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WO2024122903A1 - Matrix for sample ionization, sample preparation method for maldi, and maldi-tof mass spectrometry method - Google Patents

Matrix for sample ionization, sample preparation method for maldi, and maldi-tof mass spectrometry method Download PDF

Info

Publication number
WO2024122903A1
WO2024122903A1 PCT/KR2023/018030 KR2023018030W WO2024122903A1 WO 2024122903 A1 WO2024122903 A1 WO 2024122903A1 KR 2023018030 W KR2023018030 W KR 2023018030W WO 2024122903 A1 WO2024122903 A1 WO 2024122903A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
matrix
sample
maldi
silica airgel
organic matrix
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/018030
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
변재철
박형호
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Publication of WO2024122903A1 publication Critical patent/WO2024122903A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/64Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using wave or particle radiation to ionise a gas, e.g. in an ionisation chamber
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/04Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • HELECTRICITY
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    • H01J49/04Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0409Sample holders or containers
    • H01J49/0418Sample holders or containers for laser desorption, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI] plates or surface enhanced laser desorption/ionisation [SELDI] plates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the present invention relates to a matrix for sample ionization, a sample preparation method for Maldi, and a Maldi mass spectrometry method.
  • Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry has been widely used in the analysis of large molecular weight biomolecules such as proteins and nucleic acids.
  • Most of the sample is ionized into a protonated form using organic molecules called a matrix to deliver laser energy to the sample.
  • the matrix molecules are fragmented into a form that cannot be reproduced by laser irradiation. Fragmented matrix molecules produce mass peaks in the low m/z range. For this reason, Malditop mass analysis of small molecules with molecular weights below a certain level has been limited.
  • the sample crystals Because it is performed after drying the sample on a Malditop mass spectrometry target plate, the sample crystals generally have a non-uniform shape, and the intensity of the mass peak from the sample crystal varies depending on the laser irradiation position even for a sample spot of the same concentration. , quantitative measurements for conventional malditope mass spectrometry were limited.
  • Porous silicon has been reported as an inorganic matrix for malditop mass spectrometry, and many research groups have attempted to develop matrices based on inorganic materials to replace organic matrices. This method is called LDI-MS (Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry). Inorganic matrices have been effectively used in the quantitative analysis of small molecules such as metabolites, drugs, and neurotransmitters because inorganic materials produce mass peaks without being fragmented by laser irradiation during measurement.
  • One object of the present invention is to provide a matrix for sample ionization that does not generate mass peaks during Maldi analysis.
  • Another object of the present invention is to provide a method for preparing a sample for Maldi using the sample ionization matrix.
  • Another object of the present invention is to provide a Maldi mass spectrometry method using the sample preparation method for Maldi.
  • a matrix for sample ionization includes silica airgel containing silicon dioxide (SiO 2 ); and an organic matrix filling the pores of the silica airgel.
  • the organic matrix may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-Dihydroxybenzoic acid.
  • the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel may be about 5 to 390,000 times.
  • the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel may be about 25 to 79,000 times.
  • the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel may be about 120 to 3,100 times.
  • the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
  • the Maldi mass spectrometry method includes a first step of forming a matrix by applying a suspension containing silica airgel nanoparticles and an organic matrix material onto a substrate; A second step of applying a sample on the matrix; A third step of ionizing the sample by irradiating the matrix and the sample with a laser; and a fourth step of performing mass analysis of the ionized sample.
  • the organic matrix material may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid.
  • the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
  • the Maldi mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention can be used to analyze small molecule samples, and in particular, can be used for diagnosis by analyzing cancer biomarkers.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the structure of a matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a flow chart showing a sample preparation method for maldi according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the structure of a matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention.
  • the matrix 100 for sample ionization includes a silica airgel 101 containing silicon dioxide (SiO 2 ); and an organic matrix 102 filling the pores of the silica airgel 101.
  • Figure 1 schematically shows the silica airgel 101 and the organic matrix 102, the structure of the silica airgel 101, the size of the pores, the position and particle shape of the organic matrix 102, etc. are exemplary, and the present invention The scope is not limited to this.
  • the silica airgel 101 is a material containing silicon dioxide and may have porosity.
  • porosity includes a significant number of pores, wherein the pores are formed to have a size that has a specific physical property and a property that emerges from the physical property, and refers to a material or member having such properties. can do.
  • the silica airgel 101 may have appropriate porosity and corresponding porosity, and may have physical properties derived thereby.
  • the organic matrix 102 may always fill at least a portion of the pores of the silica airgel 101, the porosity of the silica airgel 101 is determined by the relative amount of the organic matrix 102 and the sample.
  • the ionization matrix 100 When the ionization matrix 100 is used for actual analysis, the behavior of the organic matrix 102 may be affected when irradiated with a laser.
  • the sample ionization matrix 100 may have a porosity of about 74 to 91%.
  • the organic matrix 102 is not different from a conventional matrix used for sample ionization through a laser, and the type of organic matrix 102 is not limited as long as it can be used for sample ionization through a laser.
  • the organic matrix 102 may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. You can.
  • at least a portion of the organic matrix 102 may fill the pores of the silica airgel 101.
  • the ratio of the silica airgel 101 and the organic matrix 102 can be appropriately adjusted depending on the properties of the desired sample ionization matrix 100.
  • the weight ratio of the organic matrix 102 to the weight of the silica airgel 101 may be about 5 to 390,000 times. At the above weight ratio, the peak of the matrix relative to the sample may be derived to be significantly low. In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix 102 to the weight of the silica airgel 101 may be about 25 to 79,000 times. At the above weight ratio, the peak of the matrix relative to the sample can be derived to be significantly lower. In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix 102 to the weight of the silica airgel 101 may be about 120 to 3,100 times. At the above weight ratio, a significant improvement in signal-to-noise ratio can be seen when analyzing the sample ionization matrix 100.
  • Figure 2 is a flow chart showing a sample preparation method for maldi according to an embodiment of the present invention.
  • the sample preparation method for maldi (200) includes a first step (S210) of producing silica airgel nanoparticles by pulverizing silica airgel; A second step (S220) of preparing a suspension containing the silica airgel nanoparticles and an organic matrix material; and a third step (S230) of applying the suspension on a substrate to form a matrix and applying a sample on the matrix.
  • sample preparation method 200 for maldi may be applied in the same or similar manner to the same or similar configuration as the description of the matrix for sample ionization according to the embodiment of the present invention. Therefore, clearly inferred content may be omitted to avoid repetition, and should be construed as not intended to be excluded from the scope of the present invention.
  • the first step (S210) is a step of manufacturing silica airgel nanoparticles, and the silica airgel nanoparticles can be obtained by grinding pre-manufactured silica airgel. Since the silica airgel nanoparticles are then mixed with the organic matrix material in the solution, the silica airgel nanoparticles can be pulverized to an appropriate size to obtain the desired properties. In one embodiment, in the first step (S210), the silica airgel nanoparticles may be pulverized to have a radius of about 100 to 200 nm.
  • the second step (S220) is a step of preparing a suspension.
  • the silica airgel nanoparticles prepared in the first step (S210) are added to the solution together with the organic matrix material and mixed to prepare a suspension. It's a step.
  • rearrangement may occur so that the organic matrix material fills the pores of the silica airgel nanoparticles.
  • the organic matrix material may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. .
  • the suspension is prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 5 to 390,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 25 to 79,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
  • the third step (S230) is the final step of preparing a sample target that can be ionized using a laser.
  • the sample target may be formed by applying the suspension on a substrate to form a matrix, and then applying a sample on the matrix.
  • the application method of the suspension and sample is not particularly limited, but methods such as spin-coating or drop-coating may be selected.
  • the sample may contain dodecanoly-L-carnitine.
  • Figure 3 is a flow chart showing the Maldi mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention.
  • the Maldi mass spectrometry method 300 is a first step (S310) of forming a matrix by applying a suspension containing silica airgel nanoparticles and an organic matrix material on a substrate. ; A second step of applying a sample on the matrix (S320); A third step (S330) of ionizing the sample by irradiating a laser to the matrix and the sample; and a fourth step (S340) of performing mass analysis on the ionized sample.
  • the description of the Maldi mass spectrometry method 300 according to the embodiment of the present invention includes the description of the matrix for sample ionization according to the embodiment of the present invention or the description of the sample preparation method for Maldi according to the embodiment of the present invention. It may be applied identically or similarly to the same or similar configuration. Therefore, clearly inferred content may be omitted to avoid repetition, and should be construed as not intended to be excluded from the scope of the present invention.
  • the first step (S310) is a step of forming a matrix, and the matrix can be formed by applying a suspension containing silica airgel nanoparticles and an organic matrix material.
  • the suspension may be the suspension described in the sample preparation method for maldi according to the embodiment of the present invention.
  • the matrix formed by applying the suspension may be a matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention.
  • the method of application is not particularly limited, but may be applied by spin-coating or drop-coating.
  • the organic matrix material may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. .
  • the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 5 to 390,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 25 to 79,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
  • the second step (S320) is a step of applying the sample to be analyzed on the matrix.
  • the sample to be analyzed is not particularly limited, but in one embodiment, the sample may contain dodecanoly-L-carnitine.
  • the dodecanoly-L-carnitine is a substance known to be used as a biomarker for colon cancer, etc., and in one embodiment, the Maldi mass spectrometry method 300 according to an embodiment of the present invention can be used to diagnose colon cancer. there is.
  • the method of application is not particularly limited, but may be applied by spin-coating or drop-coating.
  • the third step (S330) is a step of ionizing the sample by irradiating a laser to the applied analysis target sample and matrix.
  • the laser may be any type of laser that can be used for sample ionization, and is not particularly limited. Fragmentation and ionization of the matrix can be derived through irradiation of the laser, and thereby (assisted) the sample to be analyzed can also be ionized.
  • the fourth step (S340) is a step of performing mass analysis on the ionized sample.
  • the method of performing mass analysis of an ionized sample is not particularly limited as long as it is a method known at the time of filing the present application.
  • the ionized sample can be accelerated for mass analysis, and electromagnetic methods can be used to accelerate the ionized sample.
  • the behavior of the accelerated ionized sample varies depending on the mass, and the method for observing the behavior is not particularly limited as long as it is a method known at the time of filing the present application.
  • the behavior can be fractionated by mass and analyzed qualitatively and/or quantitatively by a time of flight (TOF) analyzer.
  • TOF time of flight
  • Dodecanoyl-L-carnitine DC
  • proline serine
  • glutamic acid histidine
  • alpha-4-hydroxycinnamic acid CHCA
  • 2,5-dihydroxybenzoic acid DVB
  • human serum fluorescein, Acetonitrile, 0.1% trifluoroacetic acid (TFA), formic acid, ammonium fluoride (NH4F), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), trimethylchlorosilane (TMCS), methanol, isopropyl alcohol, and n-hexane.
  • NHS ammonium fluoride
  • SO 4 sulfuric acid
  • TMCS trimethylchlorosilane
  • methanol isopropyl alcohol
  • n-hexane It was purchased from Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA).
  • Sodium silicate solution was purchased from Duksan Chemical Co. (Ansan, Korea).
  • Double-distilled deionized water (18 M ⁇ cm)
  • the matrix solution was prepared in a mixed solution of 50% acetonitrile/0.1% trifluoroacetic acid (1:1, v/v).
  • An organic matrix with SiO 2 airgel was prepared in EtOH to disperse the airgel in suspension form while maintaining the same concentration of CHCA for further applications.
  • Samples for matrix model analysis were prepared by dissolving DC in DW/MeOH (1:1, v/v) and vortexing for 30 s.
  • Standard DC samples for calibration were prepared by serial dilution of DC samples with DW/MeOH (1:1, v/v).
  • DC-spiked serum samples were prepared by spiking human serum products with known concentrations of DC.
  • DC spiked serum samples were processed using the acetonitrile formic acid extraction method.
  • serum samples (100 ⁇ L) are diluted with acetonitrile/formic acid (99:1, v/v, 400 ⁇ L) and incubated in an ice bath for 30 minutes. The mixture was centrifuged at 14,000 rpm and 4°C for 10 min, and the supernatant (300 ⁇ L) was transferred to a new EP tube for further analysis.
  • the LDS-MS matrix must be able to ionize the target sample without mass peaks of matrix molecules appearing at low m/z values of 1000 or less ( Figure 4a).
  • the matrix peak of CHCA disappeared, and only the mass peak of the sample was obtained.
  • the SiO 2 airgel/CHCA mixture can be used as a solid matrix for analyzing small molecules.
