Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatograph Quadruple Mass Spectrometer for Plant Metabolite Analysis

Význam tématu

Analýza rostlinných metabolitů je klíčová pro pochopení biologických procesů, stresových reakcí rostlin, optimalizaci metabolického inženýrství a certifikaci geneticky modifikovaných potravin.
Rostlinné vzorky obsahují tisíce látek s velmi odlišnými koncentracemi, což vyžaduje ultravysokou separační účinnost a široký dynamický rozsah měření.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo ověřit schopnost dvourozměrné plynové chromatografie spojené s rychlým kvadrupólovým hmotnostním spektrometrem (GC×GC-QMS) pro komplexní analýzu metabolitů v cereáliích.
Testovány byly čtyři druhy: rýže (Oryza sativa subsp. japonica), japonská peněžnice (Echinochloa utilis), proso (Panicum miliaceum) a perlový proso (Setaria italica).

Použitá instrumentace

• Plynová chromatografie: Shimadzu GCMS-QP2010 Ultra
• GC×GC modulator: ZX1-GCxGC (Zoex Corp.)
• První kolona: DB-5, 30 m × 0,25 mm, film 1,0 µm
• Druhá kolona: BPX-50, 2,5 m × 0,10 mm, film 0,1 µm
• MS detektor: kvadrupól, režim EI, scan 50–500 m/z, rychlost až 20 000 u/s

Použitá metodika

Vzorky (~30 mg) extrahovány směsí vody, methanolu a chloroformu, přidána interní standardní směs.
Po fázi oddělení a vysušení pod dusíkem byl proveden TMS derivatizační krok s BSTFA při 80 °C po dobu 60 minut.
GC×GC analyza probíhala s rozdělovacím vstřikem 1:50, teplotní program od 100 °C ke 320 °C při 2 °C/min a modulací každých 6 sekund.

Hlavní výsledky a diskuse

Vyhodnocení šířky píků ukázalo, že QMS s rychlostí 50 Hz zachytil přes 100 ms široké chromatografické vrcholy bez ztráty informace.
Celkový počet detekovaných piků se pohyboval od 1 950 do 2 333, přičemž přes 89 % měřených spekter dosáhlo podobnosti nad 600 na standardních knihovnách.
GC×GC umožnila separaci látek, které na jednorozměrné koloně nesly oddělení.

Přínosy a praktické využití metody

GC×GC-QMS přináší zvýšenou schopnost rozlišení metabolitů i v komplexních rostlinných maticích.
Metoda je vhodná pro průmyslovou QA/QC kontrolu, výzkum metabolických drah, screening stresových markerů a certifikaci GMO potravin.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další zlepšení modulátorů pro ještě vyšší rozlišení druhé dimenze.
Integrace s vysokorozlišovacími analyzátory a pokročilou datovou analýzou (strojové učení) zpřesní identifikaci a kvantifikaci vzácných metabolitů.
Automatizace přípravy vzorků a datového zpracování usnadní rutinní aplikace v rostlinné biotechnologii a potravinářství.

Závěr

Studie prokázala, že GC×GC-QMS je robustní a rychlá metoda pro detailní analýzu tisíců rostlinných metabolitů s vysokou selektivitou a dynamickým rozsahem.
Uplatnění této techniky rozšíří možnosti výzkumu a průmyslových aplikací v oblasti rostlinné metabolomiky.

Reference

Shuichi Kawana a kol.: Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatograph Quadruple Mass Spectrometer for Plant Metabolite Analysis, ASMS 2012 ThP27-592