PL222065B1

PL222065B1 - Zastosowanie poli(p-ksylilenu) w analizie spektrometrii mas techniką MALDI

Info

Publication number: PL222065B1
Application number: PL396074A
Authority: PL
Inventors: Marek J. Potrzebowski; Anna Sroka-Bartnicka; Beata Miksa; Marek Sochacki
Original assignee: Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2016-06-30
Also published as: PL396074A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie poli(p-ksylilenu) czyli Parylenu N jako pojedynczej warstwy materiału zabezpieczającego powierzchnię płytki pomiarowej i ułatwiającego desorpcję/jonizację analitu w analizach spektrometrii mas techniką MALDI.

Stan wiedzy:

MALD1-TOF jest jedną z ważniejszych technik analitycznych, zaliczaną do metod łagodnej jonizacji, zrewolucjonizowała dziedzinę spektrometrii mas w badaniu dużych mas cząsteczkowych. Jest standardowo wykorzystywana w badaniu protein, peptydów, polimerów syntetycznych. Istotą wykonywania widm MALDI TOF jest desorpcja/jonizacja laserowa, której poddawana jest mieszanina matrycy z próbką i czynnikiem kationizującym. W celu podniesienia jakości widm rejestrowanych techniką MALDI, coraz więcej uwagi przywiązuje się do modyfikacji powierzchni płytek, na których umieszcza się analit. Istnieje wiele metod przygotowania próbki do analizy metodą MALDI opartych na modyfikacjach powierzchni płytki MALDI z zastosowaniem membran, cienkich filmów i monowarstw samoorga₁ nizujących np. MELDI - Material-Enhanced Laser Desorption/Ionization , SGALDI - Sol-Gel Assisted 23

Laser Desorption/lonization², PALDI - Polymer-Assisted Laser Desorption/lonization³, DIOS - Matrix-Free Desorption/Ionization on Porous Silicon⁴. Zainteresowanie tego typu technikami stale rośnie. Takie podłoża (monowarstwy) używane są oprócz albo zamiast typowej matrycy. Podłoże ma ułatwić desorpcję i jonizację substancji analizowanych.

Znany jest także materiał poli(p-ksylilen) czyli Parylen N, powszechnie stosowany, do pokrywania różnych powierzchni w celu ich zabezpieczenia przed działaniem czynników zewnętrznych. Główną zaletą technologii parylenów jest proces polimeryzacji z fazy gazowej VDP (ang. Vapour Deposition ₅

Polymerization)⁵, co w połączeniu z ich unikatowymi właściwościami fizykochemicznymi znacznie poszerza obszar ich zastosowań. Z tego też powodu technologia parylenów stała się konkurencyjna w stosunku do konwencjonalnych metod nakładania powłok polimerowych z fazy ciekłej, jak powlekanie natryskowe czy zanurzeniowe. Jej największą zaletą w porównaniu z wymienionymi metodami jest brak przejściowej fazy ciekłej, co sprawia, że siły napięcia powierzchniowego są praktycznie wyeliminowane, zaś nałożona warstwa posiada charakter konformalny. Oznacza to, że utworzona powłoka charakteryzuje się jednakową grubością w każdym miejscu niezależnie od krzywizny podłoża⁶. Dzięki polimeryzacji z fazy gazowej VDP paryleny doskonale nadają się jako materiał do powlekania różnych powierzchni. Z powodu dużej odporności i wytrzymałości mechanicznej, a także silnych własności hydrofobowych stosuje się je do powlekania urządzeń elektronicznych, a ze względu na wysoką biozgodność i niski współczynnik tarcia używa się ich np. do pokrywania implantów i narzędzi chirurgicznych.

wzór 1

Strukturę poli(p-ksylilenu) czyli Parylenu N (PPX) przedstawiono wzorem 1.

W oryginalnej literaturze i w literaturze patentowej brak jest informacji dotyczących zastosowania poli(p-ksylilenu) czyli Parylenu N jako materiału zabezpieczającego powierzchnię płytki pomiarowej ułatwiającego desorpcję/jonizację analitu w analizach spektrometrii mas techniką MALDI.

