Nova tecnologia de espectrometria de massa pode transformar a análise de pequenas amostras

A espectrometria de massa é uma técnica poderosa que permite aos cientistas quebrar e identificar os blocos de construção de praticamente qualquer coisa medindo a massa das minúsculas partículas das quais algo é composto. Ela tem uma grande limitação, no entanto — cerca de 99% da amostra sendo medida é tipicamente perdida antes mesmo da análise começar.

Essa taxa de perda prejudica o potencial da tecnologia. Ela reduz a precisão e a sensibilidade, desperdiça recursos e complica a preparação da amostra, o que pode levar a erros adicionais. Mas isso pode não ser o caso por muito mais tempo.

Uma equipe de pesquisa da Universidade Brown desenvolveu um novo método para transferir os íons que os espectrômetros de massa analisam, reduzindo drasticamente a perda de amostras, de forma que quase todas elas permanecem intactas.

“A técnica convencional para produzir íons para espectrometria de massa, chamada ionização por eletrospray, envolve basicamente uma agulha muito afiada colocada bem na frente do espectrômetro de massa, atingindo-o com um campo elétrico que produz um jato de gotículas carregadas que eventualmente secam e produzem íons puros que chegam ao espectrômetro de massa a partir do ar livre”, disse Nicholas Drachman, um estudante de doutorado em física na Brown que liderou o trabalho.

“Basicamente, é um processo em que você realmente pulveriza sua amostra em todo lugar para produzir esses íons e coloca apenas uma pequena porção deles no vácuo do espectrômetro de massa para análise. Nossa abordagem ignora tudo isso.”

Chamado de fonte de íons nanopore, o avanço supera um impasse de longa data na ciência e tem o potencial de revolucionar a tecnologia de espectrometria de massa. A equipe Brown descreve a nova inovação em Comunicações da Natureza.

A chave é um pequeno capilar que os pesquisadores desenvolveram que tem uma abertura de cerca de 30 nanômetros de diâmetro — aproximadamente 1.000 vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano. Para efeito de comparação, a agulha convencional usada em eletrospray tem uma abertura de cerca de 20 micrômetros de diâmetro, que é cerca de 600 vezes maior que o tubo desenvolvido em Brown.

O novo nanotubo também tem a capacidade única de transferir íons dissolvidos em água diretamente para o vácuo de um espectrômetro de massa, em vez de produzir um spray de gotículas que devem ser secas para acessar os íons.

Além disso, espectrômetros de massa convencionais normalmente atraem uma quantidade significativa de gás junto com os íons durante o processo, necessitando de vários estágios de bombas de vácuo para puxar os íons. A nova descoberta significa que o gás não precisará ser bombeado para fora, porque ele não será sugado para dentro, de acordo com os pesquisadores.

“Em vez de colocá-lo na frente de um espectrômetro de massa e gerar esse spray de gotículas, nós apenas o colocamos diretamente no espectrômetro de massa, pulando esse processo bagunçado de spray, secagem e vácuo”, disse Drachman. “Ao gerar íons no vácuo diretamente, ele reduz drasticamente os requisitos de bombeamento, o que deve simplificar significativamente o hardware complexo dos espectrômetros de massa.”

A equipe Brown foi inspirada pelo sequenciamento de nanoporos no DNA e prevê comercializar sua ideia para uso generalizado por pesquisadores de proteínas, inclusive para o objetivo há muito buscado de sequenciar proteínas um aminoácido por vez.

“A espectrometria de massa é a melhor maneira de observar proteínas, que são compostas de aminoácidos que têm todos os tipos de propriedades químicas e físicas diferentes, porque ela pode diferenciá-las pela massa de seus íons com alta certeza”, disse Derek Stein, professor de física na Brown e autor do artigo.

“A proteômica não viu os mesmos avanços que a genômica nas últimas duas décadas, e então tem havido essa fome por uma tecnologia que possa melhorar a análise de proteínas. Ao se livrar desse problema de perda de amostra, isso deve permitir que essas análises muito mais sensíveis sejam possíveis, como sequenciar os aminoácidos em uma molécula de proteína um por um e em ordem sequencial. Essa é a ideia de céu azul que motivou nosso trabalho.”

A equipe passou os últimos 10 anos trabalhando no novo método. Eles começaram projetando sob medida seu próprio espectrômetro de massa que poderia abrigar a fonte de íons exclusiva em um vácuo, diferente dos designs tradicionais em que a fonte de íons é separada do dispositivo e fica ao ar livre.

A equipe construiu o componente principal do seu dispositivo de transferência usando uma máquina especial para aquecer um tubo de vidro no meio e então separá-lo delicadamente para criar uma abertura extremamente pequena na ponta, invisível a olho nu.

Tentativa e erro desempenharam um papel significativo no processo, muitas vezes levando a semanas de frustração enquanto trabalhavam para fazer tudo funcionar de forma consistente na ponta do capilar, que é muito pequeno para ser inspecionado a olho nu.

“Houve algumas semanas em que não sabíamos se éramos amaldiçoados pelo próprio Deus ou algo assim — as coisas simplesmente pararam de funcionar”, disse Stein. “Outras semanas, tudo funcionou brilhantemente.”

A persistência da equipe valeu a pena. Eles demonstraram com sucesso que a análise de íons com seu novo método de transferência corresponde às detecções feitas usando métodos tradicionais, mas com muito menos perda de amostra, oferecendo uma maneira mais eficiente e precisa de analisar partículas minúsculas.

“Precisávamos convencer as pessoas na área de proteômica de que podemos gerar o mesmo tipo de íons que eles estão acostumados a gerar por eletrospray convencional — e que podemos fazer isso de uma maneira diferente e, acreditamos, melhor”, disse Drachman.

A análise descrita no artigo serve como uma prova de conceito para o método. Em seguida, os pesquisadores pretendem desbloquear todo o potencial de sua fonte de íons nanopore.

“Precisamos mostrar que isso pode melhorar o fluxo de trabalho de análises proteômicas”, disse Drachman. “Gostaríamos de levar isso para o próximo nível e fazer algo que irá melhorar a ciência dos pesquisadores em todo o campo.”