표면 보조 레이저 탈착/이온화

Surface-assisted laser desorption/ionization

표면 보조 레이저 탈착/이온화(SALDI)는 생체분자, 고분자, 작은 유기 분자의 질량 분광 분석에 사용되는 부드러운 레이저 탈착 기술이다.[1][2][3][4] 다나카 고이치(田中一)는 첫 번째 구현에서 코발트/글리세롤[1] 액체 매트릭스를 사용했으며 이후 적용에는 다공성 실리콘의 고체 표면뿐만 아니라 흑연/글리세롤 액체 매트릭스를 포함했다.[3] 다공성 실리콘은 온전한 분자 이온을 유연하게 검출할 수 있는 최초의 매트릭스 없는 SALDI 표면 분석을 나타내며,[3][5] 이러한 다공성 실리콘 표면은 요토몰 수준에서 작은 분자의 분석을 용이하게 했다.[5][6] 현재 나노물질과 같은 다른 무기질 매트릭스를 이용한 레이저 탈착/이온화 방법은 흔히 SALDI 변형으로 간주된다. 예를 들어, 실리콘 나노와이어는[7] 물론 타이타니아 나노튜브 어레이(NTA)도 작은 분자를 감지하는 기판으로 사용되어 왔다.[8] SALDI는 단백질과 단백질-단백질 복합체를 검출하는 데 사용된다.[9] 직접 분석(DART) 이온 소스를 통합한 기존의 SALDI와 주변 질량 분광법을 결합한 "주변 SALDI"라는 이름의 관련 방법도 입증되었다.[10] SALDI는 MS에서 가장 중요한 기법 중 하나로 여겨지며 응용이 많다.[11]

표면 보조 레이저 탈착/이온화의 도식도 청색 원은 표면 입자를 나타내고, 적색 원은 분석 물질 분자를 나타내고, 적색 원은 전하를 포함한 적색 원은 전하 분석 물질을 나타낸다.

역사

다나카 고이치(田中一)[2]는 단백질에 대한 첫 번째 SALDI 실험을 성공시켰고,[1] 이후 선너(Sunner)와 첸(Chen)은 글리세롤의 분석물질 기질과 용액으로 2-150μm 크기의 흑연 입자를 사용해 저분자량 분석물질, 펩타이드, 소단백질 등을 분석하였다. 최초의 표면 보조 레이저 탈착/이온화 MS(SALDI-MS) 실험은[3] 1999년 시우즈닥 연구소에서 실시돼 나노구조 실리콘 표면을 이용해 소분자 대사물과 펩타이드를 분석할 수 있었다. 나노구조물에 대한 후속 연구는 탈착/이온화, 질량 범위, 표면 강건성 및 감도를 강화하기 위해 다공성 표면에 불소화 "이니시에이터" 분자를 추가하는 것을 포함했다.[12] 2000활성 탄소 입자 알루미늄 support[13]에서 원래 1999년 구조 silicon[3]실험 이후의 고정이 얇은 층, 연구 크게 기질로 소설은 나노 물질 소개에 집중하고 있에 포함한 다른surface-based SALDI-MS 접근법도 개발해 왔지만,, 그런 감성 향상을 위해 질량 r을 내딛ange이 기법을 사용하여 분석할 수 있는 표본 범주를 확장한다.[14]

SALDI는 시스템 생물학, 특히 대사물학에 잠재적으로 응용할 수 있는 유망한 방법으로 소개되었다. 나노소재를 SALDI 기판으로 도입하면서 분석화학 분야의 연구자들이 관심을 끌었다. 탄소나노튜브(CNT)와 같은 금속 나노입자(Ag, Pt, Au, 나노구조 표면) 등이 해당된다. 이러한 기판의 개발은 SALDI의 추가 개발을 가능하게 했다.

