Enhancing the ratio of molecular ions to non-covalent compounds in the electrospray interface of LC-MS in quantitative analysis

A common problem encountered during the development of MS methods for the quantitation of small organic molecules by LGMS is the formation of non-covalently bound species or adducts in the electrospray interface. Often the population of the molecular ion is insignificant compared to those of all other forms of the analyte produced in the electrospray, making it difficult to obtain the sensitivity required for accurate quantitation. We have investigated the effects of the following variables: orifice potential, nebulizer gas flow, temperature, solvent composition and the sample pH on the relative distributions of ions of the types MH+, MNa+, MNH+, and 2MNa(+), where M represents a 4 small organic molecule: BAY 11-7082 ((E)-3-[4-methylphenylsulfonyl]-2-propenenitrile). Orifice potential, solvent composition and the sample pH had the greatest influence on the relative distributions of these ions, making these parameters the most useful for optimizing methods for the quantitation of small molecules.

Mass spectrometry imaging of pharmacological compounds in tissue sections

The use of MS imaging (MSI) to resolve the spatial and pharmacodynamic distributions of compounds in tissues is emerging as a powerful tool for pharmacological research. Unlike established imaging techniques, only limited a priori knowledge is required and no extensive manipulation (e.g., radiolabeling) of drugs is necessary prior to dosing. MS provides highly multiplexed detection, making it possible to identify compounds, their metabolites and other changes in biomolecular abundances directly off tissue sections in a single pass. This can be employed to obtain near cellular, or potentially subcellular, resolution images. Consideration of technical limitations that affect the process is required, from sample preparation through to analyte ionization and detection. The techniques have only recently been adapted for imaging and novel variations to the established MSI methodologies will further enhance the application of MSI for pharmacological research.

Development of advanced capillary electrophoresis techniques with UV and mass spectrometry detection for forensic, pharmaceutical and environmental applications

Capillary electrophoresis (CE) is a modern analytical technique, which is electrokinetic separation generated by high voltage and taken place inside the small capillaries. In this dissertation, several advanced capillary electrophoresis methods are presented using different approaches of CE and UV and mass spectrometry are utilized as the detection methods. ^ Capillary electrochromatography (CEC), as one of the CE modes, is a recent developed technique which is a hybrid of capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography (HPLC). Capillary electrochromatography exhibits advantages of both techniques. In Chapter 2, monolithic capillary column are fabricated using in situ photoinitiation polymerization method. The column was then applied for the separation of six antidepressant compounds. ^ Meanwhile, a simple chiral separation method is developed and presented in Chapter 3. Beta cycodextrin was utilized to achieve the goal of chiral separation. Not only twelve cathinone analytes were separated, but also isomers of several analytes were enantiomerically separated. To better understand the molecular information on the analytes, the TOF-MS system was coupled with the CE. A sheath liquid and a partial filling technique (PFT) were employed to reduce the contamination of MS ionization source. Accurate molecular information was obtained. ^ It is necessary to propose, develop, and optimize new techniques that are suitable for trace-level analysis of samples in forensic, pharmaceutical, and environmental applications. Capillary electrophoresis (CE) was selected for this task, as it requires lower amounts of samples, it simplifies sample preparation, and it has the flexibility to perform separations of neutral and charged molecules as well as enantiomers. ^ Overall, the study demonstrates the versatility of capillary electrophoresis methods in forensic, pharmaceutical, and environmental applications.^

Development of Advanced Capillary Electrophoresis Techniques with UV and Mass Spectrometry Detection for Forensic, Pharmaceutical and Environmental Applications

