Optimization of the Astral detection system: Enabling high linear dynamic range and single ion sensitivity for deep proteome coverage

Význam tématu

V oblasti proteomiky se zvyšuje poptávka po instrumentaci schopné analýzy velmi malých vzorků při zachování vysokého dynamického rozsahu a citlivosti. Optimalizace detekčního systému je klíčová pro hluboké pokrytí proteomu, především v aplikacích jako single-cell proteomika či rozsáhlé kohortové studie.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřila na úpravu detekčního systému hmotnostního spektrometru Thermo Scientific Orbitrap Astral s cílem dosáhnout:

• vysokého lineárního dynamického rozsahu minimálně 1:1000,
• citlivosti na úrovni detekce jednotlivých iontů,
• optimálního poměru signál/šum pro hlubokou proteomovou analýzu.

Použitá metodika

Pro kalibraci detekčního systému byla využita specifická metoda mírného odladění asymetrického iontového zrcadla Astralu. Defokusem iontového svazku vznikají diskrétní impulsy jednotlivých iontů, jejichž plocha je měřena v závislosti na napětí detektoru. Detekční prahová hodnota v ADC je nastavena na 6σ nad elektronickým šumem, což minimalizuje falešné signály a zachovává potřebný dynamický rozsah.

Použitá instrumentace

Hlavní prvky měřícího systému:

• Orbitrap Astral Analyzer s dráhovým prodloužením mezi iontovými zrcadly,
• post-akcelerační elektroda s MTOF detektorem El-Mul,
• scintilační plocha a photomultiplier tube (PMT) s ziskem ~10^5,
• duální předzesilovač (gain ratio 1:10) a 14bitový analogově-digitální převodník (ADC).

Hlavní výsledky a diskuse

Detektor byl optimalizován na dosažení průměrné plochy signálu jednotlivého iontu 15 mV·ns, což při šumové ploše 5,8 mV·ns poskytuje poměr signál/šum 2,6. Dynamický rozsah systému zůstal nad 1:1000. Detekční pravděpodobnost se ustálila kolem 85 %, což bylo ověřeno LC-MS analýzami HeLa vzorků s různými zatíženími:

• Při 100 ng nebyla identifikace peptidů ovlivněna změnou detekční pravděpodobnosti.
• Při 10 ng došlo k poklesu identifikací při detekční pravděpodobnosti pod 80 %.

Přínosy a praktické využití metody

Díky úspěšné kalibraci a optimalizaci detekčního systému nabízí Astral analyzer:

• zvýšenou citlivost pro nízké vzorkové množství,
• rozšířený dynamický rozsah pro kvantitativní analýzu složitých vzorků,
• lepší separaci signálu od šumu pro spolehlivou detekci stopových složek.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje zahrnují:

• integraci umělé inteligence pro dynamickou optimalizaci detekčních parametrů,
• další zdokonalení fotonásobičů a scintilačních materiálů pro vyšší zisk,
• rozšíření aplikací na single-cell a mikrobiální proteomiku.

Závěr

Správná kalibrace a optimalizace Astral detekčního systému umožňuje kombinovat vysoký dynamický rozsah s citlivostí na úrovni jednotlivých iontů. Výsledná konfigurace podporuje hluboké a spolehlivé proteomické analýzy i při nízkých vstupních dávkách vzorku.

Reference

1. Grinfeld D., Makarov A. Multi-reflection mass spectrometer. US Patent US9136102B2.
2. Stewart H. et al. Parallelized Acquisition of Orbitrap and Astral Analyzers Enables High-Throughput Quantitative Analysis. Anal. Chem. 2023, 95(42):15656–15664.
3. Stewart H., Petzoldt J., Hagedorn B., Grinfeld D. Method of gain calibration. US Patent US20220367165A1.