특히 실리콘(DIOS)-MS에[3] 대한 탈착/이온화 개발과 그에 따른 나노구조 이니시에이터 질량분석(NIMS),[12] 나노 보조 레이저 탈착/이온화(NALDI) 등도 분석 과학자들의 관심을 끌었다. 이 방법들은 이후 반도체 기반 SALDI 연구의 기준이 되었다.[11][14]

기본 원리

SALDI의 주요 원리는 레이저로부터 에너지를 흡수하고 나서 그 에너지를 대상 샘플로 전달하는 매체에 의존한다. 샘플 분자 대신에 에너지의 대부분이 기질로 가는 이 종류의 기술은 연성 이온화 기법이라고 알려져 있다. SALDI의 개발은 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화(MALDI)의 수정에서 시작되었다. 이전의 기술은 MALDI의 매트릭스 분자로부터 이온화 간섭을 받았다. SALDI는 MALDI의 유기 매트릭스를 위해 주로 무기성분으로 만들어진 특정 기판의 활성 표면을 대체했다.[14]

SALDI는 3단계 과정이다. 첫 번째 단계는 주로 샘플과 기질을 혼합하는 것과 관련이 있다. 2단계에서는 기질이 레이저 에너지를 흡수하여 샘플 분자에게 전달하는 혼합물에 레이저 펄스를 가한다. 최종 단계에서 탈착과 이온화가 발생하며 전위차가 생성 이온을 질량분석기로 가속시킨다.

기판

기질 표면은 분석 물질 분자의 흡착, 탈착, 이온화에 큰 역할을 하고 있다. 이 역할은 주로 기질의 화학적, 물리적 성질에 의해 영향을 받는다. 이러한 물리적 특성으로는 광학 흡수 계수, 열 용량, 열 전도성이 있다.[15]

1) 광흡수계수 : 기질이 흡수하는 능력이 증가하여 에너지가 증가할 때 더 많은 열을 발생시키고 흡수하는 능력이 증가한다.

2) 열용량: 열량이 감소함에 따라 같은 양의 열이 더 큰 온도 상승을 유도한다.

3) 열전도도: 이것이 감소하면 기질이 고온을 더 잘 유지할 수 있으므로 분석물질의 흡착, 탈착, 이온화가 더 빠르고 효과적으로 발생한다.

SALDI-MS에 활용되는 나노물질의 종류는 탄소 기반, 반도체 기반, 금속 기반 등 3가지로 구분된다.

탄소 나노튜브의 형태: 다중 또는 단일 벽 탄소 나노튜브

탄소 나노튜브 및 탄소 기반 SALDI

탄소나노튜브(carbon nanotube)라는 용어는 굴린 그래핀 시트를 가진 실린더를 말한다. CNT는 단일 벽(SWNT) 또는 다중 벽(MWNT)일 수 있다. SWNT는 UV에서 원적외선에 이르는 전자기 방사선의 이상적인 흑체의 완벽한 시뮬레이터다. 그것들은 슈퍼 블랙 (화학적으로 식각된 니켈 인산 합금)과 같은 이전의 물질들보다 더 나은 성능을 보여준다.[16] 이것은 CNT가 레이저 질량 분광학 응용에 필요한 재료가 되게 한다.[17] 그것이 1991년 발견 이후 연구자들을 끌어들인 이유다.[18]

표면 재료로서의 그래핀

그래핀은 2004년 발견된 인기 탄소 나노물질의 일종이다. 그것은 분석 물질 분자를 효과적으로 부착할 수 있는 넓은 표면적을 가지고 있다. 한편, 그래핀 층의 분석 물질에 대한 탈착/이온화의 효율은 단순한 단열재 구조와 독특한 전자적 특성을 통해 향상시킬 수 있다. 아미노산, 폴리아민, 항암제, 뉴클레오시드를 포함한 극성 화합물을 성공적으로 분석할 수 있다. 또 그래핀 자체의 소수성 특성 때문에 비극성 분자는 높은 분해능과 민감도로 분석할 수 있다. 기존 매트릭스와 비교했을 때 그래핀은 비극성 화합물의 탈착/이온화 효율이 높다. 그래핀 기질은 분석물을 트랩하는 기질로서 기능하며 레이저 조사 시 분석 물질에 에너지를 전달하여 분석 물질을 쉽게 탈착/이온화하고 매트릭스의 간섭을 제거할 수 있다. 그래핀을 기질 재료로 사용하면 분석 물질의 단편화를 피할 수 있으며 재현성이 우수하고 염분 내성이 높다는 것이 입증되었다.[14]

나노구조 반도체 기반 SALDI

기질 물질로서의 다공성 실리콘

다공성 실리콘은 SALDI의 효과적인 기질 역할을 했고, 다공성 구조는 분석물질을 가두는데 도움을 주었으며, 독특한 광학 활동은 레이저 에너지를 흡착제로 효과적으로 전달하였다.[3] 광범위한 생물학적 소분자 분석에 효과적이었다. 최근 탈착을 위해 폭발적 기화를 사용한 결과 나노구조물 영상질량분석(NIMS)이라는 새로운 기술이 도입되었다.[11]

다공성 실리콘 표면을 SALDI 기질로서 사용하는 메커니즘은 다음 세 단계를 포함한다.