  • SiO 2 airgel was synthesized by a conventional sol-gel method using Na 2 SiO 2 as a precursor in distilled water. After aging in alcohol, the SiO 2 airgel was prepared into millimeter-sized particles (FIG. 4a).
  • the specific surface area was measured to be 540 m 2 /g, the total pore volume was measured to be 1.3 cm 3 /g, and the average pore size was measured to be 9.3 nm. .
  • the SiO 2 airgel was ground into powder using a microbead homogenizer.
  • combi matrix SiO 2 airgel + CHCA
  • properties of the combi matrix were compared using different types of amino acids with nonpolar (proline), polar (serine), acidic (glutamic acid), and basic (histidine) side chains, and the same properties of ionizing amino acids were compared. This was observed.
  • a combi matrix was created using SiO 2 airgel and DHB.
  • the same types of amino acids were then analyzed using DHB and combi matrix. Amino acid analysis was judged to be possible as in the case of the CHCA-based combi matrix.
  • the optimal ratio of components for the combi matrix was assumed to produce no CHCA mass peak (case 6 in Figure 4b).
  • the amount of SiO 2 airgel in the combi matrix was controlled in the range from 2.4 ⁇ 10 -5 to 2.0 mg/mL and the organic matrix was 10 mg/mL ( was fixed at 52.8 ⁇ mol).
  • the amount of SiO 2 airgel corresponded to the specific surface area in the previous BET analysis using a conversion factor of 5.4 x 10 3 cm 2 /mg.
  • the ratio (M/A) of the organic matrix (M, CHCA) and SiO 2 airgel (A) was adjusted to 1:0.2 to 1:2.6 ⁇ 10 -6 (weight per weight, w/w), which is the surface area of the airgel This corresponds to 4.9 ⁇ 10 -3 to 4.1 ⁇ 10 2 ⁇ mol/cm 2 considering 5.4 ⁇ 10 3 cm 2 /mg (FIG. 5a).
  • the amount of combi matrix was controlled to be approximately 5.0 ⁇ g per sample point.
  • the intensities of the combi matrix peaks were calculated by averaging the mass peaks in the m/z range from 100 to 400, and the error bars were estimated to be 3 times the standard deviation ( ⁇ ).
  • the effective M/A ratio for removing organic matrix noise signals was estimated to be less than 6.3 ⁇ 10 2 (w/w), which is greater than 1.6 ⁇ 10 ⁇ 2 mg of SiO 2 airgel for 10.0 mg of organic matrix (CHCA).
  • CHCA organic matrix
  • Figure 5b corresponds to sheep ( Figure 5b).
  • the ratio (M/A) of the organic matrix (M, CHCA) and SiO 2 airgel (A) was adjusted to the range of 1:0.2 to 1:2.6 ⁇ 10 -6 (w/w), and the target The sample (DC) was set to 10 ⁇ g/mL at a fixed concentration.
  • the ratio (M/A) was less than 1.3 ⁇ 10 2 (w/w)
  • the matrix peak completely disappeared ( Figure 5c).
  • LDI-MS was used for quantitative analysis of small molecules.
  • conventional Malditop mass spectrometry was performed using dried samples; Therefore, even at the same sample point, non-uniform crystals were formed on the target plate and the amount of sample ions generated was different depending on the laser irradiation location. For this reason, direct quantification of samples using Malditop mass spectrometry was difficult, and for quantification, a method of mixing internal standards at known concentrations was typically used.
  • LDI-MS uses inorganic nanostructures instead of organic matrices.
  • Direct quantification was performed using the combi matrix as the matrix for LDI mass spectrometry.
  • the distribution of SiO 2 airgel was observed on the target plate using the crystal of Figure 6b, and the purpose was to form uniform sample crystals using a combi matrix using a fluorescent dye as a sample.
  • the morphology of the sample crystals was compared for different concentrations of SiO 2 airgel (first row in Figure 6b), and the fluorescence images were compared for a homogeneous distribution of the sample (second row in Figure 6b).
  • the sample crystals in the combi matrix showed uniform fluorescence in the sample crystals.
  • the fluorescence image (second row in Figure 6b) was analyzed from the fluorescence intensity of the sample crystals using commercial software from Teledyne Photometrics (Tuscon, AZ, USA) to show the distribution of the sample (fluorescent dye) within the sample crystals. .
  • the 3D image of the sample crystal shows the distribution of the sample using the fluorescence signal. As can be seen in the fluorescence image (second row of Figure 6b), it was observed that the coffee-ring effect was minimized as the concentration of airgel increased for the combi matrix.
  • the distribution of the sample was analyzed along the lines shown in the 3D image and plotted as a 2D drawing image (4th row in Figure 6b).
  • the shot-to-shot reproducibility was estimated to be 61.5% for the conventional Maldi-Top mass spectrometer and 90.4% for the LDI-Top mass spectrometer using a combi matrix using the same DC sample.
  • the DSC graph of organic matrix without SiO 2 aerogel (CHCA) showed that heat flow started at a temperature of 266.1 °C (onset temperature) and reached the peak of heat flow at 270.2 °C. As the relative amount of SiO 2 airgel increased, the melting transition of CHCA occurred and the thermal parameters such as peak temperature, onset temperature, and melt enthalpy decreased. Additionally, the thermal conductivity of the combi matrix sample was calculated from the DSC thermogram using the modified Fourier law:
  • k is the thermal conductivity (W/Km)
  • Q is the heat transfer rate
  • L is the thickness of the sample in the DSC pan
  • A is the cross-sectional area of the sample
  • ⁇ T is the temperature change.
  • the thermal conductivity of the sample was calculated by replacing Q/ ⁇ T in the above equation with the slope of the DSC curve.
  • the slope decreased as the airgel restricted heat flow to the sample. This indicates that the thermal conductivity decreased from 9.0 ⁇ 10 -2 (W/Km) to 3.0 ⁇ 10 -2 (W/Km), indicating an increase in insulation (Figure 8c).
  • the combi matrix was used as a composite of CHCA at a ratio (M/A) of 6.3 ⁇ 10 2 (w/w), which allows the combi matrix to have a sufficiently low thermal conductivity to avoid dissipation of laser energy through the target plate. It could be optimally used as a solid matrix for LDI-mass spectrometry without interference of mass peaks.
  • T is the melting temperature (K) of the nanostructure.
  • the DSC graph of the organic matrix without SiO 2 aerogel (CHCA) shows that the heat flow starts at 266.1 °C (onset temperature) and peaks at 270.2 °C. As the relative amount of SiO 2 airgel increased from 2.4 ⁇ 10 -5 to 2.0 mg/mL, the onset temperature decreased from 266.1 to 259.6 °C ( Figure 8b).
  • Combi-Matrix was applied as a matrix for quantitative analysis of dodecanoly-L-carnitine (DC) using LDI-MS.
  • DC has been reported as a biomarker for colon cancer, and an increased concentration of DC is observed in patient serum due to increased lipid metabolism (beta-oxidation) in the mitochondria of cancer cells compared to a concentration of 0.1 pmol/ ⁇ L DC in normal serum. It is known.
  • DCs were analyzed using a combi-matrix-based LDI mass spectrometer.
  • the matrix peak was significantly reduced compared to mass spectrometry using a conventional organic matrix (CHCA), and the intensity of the mass peak of DC ([DC+H] + ) increased to the range of 0.01 to 100 pmol/ ⁇ L.

Landscapes

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Abstract

Disclosed are: a matrix for sample ionization; a sample preparation method for MALDI; and a MALDI/TOF mass spectrometry method. The matrix for sample ionization may comprise: a silica aerogel including silicon dioxide (SiO2); and an organic matrix filling pores of the silica aerogel.

Description

시료 이온화용 매트릭스, 말디용 시료 준비 방법 및 말디 질량 분석 방법Matrix for sample ionization, sample preparation method for Maldi and Maldi mass spectrometry method
본 발명은 시료 이온화용 매트릭스, 말디용 시료 준비 방법 및 말디 질량 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a matrix for sample ionization, a sample preparation method for Maldi, and a Maldi mass spectrometry method.
말디톱 질량 분석(Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry; 말디톱 질량 분석)은 단백질 및 핵산과 같이 분자량이 큰 생체 분자의 분석에 널리 사용되어 왔다. 이 방법에서 대부분의 시료는 시료에 레이저 에너지를 전달하기 위해 매트릭스라고 하는 유기 분자를 사용하여 양자화된 형태로 이온화된다. 이온화 과정에서 매트릭스 분자는 레이저 조사에 의해 재현할 수 없는 형태로 파편화된다. 조각난 매트릭스 분자는 낮은 m/z 범위에서 질량 피크를 생성한다. 이 때문에 분자량이 일정 수준 미만인 소분자의 말디톱 질량 분석은 제한되어 왔다. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (Maldytop mass spectrometry) has been widely used in the analysis of large molecular weight biomolecules such as proteins and nucleic acids. In this method, most of the sample is ionized into a protonated form using organic molecules called a matrix to deliver laser energy to the sample. During the ionization process, the matrix molecules are fragmented into a form that cannot be reproduced by laser irradiation. Fragmented matrix molecules produce mass peaks in the low m/z range. For this reason, Malditop mass analysis of small molecules with molecular weights below a certain level has been limited.
말디톱 질량 분석 타겟 플레이트에서 시료를 건조시킨 후 수행하므로 시료 결정은 일반적으로 불균일한 모양을 하고 있으며, 동일한 농도의 샘플 스팟에 대해서도 레이저 조사 위치에 따라 시료 결정에서 나오는 질량 피크의 세기가 달라지기 때문에, 기존의 말디톱 질량 분석에 대한 정량적 측정이 제한되었다. Because it is performed after drying the sample on a Malditop mass spectrometry target plate, the sample crystals generally have a non-uniform shape, and the intensity of the mass peak from the sample crystal varies depending on the laser irradiation position even for a sample spot of the same concentration. , quantitative measurements for conventional malditope mass spectrometry were limited.
말디톱 질량 분석의 무기 매트릭스로 다공성 실리콘을 보고된 바 있으며, 많은 연구 그룹에서 유기 매트릭스를 대체하기 위해 무기 재료를 기반으로 한 매트릭스를 개발하려고 시도했다. 이 방법을 LDI-MS(Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry)라고 한다. 무기 물질은 측정 중에 레이저 조사에 의해 조각화되지 않고 질량 피크를 생성하기 때문에 무기 매트릭스는 대사 산물, 약물 및 신경 전달 물질과 같은 소분자의 정량 분석에 효과적으로 사용되어 왔다. 무기 매트릭스는 이전에 탄소 나노튜브, 그래핀과 같은 탄소 기반 나노 물질, Si, SiO2, ZnO, SnO2, TiO2와 같은 반도체 기반 나노 물질 및 금, 은, 백금과 같은 금속 나노 입자를 사용하여 제조되었다.Porous silicon has been reported as an inorganic matrix for malditop mass spectrometry, and many research groups have attempted to develop matrices based on inorganic materials to replace organic matrices. This method is called LDI-MS (Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry). Inorganic matrices have been effectively used in the quantitative analysis of small molecules such as metabolites, drugs, and neurotransmitters because inorganic materials produce mass peaks without being fragmented by laser irradiation during measurement. Inorganic matrices have previously been fabricated using carbon-based nanomaterials such as carbon nanotubes and graphene, semiconductor-based nanomaterials such as Si, SiO 2 , ZnO, SnO 2 , TiO 2 , and metal nanoparticles such as gold, silver, and platinum. .
본 발명의 일 목적은 말디 분석시 질량 피크를 생성하지 않는 시료 이온화용 매트릭스를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a matrix for sample ionization that does not generate mass peaks during Maldi analysis.
본 발명의 다른 목적은 상기 시료 이온화용 매트릭스를 사용하는 말디용 시료 준비 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a sample for Maldi using the sample ionization matrix.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 말디용 시료 준비 방법을 이용하는 말디 질량 분석 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a Maldi mass spectrometry method using the sample preparation method for Maldi.
본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스는 이산화규소(SiO2)를 포함하는 실리카에어로겔; 및 상기 실리카에어로겔의 기공을 충진한 유기 매트릭스;를 포함할 수 있다.A matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention includes silica airgel containing silicon dioxide (SiO 2 ); and an organic matrix filling the pores of the silica airgel.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 매트릭스는 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic matrix may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-Dihydroxybenzoic acid.
일 실시예에 있어서, 상기 실리카에어로겔의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율은 약 5 내지 390,000 배일 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel may be about 5 to 390,000 times.
일 실시예에 있어서, 상기 실리카에어로겔의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율은 약 25 내지 79,000 배 일 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel may be about 25 to 79,000 times.