W literaturze znajdują się doniesienia o stosowaniu różnych monowarstw wspomagających desorpcję/jonizację, ale częstym problemem jest usuwanie ich po wykonaniu analizy z powierzchni płytki MALDI. Membrany, folie są często przyklejane za pomocą taśmy dwustronnej. Nanoszone monowarstwy można usunąć metodami chemicznymi (poprzez rozpuszczenie).

Nieoczekiwanie, okazało się, że właściwości fizykochemiczne poli(p-ksylilenu), pozwalają na wykorzystanie takiej powłoki jako warstwy materiału zabezpieczającego powierzchnię płytki do analizy spektrometrii mas techniką MALDI, przy czym usunięcie tej warstwy parylenu, po wykonaniu analiz, z powierzchni płytki, jest proste i nie stanowi większego problemu dla przeprowadzającego badanie.

Akronimy:

DD - metoda przygotowania próbek do analizy techniką MALDI z użyciem rozpuszczalników, ang. Dried Droplet

SF - metoda przygotowania próbek do analizy techniką MALDI bez użycia rozpuszczalników, ang. Solvent free

PPK- parylen N - poli(p-ksylilen)

PL 222 065 B1

Istota wynalazku:

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie jako materiału zabezpieczającego, powierzchnię płytki pomiarowej do pomiaru spektrometrii mas techniką MALDI, w analizie polimerów syntetycznych, naturalnych, a także mieszanin związków, zwłaszcza o masie cząsteczkowej do 15 000 kDa, w postaci pojedynczej warstwy naniesionej na płytkę pomiarową metodą polimeryzacji poli(p-ksylilenu) z fazy gazowej VDP, charakteryzującej się jednakową grubością w każdym miejscu niezależnie od krzywizny podłoża

Nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie warstwy według wynalazku ułatwia desorpcję/jonizację analitu oraz usunięcie warstwy parylenu z powierzchni płytki pomiarowej.

Warstwę poli(p-ksylilenu), według wynalazku, korzystnie stosuje się do analizy MALDI związków przygotowywanych różnymi metodami, zwłaszcza metodą z użyciem rozpuszczalnika zwaną z języka ang. Dried Droplet (DD) oraz metodą bez użycia rozpuszczalnika z języka ang. Solvent Free (SF).

Warstwę poli(p-ksylilenu), według wynalazku, po procesie badania, oczyszcza się z modyfikowanej płytki MALDI, korzystnie prowadzi poprzez zdejmowanie/ usuwanie/ zrywanie tej warstwy poli(p-ksylilenu) z zabezpieczonej powierzchni płytki MALDI.

Zastosowanie poli(p-ksylilenu), według wynalazku, w którym korzystnie rejestrowanie widm MALDI prowadzi się w trybie liniowym lub reflektronowym.

Nieoczekiwanie, wysoka odporność chemiczna - rozpuszczalność tylko w wysokich temperaturach i w specyficznych rozpuszczalnikach oraz odporność na promieniowanie laserem UV pozwoliła na wykorzystanie poli(p-ksylilenu) jako powłoki stanowiącej warstwę zabezpieczającą powierzchnię płytki MALDI podczas analizy analitu.

Możliwość zdjęcia zastosowanej warstwy poli(p-ksylilenu) bez zniszczenia powierzchni płytki znacznie skraca proces czyszczenia płytki i bez wątpienia ułatwia usuwanie z jej powierzchni trudno rozpuszczalnych związków lub śladowych ilości zanieczyszczeń. Ze względu na inercyjność biologiczną poli(p-ksylilenu), może być on stosowany w analizie związków biologicznych. Dodatkowym atutem powłoki parylenowej jest możliwość sterylizacji jej powierzchni. Hydrofobowość powierzchni poli(p-ksylilenu)ułatwia krystalizację próbek przygotowywanych metodą z użyciem rozpuszczalnika ang. Dried Droplet (DD). Hydrofobowość materiału jest ważnym elementem wpływającym na kokrystalizację analitu z matrycą poprzez minimalizację powierzchni kropli, a w związku z tym z większym stężeniem krystalizujących składników mieszaniny. Zastosowana w wynalazku warstwa poli(p-ksylilenu) w procesie VDP posiada charakter konformalny, co jest bardzo ważne przy przygotowaniu płytek ze specjalnymi wgłębieniami do analiz metodą rozpuszczalnikową Dried Droplet (DD). Warstwa poli(p-ksylilenu), według wynalazku jest stabilna chemicznie (odporna na rozpuszczalniki) i charakteryzuję się jednakową grubością na całej powierzchni.