1)어댑션: 분석물은 실올 그룹을 이용한 수소 결합 형성을 통해 다공성 실리콘에 의해 흡착된다.

2) 전자적 흥분:레이저 펄스는 실리콘을 자극하여 표면층에서 자유 전자와 양의 전하를 생성한다.이것은 분석 물질에 양자를 쉽게 기증하는 실란올 그룹의 산도를 증가시킨다.

3) 열활성화 : 분석물질을 열적으로 활성화하여 표면과 분리한다.[14]

계측

SALDI 계측기 개략도 그림

MALDI의 개선으로서 SALDI는 MALDI와 매우 유사한 기기를 사용하였다. 그것은 분석 물질과 기질 물질로 구성된 샘플 혼합물의 입력을 담당하는 펄스 레이저 생성을 위한 레이저 소스를 사용한다. 기기 반대쪽에는 질량 대 충전 비율(m/z)에 따라 분석물질을 분리하는 질량 분석기와 검출기가 위치한다. 분석 물질은 전위차를 적용하여 분석기에 가속된다.[14]

GC와의 조합

분석 물질은 고체 기질에 흡착되고 펄스 레이저를 통해 직접 이온화되는 분석 물질 대신 SALDI-MS에 결합된 GC(가스 크로마토그래피) 기기에서 도입되었다. GC와의 결합은 이온화 및 감도의 효율을 높였다. 이는 선너 외 연구진이 2009년 처음 도입한 것이다.[19]

주변 SALDI

최근 연구자들은 DART 이온 선원이 SALDI-MS 시스템에 관여함에 따라 주변 조건에서 분석할 수 있었다.[10]

적용들

포렌식

법의학적 조사는 DIOS가 다른 분석 기법으로는 결코 할 수 없는 성폭행 혐의 사건의 피임용 폴리머에서 증거를 생산한 것에 대한 호의에 힘입었다.[20][21] 게다가, Pihlainen K. 외는 이 기술이 불법 약물의 법의학 분석에서 큰 가능성을 보여준다고 보고했다. 그들은 또한 이 기술을 사용함으로써 간섭이 감소했다고 보고했다.[22][23]

또 다른 보고서는 DIOS가 11개의 불순물을 확인했다고 밝혔다.[24] 불순물을 프로파일링하는 것은 그 원점으로 이어질 것으로 예상되었다. 8년 후, 저자들은 또 다른 보고서를 발표했고, 이 기술이 인간 말초혈액 림프구 추출물에서 카테콜아민을 식별했다고 언급했다.[25] 또한 음이온 모드에서 DIOS-MS를 사용하여 인간 혈청에서의 살리실산 정량화가 입증되었다.[26]

바이오메디컬

토마스 외 연구진은 효소 계통 그룹을 연구하여 DIOS-MS의 효소 분석 반응에 대한 모니터링과 직접 분석을 할 수 있었다. 한 가지 유명한 결과는 콜린을 생성하는 아세틸콜린에 대한 아세틸콜린에스테르아제(ACHE)의 반응이었다. 이 접근법은 서로 다른 효소 억제제의 선택성을 감지하는 능력을 보여주었을 때 더 많은 명성을 얻었다. 연구는 모두 ACHE의 억제제인 하이퍼진A, 타크린, 그리고 2,6-디메트호섹페닐-N-부틸카르바메이트로 시작되었다. 각 억제제의 억제제 상수(키) 값은 억제 전위의 중요한 요소인 것으로 밝혀졌다. DIOS-MS는 MALDI에 비해 또 다른 장점이 있으며, 펩타이드 피크를 검출할 수 있어 질량 스펙트럼의 저질량 영역에서 추가 정보를 검출할 수 있으며, 변환 후 수정도 확인할 수 있다. 이러한 기능들은 단백질 식별에 더 자신 있게 적용이 잘 된다.[11]

