La désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI) est depuis longtemps reconnue comme une méthode d’ionisation puissante pour les composés de masse moléculaire élevée, tels que les protéines et les polymères synthétiques. En réalité, la MALDI est une technique extrêmement polyvalente, capable d’ioniser des analytes allant de très petites molécules de masse moléculaire inférieure à 100 Da jusqu’à des macromolécules dépassant 100 000 Da.
Ce qui distingue le NewSpiralTOF, c’est sa capacité à fournir des mesures propres et très sensibles dans la région des faibles masses, où les systèmes conventionnels de spectrométrie de masse MALDI TOF à réflectron souffrent souvent d’un bruit chimique dû aux fragments issus de la désintégration post-source (PSD, Post-Source Decay) des ions agrégats de matrice.
Comme l’optique ionique du SpiralTOF est constituée de secteurs électrostatiques, les ions de faible énergie cinétique générés par la PSD sont efficacement éliminés avant d’atteindre le détecteur. Il en résulte un spectre de masse pratiquement exempt de bruit chimique dans la région des faibles masses, permettant des mesures de masse de petites molécules à la fois très sensibles et très précises.

Cet avantage est clairement démontré par l’analyse de la méthyléphédrine dans l’urine humaine après administration d’un médicament contre le rhume contenant du chlorhydrate de dl-méthyléphédrine. Même après un simple traitement de dessalage, le NewSpiralTOF a permis de détecter clairement l’ion protoné de la méthyléphédrine et d’atteindre une erreur de masse de seulement 0,0003 u (1,7 ppm).

Une longueur de trajet ionique plus importante ne se contente pas d’améliorer les performances dans des conditions idéales. Elle améliore également l’utilisation quotidienne de l’instrument en réduisant l’impact des irrégularités de surface des échantillons, telles que la morphologie des cristaux de matrice sur une cible MALDI ou les variations de surface rencontrées lors des analyses d’imagerie de masse.
Cette robustesse facilite l’obtention de données fiables, reproductibles et de haute qualité, même dans des conditions expérimentales réelles.

Le système d’optique ionique SpiralTOF, constitué de secteurs électrostatiques, agit également comme un filtre énergétique. Les ions fragments générés par la désintégration post-source (PSD, Post-Source Decay) sont ainsi empêchés de traverser l’analyseur.
Cette caractéristique est à l’origine du très faible niveau de bruit chimique observé dans la région des faibles masses et explique les performances remarquables du NewSpiralTOF pour l’analyse des petites molécules, offrant une meilleure sensibilité et une plus grande fiabilité des mesures.

En imagerie par spectrométrie de masse MALDI (MALDI-MSI), les molécules sont visualisées directement au sein d’un échantillon. Pour cela, la surface de l’échantillon est recouverte d’une matrice, puis balayée par un faisceau laser. Un spectre de masse est acquis à chaque position analysée.
Cette approche permet de cartographier la distribution spatiale des molécules et de déterminer leur abondance relative au sein d’une coupe tissulaire ou de toute autre surface d’échantillon. Il devient ainsi possible de visualiser précisément où se trouvent des molécules spécifiques et d’évaluer leur concentration dans les différentes régions analysées.
Grâce à la combinaison d’une imagerie à grande vitesse et d’une haute résolution de masse, le NewSpiralTOF fournit des images moléculaires détaillées et fiables, facilitant l’étude de la composition chimique et de l’organisation moléculaire des échantillons biologiques et des matériaux.

Grâce à sa longueur de trajet ionique de 17 mètres, le NewSpiralTOF offre une haute résolution de masse même lors de l’analyse de coupes de tissus biologiques présentant des conditions de surface non uniformes.
Lors de l’analyse d’environ la moitié d’un cerveau de souris sur une zone d’environ 5 × 7 mm, le système a atteint une résolution de masse moyenne d’environ 40 000 dans le spectre de masse moyen obtenu.
Cette puissance de résolution élevée a permis de distinguer des espèces lipidiques isobares — c’est-à-dire possédant des masses très proches — telles que la phosphatidylcholine (PC), la phosphatidyléthanolamine (PE) et le galactosylcéramide (GalCer).

Cette séparation efficace a rendu possible l’obtention de la distribution spatiale correcte de chacune de ces molécules au sein du tissu analysé, garantissant ainsi une interprétation plus précise des données d’imagerie moléculaire.