W celu przeprowadzenia badań z zastosowaniem warstwy poli(p-ksylilenu) według wynalazku przygotowano specjalną płytkę, przy współpracy z Zakładem Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej. Jest to wiodący Instytut w Polsce, zajmujący się nakładaniem takich materiałów. Połowa płytki MALDI została pokryta poli(p-ksylilenu) (parylenem N), nanoszonym w temperaturze pokojowej. Druga połowa powierzchni pozostała bez zmian. W taki sposób zostały przygotowane dwie płytki. Pierwsza to pozłacana płytka z wgłębieniami przeznaczona do przygotowywania próbek metodą DD, druga to płytka płaska stalowa przeznaczona do przygotowywania próbek metodą bezrozpuszczalnikową ang. Solvent Free (SF).

W literaturze częstym problemem jest usuwanie stosowanej warstwy materiału po wykonaniu analizy, z powierzchni płytki MALDI. Membrany, folie są często przyklejane za pomocą taśmy dwustronnej. Nanoszone monowarstwy usuwano metodami chemicznymi (poprzez rozpuszczenie). W przypadku zastosowania warstwy poli(p-ksylilenu) na płytce MALDI, po wykonaniu analiz, usunięcie tej warstwy materiału z powierzchni płytki nie stanowi większego problemu. Usunięcie odbywa się w sposób mechaniczny, poprzez zerwanie parylenu z powierzchni płytki, jak pokazano na fig. 1. Z miejsca z którego zdjęto warstwę parylenu, a poprzednio nałożone były próbki zarejestrowano widma. W widmach tych nie zarejestrowano żadnych sygnałów. Świadczy to o praktycznej możliwości zastosowania parylenu jako materiału zabezpieczającego płytkę MALDI.

W wyniku badań własnych stwierdzono, że poli(p-ksylilen) czyli Parylen N naniesiony metodą polimeryzacji poli(p-ksylilenu) z fazy gazowej VDP na płytkę do analizy MALDI jest materiałem zabezpieczającym powierzchnię płytki pomiarowej i jednocześnie wspomagającym proces desorpcji/jonizacji analitu.

Podane niżej przykłady ilustrują zastosowanie parylenu jako materiału zabezpieczającego powierzchnię płytki pomiarowej i ułatwiającego desorpcję/jonizację analitu w analizach MALDI nie ograniczając zakresu patentu przedstawionego w zastrzeżeniach patentowych.

PL 222 065 B1

P r z y k ł a d y:

P r z y k ł a d I.

Badania techniką MALDI politlenku etylenu (PEG 2000).

Analizy MALDI wykonano dla politlenku etylenu (PEG 2000 o masie cząsteczkowej 2000) z zastosowaniem czterech matryc. Uśrednione wartości s/n z widm MALDI próbki PEG 2000 przygotowywanej metodą DD (a) i metodą SF (b) przedstawiono na fig. 2. Czerwone słupki oznaczają średnie wartości s/n z widm uzyskanych z próbek naniesionych na niemodyfikowaną powierzchnię płytki MALDI, natomiast zielone słupki odpowiadają średnim wartościom s/n z widm próbek naniesionych na płytkę pokrytą warstwą PPX. Średnie wartości s/n uzyskano na podstawie 8 cykli pomiarowych (8 x 250 = 2000 widm). Porównanie uśrednionych wartości s/n z widm MALDI uzyskanych z próbek PEG 2000 z modyfikowanej i niemodyfikowanej powierzchni płytek przedstawiono na fig. 2.