임상 진단

DIOS-MS 기법은 환자의 혈장을 검사하여 환자 진단의 새로운 기법으로 채택되었다. 이번 연구는 다낭성 난소증후군(POS) 환자에 초점을 맞춰 DIOS 대사 프로파일을 건강한 대상자와 비교했다. 얻은 정보는 질병 진행과 치료 효과를 추정하는 데 사용될 수 있다.[11]

제약

연구자들에게 흥미로운 분야는 일부 표적 단백질을 동원하거나 고정시키는 것이다. 일부 단백질의 결합 파트너는 아직 발견되지 않았기 때문에 약물 개발 메커니즘에서 요구되는 사항이다. 이것은 Zou 등이 DIOS 기법을 사용하여 달성했다. 그들은 표적 단백질을 고정시키기 위한 탐침으로 Psi 표면을 사용했다.

다음으로 시험 바인딩 파트너와 함께 시험 약물을 도입하여 탐침을 배양하였다. 고정된 단백질은 표적 단백질과 친화력이 높은 약물 분자를 포획할 수 있었다. 친화력이 낮은 것들은 씻겨 나갔다. 다음 단계는 포획된 약물 분자를 식별하는 것이었고, 이는 SALDI 분석에 의해 이루어졌다. 이 과정은 약물 후보자들을 시험하는데 있어 매우 선택성을 제공한다; 그것은 약한 후보자들을 걸러내고 가장 효과적인 후보들을 선택한다. 단백질에만 국한된 것이 아니라 DNA나 RNA와 같은 거시적인 생물학적 분자와도 함께 작용할 수 있다.[11]

또 다른 유명한 테스트는 헤모글로빈으로 시행되었다. 이 테스트에서는 헤모글로빈 변형 표면을 사용하였다. 목표는 헤모글로빈과 관련 화학 물질 사이의 비균등 결합을 확인하는 것이었다. 항균제, 살충제, 살균제, 제초제 등을 포함한 13가지 화학물질 중 오직 트리페닐틴 염화물만이 헤모글로빈을 강하게 결합시키는 데 성공했다. 이는 다른 시험 화합물에 비해 이 물질의 높은 독성에 대한 실질적인 경고였다.

생화학적

대사 프로파일링

신진대사학의 연구와 연구가 증가함에 따라, 새로운 연구 접근법을 도입하기 위한 새로운 기법이 필요하게 되었다. DAMS(Direct Analysis Mass Spectrometry) 계열과 SALDI-MS는 대사학에서 새로운 접근법으로 도입되었다. Goodacre 외 연구진은 효모를 연구하기 위해 DIOS-MS 기법을 사용했다. 그들은 효모에 의해 분비되는 효모 대사물을 묘사했는데 효모의 대사 "발자국화"가 달성 가능하다는 것을 보여준다. 선행연구에서 같은 집단이 전기스프레이 이온화를 이용한 직접투여 질량분석(DIMS)을 채용했다. 그들은 많은 수의 야생 유형과 돌연변이의 대사 프로파일을 연구했다. 그리고 수학적 기법은 잠재적인 바이오마커를 결정하기 위한 데이터 분석에 사용되었다.[11]

영상 질량 분광법

SALDI는 마우스 심장과 뇌 조직을 촬영하기 위해 사용되어 왔다.[27] 이것이 최초로 달성된 SALDI-MS였다. SALDI에서와 같이 레이저가 조직을 관통하여 아래 층에 흡수되어야 하며 두께는 제한 요인이 될 것이며, 연구자들은 유기질 매트릭스를 조직 부분에 도입함으로써 이 요인을 극복할 수 있었다. 이를 매트릭스 강화 표면 보조 레이저 탈착/이온화 질량 분석(ME-SALDI-MS)으로 명명하여 기법에 채택된 여러 프로세스를 설명하고 기법을 강화한 수정을 참조했다.

뇌 조직에서 약물 분자 분자 분포, 뇌 조직에서 콜레스테롤 분포, 게르베라 제임소니 꽃 줄기의 자당 분포의 영상을 촬영하기 위해 더 많은 작업이 수행되었다. 또한 약물 분자와 그 대사물의 직접 분석을 위한 바이오 플루이드도 조사되었다.[11]

참고 항목

빠른 원자폭격

참조

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외부 링크