將等效的微型Tornado添加到電噴霧離子化（ESI）電離源和質(zhì)譜儀（MS）之間的界面，使研究人員能夠提高廣泛使用的ESI-MS分析技術(shù)的靈敏度和檢測能力。蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)等領(lǐng)域都將從這項(xiàng)新技術(shù)中受益，這項(xiàng)新技術(shù)還能夠?yàn)樯镝t(yī)學(xué)和健康應(yīng)用提供服務(wù)，其范圍包括從生物標(biāo)志物檢測和診斷到藥物研發(fā)和分子醫(yī)學(xué)。

該圖表示了DRILL設(shè)備如何用精心設(shè)計(jì)的渦流將離子傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀時的工作原理

被稱為干離子定位和運(yùn)動（DRILL）的新設(shè)備能夠產(chǎn)生渦流，這種渦流可根據(jù)其尺寸分離電噴霧液滴。這種應(yīng)用中，DRILL的許多潛在用途之一就是將較小的液滴引入質(zhì)譜儀，而較大的液滴仍然含有溶劑，直到溶劑蒸發(fā)為止再進(jìn)入質(zhì)譜儀。去除溶劑可分析當(dāng)前技術(shù)可能丟失的附加離子，并減少抑制質(zhì)譜儀選擇性的化學(xué)“噪聲”。

佐治亞理工大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院助理教授馬修？托雷斯（Matthew Torres）表示：“用質(zhì)譜技術(shù)檢測少量生物分子的主要挑戰(zhàn)是看不到樣品中的所有東西。設(shè)備DRILL為我們提供了一種解決這個問題的新方法，這種方法可以增加進(jìn)入質(zhì)譜儀的離子數(shù)量，使我們可以更有效地檢測這些離子。雖然現(xiàn)在更多的離子進(jìn)入質(zhì)譜儀，但有些離子質(zhì)譜儀不一定可以處理。”

在北卡羅來納州立大學(xué)的支持下，佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)，這種新技術(shù)是將DRILL添加到現(xiàn)有的電噴霧質(zhì)譜儀中，無需修改。

喬治亞理工學(xué)院Woodruff機(jī)械工程學(xué)院教授Andrei Fedorov解釋說：“這種新技術(shù)的原理是讓液滴旋轉(zhuǎn)并使用慣性將其分離出來。 我們希望液滴旋轉(zhuǎn)足夠長的時間以除去溶劑。事實(shí)上，較小的液滴停留在渦流中心，在那里它們可以首先被去除并用于分析，而較大的液滴停留在渦流的邊緣，直到它們被干燥為止。

DRILL的關(guān)鍵思想是基于Fedorov發(fā)明的“限制/聚焦渦流流量傳輸結(jié)構(gòu)，質(zhì)譜系統(tǒng)和傳輸粒子，液滴和離子的方法”（美國專利號7，595，487）。在過去三年中，DRILL設(shè)備已經(jīng)在美國國立衛(wèi)生研究院國家綜合醫(yī)學(xué)研究所的支持下開發(fā)，最新版本于6月14日在美國化學(xué)學(xué)會雜志“分析化學(xué)”上發(fā)表。

在電噴霧電離（ESI）中，電位被施加到毛細(xì)管內(nèi)部的溶液中，在噴霧毛細(xì)管尖端產(chǎn)生強(qiáng)電場。這導(dǎo)致含有待分析分子的帶電液滴的氣溶膠的排出。噴射的液滴然后分解成更小的液滴，產(chǎn)生羽流，其空間上膨脹超過質(zhì)譜儀的入口進(jìn)氣容量，導(dǎo)致樣品損失。 DRILL設(shè)備提供了一個有效的接口，用于從電離源（如ESI）收集和傳輸帶電分析物到檢測設(shè)備（如質(zhì)譜儀），從而顯著提高檢測能力。

目前使用現(xiàn)有ESI-MS技術(shù)的分析方法，大分子生物聚合物（蛋白質(zhì)，肽和DNA）已經(jīng)減少了80%至90%，這些技術(shù)對生命科學(xué)界的重要性日益增長。托雷斯說，捕獲所有生物聚合物可能會導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)，他們的實(shí)驗(yàn)室研究了蛋白質(zhì)翻譯后的變化。通過允許分析生物大分子，DRILL可以促進(jìn)自上而下的蛋白質(zhì)組學(xué)研究，其中包括研究完整的蛋白質(zhì)分子，而不需要在MS分析之前將其分解成較小的片段。

托雷斯說：“這可能使我們看到單一蛋白質(zhì)分子上存在的組合修飾，對我們來說，了解蛋白質(zhì)之間如何相互溝通非常重要，而DRILL可能會讓我們更有效地從這些類型的樣品中去除溶劑。”

佐治亞理工大學(xué)的研究人員在其實(shí)驗(yàn)室中在液相色譜與ESI-MS界面之間使用了DRILL。 Fedorov指出，多個電極和入口/出口端口能夠精確控制鉆孔內(nèi)部的流動產(chǎn)生和引導(dǎo)電場，因此該設(shè)備可以配置為各種用途。在一定程度上，DRILL增加了一種操縱帶電液滴軌跡的新方法，當(dāng)流體動力的拖曳力和電場力組合時，可提供豐富的操作模式。

在檢測血管緊張素I（一種肽激素）時，DRILL可以將信噪比提高10倍，并能夠?qū)⒀芫o張素II的檢測靈敏度提高十倍至皮摩爾水平。包括檢測生物組織提取物中九種肽中的八種時，DRILL都顯示出良好的信號強(qiáng)度  -高達(dá)700倍。

DRILL可能潛在地允許研究整個細(xì)胞內(nèi)容物，同時分析數(shù)千種不同的分子類型。這可能使研究人員看到這些分子隨著時間推移如何變化，以檢測化學(xué)途徑中的問題，并確定為什么藥物對某些人起效，而對另一些人不起效。

托雷斯補(bǔ)充說：“對于生物學(xué)家和那些對蛋白質(zhì)生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)有興趣的人來說，這可能是一個巨大的進(jìn)步，因?yàn)樗岣吡朔治黾夹g(shù)的靈敏度，克服了研究生物大分子的主要障礙。我們期待能夠看到以前看不到的東西。”

佐治亞理工大學(xué)研究人員與北卡羅來納州立大學(xué)化學(xué)系教授David Muddiman合作開發(fā)了DRILL并用最先進(jìn)的質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)對其分析表征。北卡羅來納州立大學(xué)研究人員的獨(dú)特貢獻(xiàn)是使用一種稱為“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的強(qiáng)大統(tǒng)計(jì)方法指導(dǎo)DRILL設(shè)備的多參數(shù)優(yōu)化，從而確定最佳操作的最佳點(diǎn)。

Fedorov和Torres希望擴(kuò)大在格魯吉亞理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室之外的DRILL設(shè)備的使用范圍，并進(jìn)一步改進(jìn)其設(shè)計(jì)。近期計(jì)劃改進(jìn)之一是加入內(nèi)部加熱以加速溶劑的去除。 Fedorov說：“我們將會看到許多其他改進(jìn)措施使DRILL能夠進(jìn)一步增強(qiáng)ESI-MS過程。隨著更多實(shí)驗(yàn)室開始使用該設(shè)備，我們計(jì)劃不斷改進(jìn)DRILL。”