Capillary electrophoresis (CE) is a modern analytical technique, which is electrokinetic separation generated by high voltage and taken place inside the small capillaries. In this dissertation, several advanced capillary electrophoresis methods are presented using different approaches of CE and UV and mass spectrometry are utilized as the detection methods. Capillary electrochromatography (CEC), as one of the CE modes, is a recent developed technique which is a hybrid of capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography (HPLC). Capillary electrochromatography exhibits advantages of both techniques. In Chapter 2, monolithic capillary column are fabricated using in situ photoinitiation polymerization method. The column was then applied for the separation of six antidepressant compounds. Meanwhile, a simple chiral separation method is developed and presented in Chapter 3. Beta cycodextrin was utilized to achieve the goal of chiral separation. Not only twelve cathinone analytes were separated, but also isomers of several analytes were enantiomerically separated. To better understand the molecular information on the analytes, the TOF-MS system was coupled with the CE. A sheath liquid and a partial filling technique (PFT) were employed to reduce the contamination of MS ionization source. Accurate molecular information was obtained. It is necessary to propose, develop, and optimize new techniques that are suitable for trace-level analysis of samples in forensic, pharmaceutical, and environmental applications. Capillary electrophoresis (CE) was selected for this task, as it requires lower amounts of samples, it simplifies sample preparation, and it has the flexibility to perform separations of neutral and charged molecules as well as enantiomers. Overall, the study demonstrates the versatility of capillary electrophoresis methods in forensic, pharmaceutical, and environmental applications.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Characterizing neural tissues with mass spectrometry imaging via enhanced computational approaches

Neuropeptides affect the activity of the myriad of neuronal circuits in the brain. They are under tight spatial and chemical control and the dynamics of their release and catabolism directly modify neuronal network activity. Understanding neuropeptide functioning requires approaches to determine their chemical and spatial heterogeneity within neural tissue, but most imaging techniques do not provide the complete information desired. To provide chemical information, most imaging techniques used to study the nervous system require preselection and labeling of the peptides of interest; however, mass spectrometry imaging (MSI) detects analytes across a broad mass range without the need to target a specific analyte. When used with matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI), MSI detects analytes in the mass range of neuropeptides. MALDI MSI simultaneously provides spatial and chemical information resulting in images that plot the spatial distributions of neuropeptides over the surface of a thin slice of neural tissue. Here a variety of approaches for neuropeptide characterization are developed. Specifically, several computational approaches are combined with MALDI MSI to create improved approaches that provide spatial distributions and neuropeptide characterizations. After successfully validating these MALDI MSI protocols, the methods are applied to characterize both known and unidentified neuropeptides from neural tissues. The methods are further adapted from tissue analysis to be able to perform tandem MS (MS/MS) imaging on neuronal cultures to enable the study of network formation. In addition, MALDI MSI has been carried out over the timecourse of nervous system regeneration in planarian flatworms resulting in the discovery of two novel neuropeptides that may be involved in planarian regeneration. In addition, several bioinformatic tools are developed to predict final neuropeptide structures and associated masses that can be compared to experimental MSI data in order to make assignments of neuropeptide identities. The integration of computational approaches into the experimental design of MALDI MSI has allowed improved instrument automation and enhanced data acquisition and analysis. These tools also make the methods versatile and adaptable to new sample types.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Investigation of RuO2/Ta2O5 thin film evolution by thermogravimetry combined with mass spectrometry

The thermal evolution process of RuO2–Ta2O5/Ti coatings with varying noble metal content has been investigated under in situ conditions by thermogravimetry combined with mass spectrometry. The gel-like films prepared from alcoholic solutions of the precursor salts (RuCl3·3H2O, TaCl5) onto titanium metal support were heated in an atmosphere containing 20% O2 and 80% Ar up to 600 °C. The evolution of the mixed oxide coatings was followed by the mass spectrometric ion intensity curves. The cracking of retained solvent and the combustion of organic surface species formed were also followed by the mass spectrometric curves. The formation of carbonyl- and carboxylate-type surface species connected to the noble metal was identified by Fourier transform infrared emission spectroscopy. These secondary processes–catalyzed by the noble metal–may play an important role in the development of surface morphology and electrochemical properties. The evolution of the two oxide phases does not take place independently, and the effect of the noble metal as a combustion catalyst was proved.

Thermogravimetric analysis-mass spectrometry (TG-MS) of selected Chinese kaolinites

Thermogravimetric analysis-mass spectrometry, X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize eight kaolinite samples from China. The results show that the thermal decomposition occurs in three main steps (a) desorption of water below 100 °C, (b) dehydration at about 225 °C, (c) well defined dehydroxylation at around 450 °C. It is also found that decarbonization took place at 710 °C due to the decomposition of calcite impurity in kaolin. The temperature of dehydroxylation of kaolinite is found to be influenced by the degree of disorder of the kaolinite structure and the gases evolved in the decomposition process can be various because of the different amount and kinds of impurities. It is evident by the mass spectra that the interlayer carbonate from impurity of calcite and organic carbon is released as CO2 around 225, 350 and 710 °C in the kaolinite samples.