JEOL possède une longue tradition d’innovation dans le traitement d’images, héritée de son expertise de premier plan dans le domaine de la microscopie électronique. S’appuyant sur ce savoir-faire, l’entreprise a adapté sa technologie d’amélioration d’image basée sur l’intelligence artificielle LIVE-AI (Live Image Visual Enhancer-AI), initialement développée pour la microscopie électronique à balayage (SEM), au traitement des données d’imagerie par spectrométrie de masse.
Cette technologie a été intégrée sous la forme du filtre FINE-AI, permettant une amélioration significative de la netteté, de la qualité visuelle et de l’interprétation des images de masse.

Grâce à la haute résolution de masse du NewSpiralTOF, plus de 100 espèces lipidiques ont pu être détectées dans des coupes de cerveau de souris. Toutefois, l’analyse individuelle de la distribution de chaque lipide est peu pratique et difficile à interpréter.
Pour extraire des informations biologiquement pertinentes, il est nécessaire d’utiliser des outils statistiques capables d’identifier des groupes de composés présentant des variations similaires et de résumer efficacement des ensembles de données complexes.
Afin de répondre à ce besoin, le logiciel intègre la méthode VCA (Vertex Component Analysis). Cette approche modélise l’ensemble des spectres d’un jeu de données d’imagerie de masse comme des mélanges d’un nombre limité de « composantes sommets » (vertex components) représentatives.
Par rapport à des méthodes telles que l’analyse en composantes principales (ACP/PCA), la VCA fournit des résultats plus faciles à interpréter et obtenus en moins de temps. Cependant, cette méthode étant sensible au bruit, son efficacité est considérablement améliorée lorsqu’elle est appliquée après un traitement de débruitage réalisé avec le filtre FINE-AI.
Dans l’exemple présenté, cette combinaison entre le filtrage basé sur l’IA et l’analyse VCA a permis de mettre en évidence trois composantes sommets majeures caractérisant la distribution des lipides dans le tissu cérébral de souris, facilitant ainsi l’identification des principales structures moléculaires présentes dans l’échantillon.

L’option TOF-TOF étend les capacités analytiques du NewSpiralTOF en utilisant l’optique ionique SpiralTOF dans la première étape de spectrométrie de masse (MS1). Cette configuration permet une sélection très sélective des ions précurseurs ainsi qu’un choix précis des ions précurseurs monoisotopiques.
Associée à la dissociation induite par collision à haute énergie (HE-CID), elle produit des spectres d’ions produits riches en informations structurales. Le réflectron parabolique décalé exclusif à JEOL renforce encore les performances du TOF-TOF en permettant l’acquisition simultanée d’informations sur les ions produits depuis m/z 5 jusqu’à l’ion précurseur. On obtient ainsi une couverture de fragmentation très complète, essentielle pour une analyse structurale hautement fiable.
Un exemple représentatif est l’analyse de la résérpine et de son produit de photodégradation. La résérpine étant photosensible, sa solution se dégrade sous un éclairage ambiant classique. Le produit de dégradation diffère de 2 Da, ce qui suggère la perte de deux atomes d’hydrogène.
Grâce à la forte sélectivité des ions précurseurs offerte par l’option TOF-TOF, le NewSpiralTOF a pu acquérir séparément les spectres d’ions produits de la résérpine et de son produit de dégradation directement à partir d’un mélange, permettant ainsi la caractérisation structurale de chacune des espèces.

Avec l’option TOF linéaire (Linear TOF), les ions se déplacent directement de la source d’ionisation jusqu’au détecteur. Si une désintégration post-source (PSD, Post-Source Decay) se produit pendant le vol, les ions fragments et les espèces neutres qui en résultent continuent à se déplacer à la même vitesse que l’ion précurseur et sont détectés comme un seul et même signal.
Cette caractéristique rend le mode linéaire particulièrement efficace pour l’analyse à haute sensibilité de composés de masse élevée susceptibles de subir une PSD. Utilisés conjointement, les modes Spiral et Linear élargissent considérablement la gamme d’analytes pouvant être analysés.
Parmi les applications de cette technologie figurent la détermination de la distribution des masses moléculaires de polymères de plus de 100 kDa ainsi que la mesure de la masse moléculaire de l’immunoglobuline G (IgG), une glycoprotéine d’environ 150 kDa.

En imagerie par spectrométrie de masse MALDI (MALDI-MSI), les molécules sont visualisées directement au sein d’un échantillon en recouvrant sa surface d’une matrice, en la balayant avec un laser et en acquérant un spectre de masse à chaque position analysée. Cette approche permet de déterminer où se trouvent des molécules spécifiques et d’évaluer leur abondance sur l’ensemble d’une coupe tissulaire ou de toute autre surface d’échantillon.