Z analizy powyższych danych wynika, że w przypadku przygotowania próbek metodą DD, widma próbek naniesionych na płytkę MALDI z poli(p-ksylilenu) dla matryc DT i DHB wykazują wyższą wartość s/n niż widma z próbek naniesionych na niemodyfikowaną część płytki. Parylen w oczywisty sposób polepsza wartość s/n w widmach w zależności od rodzaju użytej matrycy.

W przypadku próbek przygotowywanych według metody SF, nie ma aż tak dużych różnic pomiędzy widmami uzyskanymi z różnych powierzchni płytki. Jednak aż w trzech przypadkach w widmach próbek przygotowywanych z zastosowaniem matryc IAA, HABA, DT z modyfikowanej parylenem powierzchni płytki uzyskano wyższe wartości s/n w widmach, co świadczy o wzmocnieniu procesu desorpcji i jonizacji.

Matryca DT niezależnie od sposobu przygotowania próbki w połączeniu z warstwą parylenu pozwala uzyskać wyższe wartości s/n w rejestrowanych widmach MALDI.

P r z y k ł a d II.

Badania techniką MALDI polilaktydu (Polimer B).

Analizy MALDI wykonano dla polilaktydu z zastosowaniem czterech matryc. Uśrednione wyniki analizy s/n na podstawie 8 cykli pomiarowych dla próbki polilaktydu liniowego (polimer B - o masie cząsteczkowej 3000 z grupami końcowymi butylową i hydroksylową) (8 x 250 = 2000 widm) zestawiono na rysunku. Próbki polimeru B przygotowywano metodą DD (a) i metodą SF (b). Czerwone słupki oznaczają uśrednione wartości s/n z widm próbek naniesionych na niemodyfikowaną powierzchnię płytki MALDI, natomiast zielone słupki przedstawiają uśrednione wartości s/n z widm próbek naniesionych na płytkę z poli(p-ksylilenem) (fig. 3).

Porównanie uśrednionych wartości s/n z widm MALDI uzyskanych z próbek polimeru B z modyfikowanej i niemodyfikowanej powierzchni płytek.

Warstwa parylenu naniesiona na płytkę MALDI spowodowała wzrost wartości s/n w widmach próbek otrzymanych z matryc DT, DHB dla próbek przygotowanych zarówno metodą DD jak i SF. Dla próbek przygotowanych w matrycy HABA otrzymane widma są porównywalne niezależnie od rodzaju powierzchni płytki, z której były uzyskane. Takim samym poziomem jakości charakteryzują się widma wykonane w matrycy IAA, bez względu na zastosowaną metodę przygotowania próbki oraz powierzchnię płytki z której wykonywane były analizy.

Zastosowanie warstwy poli(p-ksylilenu) na płytce MALDI daje w widmach wyższą wartość s/n tylko w przypadku próbek wykonanych w matrycy DT oraz DHB.

P r z y k ł a d III.

Badania techniką MALDI Insuliny bydlęcej oraz Cytochromu.

Wpływ warstwy parylenu na jakość widm MALDI w zależności od trybu rejestrowania widm.

Analizy MALDI na specjalnie przygotowanych płytkach wykonano dla dwóch modelowych protein: Insuliny bydlęcej i Cytochromu. Insulina i Cytochrom są wykorzystywane w analizie MALDI jako wzorce do kalibracji aparatu aby dokonać dokładnych przypisań mas cząsteczkowych w badaniach związków bioorganicznych.

Próbki do pomiaru przygotowywane były metodą z użyciem rozpuszczalników DD (Dried Droplet). Następnie nakroplono je bezpośrednio na płytkę z nałożoną warstwą poli(p-ksylilenu) oraz na drugą niemodyfikowaną część płytki. Widma rejestrowano w trybie liniowym oraz w trybie reflektronowym.

Otrzymane wyniki przedstawiono na fig. 4, gdzie widma MALDI próbek przygotowanych metodą DD uwidoczniono na wykresie: a) Insulina rejestracja w trybie reflektronowym, b) Cytochrom rejestracja w trybie liniowym.