Preliminary results on the characterisation of organic aerosols in urban schools by Aerosol Mass Spectrometry

Vehicle emissions have been linked to detrimental health effects with children thought to be more susceptible (See e.g., Ryan et al 2005). In an urban environment a major source of organic aerosols (OA) are vehicle emissions. The ambient concentration of OA is dynamic in nature and the use of an aerosol mass spectrometer can achieve the necessary temporal resolution to capture the daily variation of OA (Jimenez et al 2009). Currently there is a limited understanding of effects of long term exposure to traffic emissions on children’s health. In the present study, we used an aerosol mass spectrometer to monitor OA and determine children’s potential exposure at school to traffic emissions.In this paper, we present the preliminary results of this investigation. The study is a part of a larger project aimed at gaining a holistic picture of the exposure of children to traffic related pollutants, known as UPTECH (www.ilaqh.qut.edu.au/Misc/ UPTECH%20Home.htm).

Mass spectrometry-based metabolomics towards understanding of gene functions with a diversity of biological contexts

Currently, mass spectrometry-based metabolomics studies extend beyond conventional chemical categorization and metabolic phenotype analysis to understanding gene function in various biological contexts (e.g., mammalian, plant, and microbial). These novel utilities have led to many innovative discoveries in the following areas: disease pathogenesis, therapeutic pathway or target identification, the biochemistry of animal and plant physiological and pathological activities in response to diverse stimuli, and molecular signatures of host-pathogen interactions during microbial infection. In this review, we critically evaluate the representative applications of mass spectrometry-based metabolomics to better understand gene function in diverse biological contexts, with special emphasis on working principles, study protocols, and possible future development of this technique. Collectively, this review raises awareness within the biomedical community of the scientific value and applicability of mass spectrometry-based metabolomics strategies to better understand gene function, thus advancing this application's utility in a broad range of biological fields

Analysis of organic aerosols collected on filters by Aerosol Mass Spectrometry for source identification

Aerosol mass spectrometers (AMS) are powerful tools in the analysis of the chemical composition of airborne particles, particularly organic aerosols which are gaining increasing attention. However, the advantages of AMS in providing on-line data can be outweighed by the difficulties involved in its use in field measurements at multiple sites. In contrast to the on-line measurement by AMS, a method which involves sample collection on filters followed by subsequent analysis by AMS could significantly broaden the scope of AMS application. We report the application of such an approach to field studies at multiple sites. An AMS was deployed at 5 urban schools to determine the sources of the organic aerosols at the schools directly. PM1 aerosols were also collected on filters at these and 20 other urban schools. The filters were extracted with water and the extract run through a nebulizer to generate the aerosols, which were analysed by an AMS. The mass spectra from the samples collected on filters at the 5 schools were found to have excellent correlations with those obtained directly by AMS, with r2 ranging from 0.89 to 0.98. Filter recoveries varied between the schools from 40 -115%, possibly indicating that this method provides qualitative rather than quantitative information. The stability of the organic aerosols on Teflon filters was demonstrated by analysing samples stored for up to two years. Application of the procedure to the remaining 20 schools showed that secondary organic aerosols were the main source of aerosols at the majority of the schools. Overall, this procedure provides accurate representation of the mass spectra of ambient organic aerosols and could facilitate rapid data acquisition at multiple sites where AMS could not be deployed for logistical reasons.

Automated surface sampling of lipids from worn contact lenses coupled with tandem mass spectrometry

The deposition of biological material (biofouling) onto polymeric contact lenses is thought to be a major contributor to lens discomfort and hence discontinuation of wear. We describe a method to characterize lipid deposits directly from worn contact lenses utilizing liquid extraction surface analysis coupled to tandem mass spectrometry (LESA-MS/MS). This technique effected facile and reproducible extraction of lipids from the contact lens surfaces and identified lipid molecular species representing all major classes present in human tear film. Our data show that LESA-MS/MS is a rapid and comprehensive technique for the characterization of lipid-related biofouling on polymer surfaces.