일 실시예에 있어서, 상기 실리카에어로겔의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율은 약 120 내지 3,100 배일 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel may be about 120 to 3,100 times.
일 실시예에 있어서, 상기 시료 이온화용 매트릭스는 약 74 내지 91 %의 공극률(porosity)를 가질 수 있다.In one embodiment, the sample ionization matrix may have a porosity of about 74 to 91%.
본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법은, 실리카에어로겔을 분쇄하여 실리카에어로겔 나노입자를 제조하는 제1 단계; 상기 실리카에어로겔 나노입자 및 유기 매트릭스 물질을 포함하는 현탁액을 제조하는 제2 단계; 및 상기 현탁액을 기판 상에 도포하여 매트릭스를 형성하고, 상기 매트릭스 상에 시료를 도포하는 제3 단계;를 포함할 수 있다.The sample preparation method for maldi according to an embodiment of the present invention includes a first step of producing silica airgel nanoparticles by pulverizing silica airgel; A second step of preparing a suspension containing the silica airgel nanoparticles and an organic matrix material; and a third step of applying the suspension on a substrate to form a matrix and applying a sample on the matrix.
일 실시예에 있어서, 상기 실리카에어로겔 나노입자가 약 100 내지 200 nm의 반경을 가지도록 분쇄할 수 있다.In one embodiment, the silica airgel nanoparticles may be pulverized to have a radius of about 100 to 200 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 매트릭스 물질은 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic matrix material may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. .
일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 5 내지 390,000 배가 되도록 준비할 수 있다.In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 5 to 390,000 times.
일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 25 내지 79,000 배가 되도록 준비할 수 있다.In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 25 to 79,000 times.
일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 120 내지 3,100 배가 되도록 준비할 수 있다.In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
본 발명의 실시예에 따른 말디 질량 분석 방법은, 실리카에어로겔 나노입자 및 유기 매트릭스 물질을 포함하는 현탁액을 기판 상에 도포하여 매트릭스를 형성하는 제1 단계; 상기 매트릭스 상에 시료를 도포하는 제2 단계; 상기 매트릭스 및 시료에 레이저를 조사하여 상기 시료를 이온화하는 제3 단계; 및 상기 이온화 된 시료를 질량 분석하는 제4 단계;를 포함할 수 있다.The Maldi mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention includes a first step of forming a matrix by applying a suspension containing silica airgel nanoparticles and an organic matrix material onto a substrate; A second step of applying a sample on the matrix; A third step of ionizing the sample by irradiating the matrix and the sample with a laser; and a fourth step of performing mass analysis of the ionized sample.
일 실시예에 있어서, 상기 시료는 도데카놀리-L-카니틴(dodecanoly-L-carnitine)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the sample may contain dodecanoly-L-carnitine.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 매트릭스 물질은 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic matrix material may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. .
일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 5 내지 390,000 배가 되도록 준비할 수 있다.In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 5 to 390,000 times.
일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 25 내지 79,000 배가 되도록 준비할 수 있다.In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 25 to 79,000 times.
일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 120 내지 3,100 배가 되도록 준비할 수 있다.In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스는 레이저 조사를 통한 시료 이온화 시 매트릭스의 검출량이 낮아 저분자 시료 분석이 가능하다.The matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention has a low detection amount of the matrix when ionizing the sample through laser irradiation, enabling analysis of small molecule samples.
본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법을 통해 저분자 시료에 대해서도 말디 분석이 가능한 시료를 준비할 수 있다.Through the sample preparation method for Maldi according to an embodiment of the present invention, a sample capable of Maldi analysis can be prepared even for low-molecular-weight samples.
본 발명의 실시예에 따른 말디 질량 분석 방법을 통해 저분자 시료를 분석할 수 있고, 특히 암 바이오마커 등을 분석하여 진단에 사용할 수 있다.The Maldi mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention can be used to analyze small molecule samples, and in particular, can be used for diagnosis by analyzing cancer biomarkers.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram schematically showing the structure of a matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법을 나타낸 흐름도이다.Figure 2 is a flow chart showing a sample preparation method for maldi according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 말디 질량 분석 방법을 나타낸 흐름도이다.Figure 3 is a flow chart showing the Maldi mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, or a combination thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or numbers. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of steps, operations, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram schematically showing the structure of a matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스(100)는 이산화규소(SiO2)를 포함하는 실리카에어로겔(101); 및 상기 실리카에어로겔(101)의 기공을 충진한 유기 매트릭스(102);를 포함할 수 있다. 도 1은 실리카에어로겔(101) 및 유기 매트릭스(102)를 개략적으로 도시하였으므로, 실리카에어로겔(101)의 구조, 기공의 크기, 유기 매트릭스(102)의 위치 및 입자 형상 등은 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. Referring to Figure 1, the matrix 100 for sample ionization according to an embodiment of the present invention includes a silica airgel 101 containing silicon dioxide (SiO 2 ); and an organic matrix 102 filling the pores of the silica airgel 101. Since Figure 1 schematically shows the silica airgel 101 and the organic matrix 102, the structure of the silica airgel 101, the size of the pores, the position and particle shape of the organic matrix 102, etc. are exemplary, and the present invention The scope is not limited to this.
상기 실리카에어로겔(101)은 이산화규소를 포함하는 물질로, 다공성을 가질 수 있다. 본 명세서의 문맥에서, 다공성은 기공을 유의한 수 이상으로 포함하고, 상기 기공은 특정 물리적 성질 및 상기 물리적 성질로부터 창발되는 특성을 가지는 크기를 가지도록 형성된 성질 및 그러한 성질을 가진 물질 또는 부재를 의미할 수 있다. 상기 실리카에어로겔(101)은 적절한 다공성 및 이에 따른 공극률을 가질 수 있고, 이에 의해 도출되는 물리적 성질을 가질 수 있다. 또한, 하술하겠으나, 상기 유기 매트릭스(102)는 상시 실리카에어로겔(101)의 기공에 적어도 일부가 충진될 수 있으므로, 상기 실리카에어로겔(101)의 공극률은 상기 유기 매트릭스(102)와의 상대적인 양 및 상기 시료 이온화용 매트릭스(100)를 실제 분석에 사용할 때, 레이저 조사 시 상기 유기 매트릭스(102)의 거동에 영향을 미칠 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 시료 이온화용 매트릭스(100)는 약 74 내지 91 %의 공극률(porosity)를 가질 수 있다.The silica airgel 101 is a material containing silicon dioxide and may have porosity. In the context of this specification, porosity includes a significant number of pores, wherein the pores are formed to have a size that has a specific physical property and a property that emerges from the physical property, and refers to a material or member having such properties. can do. The silica airgel 101 may have appropriate porosity and corresponding porosity, and may have physical properties derived thereby. In addition, as will be described below, since the organic matrix 102 may always fill at least a portion of the pores of the silica airgel 101, the porosity of the silica airgel 101 is determined by the relative amount of the organic matrix 102 and the sample. When the ionization matrix 100 is used for actual analysis, the behavior of the organic matrix 102 may be affected when irradiated with a laser. In one embodiment, the sample ionization matrix 100 may have a porosity of about 74 to 91%.
상기 유기 매트릭스(102)는 레이저를 통해 시료 이온화에 사용되는 종래의 매트릭스와 상이하지 않고, 레이저를 통해 시료 이온화에 사용될 수 있는 유기 매트릭스라면 그 종류가 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 유기 매트릭스(102)는 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 유기 매트릭스(102)의 적어도 일부는 상기 실리카에어로겔(101)의 기공을 충진할 수 있다. The organic matrix 102 is not different from a conventional matrix used for sample ionization through a laser, and the type of organic matrix 102 is not limited as long as it can be used for sample ionization through a laser. In one embodiment, the organic matrix 102 may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. You can. In one embodiment, at least a portion of the organic matrix 102 may fill the pores of the silica airgel 101.
상기 실리카에어로겔(101)과 상기 유기 매트릭스(102)의 비율은 목적하는 시료 이온화용 매트릭스(100)의 성질에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 실리카에어로겔(101)의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스(102)의 중량 비율은 약 5 내지 390,000 배일 수 있다. 상기와 같은 중량 비율에서 시료에 대한 매트릭스의 피크가 유의하게 낮게 도출될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 실리카에어로겔(101)의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스(102)의 중량 비율은 약 25 내지 79,000 배 일 수 있다. 상기와 같은 중량 비율에서 시료에 대한 매트릭스의 피크가 더욱 유의하게 낮게 도출될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 실리카에어로겔(101)의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스(102)의 중량 비율은 약 120 내지 3,100 배일 수 있다. 상기와 같은 중량 비율에서, 상기 시료 이온화용 매트릭스(100) 분석 시 신호대잡음비에 있어 유의한 개선을 보일 수 있다.The ratio of the silica airgel 101 and the organic matrix 102 can be appropriately adjusted depending on the properties of the desired sample ionization matrix 100. In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix 102 to the weight of the silica airgel 101 may be about 5 to 390,000 times. At the above weight ratio, the peak of the matrix relative to the sample may be derived to be significantly low. In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix 102 to the weight of the silica airgel 101 may be about 25 to 79,000 times. At the above weight ratio, the peak of the matrix relative to the sample can be derived to be significantly lower. In one embodiment, the weight ratio of the organic matrix 102 to the weight of the silica airgel 101 may be about 120 to 3,100 times. At the above weight ratio, a significant improvement in signal-to-noise ratio can be seen when analyzing the sample ionization matrix 100.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법을 나타낸 흐름도이다.Figure 2 is a flow chart showing a sample preparation method for maldi according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법(200)은, 실리카에어로겔을 분쇄하여 실리카에어로겔 나노입자를 제조하는 제1 단계(S210); 상기 실리카에어로겔 나노입자 및 유기 매트릭스 물질을 포함하는 현탁액을 제조하는 제2 단계(S220); 및 상기 현탁액을 기판 상에 도포하여 매트릭스를 형성하고, 상기 매트릭스 상에 시료를 도포하는 제3 단계(S230);를 포함할 수 있다.Referring to Figure 2, the sample preparation method for maldi (200) according to an embodiment of the present invention includes a first step (S210) of producing silica airgel nanoparticles by pulverizing silica airgel; A second step (S220) of preparing a suspension containing the silica airgel nanoparticles and an organic matrix material; and a third step (S230) of applying the suspension on a substrate to form a matrix and applying a sample on the matrix.
본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법(200)에 관한 설명은 상기 본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스에 관한 설명에서 동일하거나 유사한 구성에 대해 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 따라서 명백하게 유추되는 내용은 반복을 피하기 위하여 생략될 수 있으며, 본 발명의 범위에서 제외하려는 의도가 아닌 것으로 해석되어야 한다.The description of the sample preparation method 200 for maldi according to the embodiment of the present invention may be applied in the same or similar manner to the same or similar configuration as the description of the matrix for sample ionization according to the embodiment of the present invention. Therefore, clearly inferred content may be omitted to avoid repetition, and should be construed as not intended to be excluded from the scope of the present invention.
상기 제1 단계(S210)는 실리카에어로겔 나노입자를 제조하는 단계로서, 상기 실리카에어로겔 나노입자는 사전 제조된 실리카에어로겔의 분쇄로 수득될 수 있다. 실리카에어로겔 나노입자는 이후 용액 내에서 유기 매트릭스 물질과 혼합되므로, 상기 실리카에어로겔 나노입자는 목적하는 성질을 도출하기 위해 적절한 크기로 분쇄될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계(S210)에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자가 약 100 내지 200 nm의 반경을 가지도록 분쇄할 수 있다.The first step (S210) is a step of manufacturing silica airgel nanoparticles, and the silica airgel nanoparticles can be obtained by grinding pre-manufactured silica airgel. Since the silica airgel nanoparticles are then mixed with the organic matrix material in the solution, the silica airgel nanoparticles can be pulverized to an appropriate size to obtain the desired properties. In one embodiment, in the first step (S210), the silica airgel nanoparticles may be pulverized to have a radius of about 100 to 200 nm.
상기 제2 단계(S220)는, 현탁액을 제조하는 단계로, 상술한 바와 같이 상기 제1 단계(S210)에서 제조된 실리카에어로겔 나노입자를 유기 매트릭스 물질과 함께 용액에 첨가, 혼합하여 현탁액을 제조하는 단계이다. 상기 제2 단계(S220)를 거치며, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 기공을 상기 유기 매트릭스 물질이 충진하도록 재배열이 일어날 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 유기 매트릭스 물질은 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함할 수 있다.The second step (S220) is a step of preparing a suspension. As described above, the silica airgel nanoparticles prepared in the first step (S210) are added to the solution together with the organic matrix material and mixed to prepare a suspension. It's a step. Through the second step (S220), rearrangement may occur so that the organic matrix material fills the pores of the silica airgel nanoparticles. In one embodiment, the organic matrix material may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. .