PL 222 065 B1

Uśrednione wartości s/n zestawiono w Tabeli 1.

T a b e l a 1

	Uśrednione wartości s/n
Insulina bydlęca	Cytochrom
Rodzaj płytki	Tryb liniowy	Tryb reflektronowy	Tryb liniowy	Tryb reflektronowy
Standardowa płytka	3597	1599	602	370
Płytka z warstwą poli(p-ksylilenu)	3776	1069	634	370

Widma zarejestrowane z modyfikowanej powierzchni płytki nie różnią się zasadniczo od widm zarejestrowanych z niemodyfikowanej powierzchni. Oznacza to, że poli(p-ksylilenu) nie przeszkadza w desorpcji/jonizacji analitu. Przypisanie mas cząsteczkowych jest tak samo dokładne z warstwy parylenu jak w przypadku widm rejestrowanych z niemodyfikowanej powierzchni płytki. Rejestracja widma w trybie liniowym z próbek naniesionych na warstwę poli(p-ksylilenu) wpływa na uzyskanie wyższych wartości s/n.

P r z y k ł a d IV.

Badania techniką MALDI równomolowej mieszaniny Insuliny bydlęcej i Cytochromu. Wpływ hydrofobowości poli(p-ksyIilenu) na uzyskane widma MALDI.

Analizy MALDI na specjalnie przygotowanych płytkach wykonano dla mieszaniny równomolowej dwóch modelowych protein: Insuliny i Cytochromu. Taka mieszanina związków służy do kalibracji wewnętrznej podczas wykonywania pomiarów metodą MALDI. Do próbki analitu dodaje się mieszaninę wzorców kalibracyjnych przeważnie o różnych masach aby dokonać dokładnego przypisania masy cząsteczkowej analitu.

Próbki do pomiaru przygotowywane były dwoma metodami: metodą DD (Dried Droplet) i SF (Solvent Free - metoda bez użycia rozpuszczalników). Następnie tak przygotowane próbki były naniesione bezpośrednio na płytkę z parylenem oraz na drugą niemodyfikowaną część płytki.

Otrzymane wyniki przedstawiono na fig. 5, gdzie uwidoczniono widma MALDI mieszaniny Insuliny i Cytochromu przygotowywane różnymi metodami:

a) DD, b) SF.

Z uzyskanych danych wynika, że warstwa poli(p-ksylilenu) ułatwia proces desorpcji/jonizacji analizowanych próbek przygotowywanych metodą DD z zastosowaniem matrycy DHB. Hydrofobowość warstwy poli(p-ksylilenu) ma wpływ na sposób krystalizacji składników analitu z matrycą. W przypadku metody SF niezależnie od rodzaju powierzchni, z której rejestrowane były widma uzyskane wyniki były porównywalne. Warstwa poli(p-ksylilenu) nie wpływa negatywnie na jakość zarejestrowanych widm przygotowywanych wg metody SF.

Pomiary mas cząsteczkowych techniką MALDI

Widma mas techniką MALDI zarejestrowano na spektrometrze Voyager Elite firmy PerSeptive Biosystems Inc., Framingham, MA, wyposażonym w laser azotowy (337 nm). Otrzymane widma przetworzono stosując program Data Explorer ver. 4.0 (Applied Biosystems Inc., Foster City, CA). W trakcie wykonywania widm użyto kalibracji zewnętrznej. Parametry aparatu podczas pomiarów MALDI dla polimerów i protein przedstawiono w Tabeli 2.

