Name: chromatographic fingerprinting by template matching for data collected by comprehensive two-dimensional gas chromatography
Uploaded: 2020-09-02T14:00:00
Duration: 10 min 14 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Chromatographic Fingerprinting by Template Matching for Data Collected by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography at JoVE.com

Исследование было поддержано Progetto Ager − Fondazioni in rete per la ricerca agroalimentare. Аббревиатура проекта Violin - Валоризация итальянских оливковых продуктов с помощью инновационных аналитических инструментов (https://olivoeolio.progettoager.it/index.php/i-progetti-olio-e-olivo/violin-valorization-of-italian-olive-products-through-innovative-analytical-tools/violin-il-progetto). Программное обеспечение GC Image доступно для бесплатной пробной версии для читателей, которые хотят продемонстрировать и протестировать протокол.

<ol>
	<li>Tranchida, P. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+of+comprehensive+chromatography+in+food+analysis.">Potential of comprehensive chromatography in food analysis.</a> Trends in Analytical Chemistry. 52, 186-205 (2013).</li><li>Cordero, C., Kiefl, J., Reichenbach, S. E., Bicchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+odorant+patterns+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography:+A+challenge+in+omic+studies.">Characterization of odorant patterns by comprehensive two-dimensional gas chromatography: A challenge in omic studies.</a> Trends in Analytical Chemistry. 113, 364-378 (2019).</li><li>Cordero, C., Kiefl, J., Schieberle, P., Reichenbach, S. E., Bicchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+and+food+sensory+properties:+potential+and+challenges.">Comprehensive two-dimensional gas chromatography and food sensory properties: potential and challenges.</a> Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407, 169-191 (2015).</li><li>Adahchour, M., Beens, J., Vreuls, R. J. J., Brinkman, U. A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+in+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+(GC+&#215;+GC)+-+Introduction+and+instrumental+set-up.">Recent developments in comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC &#215; GC) - Introduction and instrumental set-up.</a> Trends in Analytical Chemistry. 25 (5), 438-454 (2006).</li><li>Prebihalo, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidimensional+gas+chromatography:+Advances+in+instrumentation,+chemometrics,+and+applications.">Multidimensional gas chromatography: Advances in instrumentation, chemometrics, and applications.</a> Analytical Chemistry. 90 (1), 505-532 (2018).</li><li>Cordero, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Profiling+food+volatiles+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+coupled+with+mass+spectrometry:+advanced+fingerprinting+approaches+for+comparative+analysis+of+the+volatile+fraction+of+roasted+hazelnuts+(Corylus+Avellana+L.)+from+different+origins.">Profiling food volatiles by comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled with mass spectrometry: advanced fingerprinting approaches for comparative analysis of the volatile fraction of roasted hazelnuts (Corylus Avellana L.) from different origins.</a> Journal of Chromatography A. 1217, 5848-5858 (2010).</li><li>Cordero, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+and+non-targeted+approaches+for+complex+natural+sample+profiling+by+GC&#215;GC-QMS.">Targeted and non-targeted approaches for complex natural sample profiling by GC&#215;GC-QMS.</a> Journal of Chromatography Sciences. 48 (4), 251-261 (2010).</li><li>Maio, D., Maltoni, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+gray-scale+minutiae+detection+in+fingerprints.">Direct gray-scale minutiae detection in fingerprints.</a> IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 19 (1), 27-40 (1997).</li><li>Jain, A. K., Hong, L., Pankanti, S., Bolle, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+identity-authentication+system+using+fingerprints.">An identity-authentication system using fingerprints.</a> Proceedings of IEEE. 85 (9), 1365-1388 (1997).</li><li>Parsons, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tile-based+fisher+ratio+analysis+of+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+time-of-flight+mass+spectrometry+(GC+&#215;+GC-TOFMS)+data+using+a+null+distribution+approach.">Tile-based fisher ratio analysis of comprehensive two-dimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometry (GC &#215; GC-TOFMS) data using a null distribution approach.</a> Analytical Chemistry. 87 (7), 3812-3819 (2015).</li><li>Pierce, K. M., Kehimkar, B., Marney, L. C., Hoggard, J. C., Synovec, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+chemometric+analysis+techniques+for+comprehensive+two+dimensional+separations+data.">Review of chemometric analysis techniques for comprehensive two dimensional separations data.</a> Journal of Chromatography A. 1255, 3-11 (2012).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alignment+for+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+with+dual+secondary+columns+and+detectors.">Alignment for comprehensive two-dimensional gas chromatography with dual secondary columns and detectors.</a> Analytical Chemistry. 87 (19), 10056-10063 (2015).