상기 제2 단계(S220)에서, 현탁액을 제조하며 상기 실리카에어로겔 나노입자와 상기 유기 매트릭스 물질의 비율이 결정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 실리카에어로겔 나노입자와 상기 유기 매트릭스 물질의 비율에 따라 최종적으로 제조되는 시료 이온화용 매트릭스의 물리적 성질 및 이로부터 창발되는 다른 성질이 결정될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 5 내지 390,000 배가 되도록 준비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 25 내지 79,000 배가 되도록 준비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 120 내지 3,100 배가 되도록 준비할 수 있다.In the second step (S220), a suspension is prepared and the ratio of the silica airgel nanoparticles and the organic matrix material can be determined. As described above, the physical properties of the finally prepared sample ionization matrix and other properties resulting therefrom can be determined depending on the ratio of the silica airgel nanoparticles and the organic matrix material. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 5 to 390,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 25 to 79,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
상기 제3 단계(S230)는 최종적으로 레이저를 이용하여 이온화 될 수 있는 시료 타겟을 준비하는 단계이다. 상기 시료 타겟은 상기 현탁액을 기판 상에 도포하여 매트릭스를 형성하는 과정 후, 상기 매트릭스 상에 시료를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 현탁액 및 시료의 도포 방법은 특별히 제한되지 않으나, 스핀-코팅 또는 드롭-코팅 등의 방법이 선택될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 시료는 도데카놀리-L-카니틴(dodecanoly-L-carnitine)을 포함할 수 있다.The third step (S230) is the final step of preparing a sample target that can be ionized using a laser. The sample target may be formed by applying the suspension on a substrate to form a matrix, and then applying a sample on the matrix. The application method of the suspension and sample is not particularly limited, but methods such as spin-coating or drop-coating may be selected. In one embodiment, the sample may contain dodecanoly-L-carnitine.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 말디 질량 분석 방법을 나타낸 흐름도이다.Figure 3 is a flow chart showing the Maldi mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 말디 질량 분석 방법(300)은, 실리카에어로겔 나노입자 및 유기 매트릭스 물질을 포함하는 현탁액을 기판 상에 도포하여 매트릭스를 형성하는 제1 단계(S310); 상기 매트릭스 상에 시료를 도포하는 제2 단계(S320); 상기 매트릭스 및 시료에 레이저를 조사하여 상기 시료를 이온화하는 제3 단계(S330); 및 상기 이온화 된 시료를 질량 분석하는 제4 단계(S340);를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the Maldi mass spectrometry method 300 according to an embodiment of the present invention is a first step (S310) of forming a matrix by applying a suspension containing silica airgel nanoparticles and an organic matrix material on a substrate. ; A second step of applying a sample on the matrix (S320); A third step (S330) of ionizing the sample by irradiating a laser to the matrix and the sample; and a fourth step (S340) of performing mass analysis on the ionized sample.
본 발명의 실시예에 따른 말디 질량 분석 방법(300)에 관한 설명은 상기 본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스에 관한 설명 또는 상기 본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법에 관한 설명에서 동일하거나 유사한 구성에 대해 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 따라서 명백하게 유추되는 내용은 반복을 피하기 위하여 생략될 수 있으며, 본 발명의 범위에서 제외하려는 의도가 아닌 것으로 해석되어야 한다.The description of the Maldi mass spectrometry method 300 according to the embodiment of the present invention includes the description of the matrix for sample ionization according to the embodiment of the present invention or the description of the sample preparation method for Maldi according to the embodiment of the present invention. It may be applied identically or similarly to the same or similar configuration. Therefore, clearly inferred content may be omitted to avoid repetition, and should be construed as not intended to be excluded from the scope of the present invention.
상기 제1 단계(S310)는, 매트릭스를 형성하는 단계로, 상기 매트릭스는 실리카에어로겔 나노입자 및 유기 매트릭스 물질을 포함하는 현탁액의 도포에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액은 상기 본 발명의 실시예에 따른 말디용 시료 준비 방법에 설명된 현탁액 일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액의 도포에 의해 형성된 매트릭스는 본 발명의 실시예에 따른 시료 이온화용 매트릭스 일 수 있다. 상기 도포의 방법은 특별히 제한되지 않으나, 스핀-코팅 또는 드롭-코팅에 의해 도포될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 유기 매트릭스 물질은 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 5 내지 390,000 배가 되도록 준비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 25 내지 79,000 배가 되도록 준비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 약 120 내지 3,100 배가 되도록 준비할 수 있다.The first step (S310) is a step of forming a matrix, and the matrix can be formed by applying a suspension containing silica airgel nanoparticles and an organic matrix material. In one embodiment, the suspension may be the suspension described in the sample preparation method for maldi according to the embodiment of the present invention. In one embodiment, the matrix formed by applying the suspension may be a matrix for sample ionization according to an embodiment of the present invention. The method of application is not particularly limited, but may be applied by spin-coating or drop-coating. In one embodiment, the organic matrix material may include alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid. . In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 5 to 390,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 25 to 79,000 times. In one embodiment, the suspension may be prepared so that the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is about 120 to 3,100 times.
상기 제2 단계(S320)는, 상기 매트릭스 상에 분석 대상 시료를 도포하는 단계이다. 분석 대상 시료는 특별히 제한되지 않으나, 일 실시예에 있어서, 상기 시료는 도데카놀리-L-카니틴(dodecanoly-L-carnitine)을 포함할 수 있다. 상기 도데카놀리-L-카니틴는 대장암 등의 바이오마커로 사용되는 것으로 알려진 물질로, 일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 말디 질량 분석 방법(300)은 대장암 진단에 사용될 수 있다. 상기 도포의 방법은 특별히 제한되지 않으나, 스핀-코팅 또는 드롭-코팅에 의해 도포될 수 있다.The second step (S320) is a step of applying the sample to be analyzed on the matrix. The sample to be analyzed is not particularly limited, but in one embodiment, the sample may contain dodecanoly-L-carnitine. The dodecanoly-L-carnitine is a substance known to be used as a biomarker for colon cancer, etc., and in one embodiment, the Maldi mass spectrometry method 300 according to an embodiment of the present invention can be used to diagnose colon cancer. there is. The method of application is not particularly limited, but may be applied by spin-coating or drop-coating.
상기 제3 단계(S330)는, 상기 도포된 분석 대상 시료 및 매트릭스에 레이저를 조사하여 상기 시료를 이온화 하는 단계이다. 레이저는 시료 이온화에 사용될 수 있는 모든 종류의 레이저가 사용될 수 있고, 특별히 제한되지 않는다. 상기 레이저의 조사를 통해 매트릭스의 파편화 및 이온화가 도출될 수 있고, 이에 의해(assisted) 상기 분석 대상인 시료도 이온화 될 수 있다.The third step (S330) is a step of ionizing the sample by irradiating a laser to the applied analysis target sample and matrix. The laser may be any type of laser that can be used for sample ionization, and is not particularly limited. Fragmentation and ionization of the matrix can be derived through irradiation of the laser, and thereby (assisted) the sample to be analyzed can also be ionized.
상기 제4 단계(S340)는, 상기 이온화 된 시료를 질량 분석하는 단계이다. 이온화 된 시료를 질량 분석하는 방법은 본원 출원 당시 알려진 방법에 의하는 한, 특별히 제한되지 않는다. 질량 분석을 위해 상기 이온화 된 시료는 가속될 수 있고, 상기 이온화 된 시료를 가속하기 위해 전자기적 방법이 사용될 수 있다. 가속된 이온화 된 시료를 질량에 따라 거동을 달리 하고, 그 거동을 관측하기 위한 방법은 본원 출원 당시 알려진 방법에 의하는 한, 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 거동은 비행 시간(time of flight; TOF) 분석기에 의해 질량에 따라 분획되고, 정성적 및/또는 정량적으로 분석될 수 있다.The fourth step (S340) is a step of performing mass analysis on the ionized sample. The method of performing mass analysis of an ionized sample is not particularly limited as long as it is a method known at the time of filing the present application. The ionized sample can be accelerated for mass analysis, and electromagnetic methods can be used to accelerate the ionized sample. The behavior of the accelerated ionized sample varies depending on the mass, and the method for observing the behavior is not particularly limited as long as it is a method known at the time of filing the present application. In one embodiment, the behavior can be fractionated by mass and analyzed qualitatively and/or quantitatively by a time of flight (TOF) analyzer.
이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the examples described below are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
재료ingredient
도데카노일-L-카르니틴(DC), 프롤린, 세린, 글루탐산, 히스티딘, 알파-4-히드록시신남산(CHCA), 2,5-디히드록시벤조산(DHB), 인간 혈청, 플루오레세인, 아세토니트릴, 0.1% 트리플루오로아세트산(trifluoroacetic acid; TFA), 포름산, 암모늄 플루오라이드(NH4F), 황산(H2SO4), 트리메틸클로로실란(TMCS), 메탄올, 이소프로필 알코올 및 n-헥산은 Sigma-Aldrich Co.(St. Louis, MO, USA)에서 구입했다. 규산나트륨(sodium silicate) 용액은 Duksan Chemical Co.(Ansan, Korea)에서 구입하였다. Milli-Q® 정수 시스템(Millipore, Billerica, MA, USA)을 사용하여 이중 증류된 탈이온수(18 MΩ·cm)를 얻었다.Dodecanoyl-L-carnitine (DC), proline, serine, glutamic acid, histidine, alpha-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), human serum, fluorescein, Acetonitrile, 0.1% trifluoroacetic acid (TFA), formic acid, ammonium fluoride (NH4F), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), trimethylchlorosilane (TMCS), methanol, isopropyl alcohol, and n-hexane. It was purchased from Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA). Sodium silicate solution was purchased from Duksan Chemical Co. (Ansan, Korea). Double-distilled deionized water (18 MΩ·cm) was obtained using a Milli-Q® water purification system (Millipore, Billerica, MA, USA).
시료 제작Sample preparation
CHCA 유기 매트릭스의 경우 50% 아세토니트릴/0.1% 트리플루오로아세트산(1:1, v/v)의 혼합 용액에서 매트릭스 용액을 제조했다. 추가 적용을 위해 동일한 농도의 CHCA를 유지하면서 현탁액 형태로 에어로겔을 분산시키기 위해 SiO2 에어로겔이 있는 유기 매트릭스를 EtOH에서 준비했다. 매트릭스 모델 분석을 위한 샘플은 DC를 DW/MeOH(1:1, v/v)에 용해하고 30초 동안 볼텍싱하여 준비했다. 칼리브레이션을 위한 표준 DC 샘플은 DC 샘플을 DW/MeOH(1:1, v/v)로 연속 희석하여 준비했다. DC-스파이크된 혈청 샘플은 DC의 공지된 농도로 인간 혈청 생성물을 스파이킹하여 제조하였다. DC 스파이크 혈청 샘플은 아세토니트릴포름산 추출 방법을 사용하여 처리되었다. 이 방법에서 혈청 샘플(100μL)을 아세토니트릴/포름산(99:1, v/v, 400μL)으로 희석하고 30분간 얼음 배스에서 인큐베이션 한다. 혼합물을 14,000rpm 및 4°C에서 10분 동안 원심분리하고, 상청액(supernatant; 300μL)을 추가 분석을 위해 새로운 EP 튜브로 트랜스퍼했다. 대장암 환자(n=20)의 혈청 샘플은 국립암센터(고양, 한국)에서 얻었고, 대조군 샘플은 건강한 지원자(n=10)로부터 수집했다. 연구 프로토콜은 세브란스(Severance) 병원의 기관 검토 위원회(IRB)의 승인을 받았다(IRB No. 4-2017-0321). 모든 연구 절차는 관련 지침 및 규정에 따라 수행되었다. 환자 혈청 샘플은 이전에 설명된 추출 방법을 거쳤다.For the CHCA organic matrix, the matrix solution was prepared in a mixed solution of 50% acetonitrile/0.1% trifluoroacetic acid (1:1, v/v). An organic matrix with SiO 2 airgel was prepared in EtOH to disperse the airgel in suspension form while maintaining the same concentration of CHCA for further applications. Samples for matrix model analysis were prepared by dissolving DC in DW/MeOH (1:1, v/v) and vortexing for 30 s. Standard DC samples for calibration were prepared by serial dilution of DC samples with DW/MeOH (1:1, v/v). DC-spiked serum samples were prepared by spiking human serum products with known concentrations of DC. DC spiked serum samples were processed using the acetonitrile formic acid extraction method. In this method, serum samples (100 μL) are diluted with acetonitrile/formic acid (99:1, v/v, 400 μL) and incubated in an ice bath for 30 minutes. The mixture was centrifuged at 14,000 rpm and 4°C for 10 min, and the supernatant (300 μL) was transferred to a new EP tube for further analysis. Serum samples from colorectal cancer patients (n = 20) were obtained from the National Cancer Center (Goyang, Korea), and control samples were collected from healthy volunteers (n = 10). The study protocol was approved by the Institutional Review Board (IRB) of Severance Hospital (IRB No. 4-2017-0321). All study procedures were performed in accordance with relevant guidelines and regulations. Patient serum samples were subjected to previously described extraction methods.