T a b e l a 2

Parametry aparatu podczas pomiarów MALDI	Polimery	Proteiny
1	2	3
Tryb pracy	liniowy	l i niowy/refl ektron owy
Tryb ekstrakcji:	opóźniony	opóźniony
Polaryzacja	dodatnia	dodatnia
Kontrola akwizycji	automatyczny	manualny
Napięcie przyśpieszające	20 kV	20 kV
Napięcie siatki czyli napięcie przyłożone do siatki powyżej płytki MALDI lub Napięcie przyłożone do siatki powyżej płytki MALDI	92.1%*	70%*
Napięcie przyłożone do przewodu prowadzącego wiązkę:	0.02%**	0.03%**

PL 222 065 B1 cd. tabeli 2

1	2	3
Czas opóźnienia ekstrakcji jonów:	100 ns	50 ns
Zakres mas pomiarowych:	700-15000	2000-15000
Bramka niskich mas:	500	1000

%* - prawidłowy zakres jest określany w stosunku do napięcia przyspieszającego, jest to parametr interakcyjny z opóźnieniem czasu ekstrakcji jonów %** - Prawidłowy zakres jest określony w stosunku do napięcia przyspieszającego jest to zakres od 0,000 do 0,300% dla danego aparatu Voyager Elite firmy PerSeptive Biosystems Inc., Framingham, MA, wyposażonym w laser azotowy (337 nm)

Matryce: 1,8-dihydroksyantracen-9(10H)-on (DT), kwas trans 3-indoloakrylowy (IAA), kwas 2,5-dihydroksybenzoesowy (DHB), i kwas 2-(4-hydroksyfenyloazo)benzoesowy (HABA) oraz sól: Nal zostały zakupione w firmie SIGMA-ALDRICH

Przygotowanie próbek do analizy MALDI

Metoda z użyciem rozpuszczalnika - Dried Droplet DD polimery

Sporządzono roztwory matrycy, soli (Nal) i polimeru o stężeniach 10 mg/mL każdy. Jako rozpuszczalnika użyto tetrahydrofuranu (THF, POCH, Gliwice Polska, 99%). Roztwory zmieszano w stosunku objętościowym 10 μL:1 μL:1 μL. Następnie 1 μL tak przygotowanej mieszaniny naniesiono na płytkę do analizy MALDI i pozostawiono do wyschnięcia.

Metoda z użyciem rozpuszczalnika - dried droplet DD proteiny

Sporządzono roztwory 50 mg (3.2 x 10^-7 M) matrycy DHB w 1 mL THF, zmieszano go z 1 mg (1.74 x 10^-7 M insuliny bydlęcej oraz 8.09 x 10^-8 M Cytochromu), następnie 1 μL mieszaniny naniesiono na płytkę do analizy MALDI.

Metoda bezrozpuszczalnikowa - solvent free SF polimery

Matrycę, sól i polimer zmieszano w proporcjach wagowych 10:1:1, a następnie ucierano ręcznie w moździerzu 2 minuty. Porcję zmielonego proszku naniesiono na płytkę do analizy MALDI, a następnie rozsmarowano go za pomocą szpatułki na powierzchni płytki tworząc cienką warstwę.

Metoda SF bezrozpuszczaInikowa - solvent free SF proteiny

Matrycę DHB i proteiny zmieszano w proporcjach wagowych 50:1, a następnie postępowano jak w przypadku polimerów.

Claims

1. Zastosowanie poli(p-ksylilenu) w analizie spektrometrii mas techniką MALDI, jako materiału zabezpieczającego, powierzchnię płytki pomiarowej, w analizie polimerów syntetycznych, naturalnych, a także mieszanin związków, zwłaszcza o masie cząsteczkowej do 15 000 kDa, w postaci pojedynczej warstwy naniesionej na płytkę pomiarową metodą polimeryzacji poli(p-ksylilenu) z fazy gazowej VDP, charakteryzującej się jednakową grubością w każdym miejscu niezależnie od krzywizny podłoża.

2. Zastosowanie według zastrz. 1, znamienne tym, że poli(p-ksylilen) jako materiał zabezpieczający powierzchnię płytki pomiarowej stosuje się w analizach techniką MALDI prowadzonych metodą z użyciem rozpuszczalnika oraz bez użycia rozpuszczalnika.

3. Zastosowanie według zastrz. 1, znamienne tym, że poli(p-ksylilen) jako materiał zabezpieczający powierzchnię płytki pomiarowej stosuje się w analizach widm techniką MALDI w trybie liniowym oraz reflektronowym.