</li><li>Rempe, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effectiveness+of+global,+low-degree+polynomial+transformations+for+GCxGC+data+alignment.">Effectiveness of global, low-degree polynomial transformations for GCxGC data alignment.</a> Analytical Chemistry. 88 (20), 10028-10035 (2016).</li><li>Stilo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Untargeted+and+targeted+fingerprinting+of+extra+virgin+olive+oil+volatiles+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+with+mass+spectrometry:+challenges+in+long-term+studies.">Untargeted and targeted fingerprinting of extra virgin olive oil volatiles by comprehensive two-dimensional gas chromatography with mass spectrometry: challenges in long-term studies.</a> Journal of Agricultural and Food Chemistry. 67 (18), 5289-5302 (2019).</li><li>Reichenbach, S. E., Carr, P. W., Stoll, D. R., Tao, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Smart+templates+for+peak+pattern+matching+with+comprehensive+two-dimensional+liquid+chromatography.">Smart templates for peak pattern matching with comprehensive two-dimensional liquid chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 1216 (16), 3458-3466 (2009).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Informatics+for+cross-sample+analysis+with+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+and+high-resolution+mass+spectrometry+(GCxGC-HRMS).">Informatics for cross-sample analysis with comprehensive two-dimensional gas chromatography and high-resolution mass spectrometry (GCxGC-HRMS).</a> Talanta. 83 (4), 1279-1288 (2011).</li><li>Reichenbach, S. E., Tian, X., Cordero, C., Tao, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Features+for+non-targeted+cross-sample+analysis+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">Features for non-targeted cross-sample analysis with comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 1226, 140-148 (2012).</li><li>Latha, I., Reichenbach, S. E., Tao, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+analysis+of+peak-detection+techniques+for+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">Comparative analysis of peak-detection techniques for comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 1218 (38), 6792-6798 (2011).</li><li>Reichenbach, S. E., Tao, Q., Cordero, C., Bicchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+data-challenge+case+study+of+analyte+detection+and+identification+with+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+with+mass+spectrometry+(GC&#215;GC-MS).">A data-challenge case study of analyte detection and identification with comprehensive two-dimensional gas chromatography with mass spectrometry (GC&#215;GC-MS).</a> Separations. 6 (3), 38 (2019).</li><li>Reichenbach, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+4+Data+Acquisition,+Visualization,+and+Analysis.">Chapter 4 Data Acquisition, Visualization, and Analysis.</a> Comprehensive Analytical Chemistry. , 77-106 (2009).</li><li>Reichenbach, S. E., Ni, M., Zhang, D., Ledford, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image+background+removal+in+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography.">Image background removal in comprehensive two-dimensional gas chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 985 (1-2), 47-56 (2003).</li><li>Kratz, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Generalization+of+the+retention+index+system+including+linear+temperature+programmed+gas-liquid+partition+chromatography.">A Generalization of the retention index system including linear temperature programmed gas-liquid partition chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 11, 463-471 (1963).</li><li>NIST Mass Spectrometry Data Center. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NIST+Standard+Reference+Database+1A:+NIST/EPA/NIH+Mass+Spectral+Library+(NIST+08)+and+NIST+Mass+Spectral+Search+Program+(Version+2.0f).">NIST Standard Reference Database 1A: NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (NIST 08) and NIST Mass Spectral Search Program (Version 2.0f).</a> National Institute of Standards and Technology (NIST). , (2005).</li><li>Magagna, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+untargeted+and+targeted+fingerprinting+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography+for+volatiles+and+ripening+indicators+in+olive+oil.">Combined untargeted and targeted fingerprinting with comprehensive two-dimensional chromatography for volatiles and ripening indicators in olive oil.</a> Analytica Chimica Acta. 936, 245-258 (2016).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benchmarking+machine+learning+methods+for+comprehensive+chemical+fingerprinting+and+pattern+recognition.">Benchmarking machine learning methods for comprehensive chemical fingerprinting and pattern recognition.</a> Journal of Chromatography A. 1595, 158-167 (2019).</li><li>Ciali&#232; Rosso, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adding+extra-dimensions+to+hazelnuts+primary+metabolome+fingerprinting+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+combined+with+time-of-flight+mass+spectrometry+featuring+tandem+ionization:+insights+on+the+aroma+potential.">Adding extra-dimensions to hazelnuts primary metabolome fingerprinting by comprehensive two-dimensional gas chromatography combined with time-of-flight mass spectrometry featuring tandem ionization: insights on the aroma potential.