SiO2 에어로겔을 포함하는 매트릭스 성질Matrix properties containing SiO2 airgel
LDS-MS 매트릭스는 1000 이하의 낮은 m/z 값에서 매트릭스 분자의 질량 피크가 나타나지 않는 상태에서 타겟 시료를 이온화 할 수 있어야 한다(도 4a). CHCA와 혼합된 SiO2 에어로겔의 경우, CHCA의 매트릭스 피크가 사라지고, 시료의 질량 피크만 수득되었다. 이러한 결과는 SiO2 에어로겔/CHCA 혼합물이 작은 분자를 분석하기 위한 고체 매트릭스로 사용될 수 있음을 의미한다. 본 발명에서, SiO2 에어로겔은 증류수 내에서 전구체로 Na2SiO2를 사용한 종래의 졸-겔 방법으로 합성하였다. 알코올 내에서 에이징(aging)을 거친 후, 상기 SiO2 에어로겔은 밀리미터 사이즈의 입자로 준비되었다(도 4a). Brunauer, Emmett, and Teller (BET) 분석으로부터, 비표면적이 540 m2/g, 총기공부피(total pore volume)이 1.3 cm3/g, 평균기공사이즈(average pore size)가 9.3 nm로 측정되었다. SiO2 에어로겔을 LDS-질량 분석기에 적용하기 위해, SiO2 에어로겔은 마이크로비드 균질화기를 사용하여 분말로 분쇄되었다. DLS 분석에 의해 SiO2 에어로겔 입자의 hydrodynamic radius는 100 내지 200 nm로 측정되었고, 제타 포텐셜은 -2504 ± 247 mV (n=5)로 측정되었다. 이러한 결과는 SiO2 에어로겔이 82.1 % 초과의 다공성(porosity)를 가지는 다공성 구조를 가짐을 보여준다.The LDS-MS matrix must be able to ionize the target sample without mass peaks of matrix molecules appearing at low m/z values of 1000 or less (Figure 4a). In the case of SiO 2 airgel mixed with CHCA, the matrix peak of CHCA disappeared, and only the mass peak of the sample was obtained. These results imply that the SiO 2 airgel/CHCA mixture can be used as a solid matrix for analyzing small molecules. In the present invention, SiO 2 airgel was synthesized by a conventional sol-gel method using Na 2 SiO 2 as a precursor in distilled water. After aging in alcohol, the SiO 2 airgel was prepared into millimeter-sized particles (FIG. 4a). From Brunauer, Emmett, and Teller (BET) analysis, the specific surface area was measured to be 540 m 2 /g, the total pore volume was measured to be 1.3 cm 3 /g, and the average pore size was measured to be 9.3 nm. . To apply the SiO 2 airgel to LDS-mass spectrometry, the SiO 2 airgel was ground into powder using a microbead homogenizer. By DLS analysis, the hydrodynamic radius of SiO 2 airgel particles was measured to be 100 to 200 nm, and the zeta potential was measured to be -2504 ± 247 mV (n=5). These results show that the SiO 2 airgel has a porous structure with a porosity greater than 82.1%.
LDI-MS용 고체 매트릭스로서 SiO2 에어로겔의 적용 가능성은 기존의 유기 매트릭스(CHCA)와 혼합하여 단계별로 조사되었다(도 4b). 모델 아미노산(히스티딘, Mw=155.2 Da) 자체는 기존의 말디톱 질량 분석기에서 유기 매트릭스 없이 질량 피크를 생성하지 않았다(도 4b의 케이스 1). 일반적으로 매트릭스는 레이저에 노출될 때 조각나는 것으로 알려져 있다. CHCA와 같은 유기 매트릭스를 말디톱 질량 분석을 위한 샘플로 사용했을 때(도 4b의 케이스 2), 동래 연구에서와 같이 500 미만의 낮은 m/z에서 재현할 수 없는 질량 피크가 있었다. 따라서 분자량 범위가 100 내지 200 Da인 아미노산의 질량 피크는 조각난 매트릭스 분자의 질량 피크에서 분리하기 어려웠다. 개별적으로, SiO2 에어로겔이 LDI-톱 질량 분석을 위한 샘플로 사용되었을 때(도 4b의 케이스 3), 에어로겔 자체가 레이저에 의해 이온화 및 탈착되지 않았기 때문에 질량 피크가 검출되지 않았다. SiO2 에어로겔과 아미노산을 모델 시료로 혼합(도 4b의 케이스 4)한 경우 및 CHCA의 기존 유기 매트릭스(도 4b의 케이스 5)의 경우에서는 질량 피크가 감지되지 않았다. 따라서 SiO2 에어로겔 자체는 아미노산 및 기타 유기 분자(CHCA)를 이온화하기에 충분하지 않은 것으로 확인되었다. 모델 아미노산(히스티딘)의 질량 피크는 SiO2 에어로겔이 기존의 유기 매트릭스(CHCA)와 혼합된 경우에만 관찰되었다(도 4b의 케이스 6). 이러한 결과는 SiO2 에어로겔이 유기 매트릭스 분자에서 질량 피크 제거 및 콤비 매트릭스(SiO2 에어로겔 + CHCA)로 명명된 기존 유기 매트릭스(CHCA)와 혼합 후 타겟 시료의 이온화에 사용될 수 있음을 보여주었다. 콤비 매트릭스에서 시료의 이온화 메커니즘은 에어로겔의 특성을 기반으로 설명할 수 있다. SiO2 에어로겔(도 4b의 케이스 3)과 시료가 없는 콤비 매트릭스(도 4b의 케이스 4)의 경우 질량 피크가 감지되지 않았다. 이러한 결과는 나노다공성 파릴렌 필름을 매트릭스와 시료의 혼합 영역으로 사용함으로써 작은 분자 분석에 적합한 매트릭스 시스템으로 보고된 파릴렌 매트릭스 칩의 결과와 동일하며, 유기 매트릭스에 레이저에 의한 과도한 에너지 복사를 방지한다. 콤비-매트릭스를 시료와 혼합하면, 파릴렌-매트릭스 칩의 경우와 같이 에어로겔의 나노 기공 내에서 매트릭스 분자와 타겟 시료의 혼합이 일어나고, 이는 타겟 시료로부터 질량 피크를 도출한다(도 4b의 케이스 6). 따라서 SiO2 에어로겔의 다공성 구조는 타겟 시료와 유기 매트릭스 분자에 대한 혼합 영역을 제공하는 것으로 간주된다.The applicability of SiO 2 airgel as a solid matrix for LDI-MS was investigated step by step by mixing it with a conventional organic matrix (CHCA) (Figure 4b). The model amino acid (histidine, Mw = 155.2 Da) itself did not produce a mass peak without an organic matrix in a conventional Malditop mass spectrometer (case 1 in Figure 4b). It is generally known that matrices fragment when exposed to lasers. When an organic matrix such as CHCA was used as a sample for Maldives mass spectrometry (case 2 in Figure 4b), there were unreproducible mass peaks at low m/z below 500, as in the Dongrae study. Therefore, the mass peaks of amino acids with a molecular weight range of 100 to 200 Da were difficult to separate from the mass peaks of fragmented matrix molecules. Individually, when the SiO 2 airgel was used as a sample for LDI-Top mass spectrometry (case 3 in Figure 4b), no mass peak was detected because the airgel itself was not ionized and desorbed by the laser. No mass peaks were detected when SiO 2 airgel and amino acids were mixed as model samples (case 4 in Figure 4b) and in the case of the conventional organic matrix of CHCA (case 5 in Figure 4b). Therefore, it was confirmed that SiO 2 airgel itself is not sufficient to ionize amino acids and other organic molecules (CHCA). The mass peak of the model amino acid (histidine) was observed only when the SiO 2 airgel was mixed with the conventional organic matrix (CHCA) (case 6 in Figure 4b). These results showed that SiO 2 airgel can be used for mass peak removal from organic matrix molecules and ionization of target samples after mixing with conventional organic matrix (CHCA), named as combi matrix (SiO 2 airgel + CHCA). The ionization mechanism of the sample in the combi matrix can be explained based on the properties of the airgel. No mass peaks were detected for the SiO 2 airgel (case 3 in Figure 4b) and the combination matrix without sample (case 4 in Figure 4b). These results are identical to the results of the parylene matrix chip, which has been reported as a matrix system suitable for small molecule analysis by using a nanoporous parylene film as a mixing area between the matrix and the sample, preventing excessive energy radiation by the laser to the organic matrix. . When the combi-matrix is mixed with the sample, as in the case of the parylene-matrix chip, mixing of the matrix molecules and the target sample occurs within the nanopores of the airgel, which leads to a mass peak from the target sample (case 6 in Figure 4b). . Therefore, the porous structure of SiO 2 airgel is considered to provide a mixing area for the target sample and organic matrix molecules.