Grâce à sa trajectoire de vol de 17 m, le NewSpiralTOF offre une haute résolution en masse, même lors de l’analyse de coupes de tissus biologiques présentant des conditions de surface non uniformes. Lors de mesures réalisées sur environ la moitié d’un cerveau de souris, couvrant une zone d’environ 5 × 7 mm, le système a atteint une résolution en masse d’environ 40 000 dans le spectre de masse moyen.
Cette grande puissance de résolution a permis de distinguer des espèces lipidiques isobares telles que la phosphatidylcholine (PC), la phosphatidyléthanolamine (PE) et le galactosylcéramide (GalCer). Il a ainsi été possible de déterminer avec précision la distribution spatiale propre à chacune de ces molécules au sein du tissu analysé.

Ces données ont été acquises dans le cadre d’un projet de recherche conjoint mené avec le groupe de spectrométrie de masse du Centre de recherche sur les sciences fondamentales (Project Research Center for Fundamental Sciences) de l’École supérieure des sciences de l’Université d’Osaka.

L’échantillon de coupe tissulaire a été fourni par le laboratoire Awazu, rattaché à la Division du génie de l’énergie durable et de l’ingénierie environnementale de l’École supérieure d’ingénierie de l’Université d’Osaka.

JEOL possède une longue tradition d’innovation dans le traitement d’images, fondée sur son rôle de leader dans le domaine de la microscopie électronique. S’appuyant sur cette expertise, l’entreprise a adapté à l’imagerie par spectrométrie de masse sa technologie d’amélioration d’images basée sur l’intelligence artificielle LIVE-AI (Live Image Visual Enhancer-AI), initialement développée pour la microscopie électronique à balayage (MEB/SEM), et l’a intégrée sous la forme du filtre FINE-AI.
Cette adaptation permet d’améliorer considérablement la netteté, la lisibilité et l’interprétabilité des images de masse, facilitant ainsi l’analyse et la visualisation de la distribution spatiale des molécules.

Grâce à la haute résolution en masse du NewSpiralTOF, plus de 100 espèces lipidiques ont pu être détectées dans des coupes de cerveau de souris. Toutefois, l’interprétation individuelle de la distribution de chaque lipide n’est pas réaliste. Pour extraire des informations biologiquement pertinentes, il est nécessaire de recourir à des outils statistiques capables d’identifier des groupes de composés présentant des variations similaires et de résumer efficacement des ensembles de données complexes.
Pour répondre à ce besoin, une analyse en composantes sommets (Vertex Component Analysis, VCA) a été mise en œuvre. Cette méthode modélise l’ensemble des spectres d’un jeu de données d’imagerie de masse comme des mélanges d’un nombre limité de « composantes sommets » (vertex components). Comparée à des approches telles que l’analyse en composantes principales (ACP/PCA), la VCA fournit des résultats plus faciles à interpréter et obtenus dans un délai plus court.
Comme la VCA est particulièrement sensible au bruit, son application après un débruitage réalisé à l’aide du filtre FINE-AI améliore considérablement l’efficacité de l’analyse. Dans l’exemple présenté, cette approche a permis de mettre en évidence trois composantes sommets majeures caractérisant les lipides présents dans le tissu cérébral de souris.

Dans l’imagerie par spectrométrie de masse (MS imaging) conventionnelle, une image de masse est obtenue en sélectionnant une plage spécifique de rapports m/z (masse/charge). Toutefois, les polymères étant polydisperses et présentant une distribution de masses moléculaires, cette méthode ne permet de générer qu’une image correspondant à un degré de polymérisation donné. Il est donc difficile de visualiser la distribution spatiale du polymère dans son ensemble.
Pour surmonter cette limitation, msMicroImager permet de générer des images basées sur des paramètres caractéristiques des polymères, tels que la masse moléculaire moyenne en nombre (Mn), la masse moléculaire moyenne en poids (Mw) et l’indice de polydispersité (Đ ou D). Cette approche offre une représentation beaucoup plus intuitive de la distribution spatiale des polymères.
En pratique, des centaines d’images de masse associées aux différents degrés de polymérisation et aux divers pics isotopiques sont synthétisées en seulement trois cartes de distribution (Mn, Mw et D), ce qui simplifie considérablement l’interprétation des données et permet une visualisation globale du comportement des polymères au sein de l’échantillon.