</a> Journal of Chromatography A. 1614 (460739), 1-11 (2020).</li><li>Cordero, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+coupled+with+time+of+flight+mass+spectrometry+featuring+tandem+ionization:+challenges+and+opportunities+for+accurate+fingerprinting+studies.">Comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled with time of flight mass spectrometry featuring tandem ionization: challenges and opportunities for accurate fingerprinting studies.</a> Journal of Chromatography A. 1597, 132-141 (2019).</li><li>Ni, M., Reichenbach, S. E., Visvanathan, A., TerMaat, J., Ledford, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Peak+pattern+variations+related+to+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+acquisition.">Peak pattern variations related to comprehensive two-dimensional gas chromatography acquisition.</a> Journal of Chromatography A. 1086, 165-170 (2005).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliable+peak+selection+for+multisample+analysis+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">Reliable peak selection for multisample analysis with comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Analytical Chemistry. 85 (10), 4974-4981 (2013).</li><li>Markes International. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Select-EV:+The+next+Generation+of+Ion+Source+Technology.">Select-EV: The next Generation of Ion Source Technology.</a> Technical Note. , (2016).</li><li>Tao, Q., Reichenbach, S. E., Heble, C., Wu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+investigator+tools+for+finding+unique+and+common+components+in+multiple+samples+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">New investigator tools for finding unique and common components in multiple samples with comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Chromatography Today. , (2018).</li><li>Seeley, J. V., Seeley, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidimensional+gas+chromatography:+fundamental+advances+and+new+applications.">Multidimensional gas chromatography: fundamental advances and new applications.</a> Analytical Chemistry. 85 (2), 557-578 (2013).</li><li>Tranchida, P. Q., Aloisi, I., Giocastro, B., Mondello, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+state+of+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography-mass+spectrometry+with+focus+on+processes+of+ionization.">Current state of comprehensive two-dimensional gas chromatography-mass spectrometry with focus on processes of ionization.</a> Trends in Analytical Chemistry. 105, 360-366 (2018).</li></ol>

Профессор Стивен Э. Райхенбах и д-р Цинпин Тао имеют финансовые интересы в GC Image, LLC. Д-р Даниэла Перони является сотрудником SRA Instruments, дистрибьютора GC Image в Италии и Франции. Д-р Федерико Стило, профессор Кьяра Кордеро и профессор Карло Бикки не заявляют о конфликте интересов.

Визуализация данных GC×GC-TOF MS является фундаментальным шагом для правильного понимания результатов, достигнутых с помощью комплексных двумерных разделений. Графики изображений с настраиваемой окраской позволяют аналитикам оценить различия в отклике детектора и, следовательно, дифференциальное распределение компонентов образца. Такой визуальный подход полностью меняет взгляд аналитиков на интерпретацию и разработку хроматограмм. Этот первый шаг, однажды понятый и уверенно используемый хроматографами, открывает новую перспективу в дальнейшей обработке.
Другим фундаментальным аспектом обработки данных является доступность полной матрицы данных (т.е. спектральных данных и ответов MS) для всех точек выборки, каждая из которых соответствует одному событию детектора. В этом отношении 2D достигает пика интеграции, так что совокупность событий детектора, соответствующих одному анализируемым данным, представляет собой критический шаг. В текущем протоколе обнаружение пиков 2D основано на алгоритме18 водосбора с некоторыми адаптациями, включенными для улучшения чувствительности обнаружения в случае частичного совместного элюирования соединений. Чтобы сделать этот процесс более конкретным, необходимо провести деконволюцию и принять более сложные процедуры. Это возможно путем выполнения обнаружения ионного пика для данных MS; алгоритм обрабатывает массив данных и изолирует отклик от отдельных аналитов на основе спектральных профилей19,31.
Важный, но критический этап протокола и любого процесса интерпретации данных GC×GC-MS связан с идентификацией аналитов. Эта процедура, предложенная в шагах 8 и 9, при отсутствии подтверждающего анализа с аутентичными стандартами, должна быть тщательно проведена аналитиком. Автоматизированные действия доступны в любом коммерческом программном обеспечении; они включают оценку сходства спектральных сигнатур MS по отношению к собранным эталонным спектрам (т.е. спектральным библиотекам) и оценку соотношений характеристик между ионами квалификатора/квантора. Однако для устранения неоднозначности идентификации изомеров необходимы дополнительные подтверждающие критерии. В протоколе предлагается принять линейные индексы удержания для определения приоритетности списка кандидатов; ограничение здесь относится к доступности данных хранения и их согласованности.