비극성(프롤린), 극성(세린), 산성(글루탐산), 염기성(히스티딘) 측쇄를 가진 다른 종류의 아미노산을 사용하여 콤비 매트릭스(SiO2 에어로겔 + CHCA)의 특성을 비교하였고, 아미노산을 이온화하는 동일한 특성이 관찰되었다. 다른 종류의 유기 매트릭스에 대한 타당성 테스트를 위해, SiO2 에어로겔과 DHB를 사용하여 콤비 매트릭스를 생성했다. 그런 다음 DHB와 콤비 매트릭스를 사용하여 동일한 종류의 아미노산을 분석했다. 아미노산 분석은 CHCA 기반의 콤비 매트릭스의 경우와 같이 가능한 것으로 판단되었다. 먼저, 콤비 매트릭스에 대한 구성 요소의 최적 비율은 CHCA 질량 피크를 생성하지 않는 것으로 추정되었다(도 4b의 케이스 6). CHCA에서 질량 피크를 제거하기 위한 매트릭스로 필요한 에어로겔의 양을 최적화하기 위해, 콤비 매트릭스에서 SiO2 에어로겔의 양을 2.4×10-5 내지 2.0 mg/mL 범위로 제어하고 유기 매트릭스는 10 mg/mL (52.8 μmol)로 고정되었다. SiO2 에어로겔의 양은 이전 BET 분석에서 5.4 x 103 cm2/mg의 변환 팩터를 사용한 비표면적에 해당했다. 유기 매트릭스(M, CHCA)과 SiO2 에어로겔(A)의 비율(M/A)을 1:0.2 내지 1:2.6×10-6(중량당 중량, w/w)로 조절되었고, 이는 에어로겔의 표면적을 5.4×103 cm2/mg로 고려한 4.9×10-3 내지 4.1×102 μmol/cm2에 해당한다(도 5a). 각 측정에 대해 콤비 매트릭스의 양은 샘플 지점당 약 5.0μg으로 제어되었다. 콤비 매트릭스 피크의 강도는 100 내지 400의 m/z 범위에서 질량 피크를 평균화하여 계산되었으며, 오차 막대는 표준 편차(σ)의 3배인 것으로 추정되었다. 유기 매트릭스 노이즈 신호를 제거하기 위한 효과적인 M/A 비율은 6.3×102(w/w) 미만으로 추정되었으며, 이는 10.0 mg의 유기 매트릭스(CHCA)에 대한 1.6×10-2 mg 초과의 SiO2 에어로겔 양에 해당한다(도 5b). 이러한 결과는 콤비-매트릭스가 6.3×102(w/w)의 비율(M/A)에서 CHCA의 질량 피크의 간섭 없이 LDI-질량 분석을 위한 고체 매트릭스로 최적화 될 수 있음을 보여준다. 다음 단계로 DC를 타겟 시료로 사용하여 CHCA의 질량 피크의 간섭이 없는 최적의 콤비 매트릭스를 분석했다. 이전 실험과 유사하게 유기매트릭스(M, CHCA)과 SiO2 에어로겔(A)의 비율(M/A)을 1:0.2 내지 1:2.6×10-6(w/w)의 범위로 조절하였고, 타겟 시료(DC)는 고정 농도에서 10μg/mL가 되도록 하였다. 비율(M/A)이 1.3×102(w/w) 미만일 때 매트릭스 피크가 완전히 사라졌다(도 5c). 이전 실험과 마찬가지로 100 내지 400(AU)의 m/z 범위에서 질량 피크를 평균하여 콤비 매트릭스 피크의 강도를 계산하고, 신호대잡음비(S/N) 비율을 계산, DC의 질량 강도와 비교([DC+H]+=344.5)하였다. 도 5d를 참조하면, 6.3×102(w/w)로 추정되는 최적 비율(M/A)을 보여주며, 가장 높은 신호대잡음비는 154.2(AU)이다. 이러한 결과는 유기 매트릭스와 SiO2 에어로겔의 제어된 비율에서 콤비 매트릭스에 대해 최대 S/N 비가 달성될 수 있음을 보여준다.The properties of the combi matrix (SiO 2 airgel + CHCA) were compared using different types of amino acids with nonpolar (proline), polar (serine), acidic (glutamic acid), and basic (histidine) side chains, and the same properties of ionizing amino acids were compared. This was observed. To test the feasibility of different types of organic matrices, a combi matrix was created using SiO 2 airgel and DHB. The same types of amino acids were then analyzed using DHB and combi matrix. Amino acid analysis was judged to be possible as in the case of the CHCA-based combi matrix. First, the optimal ratio of components for the combi matrix was assumed to produce no CHCA mass peak (case 6 in Figure 4b). To optimize the amount of airgel needed as a matrix to remove the mass peak in CHCA, the amount of SiO 2 airgel in the combi matrix was controlled in the range from 2.4 × 10 -5 to 2.0 mg/mL and the organic matrix was 10 mg/mL ( was fixed at 52.8 μmol). The amount of SiO 2 airgel corresponded to the specific surface area in the previous BET analysis using a conversion factor of 5.4 x 10 3 cm 2 /mg. The ratio (M/A) of the organic matrix (M, CHCA) and SiO 2 airgel (A) was adjusted to 1:0.2 to 1:2.6 × 10 -6 (weight per weight, w/w), which is the surface area of the airgel This corresponds to 4.9×10 -3 to 4.1×10 2 μmol/cm 2 considering 5.4×10 3 cm 2 /mg (FIG. 5a). For each measurement, the amount of combi matrix was controlled to be approximately 5.0 μg per sample point. The intensities of the combi matrix peaks were calculated by averaging the mass peaks in the m/z range from 100 to 400, and the error bars were estimated to be 3 times the standard deviation (σ). The effective M/A ratio for removing organic matrix noise signals was estimated to be less than 6.3×10 2 (w/w), which is greater than 1.6×10 −2 mg of SiO 2 airgel for 10.0 mg of organic matrix (CHCA). Corresponds to sheep (Figure 5b). These results show that the combi-matrix can be optimized as a solid matrix for LDI-mass spectrometry without interference of the mass peak of CHCA at a ratio (M/A) of 6.3 × 10 2 (w/w). In the next step, DC was used as the target sample to analyze the optimal combination matrix without interference from the mass peak of CHCA. Similar to the previous experiment, the ratio (M/A) of the organic matrix (M, CHCA) and SiO 2 airgel (A) was adjusted to the range of 1:0.2 to 1:2.6 × 10 -6 (w/w), and the target The sample (DC) was set to 10 μg/mL at a fixed concentration. When the ratio (M/A) was less than 1.3 × 10 2 (w/w), the matrix peak completely disappeared (Figure 5c). As in the previous experiment, the intensity of the combi matrix peak was calculated by averaging the mass peaks in the m/z range from 100 to 400 (AU), the signal-to-noise (S/N) ratio was calculated, and compared with the mass intensity in DC ([DC +H] + =344.5). Referring to Figure 5d, it shows the optimal ratio (M/A) estimated to be 6.3×10 2 (w/w), and the highest signal-to-noise ratio is 154.2 (AU). These results show that the maximum S/N ratio can be achieved for the combi matrix at controlled ratios of organic matrix and SiO 2 airgel.
SiO2 에어로겔을 매트릭스로 사용하는 정량 분석Quantitative analysis using SiO2 airgel as matrix
LDI-MS가 작은 분자의 정량 분석에 사용되었다. 그러나 기존의 말디톱 질량 분석은 건조된 시료를 사용하여 수행되었고; 따라서 동일한 샘플 지점에서도 레이저 조사 위치에 따라 타겟 플레이트에 불균일한 결정이 형성되고 생성되는 시료 이온의 양이 달랐다. 이러한 이유로 말디톱 질량분석법을 이용한 시료의 직접적인 정량화는 어려웠고, 정량화를 위해서는 통상적으로 내부표준물질을 알려진 농도로 혼합하는 방법을 사용했다. 일반적으로 LDI-MS는 유기 매트릭스 대신 무기 나노구조를 사용한다. 무기 매트릭스의 경우 각 나노구조의 시료 결정이 불균일한 형태를 가지고 있더라도, 시료 스팟은 타겟 플레이트에서 시료의 균일한 분포를 가지며, 각 시료 스팟의 시료 이온의 양은 레이저 조사 위치에 따라서도 통계적으로 동일하다(도 6a). 따라서 LDI-MS를 사용한 시료의 정량화는 나노구조체에 제작된 시료 결정의 균질하고 집중된 분포에 의해 영향을 받았다.LDI-MS was used for quantitative analysis of small molecules. However, conventional Malditop mass spectrometry was performed using dried samples; Therefore, even at the same sample point, non-uniform crystals were formed on the target plate and the amount of sample ions generated was different depending on the laser irradiation location. For this reason, direct quantification of samples using Malditop mass spectrometry was difficult, and for quantification, a method of mixing internal standards at known concentrations was typically used. Typically, LDI-MS uses inorganic nanostructures instead of organic matrices. In the case of an inorganic matrix, even if the sample crystal of each nanostructure has a non-uniform shape, the sample spot has a uniform distribution of the sample on the target plate, and the amount of sample ions in each sample spot is statistically the same depending on the laser irradiation location. (Figure 6a). Therefore, quantification of samples using LDI-MS was influenced by the homogeneous and concentrated distribution of sample crystals fabricated on nanostructures.
직접 정량화는 LDI 질량 분석을 위한 매트릭스로 콤비 매트릭스를 사용하여 수행되었다. 먼저, 도 6b의 결정을 이용하여 타겟 플레이트 상에서 SiO2 에어로겔의 분포를 관찰하였으며, 형광 염료를 시료로 사용하여 콤비 매트릭스를 이용하여 균일한 샘플 결정의 형성을 목적하였다. 샘플 결정의 형태는 다양한 농도의 SiO2 에어로겔(도 6b의 첫 번째 행)에서 비교되었고, 형광 이미지는 시료의 균질한 분포에 대해 비교되었다(도 6b의 두 번째 행). 에어로겔이 없는 샘플 결정의 경우, 콤비 매트릭스의 샘플 결정은 샘플 결정에서 균일한 형광을 나타냈다. 그런 다음, Teledyne Photometrics(Tuscon, AZ, USA)의 상용 소프트웨어를 사용하여 샘플 결정의 형광 강도로부터 형광 이미지(도 6b의 두 번째 행)를 분석하여 샘플 결정 내 시료(형광 염료)의 분포를 보여주었다. 샘플 결정의 3D 이미지(도 6b의 세 번째 행)는 형광 신호를 사용한 시료의 분포를 보여준다. 형광 이미지(도 6b의 2번째 줄)에서 볼 수 있듯이, 콤비 매트릭스에 대해 에어로겔의 농도가 증가할수록 커피 링(coffee-ring) 효과가 최소화되는 것으로 관찰되었다. 3D 이미지에 표시된 선에서 시료의 분포를 분석하고 2D 도면 이미지로 플로팅했다(도 6b의 4번째 행). 이러한 2D 이미지는 또한 콤비 매트릭스에 대해 에어로겔의 농도가 증가함에 따라 커피-링 효과가 최소화되는 것으로 관찰되었음을 보여주었다. 이러한 결과는 LDI-mass 분광법을 사용한 정량 분석을 위해 SiO2 에어로겔에 의해 타겟 플레이트에서 시료의 균질하고 조밀한 분포가 달성될 수 있음을 보여준다.Direct quantification was performed using the combi matrix as the matrix for LDI mass spectrometry. First, the distribution of SiO 2 airgel was observed on the target plate using the crystal of Figure 6b, and the purpose was to form uniform sample crystals using a combi matrix using a fluorescent dye as a sample. The morphology of the sample crystals was compared for different concentrations of SiO 2 airgel (first row in Figure 6b), and the fluorescence images were compared for a homogeneous distribution of the sample (second row in Figure 6b). For the sample crystals without airgel, the sample crystals in the combi matrix showed uniform fluorescence in the sample crystals. Then, the fluorescence image (second row in Figure 6b) was analyzed from the fluorescence intensity of the sample crystals using commercial software from Teledyne Photometrics (Tuscon, AZ, USA) to show the distribution of the sample (fluorescent dye) within the sample crystals. . The 3D image of the sample crystal (third row in Figure 6b) shows the distribution of the sample using the fluorescence signal. As can be seen in the fluorescence image (second row of Figure 6b), it was observed that the coffee-ring effect was minimized as the concentration of airgel increased for the combi matrix. The distribution of the sample was analyzed along the lines shown in the 3D image and plotted as a 2D drawing image (4th row in Figure 6b). These 2D images also showed that the coffee-ring effect was observed to be minimal as the concentration of airgel increased for the combi matrix. These results show that a homogeneous and dense distribution of the sample in the target plate can be achieved by SiO 2 airgel for quantitative analysis using LDI-mass spectroscopy.
앞서 언급한 바와 같이, 기존의 말디-MS를 사용한 시료의 정량은 타겟 플레이트에 불균일한 결정이 형성되기 때문에 어렵다. 따라서 동일한 시료 지점에서도 레이저 조사 위치에 따라 이온화된 시료의 수가 달라진다. 콤비 매트릭스는 유기 매트릭스의 나노 크기 결정의 균일하고 집중된 분포를 생성했으며, 내부 표준을 사용하지 않고 시료의 직접 정량화가 입증되었다. LDI-MS를 사용하여 시료를 정량화하려면 spot-to-spot 및 shot-to-shot 재현성과 같은 반복 측정에서 높은 재현성을 달성해야 한다. 재현성 추정을 위해 1 pmol/μL 농도의 DC 샘플을 사용하고, 이전 실험에서 최적인 것으로 결정된 콤비 매트릭스를 6.3×102(w/w)로 준비했다(도 5d). 측정은 Random Work Function을 이용하여 1,000 샷에 대해 수행하였다. 먼저 5개의 샘플 스팟에서 평균 신호(m)를 계산한 다음, 평균 신호 사이의 표준편차(σ)를 계산하였다(n=5). 상대 표준 편차(RSD=m/σ×100 in %)와 재현성(%)은 100-RSD로 계산되었다. spot-to-spot 재현성은 5개의 독립적인 샘플 스팟에서 기존 말디톱 질량 분석법의 경우 61.5 %, LDI-톱 질량 분석법의 경우 96.0 %로 추정되었다(도 7a). 동일한 샘플 지점의 5가지 다른 위치에서 shot-to-shot 재현성을 추정했으며 Random Work Function를 사용하여 1,000 샷에 대해서도 측정을 수행했다(도 7b). shot-to-shot 재현성은 동일한 DC 샘플을 사용하는 콤비 매트릭스를 사용하는 기존 말디톱 질량 분석기의 경우 61.5 %, LDI-톱 질량 분석기의 경우 90.4 %로 추정되었다. 이러한 결과는 콤비-매트릭스가 기존 말디-톱 MS와 비교하여 훨씬 더 높은 spot-to-spot 및 shot-to-shot 재현성을 가진 샘플의 정량 분석에 효과적으로 사용될 수 있음을 나타낸다.As mentioned earlier, quantification of samples using conventional Maldi-MS is difficult because non-uniform crystals are formed on the target plate. Therefore, even at the same sample point, the number of ionized samples varies depending on the laser irradiation location. The combi matrix produced a uniform and concentrated distribution of nano-sized crystals in the organic matrix, and direct quantification of samples without the use of internal standards was demonstrated. Quantifying samples using LDI-MS requires achieving high reproducibility in repeated measurements, such as spot-to-spot and shot-to-shot reproducibility. For reproducibility estimation, DC samples at a concentration of 1 pmol/μL were used, and the combi matrix determined to be optimal in previous experiments was prepared at 6.3 × 10 2 (w/w) (Figure 5d). Measurements were performed for 1,000 shots using the Random Work Function. First, the average signal (m) was calculated from five sample spots, and then the standard deviation (σ) between the average signals was calculated (n=5). Relative standard deviation (RSD=m/σ×100 in %) and reproducibility (%) were calculated as 100-RSD. Spot-to-spot reproducibility was estimated to be 61.5% for conventional Maldi-Top mass spectrometry and 96.0% for LDI-Top mass spectrometry across five independent sample spots (Figure 7a). Shot-to-shot reproducibility was estimated at five different locations of the same sample point and measurements were also performed for 1,000 shots using the Random Work Function (Figure 7b). The shot-to-shot reproducibility was estimated to be 61.5% for the conventional Maldi-Top mass spectrometer and 90.4% for the LDI-Top mass spectrometer using a combi matrix using the same DC sample. These results indicate that Combi-Matrix can be effectively used for quantitative analysis of samples with much higher spot-to-spot and shot-to-shot reproducibility compared to conventional Maldi-Top MS.
