SUPERVISOR
Taghi Khayamian
تقی خیامیان (استاد راهنما)
STUDENT
Nadereh Arabzadeh
نادره عرب زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Design and Construction Pneumatically Assisted Electrospray (Ion Spray) for analyzing intact proteins using Ion mobility spectrometry
In this thesis, the quantitative analysis of intact proteins using ion mobility spectrometry was introduced for the first time. Also, Pneumatically assisted electrospray (Ion Spray) ionization source for using in the ion mobility spectrometer was designed and Constructed. In the proteomics studies, after recognition of proteins, measurement of their concentration is of great importance. There are two significant methods for quantitative analyses of proteins. One of them, intact protein analysis (without their transformation into peptides) and the other is digestion of proteins to their peptide composers followed by their measurement. In this thesis, the first method was used for quantitative analyses of insulin protein with relatively low molecular weight (about 6000 Dalton) and albumin protein as bovin serum albumin and human serum albumin with high molecular weight (about 67000 Dalton). Mobile phase flow rate and nebulizing gas flow rate parameters were optimized in order to achieve the highest response (sensitivity). In the analysis of each one of these proteins, a mixture of water and methanol (1:1) was used as solvent and mobile phase. Then pH of each one of these solutions was decreased about 1 unit below the isoelectric pH of proteins using acetic acid, not only for better solubility, but also for having capability of analysis in the positive mode of ion mobility spectrometer. Initially, insulin was considered. Ion mobility spectrum was compared with electrospray and ion spray ionization source, and results clearly showed the effect of nebulizing gas in the ion spray on the signal intensities. This significant increase is due to formation of very small aerosols of big clusters from proteins together with solvent in the presence of nitrogen nebulizing gas. Existing of multiply charged states was demonstrated by comparison of two-dimensional mass and ion mobility spectra reported in the papers. The values of reduced mobility resulting from insulin verifies the presence of +3, +4 and +5 states, that it is because of protonable amino acids in insulin protein. Then quantitative analysis of insulin was performed under optimized ion spray condition. In each case, ion mobility spectra was recorded from its appearance to obscurity. Then with using Matlab software, averaging the spectra was performed, background correction was carried out and the integral of area below the peak was recorded as instrument response. In the case of insulin, linear range was 0.2-13 ?M and detection limit was 0.05 ?M. Two additional proteins were analyzed similarly. The influence of nebulizer gas in these two proteins which their molecular weights are higher than insulin was more clearly. The linear range of bovin serum albumin was 0.075-1.5 ?M and its detection limit was 0.02 ?M, and in the case of human serum albumin, linear range was 0.03-1.5 ?M and detection limit was 0.009 ?M. Considering these represented results, it is expected that this protein analysis method with advantages such as simplicity, fast response, suitable detection limit and linear dynamic rang be used for quantitative analysis of biomarker proteins in biological fluids.
در این پایان¬نامه برای اولین بار آنالیز کمی پروتئینها بدون تبدیل آنها به پپتید به روش اسپکترومتری تحرک یونی معرفی می¬شود. همچنین منبع یونیزاسیون یون اسپری (الکترواسپری تقویت شده با گاز مه پاشی) جهت استفاده در اسپکترومتر تحرک یونی طراحی و ساخته شد. در مطالعات پروتئومیکس، پس از شناسایی پروتئینها اندازه¬گیری غلظت آنها بسیار حائز اهمیت است. دو روش عمده برای آنالیز کمی پروتئینها وجود دارد. یک روش، آنالیز پروتئین به صورت اصلی (بدون تبدیل به پپتید) و روش دیگر هضم پروتئین به پپتیدهای سازندهی آن و سپس اندازهگیری آنها است. در این پایان نامه، روش اول برای آنالیز کمی پروتئین انسولین با وزن مولکولی نسبتاً کم (حدود6000 دالتون) و پروتئین آلبومین به دو فرم سرم آلبومین گاوی و سرم آلبومین انسانی با وزن مولکولی بالا (حدود67000 دالتون) مورد استفاده قرار گرفت. به همین منظور سیستم یونیزاسیون الکترواسپری تقویت شده با گاز مه¬پاشی (یون¬اسپری) برای دستگاه طیف¬سنج تحرک یونی طراحی و ساخته شد. پارامترهای سرعت جریان فاز متحرک و سرعت جریان گاز مه پاشی برای کسب بالاترین پاسخ دستگاه (حساسیت) بهینه گردید. در آنالیز هر یک از این پروتئینها از مخلوطی از آب ومتانول (1:1) به عنوان حلال و فاز متحرک استفاده شد و سپس pH هر یک از محلولها با استفاده از استیک اسید تا حدود 1واحد زیر pH ایزوالکتریک پروتئینها کاهش یافت تا علاوه بر انحلال بهتر، قابلیت آنالیز در مد مثبت طیف سنج تحرک یونی را داشته باشد. ابتدا انسولین مورد آنالیز قرار گرفت. طیف تحرک یونی حاصل از دستگاه طیف سنج تحرک یونی با منبع یونیزاسیون الکترواسپری و یون اسپری مقایسه شد که به خوبی نشان دهنده اثر گاز مه پاشی در سیستم یون اسپری بر شدت سیگنالهااست. علت این افزایش قابل توجه، تشکیل آئروسلهای بسیار ریز از کلاسترهای درشت حاصل از پروتئین به همراه حلال در حضور گاز مه پاشی نیتروژن است. حضور یونهای باردار چندگانه توسط مقایسه با طیف دو بعدی جرمی وتحرک یونی ارائه شده در مقالات به اثبات رسید. مقادیر تحرک کاهش یافته حاصل شده در مورد انسولین حضور حالت های باردار 3+،4+،5+ را تأیید می¬کند که ناشی از حضور آمینواسیدهایی با قابلیت پروتونه شدن در پروتئین انسولین است. سپس آنالیز کمی انسولین تحت شرایط بهینه یون اسپری انجام گرفت. در هر آنالیز طیف تحرک یونی از لحظه ظهور تا لحظه محو شدن ثبت گردید. سپس توسط نرم افزار مطلب میانگینگیری از طیفها به عمل آمد، اصلاح زمینه انجام شد و انتگرال سطح زیر این پیک به عنوان پاسخ دستگاه ثبت گردید. در مورد انسولین گستره خطی 13- 2/0 میکرومولار و حد تشخیص 05/0 میکرو مولار به دست آمد. دو پروتئین دیگر نیز به همین صورت مورد آنالیز قرار گرفتند. اثر گاز مه¬پاشی در مورد این دو پروتئین که وزن مولکولی بالاتری دارند، بارزتر بود. در مورد سرم آلبومین گاوی گستره خطی 5/1- 075/0 میکرومولار و حد¬تشخیص 02/0 میکرومولار و در مورد سرم آلبومین انسانی گستره خطی 5/1-03/0 میکرومولار و حد تشخیص 009/0 میکرومولار به دست آمد. با توجه به نتایج ارائه شده میتوان انتظار داشت که این شیوه آنالیز پروتئین با مزیت سادگی، پاسخ دهی سریع، حد تشخیص و گستره خطی مناسب، برای آنالیز کمی پروتئینهای نشانگر بیماری در سیالات بیولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد.