HR-ICP-MS) and high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry (HR -ICP -MS)

The need for elemental analysis of biological matrices such as bone, teeth, and plant matter for sourcing purposes has emerged within the forensic and geochemical laboratories. Trace elemental analyses for the comparison of materials such as glass by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and laser ablation ICP-MS has been shown to offer a high degree of discrimination between different manufacturing sources. Unit resolution ICP-MS instruments may suffer from some polyatomic interferences including 40Ar16O+, 40Ar 16O1H+, and 40Ca 16O+ that affect iron measurement at trace levels. Iron is an important element in the analysis of glass and also of interest for the analysis of several biological matrices. A comparison of the analytical performance of two different ICP-MS systems for iron analysis in glass for determining the method detection limits (MDLs), accuracy, and precision of the measurement is presented. Acid digestion and laser ablation methods are also compared. Iron polyatomic interferences were reduced or resolved by using dynamic reaction cell and high resolution ICP-MS. MDLs as low as 0.03 μg g-1 and 0.14 μg g-1 for laser ablation and solution based analyses respectively were achieved. The use of helium as a carrier gas demonstrated improvement in the detection limits of both iron isotopes (56Fe and 57Fe) in medium resolution for the HR-ICP-MS and with a dynamic reaction cell (DRC) coupled to a quadrupole ICP-MS system. ^ The development and application of robust analytical methods for the quantification of trace elements in biological matrices has lead to a better understanding of the potential utility of these measurements in forensic chemical analyses. Standard reference materials (SRMs) were used in the development of an analytical method using HR-ICP-MS and LA-HR-ICP-MS that was subsequently applied on the analysis of real samples. Bone, teeth and ashed marijuana samples were analyzed with the developed method. ^ Elemental analysis of bone samples from 12 different individuals provided discrimination between individuals, when femur and humerus bones were considered separately. Discrimination of 14 teeth samples based on elemental composition was achieved with the exception of one case where samples from the same individual were not associated with each other. The discrimination of 49 different ashed plant (cannabis) samples was achieved using the developed method. ^

Online solid phase extraction liquid chromatography tandem mass spectrometry (SPE-LC-MS/MS) method for the determination of sucralose in reclaimed and drinking waters and its photo degradation in natural waters from South Florida

Background Sucralose has gained popularity as a low calorie artificial sweetener worldwide. Due to its high stability and persistence, sucralose has shown widespread occurrence in environmental waters, at concentrations that could reach up to several μg/L. Previous studies have used time consuming sample preparation methods (offline solid phase extraction/derivatization) or methods with rather high detection limits (direct injection) for sucralose analysis. This study described a faster and sensitive analytical method for the determination of sucralose in environmental samples. Results An online SPE-LC–MS/MS method was developed, being capable to quantify sucralose in 12 minutes using only 10 mL of sample, with method detection limits (MDLs) of 4.5 ng/L, 8.5 ng/L and 45 ng/L for deionized water, drinking and reclaimed waters (1:10 diluted with deionized water), respectively. Sucralose was detected in 82% of the reclaimed water samples at concentrations reaching up to 18 μg/L. The monthly average for a period of one year was 9.1 ± 2.9 μg/L. The calculated mass loads per capita of sucralose discharged through WWTP effluents based on the concentrations detected in wastewaters in the U. S. is 5.0 mg/day/person. As expected, the concentrations observed in drinking water were much lower but still relevant reaching as high as 465 ng/L. In order to evaluate the stability of sucralose, photodegradation experiments were performed in natural waters. Significant photodegradation of sucralose was observed only in freshwater at 254 nm. Minimal degradation (<20%) was observed for all matrices under more natural conditions (350 nm or solar simulator). The only photolysis product of sucralose identified by high resolution mass spectrometry was a de-chlorinated molecule at m/z 362.0535, with molecular formula C12H20Cl2O8. Conclusions Online SPE LC-APCI/MS/MS developed in the study was applied to more than 100 environmental samples. Sucralose was frequently detected (>80%) indicating that the conventional treatment process employed in the sewage treatment plants is not efficient for its removal. Detection of sucralose in drinking waters suggests potential contamination of surface and ground waters sources with anthropogenic wastewater streams. Its high resistance to photodegradation, minimal sorption and high solubility indicate that sucralose could be a good tracer of anthropogenic wastewater intrusion into the environment.