LDI-MS에서 SiO2 에어로겔의 열적 특성의 영향을 조사하기 위해 기존 말디 MS의 시료이 레이저에 노출되어 스테인리스 스틸로 만들어진 타겟 플레이트에서 이온화되고 증발되었다. SiO2 에어로겔의 단열 특성으로 인해 레이저 조사에 의한 타겟 플레이트를 통한 열 에너지 소산은 콤비 매트릭스에서 최소화될 수 있다(도 8a). 콤비-매트릭스에 대해 5 내지 3.9×105(w/w)의 비율로 DSC 측정을 하였으며, 온도 범위는 200 내지 300℃로 15.0 ℃/s의 온도 상승률에서 설정하였다(도 8b). SiO2 에어로겔이 없는 유기 매트릭스(CHCA)의 DSC 그래프는 열 흐름이 266.1℃(개시 온도)의 온도에서 시작되어 270.2℃에서 열 흐름의 피크에 도달했음을 보여주었다. SiO2 에어로겔의 상대적인 양이 증가함에 따라, CHCA의 용융 전이가 발생하고 피크 온도, 개시(onset) 온도 및 용융 엔탈피와 같은 열 매개 변수가 감소했다. 또한, 수정된 푸리에 법칙을 사용하여 DSC 열기록도에서 콤비 매트릭스 샘플의 열전도율을 계산했다:To investigate the influence of the thermal properties of SiO 2 airgel in LDI-MS, samples from a conventional Maldi MS were exposed to a laser, ionized and evaporated on a target plate made of stainless steel. Due to the insulating properties of SiO 2 airgel, the dissipation of thermal energy through the target plate by laser irradiation can be minimized in the combi matrix (Figure 8a). DSC measurements were made at a ratio of 5 to 3.9 × 10 5 (w/w) for the combi-matrix, and the temperature range was set at 200 to 300°C at a temperature rise rate of 15.0°C/s (FIG. 8b). The DSC graph of organic matrix without SiO 2 aerogel (CHCA) showed that heat flow started at a temperature of 266.1 °C (onset temperature) and reached the peak of heat flow at 270.2 °C. As the relative amount of SiO 2 airgel increased, the melting transition of CHCA occurred and the thermal parameters such as peak temperature, onset temperature, and melt enthalpy decreased. Additionally, the thermal conductivity of the combi matrix sample was calculated from the DSC thermogram using the modified Fourier law:
k = QL/AΔTk = QL/AΔT
여기서, k는 열 전도율(W/Km), Q는 열 전이율, L은 DSC 팬 내 샘플의 두께, A는 샘플의 단면적, 그리고 ΔT는 온도 변화를 의미한다. Here, k is the thermal conductivity (W/Km), Q is the heat transfer rate, L is the thickness of the sample in the DSC pan, A is the cross-sectional area of the sample, and ΔT is the temperature change.
샘플의 열전도율은 위 방정식의 Q/ΔT를 DSC 곡선의 기울기로 대체하여 계산되었다. 에어로겔이 시료에 대한 열 흐름을 제한하면 기울기가 감소했다. 이는 열전도율이 9.0×10-2(W/Km)에서 3.0×10-2(W/Km)로 감소했음을 나타내며, 이는 단열이 증가함을 나타낸다(도 8c). 이전 실험(도 5b)에서 콤비 매트릭스는 콤비 매트릭스가 타겟 플레이트를 통한 레이저 에너지의 소산을 피하기 위해 충분히 낮은 열전도율을 가질 수 있는 6.3×102(w/w)의 비율(M/A)에서 CHCA의 질량 피크의 간섭 없이 LDI-질량 분석을 위한 고체 매트릭스로 최적으로 사용될 수 있었다. 이러한 결과는 콤비-매트릭스에서 SiO2 에어로겔을 사용함으로써 타겟 플레이트로의 열전달을 최소화할 수 있고, LDI-MS에서 시료의 이온화 및 탈착에 복사 에너지를 보다 효과적으로 사용할 수 있음을 보여주었다.The thermal conductivity of the sample was calculated by replacing Q/ΔT in the above equation with the slope of the DSC curve. The slope decreased as the airgel restricted heat flow to the sample. This indicates that the thermal conductivity decreased from 9.0 × 10 -2 (W/Km) to 3.0 × 10 -2 (W/Km), indicating an increase in insulation (Figure 8c). In the previous experiment (Fig. 5b), the combi matrix was used as a composite of CHCA at a ratio (M/A) of 6.3 × 10 2 (w/w), which allows the combi matrix to have a sufficiently low thermal conductivity to avoid dissipation of laser energy through the target plate. It could be optimally used as a solid matrix for LDI-mass spectrometry without interference of mass peaks. These results showed that by using SiO 2 airgel in the combi-matrix, heat transfer to the target plate can be minimized and radiant energy can be used more effectively for ionization and desorption of the sample in LDI-MS.
DSC 분석의 열적 특성은 또한 콤비 매트릭스를 사용한 정량 분석의 원리를 설명하는 데 사용되었다. LDI-MS를 이용한 정량 분석의 경우, 나노 구조의 시료 결정이 조밀하고 균일하게 분포되어 있다(도 6a). 이전에 논의된 바와 같이, 유기 매트릭스는 SiO2 에어로겔의 기공을 차지하여 콤비 매트릭스 나노 결정을 형성했다. 콤비-매트릭스의 DSC 분석에서 Gibbs-Thomson 식을 이용하여 콤비-매트릭스 결정의 크기를 추정함으로써 SiO2 에어로겔의 기공 내 유기 매트릭스(CHCA) 내 나노결정의 형성을 확인하였다. Gibbs-Thomson 방정식은 벌크 상태에서 나노 결정 크기로의 용융 온도 변화와 관련이 있다:The thermal properties of DSC analysis were also used to illustrate the principles of quantitative analysis using combi matrices. In the case of quantitative analysis using LDI-MS, nanostructured sample crystals are densely and uniformly distributed (Figure 6a). As previously discussed, the organic matrix occupied the pores of the SiO 2 airgel to form combi-matrix nanocrystals. In DSC analysis of the combi-matrix, the formation of nanocrystals in the pore organic matrix (CHCA) of SiO 2 airgel was confirmed by estimating the size of the combi-matrix crystals using the Gibbs-Thomson equation. The Gibbs-Thomson equation relates the change in melting temperature from bulk to nanocrystal size:
rcrystal = (2T0σVm)/(ΔHfus(T0-T))r crystal = (2T 0 σV m )/(ΔH fus (T 0 -T))
여기서 r은 결정의 반경(m), T0는 벌크 상태의 용융 온도(K), σ는 결정의 계면 장력(N/m), Vm은 결정의 몰 부피, ΔHfus는 융합 엔탈피(J/mol), T는 나노 구조체의 용융 온도(K)이다. SiO2 에어로겔이 없는 유기 매트릭스(CHCA)의 DSC 그래프는 열 흐름이 266.1 ℃(개시(onset) 온도)에서 시작되어 270.2 ℃에서 피크에 도달함을 보여준다. SiO2 에어로겔의 상대량이 2.4×10-5에서 2.0 mg/mL로 증가함에 따라, 개시 온도는 266.1에서 259.6 ℃로 감소하였다(도 8b). DSC 측정에서 SiO2 에어로겔의 상대량이 0에서 6.3×102(w/w)로 변경되었을 때, 최적화된 콤비 매트릭스에 대한 용융 온도의 변화(ΔT)는 1.4K로 추정되었다. Gibbs-Thomson 방정식에서 콤비 매트릭스의 유기 매트릭스(CHCA)의 평균 결정 반경(r)은 463.2nm로 계산되었으며, 이는 제시된 바와 같이 벌크 상태(rbulk > 29.1μm)보다 훨씬 작다(도 8d). 이러한 결과는 콤비-매트릭스 나노 결정의 균질하고 집중된 분포로부터 콤비-매트릭스를 사용하여 시료의 정량화가 가능함을 보여준다.where r is the radius of the crystal (m), T 0 is the melting temperature in the bulk state (K), σ is the interfacial tension of the crystal (N/m), V m is the molar volume of the crystal, and ΔH fus is the enthalpy of fusion (J/m). mol), T is the melting temperature (K) of the nanostructure. The DSC graph of the organic matrix without SiO 2 aerogel (CHCA) shows that the heat flow starts at 266.1 °C (onset temperature) and peaks at 270.2 °C. As the relative amount of SiO 2 airgel increased from 2.4 × 10 -5 to 2.0 mg/mL, the onset temperature decreased from 266.1 to 259.6 °C (Figure 8b). In DSC measurements, when the relative amount of SiO 2 airgel was changed from 0 to 6.3 × 10 2 (w/w), the change in melting temperature (ΔT) for the optimized combi matrix was estimated to be 1.4 K. From the Gibbs-Thomson equation, the average crystal radius (r) of the organic matrix (CHCA) of the combi matrix was calculated to be 463.2 nm, which is much smaller than the bulk state (r bulk > 29.1 μm) as shown (Figure 8d). These results show that quantification of samples is possible using the combi-matrix from the homogeneous and concentrated distribution of combi-matrix nanocrystals.
