Hvězdné hybridní spektrometry

Použití hmotnostních spektrometrů bylo vždy úzce spjato s trendem jejich rozvoje a prošlo celou řadou etap, kdy na počátku stál vývoj obdivuhodného nástroje pro studium fyzikálně-chemických dějů v plynné fázi. Mimořádná technika poskytující informaci o hmotnosti sledované molekuly a jejich fragmentů tvořila posléze ideální pár s neméně informačně hodnotným strukturně analytickým nástrojem spektrometrie nukleární magnetické rezonance. Bez těchto analytických technik by jistě nedošlo k mohutnému rozvoji a objevům nových molekul používaných v lékařství, potravinářství, ale i v elektrotechnice a také v armádě. I když je aplikační nasazení samostatných hmotnostních spektrometrů v současné době stále hojně využíváno, díky objevu elegantního spojení se separační technikou a tedy s možností studovat strukturní charakteristiky analytů ve složitějších směsích, nabrala hmotnostní spektrometrie na významu. Vzhledem k tomu, že spektrometrie nukleární magnetické rezonance tomuto napojení odolala z mnoha technických důvodů, tlak na hodnotnější strukturní informaci plynoucí z hmotnostních spekter se razantně zvýšil. Progres precizně soustružených hyperbolických kvadrupólů a ideálně modelované iontové pasti nakonec vyústil v oslavný nástup moderních vysokorozlišujících analyzátorů. Mít dostupný hmotnostní spektrometr s rozlišením atakujícím vyšší desítky tisíc s předřazenou separační technikou byl splněným snem všech analytiků.

Studované směsi mohly být stále komplexnější a s nástupem proteomiky a metabolomiky složitost předmětných soustav dosáhla instrumentálních limitů. Požadavky necílené analýzy směsí s mnoha tisíci analyty přes několik koncentračních řádů tlačilo a tlačí vývojáře hmotnostních spektrometrů k nutným vylepšením. A tlak je značný, neboť přichází se slibnými možnostmi zvyšování kvality našich životů od vědců, lékařů a farmaceutických expertů. I když se instrumentální rozvoj řídí zejména poptávkou po hlubším, přesnějším či rychlejším popisu systémů živých organismů, nově nachází mimořádné uplatnění i v chemickém a farmaceutickém průmyslu, v potravinářství či ve studiu a monitoringu životního prostředí.

Obr. 1: Trendy moderní léčby	Obr. 2: Hmotnostní spektrometrie v moderní léčbě

Složitost vzorků nemusí být dána jen komplexností směsi, ale též velikostí studovaných molekul. Zatímco v roce 1997 bylo v žebříčku deseti nejpoužívanějších léčivých látek deset „malých“ molekul (do MW 500), v roce 2023 to byly už jen tři. Nástup monoklonálních protilátek, fúzních proteinů, polypeptidů či oligonukleotidů byl vskutku mohutný. Bylo by to možné bez rozvoje instrumentace hmotnostní spektrometrie? A naopak, trošku kacířsky, nebrzdí náhodou výzkum a pokrok v léčbě závažných onemocnění samotná hmotnostní spektrometrie, která v objevování biomarkerů, léčivých látek a diagnostice hraje dominantní a zřejmě i nenahraditelnou roli? Tlak na vyšší rozlišení, větší rychlost, nižší detekční limity či větší dynamický rozsah přístrojů se zdá být enormní a neutuchající. Pro představu jeden příklad z nového oboru - imunopeptidomiky: Moderní přístup k léčbě rakoviny je vyvolání specifické imunitní reakce vedoucí k destrukci nádorové buňky, žádné jiné. Povrch nádorové buňky obsahuje patogenní polypeptid, tzv. neoantigen, který je třeba identifikovat (u každého jedince může být jiný), syntetizovat a podat léčenému ve formě vakcíny, která bouřlivou, ale cílenou imunitní reakci vyvolá. Identifikovat v tomto kontextu znamená hledat jehličku v kupce sena, tedy najít analyt v extrémně bohaté a koncentračně různorodé směsi a precizně jej charakterizovat tak, aby mohl být in-vitro syntetizován a poté podán.

