Development and application of new materials and devices for sample treatment and MS-based analytical methods

Abstract

Questo lavoro di Tesi riguarda lo sviluppo di nuovi materiali per il trattamento del campione e lo sviluppo e l’applicazione di diversi metodi analitici basati sulla spettrometria di massa nella ricerca in ambito alimentare, ambientale, forense, biologico, tossicologico e biomedico articolandosi principalmente nelle seguenti linee: 1) Coating innovativi per microestrazione in fase solida. Questo attività di ricerca è stata finalizzata al raggiungimento di una maggiore selettività verso analiti target e classi di composti, focalizzandosi in particolare sul miglioramento delle performance della microestrazione in fase solida (SPME), tecnica di estrazione/preconcentrazione ampiamente utilizzata per la determinazione di analiti sia volatili che non volatili da matrici gassose, liquide o solide. Infatti, nonostante i già noti vantaggi quali il limitato uso di solventi, la semplicità e la facile automazione, l’SPME presenta alcuni svantaggi soprattutto in relazione alla limitata disponibilità di coating ed alla non sempre adeguata stabilità termica/chimica delle fibre commerciali. Per superare tali limitazioni, nuovi coating per fibre SPME, opportunamente funzionalizzati, sono stati preparati mediante processo sol-gel, elettropolimerizzazione via voltammetria ciclica e immobilizzazione tramite colla epossidica. Le nuove fibre sono state utilizzate per l’estrazione e la determinazione a livelli di tracce di composti di interesse ambientale, forense, alimentare, biologico, ottenendo un notevole guadagno in termini di sensibilità e selettività dei metodi analitici sviluppati. 2) Desorption electrospray ionization accoppiata alla spettrometria di massa per analisi imaging di tessuti di seminoma umano. Questo seconda linea di ricerca è stato condotta presso il Laboratorio Aston Lab, diretto dal Prof. R. G. Cooks, Purdue University, West Lafayette, IN, USA. La desorption electrospray ionization accoppiata alla spettrometria di massa (DESI-MS) è stata applicata per analisi imaging di tessuti di seminoma umano. Infatti, il DESI-MS imaging è una tecnica di notevole importanza nella ricerca in campo biologico e biomedico in quanto offre la possibilità di mappare composti di interesse biologico in sezioni di tessuti non trattati, anche nel loro ambiente nativo. In particolare, l’obiettivo di tale progetto di ricerca è stato lo studio dei profili lipidici delle sezioni di seminoma umano, con particolare interesse verso i seminolipidi, essenziali per il processo di spermatogenesi localizzato nei tubuli seminiferi. Il confronto tra il profilo lipidico del seminoma con quello del tessuto sano adiacente ha permesso una correlazione in termini di composti chimici presenti/assenti con lo stato tumorale. 3) Strumenti diagnostici per la rivelazione tempestiva di contaminazione microbiologica negli alimenti. Questo progetto di ricerca è stato focalizzato alla rivelazione precoce di contaminazione biologica in alimenti trattati e conservati, con il fine di tutelare la salute dei consumatori. Il profilo aromatico caratteristico dei campioni contaminati e non contaminati è stato utilizzato come indicatore di contaminazione, sia sulla base del tipo e della quantità dei metaboliti volatili rivelati. La frazione volatile di campioni di pomodoro in scatola e succhi di frutta contaminati da microorganismi sono stati caratterizzati mediante DHS-GC-MS e naso elettronico (EN). Le risposte ottenute sono state sottoposte a tecniche statistiche multivariate di pattern recognition al fine di identificare i composti volatili in grado di differenziare i campioni contaminati e per testare la capacità del naso elettronico ad effettuare diagnosi precoce di contaminazione con lo scopo ultimo di mettere a punto un protocollo per un controllo qualità oggettivo on line alla linea produttiva.

This Doctoral Thesis deals with the development of new materials for sample treatment and with the development and application of different MS-based analytical methods in the field of food, environmental, forensic, biological, toxicological and biomedical research. More precisely, three main research projects have been carried out. 1) Innovative coatings for solid-phase microextraction. This research project was mainly aimed at the achievement of superior selectivity with regards to target analytes and classes of compounds, in particular focusing on the improvement of the performances of solid-phase microextraction (SPME), an extraction/pre-concentration technique widely used for the analysis of volatile and non-volatile compounds from gaseous, liquid and solid samples. Indeed, despite its recognized advantages such as reduced solvent consumption, simple handling and easy automation, SPME has some drawbacks mainly related to the limited range and thermal/chemical stability of commercially available trapping materials. In order to overcome these limitations, new properly functionalized coatings for SPME fibers were prepared by means of different techniques as sol-gel process, cyclic-voltammetry electropolymerization and pasting by epoxy resin glue. These new coatings were used for the extraction and determination at trace levels of compounds of analytical interest belonging to different chemical classes in matrices of environmental, forensic, food and biological concern gaining in sensibility and selectivity of the developed analytical methods. 2) Desorption electrospray ionization imaging mass spectrometry of human seminoma tissues. The second research project was carried out in Aston Lab, directed by Professor R. G. Cooks, Purdue University, West Lafayette, IN, USA. Desorption electrospray ionization coupled to mass spectrometry (DESI-MS) was applied for imaging analysis of human seminoma tissues. In fact, DESI-MS imaging is a technique of enormous value in biological and biomedical research since it provides the capabilities of mapping compounds of biological interest in ordinary and not treated tissues sections, even in their native environmental. In particular, the focus of this research project was on the study of lipidic profiles of human seminoma sections, with particular interest towards seminolipids, essential for the spermatogenesis process in seminuferous tubules. The comparison of the lipidic profile of seminoma with that of adjacent normal tissue provided a possible chemical correlation in terms of present/absent compounds with disease state. 3) Diagnostic tools for early detection of microbial spoilage in food. This research project is focused on the early detection of microbial contamination in processed food, which can occur during technological process or storage in food industry, in order to ensure the health of consumers. The characteristic volatile profiles of contaminated and uncontaminated samples, on the basis both of the type and of the amount of the detected volatile metabolites, was used as indicator of the microbial spoilage. The volatile fraction of microbiologically contaminated canned peeled tomatoes and fruit juices were characterized by DHS-GC-MS and electronic nose (EN). The obtained responses have been submitted to statistical pattern recognition techniques in order to identify the aromatic compounds able to differentiate the contaminated samples and then test the EN ability to perform early diagnosis of microbial contamination aiming to design an analytical protocol for an objective quality control on line at the production chain.