DC 분석에의 적용Application to DC analysis
콤비-매트릭스는 LDI-MS를 이용한 도데카놀리-L-카니틴 (dodecanoly-L-carnitine; DC)의 정량분석을 위한 매트릭스로 적용되었다. DC는 결장암의 바이오마커로 보고되었으며, DC의 농도 증가는 정상 혈청에서의 0.1 pmol/μL의 DC의 농도와 비교하여 암세포의 미토콘드리아에서 증가된 지질 대사(베타 산화)로 인해 환자 혈청에서 관찰되는 것으로 알려져 있다. DC를 콤비 매트릭스 기반 LDI 질량 분석기를 사용하여 분석했다. 스펙트럼은 기존의 유기 매트릭스(CHCA)을 이용한 질량분석법에 비해 매트릭스 피크가 상당히 감소하였고, DC([DC+H]+)의 질량 피크의 세기는 0.01 내지 100pmol/μL의 범위로 증가하였다. 표준 곡선은 0.01 내지 100 pmol/μL 농도 범위에서 선형 상관 관계를 나타냈고, 선형 계수(R2)는 0.943이었고, 검출 한계(LOD)는 0.1 pmol/μL로 측정되었다(도 9a). 혈청 내 DC 농도가 낮기 때문에 시료의 반응은 로그 척도로 명백하게 표시되었다. 용량 반응 곡선은 log10(강도) = 0.56 × log10([DC]) + 4.7과 같이 선형으로 피팅되었다. 혈청 내 DC의 정량적 측정을 위해 추출 용액으로 포름산과 함께 아세토니트릴을 사용하여 시료(DC)을 추출하였다. 혈청 내 DC의 표준 샘플은 콤비 매트릭스를 매트릭스로 기반으로 하는 LDI-질량 분석기를 사용하여 분석되었다. 스펙트럼은 유기 매트릭스(CHCA)를 사용하는 기존 질량 분석과 비교하여 매트릭스 피크가 상당히 감소되었음을 보여주었다. DC([DC+H]+)의 질량 피크의 강도는 0.01 내지 100 pmol/μL의 농도 범위에서 정량적으로 증가했다. 표준 곡선은 선형성 계수(R2)가 0.967인 농도 범위 0.01 내지 100pmol/μL에서 선형 상관 관계를 얻었으며 검출 한계(LOD)는 0.01 pmol/μL로 추정되었다(도 9b). 용량-반응 곡선은 log10(강도) = 0.41 × log10([DC]) + 4.2와 같이 선형으로 피팅되었다. 이러한 결과는 추출 단계에서의 손실로부터 질량 피크의 강도가 동일한 농도의 완충액에서 표준 샘플의 강도와 비교하여 상당히 감소되었음을 보여주었다. 그러나 추출 단계 후에도 측정의 다이나믹 레인지(dynamic range)가 훨씬 증가하는 것으로 관찰되었다.Combi-Matrix was applied as a matrix for quantitative analysis of dodecanoly-L-carnitine (DC) using LDI-MS. DC has been reported as a biomarker for colon cancer, and an increased concentration of DC is observed in patient serum due to increased lipid metabolism (beta-oxidation) in the mitochondria of cancer cells compared to a concentration of 0.1 pmol/μL DC in normal serum. It is known. DCs were analyzed using a combi-matrix-based LDI mass spectrometer. In the spectrum, the matrix peak was significantly reduced compared to mass spectrometry using a conventional organic matrix (CHCA), and the intensity of the mass peak of DC ([DC+H] + ) increased to the range of 0.01 to 100 pmol/μL. The standard curve showed a linear correlation in the concentration range from 0.01 to 100 pmol/μL, the linear coefficient (R 2 ) was 0.943, and the limit of detection (LOD) was determined to be 0.1 pmol/μL (Figure 9a). Because of the low concentration of DC in serum, the response of the samples was clearly expressed on a logarithmic scale. The dose response curve was fitted linearly as log 10 (intensity) = 0.56 × log 10 ([DC]) + 4.7. For quantitative measurement of DC in serum, samples (DC) were extracted using acetonitrile with formic acid as an extraction solution. Standard samples of DCs in serum were analyzed using LDI-mass spectrometry based on combi matrix as matrix. The spectra showed a significant reduction in matrix peaks compared to conventional mass spectrometry using an organic matrix (CHCA). The intensity of the mass peak of DC ([DC+H] + ) increased quantitatively in the concentration range from 0.01 to 100 pmol/μL. The standard curve yielded a linear correlation in the concentration range 0.01 to 100 pmol/μL with a coefficient of linearity (R 2 ) of 0.967 and the limit of detection (LOD) was estimated to be 0.01 pmol/μL (Figure 9b). The dose-response curve was fitted linearly as log 10 (intensity) = 0.41 × log 10 ([DC]) + 4.2. These results showed that the intensity of the mass peak from losses in the extraction step was significantly reduced compared to that of the standard sample in the same concentration of buffer. However, even after the extraction step, the dynamic range of the measurement was observed to increase significantly.
건강한 지원자(n=10) 및 환자(n=20)의 혈청을 DC의 정량 분석에 사용했고, 실제 샘플에 대한 질량 피크의 강도 플롯을 도시하였다(도 10a). 결장암의 의학적 진단을 위한 컷오프 강도 값(3137.6(a.u.))과 결과를 비교하였다. 몇몇 환자 혈청은 건강한 지원자의 정상 샘플보다 상대적으로 더 높은 강도를 보였다. 실제 샘플의 질량 피크 강도를 DC의 농도로 환산하여 표준 곡선에 플로팅하여 환자와 정상 혈청을 구분할 수 있었다(도 10b).Sera from healthy volunteers (n = 10) and patients (n = 20) were used for quantitative analysis of DC, and intensity plots of mass peaks for real samples are shown (Figure 10a). Results were compared with the cutoff intensity value (3137.6 (a.u.)) for medical diagnosis of colon cancer. Some patient sera showed relatively higher intensities than normal samples from healthy volunteers. The mass peak intensity of the actual sample was converted to the concentration of DC and plotted on a standard curve to distinguish patient and normal serum (FIG. 10b).
실제 샘플의 테스트 결과를 기존 LC-MS의 테스트 결과와 비교하고, LDI-질량 분석법과 LC-MS의 두 가지 다른 방법의 일치를 Blund-Altman 플롯과 Passing-Bablok 회귀를 사용하여 통계적으로 분석했다(도 10c). Bland-Altman 플롯은 신호 차이가 95% 신뢰 수준(1.96±σ) 내에서 분포되었음을 시사한다. 이 테스트는 두 가지 방법이 혈청 샘플의 DC 분석에 대해 발견된 유사한 결과와 강한 상관 관계가 있음을 나타낸다. Passing-Bablok 회귀에서도 95% 신뢰수준(1.96±σ) 내 분포하는 두 가지 방법의 MS 분석결과, Spearman 상관계수(ρ)가 0.947(P<0.0001)인 것으로 나타났다. 이 결과에서 Spearman 상관 계수(ρ)가 0.5 보다 크면 두 가지 다른 분석 방법 간의 좋은 상관 관계를 나타낸다. 이 두 가지 분석 결과는 콤비-매트릭스 기반의 LDI-MS와 기존의 LC-MS를 사용하면 통계적으로 일치하는 결과를 얻을 수 있음을 보여준다. 따라서 콤비-매트릭스 기반 LDI-MS는 DC를 바이오마커로 사용하여 대장암의 의학적 진단에 적용할 수 있다.The test results of real samples were compared with those of conventional LC-MS, and the agreement of the two different methods, LDI-mass spectrometry and LC-MS, was statistically analyzed using Blund-Altman plots and Passing-Bablok regression ( Figure 10c). The Bland-Altman plot suggests that the signal difference was distributed within the 95% confidence level (1.96±σ). This test indicates that both methods are strongly correlated with similar results found for DC analysis of serum samples. As a result of MS analysis of the two methods distributed within the 95% confidence level (1.96±σ) in Passing-Bablok regression, the Spearman correlation coefficient (ρ) was found to be 0.947 (P<0.0001). In these results, a Spearman correlation coefficient (ρ) greater than 0.5 indicates good correlation between the two different analysis methods. These two analysis results show that statistically consistent results can be obtained using combi-matrix-based LDI-MS and conventional LC-MS. Therefore, combi-matrix-based LDI-MS can be applied to the medical diagnosis of colorectal cancer using DC as a biomarker.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.
[부호의 설명][Explanation of symbols]
100 시료 이온화용 매트릭스100 Matrix for sample ionization
101 실리카에어로겔101 Silica Airgel
102 유기 매트릭스 (물질)102 Organic Matrix (Substance)
200 말디용 시료 준비 방법Sample Preparation Method for 200 Maldi
300 말디 질량 분석 방법300 Maldi mass spectrometry method

Claims (18)

  1. 레이저 에너지를 시료에 전달하여 상기 시료의 탈착(desorption) 및 이온화(ionization)를 유도하는 매트릭스에 있어서,In a matrix that transmits laser energy to a sample to induce desorption and ionization of the sample,
    이산화규소(SiO2)를 포함하는 실리카에어로겔; 및Silica airgel containing silicon dioxide (SiO 2 ); and
    상기 실리카에어로겔의 기공을 충진한 유기 매트릭스;를 포함하는,Containing; an organic matrix filling the pores of the silica airgel;
    시료 이온화용 매트릭스.Matrix for sample ionization.
  2. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 유기 매트릭스는 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함하는,The organic matrix includes alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid,
    시료 이온화용 매트릭스.Matrix for sample ionization.
  3. 제2항에 있어서,According to paragraph 2,
    상기 실리카에어로겔의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율은 5 내지 390,000 배인,The weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel is 5 to 390,000 times,
    시료 이온화용 매트릭스.Matrix for sample ionization.
  4. 제3항에 있어서,According to paragraph 3,
    상기 실리카에어로겔의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율은 25 내지 79,000 배인,The weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel is 25 to 79,000 times,
    시료 이온화용 매트릭스.Matrix for sample ionization.
  5. 제4항에 있어서,According to paragraph 4,
    상기 실리카에어로겔의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율은 120 내지 3,100 배인,The weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel is 120 to 3,100 times,
    시료 이온화용 매트릭스.Matrix for sample ionization.
  6. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 시료 이온화용 매트릭스는 74 내지 91 %의 공극률(porosity)를 가지는,The matrix for sample ionization has a porosity of 74 to 91%,
    시료 이온화용 매트릭스.Matrix for sample ionization.
  7. 실리카에어로겔을 분쇄하여 실리카에어로겔 나노입자를 제조하는 제1 단계;A first step of producing silica airgel nanoparticles by pulverizing silica airgel;
    상기 실리카에어로겔 나노입자 및 유기 매트릭스 물질을 포함하는 현탁액을 제조하는 제2 단계; 및A second step of preparing a suspension containing the silica airgel nanoparticles and an organic matrix material; and
    상기 현탁액을 기판 상에 도포하여 매트릭스를 형성하고, 상기 매트릭스 상에 시료를 도포하는 제3 단계;를 포함하는,A third step of applying the suspension on a substrate to form a matrix and applying a sample on the matrix.
    말디용 시료 준비 방법.Sample preparation method for maldi.
  8. 제7항에 있어서,In clause 7,
    상기 실리카에어로겔 나노입자가 100 내지 200 nm의 반경을 가지도록 분쇄하는,Grinding the silica airgel nanoparticles so that they have a radius of 100 to 200 nm,
    말디용 시료 준비 방법.Sample preparation method for maldi.
  9. 제7항에 있어서,In clause 7,
    상기 유기 매트릭스 물질은 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함하는,The organic matrix material includes alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid,
    말디용 시료 준비 방법.Sample preparation method for maldi.
  10. 제9항에 있어서,According to clause 9,
    상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 5 내지 390,000 배가 되도록 준비하는,In the suspension, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is prepared to be 5 to 390,000 times,
    말디용 시료 준비 방법.Sample preparation method for maldi.
  11. 제10항에 있어서,According to clause 10,
    상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 25 내지 79,000 배가 되도록 준비하는,In the suspension, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is prepared to be 25 to 79,000 times,
    말디용 시료 준비 방법.Sample preparation method for maldi.
  12. 제11항에 있어서,According to clause 11,
    상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 120 내지 3,100 배가 되도록 준비하는,In the suspension, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is prepared to be 120 to 3,100 times,
    말디용 시료 준비 방법.Sample preparation method for maldi.
  13. 실리카에어로겔 나노입자 및 유기 매트릭스 물질을 포함하는 현탁액을 기판 상에 도포하여 매트릭스를 형성하는 제1 단계;A first step of forming a matrix by applying a suspension containing silica airgel nanoparticles and an organic matrix material onto a substrate;
    상기 매트릭스 상에 시료를 도포하는 제2 단계;A second step of applying a sample on the matrix;
    상기 매트릭스 및 시료에 레이저를 조사하여 상기 시료를 이온화하는 제3 단계; 및A third step of ionizing the sample by irradiating the matrix and the sample with a laser; and
    상기 이온화 된 시료를 질량 분석하는 제4 단계;를 포함하는,A fourth step of performing mass analysis of the ionized sample; comprising,
    말디 질량 분석 방법.Maldi mass spectrometry method.
  14. 제13항에 있어서,According to clause 13,
    상기 시료는 도데카놀리-L-카니틴(dodecanoly-L-carnitine)을 포함하는,The sample contains dodecanoly-L-carnitine,
    말디 질량 분석 방법.Maldi mass spectrometry method.
  15. 제13항에 있어서,According to clause 13,
    상기 유기 매트릭스 물질은 알파-4-하이드록시시나믹 산(alpha-4-hydroxycinnamic acid) 또는 2,5-디하이드록시벤조산(2,5-Dihydroxybenzoic acid)을 포함하는,The organic matrix material includes alpha-4-hydroxycinnamic acid or 2,5-dihydroxybenzoic acid,
    말디 질량 분석 방법.Maldi mass spectrometry method.
  16. 제15항에 있어서,According to clause 15,
    상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 5 내지 390,000 배가 되도록 준비하는,In the suspension, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is prepared to be 5 to 390,000 times,
    말디 질량 분석 방법.Maldi mass spectrometry method.
  17. 제16항에 있어서,According to clause 16,
    상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 25 내지 79,000 배가 되도록 준비하는,In the suspension, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is prepared to be 25 to 79,000 times,
    말디 질량 분석 방법.Maldi mass spectrometry method.
  18. 제17항에 있어서,According to clause 17,
    상기 현탁액 내에서, 상기 실리카에어로겔 나노입자의 중량에 대한 상기 유기 매트릭스의 중량 비율이 120 내지 3,100 배가 되도록 준비하는,In the suspension, the weight ratio of the organic matrix to the weight of the silica airgel nanoparticles is prepared to be 120 to 3,100 times,
    말디 질량 분석 방법.Maldi mass spectrometry method.
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