Modular system for the direct detection of biomolecules by low-temperature plasma ionization coupled to a mass spectrometry analyzer
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und technische Umsetzung eines modularen Massenspektrometers, welches so weit wie möglich auf die Verwendung kostengünstiger Komponenten und allgemein verfügbarer Bauteile setzt und dessen Spezialisierung auf ‚opendevelopment‘ Architekturen basiert. Letzteres bedeutet, dass die instrumentelle Weiterentwicklung im Rahmen des Vorhabens maßgeblich auf eine niederschwellige Zugriffs- und Verteilungsstrategie der fertigen Geräte abzielte. Dies wurde erreicht, indem Software in allgemein gebräuchlichen Sprachen ohne kostenpflichtige proprietäre Compiler verfasst und über offene Repositorien verbreitet wurde und spezialisierte Hardware für Montage und Kopplung der einzelnen Komponenten weitestgehend mittels kommerziellen 3D-Druckern additiv aus Kunststoffen gefertigt wurden. Die entsprechenden Modelle wurden ebenfalls der Öffentlichkeit in offenen Repositorien verfügbar gemacht. Dieser offene Entwicklungsansatz soll den Zugang zu massenspektrometrischen Messverfahren für ein möglichst breites Zielpublikum ebnen. Dies können Wissenschaftler in finanziell weniger gut ausgestatteten Regionen bzw. Institutionen, Firmen, benachbarte Wissenschaften aber auch Privatpersonen sein. Dieser Ansatz der ‚citizen science‘ erlaubt den Einsatz dieser etablierten Technik von einer möglichst großen Expertenbasis, was sowohl hinsichtlich der Nutzung als auch der Weiterentwicklung der Methode Multiplikator-Funktion erzielt. Als weiteres Ziel wurde ein kompaktes System angestrebt, sodass zu der Reduktion der Anschaffungs- und Betriebskosten auch ein mobiler Einsatz möglich ist. Als Anwendungsbeispiel wurde die bildgebende Massenspektrometrie von Pflanzenschnitten gewählt, stellvertretend für andere Bereiche, die von einer portablen, günstigen MS-Analytik mit Kompromissen hinsichtlich Massenauflösung und Empfindlichkeit profitieren. Das Gerät wurde zudem an ein Pflanzenwachstumsexperiment gekoppelt, und konnte somit den Lebenszyklus einer Pflanze über in-situ headspace-Analytik verfolgen. Die einzelnen Komponenten des fertiggestellten Versuchsaufbaus waren: - Ein Restgasanalysator (zugekauft) - Einlass und Pumpzufuhr (Standardkomponenten) - Ionenquelle (3D-Druck und selbstentwickelte Elektronik) - XYZ-imaging Stage (Umfunktionierter 3D-Drucker) - Laserablationseinheit (Laserpointer mit Standardoptikkomponenten) - Ionenmobilitätszelle (Teilweise 3D-Druck) - Steuerungssoftware (selbstgeschrieben) - IMS-MS Software (Hadamard-Transform) (selbstgeschrieben) - Datenbank-Software (selbstgeschrieben) - Bildgebende-Spektren-Analytik (selbstgeschrieben) Sämtliche Ergebnisse und Software-tools sind offen publiziert und bereitgestellt, Anwendungsbeispiele sind in peer-reviewed Zeitschriften veröffentlicht, mehrere Promotionen sind in Mexiko mit der Instrumentierung erfolgreich verlaufen.
Publications
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In vivo monitoring of nicotine biosynthesis in tobacco leaves by low-temperature plasma mass spectrometry. Talanta, 185, 324-327.
Martínez-Jarquín, Sandra; Herrera-Ubaldo, Humberto; de Folter, Stefan & Winkler, Robert
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Elucidating the Distribution of Plant Metabolites from Native Tissues with Laser Desorption Low-Temperature Plasma Mass Spectrometry Imaging. Analytical Chemistry, 91(4), 2734-2743.
Moreno-Pedraza, Abigail; Rosas-Román, Ignacio; Garcia-Rojas, Nancy Shyrley; Guillén-Alonso, Héctor; Ovando-Vázquez, Cesaré; Díaz-Ramírez, David; Cuevas-Contreras, Jessica; Vergara, Fredd; Marsch-Martínez, Nayelli; Molina-Torres, Jorge & Winkler, Robert
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Laser Desorption Low-Temperature Plasma Mass Spectrometry Imaging (LD-LTP MSI) of San Pedro Cactus
Robert Winkler; Ignacio Rosas-Román; Nancy Shyrley Garcia-Rojas; Héctor Guillén-Alonso; Cesaré Ovando-Vázquez; David Díaz-Ramírez; Jessica Cuevas-Contreras; Fredd Vergara; Nayelli Marsch-Martínez & Jorge Molina-Torres
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Mass spectrometry imaging of thin-layer chromatography plates using laser desorption/low-temperature plasma ionisation. The Analyst, 145(11), 3885-3891.
García-Rojas, Nancy Shyrley; Moreno-Pedraza, Abigail; Rosas-Román, Ignacio; Ramírez-Chávez, Enrique; Molina-Torres, Jorge & Winkler, Robert
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Open LabBot and RmsiGUI: Community development kit for sampling automation and ambient imaging. Microchemical Journal, 152, 104343.
Rosas-Román, Ignacio; Ovando-Vázquez, Cesarè; Moreno-Pedraza, Abigail; Guillén-Alonso, Hèctor & Winkler, Robert
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Contrast optimization of mass spectrometry imaging (MSI) data visualization by threshold intensity quantization (TrIQ). PeerJ Computer Science, 7, e585.
Rosas-Román, Ignacio & Winkler, Robert
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The emerging role of 3D-printing in ion mobility spectrometry and mass spectrometry. Analytical Methods, 13(7), 852-861.
Guillén-Alonso, Héctor; Rosas-Román, Ignacio & Winkler, Robert
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Unsupervised Reconstruction of Analyte-Specific Mass Spectra Based on Time-Domain Morphology with a Modified Cross-Correlation Approach. Analytical Chemistry, 93(12), 5009-5014.
You, Yi; Song, Linxia; Young, Montwaun D.; van der Wielen, Matthew; Evans-Nguyen, Theresa; Riedel, Jens & Shelley, Jacob T.
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MoBiMS: A modular miniature mass analyzer for the real-time monitoring of gases and volatile compounds in biological systems. Microchemical Journal, 175, 107090.
Alcalde-Vázquez, Raúl; Moreno-Pedraza, Abigail; Rosas-Román, Ignacio; Guillén-Alonso, Héctor; Riedel, Jens; Partida-Martínez, Laila Pamela & Winkler, Robert