Elemental analysis and forensic comparison of soils by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS)

The elemental analysis of soil is useful in forensic and environmental sciences. Methods were developed and optimized for two laser-based multi-element analysis techniques: laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). This work represents the first use of a 266 nm laser for forensic soil analysis by LIBS. Sample preparation methods were developed and optimized for a variety of sample types, including pellets for large bulk soil specimens (470 mg) and sediment-laden filters (47 mg), and tape-mounting for small transfer evidence specimens (10 mg). Analytical performance for sediment filter pellets and tape-mounted soils was similar to that achieved with bulk pellets. An inter-laboratory comparison exercise was designed to evaluate the performance of the LA-ICP-MS and LIBS methods, as well as for micro X-ray fluorescence (μXRF), across multiple laboratories. Limits of detection (LODs) were 0.01-23 ppm for LA-ICP-MS, 0.25-574 ppm for LIBS, 16-4400 ppm for μXRF, and well below the levels normally seen in soils. Good intra-laboratory precision (≤ 6 % relative standard deviation (RSD) for LA-ICP-MS; ≤ 8 % for μXRF; ≤ 17 % for LIBS) and inter-laboratory precision (≤ 19 % for LA-ICP-MS; ≤ 25 % for μXRF) were achieved for most elements, which is encouraging for a first inter-laboratory exercise. While LIBS generally has higher LODs and RSDs than LA-ICP-MS, both were capable of generating good quality multi-element data sufficient for discrimination purposes. Multivariate methods using principal components analysis (PCA) and linear discriminant analysis (LDA) were developed for discriminations of soils from different sources. Specimens from different sites that were indistinguishable by color alone were discriminated by elemental analysis. Correct classification rates of 94.5 % or better were achieved in a simulated forensic discrimination of three similar sites for both LIBS and LA-ICP-MS. Results for tape-mounted specimens were nearly identical to those achieved with pellets. Methods were tested on soils from USA, Canada and Tanzania. Within-site heterogeneity was site-specific. Elemental differences were greatest for specimens separated by large distances, even within the same lithology. Elemental profiles can be used to discriminate soils from different locations and narrow down locations even when mineralogy is similar.

Environmental analysis of polar herbicides in complex organic-rich matrices by high performance liquid chromatography atmospheric pressure ionization mass spectrometry (HPLC-API-MS)

A comprehensive forensic investigation of sensitive ecosystems in the Everglades Area is presented. Assessing the background levels of contamination in these ecosystems represents a vital resource to build up forensic evidence required to enforce future environmental crimes within the studied areas. This investigation presents the development and validation of a fractionation and isolation method for two families of herbicides commonly applied in the vicinity of the study area, including phenoxy acids like 2,4-D, MCPA, and silvex; as well as the most common triazine-based herbicides like atrazine, prometyne, simazine and related metabolites like DIA and DEA. Accelerated solvent extraction (ASE) and solid phase extraction (SPE) were used to isolate the analytes from abiotic matrices containing large amounts of organic material. Atmospheric-pressure ionization (API) with electrospray ionization in negative mode (ESP-), and Chemical Ionization in the positive mode (APCI+) were used to perform the characterization of the herbicides of interest.

Elemental Analysis of Biological Matrices by Laser Ablation High Resolution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-HR-ICP-MS) and High Resolution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (HR-ICP-MS)

The need for elemental analysis of biological matrices such as bone, teeth, and plant matter for sourcing purposes has emerged within the forensic and geochemical laboratories. Trace elemental analyses for the comparison of aterials such as glass by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and laser ablation ICP-MS has been shown to offer a high degree of discrimination between different manufacturing sources. Unit resolution ICP-MS instruments may suffer from some polyatomic interferences including 40Ar16O+, 40Ar16O1H+, and 40Ca16O+ that affect iron measurement at trace levels. Iron is an important element in the analysis of glass and also of interest for the analysis of several biological matrices. A comparison of the nalytical performance of two different ICP-MS systems for iron analysis in glass for determining the method detection limits (MDLs), accuracy, and precision of the measurement is presented. Acid digestion and laser ablation methods are also compared. Iron polyatomic interferences were reduced or resolved by using dynamic reaction cell and high resolution ICP-MS. MDLs as low as 0.03 ìg g-1 and 0.14 ìg g-1 for laser ablation and solution based analyses respectively were achieved. The use of helium as a carrier gas demonstrated improvement in the detection limits of both iron isotopes (56Fe and 57Fe) in medium resolution for the HR-ICP-MS and with a dynamic reaction cell (DRC) coupled to a quadrupole ICP-MS system. The development and application of robust analytical methods for the quantification of trace elements in biological matrices has lead to a better understanding of the potential utility of these measurements in forensic chemical analyses. Standard reference materials (SRMs) were used in the development of an analytical method using HR-ICP-MS and LA-HR-ICP-MS that was subsequently applied on the analysis of real samples. Bone, teeth and ashed marijuana samples were analyzed with the developed method. Elemental analysis of bone samples from 12 different individuals provided discrimination between individuals, when femur and humerus bones were considered separately. Discrimination of 14 teeth samples based on elemental composition was achieved with the exception of one case where samples from the same individual were not associated with each other. The discrimination of 49 different ashed plant (cannabis)samples was achieved using the developed method.