Obr. 3: Imunopeptidomika

Thermo Fisher Scientific, jakožto lídr rozvoje hmotnostních spektrometrů, vsadil na cestu použití více analyzátorů a zpracování iontů v instrumentu paralelně. Vznikly tak komerční zařízení hybridního uspořádání s více analyzátory jako je kvadrupól, lineární iontová past, orbitální past a multi-reflexní analyzátor doby letu Astral. 

Absolutní novinkou na trhu je Stellar, hvězdný spektrometr, který kombinuje kvadrupólový analyzátor a lineární iontovou past. Stellar disponuje novým iontovým zdrojem OptaMax plus. Za zmínku stojí iontový zdroj pro kalibraci, který je zabudován do iontové optiky. Prvním analyzátorem je kvadrupólový analyzátor, který je schopný izolovat prekurzor až do 0,4 Da bez nutnosti optimalizace. Jako úplná novinka je iontově koncentrační multipól, který slouží pro fragmentaci a zároveň pro akumulaci produktových iontů. Koncentrace těchto iontů je řízena pomocí AGC (Automatic Gain Control), jako u Orbitrapu. Druhým analyzátorem je lineární iontová past, která je složena z vysokotlaké části, která slouží pro ukládání iontů, manipulaci iontových balíčků a fragmentaci pomocí CID, a nízkotlaké části, kde dochází k detekci iontů. Stellar je zlatý standard v cílené analýze bohatých směsí. Díky paralelizaci procesu výběru prekurzoru, jeho fragmentace a akumulace a analýzy celého fragmentačního spektra (PRM) nedochází k prodlevám při nastavení dalšího přechodu jako u trojitých kvadrupólů, navíc lineární iontová past disponuje mnohokrát vyšší skenovací rychlostí.

Orbitrap Astral není jen další přístroj ve vaší laboratoři. Je to průlom, který navždy změní vaše analytické schopnosti. Tento unikátní hybridní spektrometr, kombinující orbitální past a multi-reflexní průletový analyzátor, dosahuje dechberoucího rozlišení a rychlosti. S rozlišením až 480 000 FWHM (Orbitrap) a frekvencí sběru dat 200 spekter za sekundu (Astral) se stává nepostradatelným nástrojem pro každého, kdo touží po těch nejlepších výsledcích. Proč byste měli zvolit Orbitrap Astral? Protože jeho technologie není pouhým vylepšením – je to revoluce. Díky brilantní úpravě paralelních iontových zrcadel na konvergující s kompenzačními elektrodami a implementací nízko ztrátových iontových pastí, přináší Orbitrap Astral neporovnatelnou citlivost a přesnost. Tento přístroj řeší problém iontových aberací, které byly dosud Achillovou patou tradičních průletových analyzátorů. Nyní můžete s jistotou detekovat o 50 % více proteinových skupin ve stejném vzorku a čase než s jakýmkoliv jiným dostupným nástrojem.

Je čas udělat krok směrem k budoucnosti vědeckého výzkumu. Nečekejte, až vás konkurence předběhne – buďte vy tím, kdo udává směr.

Neváhejte nás kdykoliv kontaktovat: Ing. Lukáš Plaček, Ph.D. (placek@pragolab.cz), Ing. Roman Hájek, Ph.D. (hajek@pragolab.cz).

Obr. 4: Rozvoj instrumentace hmotnostní spektrometrie	Obr. 5: Hmotnostní spektrometry s nízkým rozlišením
Obr. 6: Hmotnostní spektrometry s vysokým rozlišením I.	Obr. 7: Hmotnostní spektrometry s vysokým rozlišením II.
Obr. 8: Hmotnostní spektrometr Stellar	Obr. 9: Hmotnostní spektrometr Orbitrap Astral