24 juin 2019

Rétrospective sur ASMS : Frank Dorman, Penn State

Frank Dorman, professeur agrégé de biochimie et de biologie moléculaire à la Penn State University, a parlé lors de notre petit-déjeuner-conférence de l’ASMS de son expérience avec notre Pegasus BT 4D GC×GC-TOFMS de paillasse pour analyser la contamination environnementale dans la rivière Susquehanna.

En raison de la complexité chimique croissante de l’environnement, le GC×GC-TOFMS, avec son analyse de composé non ciblé, est la technologie idéale pour ces échantillons complexes.

Dans sa présentation, Analyse de la contamination environnementale de la rivière Susquehanna, Frank détaille la contamination du bassin hydrographique. Ses recherches portent sur l’exposome et les molécules qui sont créées lorsque des matériaux artificiels interagissent avec lui. Comment pouvons-nous « découvrir » proactivement les problèmes d’exposition ? Les poissons contaminés sont les espèces indicatrices de référence pour cette analyse, et le suivi de leurs mutations ou de leurs maladies macro et microscopiques permet non seulement de déterminer la cause du problème, mais aussi de savoir comment le résoudre avant que la santé humaine ne soit affectée négativement. Les travaux en cours de l’équipe, à l’aide de la spectrométrie de masse à temps de vol par chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle, ont été un outil essentiel pour étudier cette question de manière approfondie.

Frank explique pourquoi il a choisi le GC×GC pour analyser ces échantillons ; plutôt qu’un LC ou un GC : « Ces extraits d’échantillons s’annoncent très complexes chimiquement, je vais donc utiliser le GC×GC. Pourquoi ? Parce que c’est le meilleur outil de séparation du laboratoire. Il a une bien meilleure capacité de pointe que le GC 1D, et tous les GC ont une capacité de pointe bien supérieure à celle de la chromatographie liquide. »

Cela signifie non seulement qu’ils sont capables d’identifier les éléments connus connus, mais également de découvrir des éléments inconnus connus dans l’échantillon, ce que les autres technologies ne parviennent pas à faire au même niveau. La séparation, la précision, le pouvoir de résolution, la déconvolution et la vitesse sont autant de critères essentiels pour caractériser des échantillons complexes ; Frank a employé notre système Pegasus BT 4D GC×GC-TOFMS de paillasse pour y parvenir.

« Le BT a une très bonne sensibilité. L’une de nos premières questions était : “D’accord BT, comment vas-tu digérer ce vilain échantillon de poisson ?” et je suis heureux de dire que ça fonctionne très bien. Il a la capacité (car c’est une source d’ionisation électronique standard) de gérer de grandes quantités de contaminants dans les extraits. »

Figure 1 Figure 2
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La sensibilité est capitale pour traiter ces échantillons complexes, car il n’y a aucun poisson « sain ». En outre, le logiciel ChromaTOF® de Pegasus BT 4D est conçu pour le traitement avancé des données de chromatographie comme celui-ci. Il comporte des outils comme le NonTarget Deconvolution®, le Target Analyte Find, les recherches dans la bibliothèque, et plus encore, pour identifier plus d’analytes qu’auparavant. En ce qui concerne les limites de détection, Frank explique que le BT 4D a pu surpasser de nombreux types de spectromètres de masse plus traditionnels, car ils étaient quelques ordres de grandeur plus pauvres en matière de limites de détection. De plus, si cette même analyse devait être tentée sur un seul quadripôle, les limites de détection en souffriraient encore plus. En comparaison, un triple quadripôle peut offrir des limites de détection relativement bonnes, mais il ne permet pas de rechercher des non-cibles. C’est là que le BT 4D démontre vraiment la force de ses données (Figure 1).

En examinant ces données, il est avant tout clair qu’elles ont pu atteindre des limites de détection de méthode dans une plage de dixièmes de nanogrammes par gramme, même sans pré-concentration d’échantillon. Deuxièmement, Frank nous rappelle que, bien que vous ayez l’habitude de voir des limites de détection un peu meilleures, ce sont des résultats très solides compte tenu du manque de préparation des échantillons. Ceci est un clin d’œil direct à la puissance chromatographique du Pegasus BT 4D. Frank et son équipe n’ont pas besoin de concentrer leurs échantillons, même s’il s’agit d’une matrice extraordinairement complexe de poisson entier : il suffit d’une simple extraction d’une minute, puis de retirer le solvant. Cela permet non seulement à son équipe de gagner du temps et d’augmenter sa productivité, mais aussi d’économiser de précieuses ressources de laboratoire.

L’utilisation des outils de traitement des données de ChromaTOF a permis de comparer les 50 principales fonctionnalités basées sur les ratios Fischer, après la comparaison statistique des échantillons analysés par rapport aux échantillons témoins (Figure 2). Comme vous pouvez le voir sur l’image précédente, il présente une séparation très claire entre trois groupes de poissons : les échantillons témoins, les échantillons malades de la rivière Juniata et les échantillons malades de la rivière West Branch. Le Pegasus BT 4D permet d’améliorer ces limites de détection et constitue un bon point de départ pour identifier ces cibles et inconnues non ciblées, sans avoir besoin de concentrer votre échantillon, sachant que la matrice de l’échantillon est très complexe.

Quelle direction faut-il prendre ? Pour aller plus loin dans ses recherches, Frank a utilisé l’analyse du GC×GC HR-TOFMS (Pegasus GC-HRT + 4D) pour découvrir des composés inconnus encore PLUS connus. Frank et son équipe veulent être en mesure d’identifier ces molécules, mais avec le GC×GC-TOFMS, ils ne trouvent qu’une poignée de cibles chez les poissons malades. C’est déroutant, mais Frank tient à rappeler que la principale zone d’intérêt a, en plus, une matrice de poisson massive et complexe. Frank explique que la haute résolution permet de résoudre encore davantage cette coélution et que sa spécificité permet à l’utilisateur de discriminer plus de molécules, en envisageant une ionisation alternative et une ionisation chimique (Figure 3).  

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 Figure 3
 Figure 4

De plus, le système HRT a pu identifier des dizaines d’organohalogènes en utilisant l’ionisation chimique négative (NCI, negative chemical ionization). L’utilisation de ce mode NCI a produit une ionisation douce (moins de fragmentation), des composés sélectifs (électrophiles), une fidélité presque parfaite (991/1000) et une amélioration globale de la sensibilité (Figure 4).

« Du point de vue d’un chimiste analytique, c’est génial... quand j’ai vu cette diapositive, j’avais le sourire jusqu’aux oreilles... ce n’est pas un manuel, c’est la RÉALITÉ. »

Frank et son groupe de recherche de Penn State continuent de creuser profondément le mystère qui entoure la contamination des poissons et les facteurs extérieurs qui la provoquent. Disposer de la puissance analytique fournie par le GC×GC-TOFMS en cours de route est la clé pour en savoir plus sur ce problème environnemental complexe.

Globalement, le GC×GC-TOFMS et le spectromètre de masse à temps de vol (TOFMS) haute résolution sont des outils précieux pour répondre à la question « Qu’y a-t-il d’autre dans mon échantillon ? ». Il ressort clairement des recherches de Frank que les composés non ciblés continuent d’avoir plus d’impact sur la corrélation des maladies que les cibles, et que ces technologies ouvrent la voie à une nouvelle méthodologie.

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