Основной характеристикой, которая делает этот подход уникальным, является сопоставление шаблонов12,13,15,29. Сопоставление шаблонов позволяет распознавать 2-Dобразы очень эффективным, специфическим и интуитивно понятным способом. Он может быть установлен с точки зрения чувствительности и специфичности путем применения настраиваемых пороговых значений и/или функций ограничений, в то время как аналитик может контролировать процедуру, активно взаимодействуя с параметрами функции преобразования. Особенность этого процесса заключается в возможности перекрестного выравнивания целевой и нецелевой информации о пиках между образцами однородной партии, а также между образцами, полученными в одинаковых номинальных условиях, несмотря на средне- и сильное смещение. Преимущества этой операции связаны с возможностью сохранения всех идентификаций целевых аналитов, что является трудоемкой задачей для аналитика, и всех метаданных, сохраненных для целевых и нецелевые пики из предыдущих сессий разработки.
Сопоставление шаблонов также очень эффективно с точки зрения вычислительного времени; Файлы данных MS с низким разрешением состоят примерно из 1–2 Гб упакованных данных, в то время как анализ MS с высоким разрешением может достигать 10–15 Гб за один аналитический запуск. Сопоставление шаблонов не обрабатывает полную матрицу данных каждый раз, но сначала выполняет выравнивание времени хранения между хроматограммами с использованием пиков шаблона, затем обрабатывает пики кандидатов в окне поиска для их соответствия по времени хранения со ссылкой в шаблоне. В случае сильного перекоса, наиболее сложной ситуации, глобальные полиномиальные преобразования второго порядка работали лучше, чем локальные методы, при одновременном сокращении вычислительноговремени 13.
Для того, чтобы метод GC×GC широко распространился за пределы научных кругов и исследовательских лабораторий, инструменты обработки данных должны облегчать основные операции по визуализации и проверке хроматограмм; идентификация аналитов должна дать возможность принятия стандартизированных алгоритмов и процедур (например, алгоритм поиска NIST и калибровка IT); и межскладовой анализ должен быть интуитивно понятным, эффективным и подкрепляться интерактивными инструментами. Предлагаемый подход удовлетворяет эти потребности, предлагая расширенные варианты и инструменты для решения сложных ситуаций, таких как совместное элюирование аналитов, калибровка нескольких аналитов, анализ группового типа и параллельное выравнивание обнаружения.
Справочная литература хорошо охватывает многие возможные сценарии, в которых GC×GC и, в более общем плане, комплексная двумерная хроматография предлагают уникальные решения и надежные результаты, которые не могут быть достигнуты с помощью 1D-хроматографии в однократном анализе. 5,32,33 Хотя GC×GC является самым мощным инструментом, который увеличивает способность и чувствительность разделения, всегда существуют ограничения на мощность разделения, чувствительность и другие системные возможности. По мере приближения к этим системным ограничениям анализ данных становится все более сложным. Поэтому исследования и разработки должны продолжать совершенствовать аналитические инструменты, имеющиеся в нашем распоряжении.

Комплексная двумерная газовая хроматография в сочетании с масс-спектрометрическим детектированием времени пролета (GC×GC-TOF MS) на сегодняшний день является наиболее информативным аналитическим подходом для химической характеристики сложных образцов1,2,3,4,5. В GC×GC колонны последовательно соединяются и сопряжены модулятором (например, термо- или клапанным фокусировальным интерфейсом), который улавливает элюющие компоненты из колонны первого измерения(1D) перед их повторным впрыском в столбец второго измерения(2D). Эта операция выполняется в течение фиксированного периода времени модуляции(PM),обычно в диапазоне от 0,5 до 8 с. С помощью тепловой модуляции процесс включает крио-улавливание и фокусировку элюируемой полосы с некоторыми преимуществами для общей мощности разделения.
Хотя GC×GC является методом двумерного разделения, процесс создает последовательные значения данных. Детекторный аналого-цифровой (A/D) преобразователь получает выход хроматографического сигнала на определенной частоте. Затем данные хранятся в определенных проприетарных форматах, которые содержат не только оцифрованные данные, но и связанные метаданные (информацию о данных). Аналого-цифровой преобразователь, используемый в системах GC×GC, помогает отображать интенсивность хроматографического сигнала в цифровом числе (DN) в качестве функции времени в двух аналитических измерениях. Одноканальные детекторы (например, пламенно-ионизационный детектор (FID), детектор захвата электронов (ECD), детектор хемилюминесценции серы (SCD) и т. Д.) Производят одиночные значения за время отбора проб, тогда как многоканальные детекторы (например, масс-спектрометрический детектор (MS)) производят несколько значений (как правило, в спектральном диапазоне) за время отбора проб во время аналитического запуска.
Для визуализации 2-Dданных разработка начинается с растеризации значений данных одного периода модуляции (или цикла) в виде столбца пикселей (элементов изображения, соответствующих событиям детектора). Вдоль ординаты (ось Y, снизу вверх) визуализируется время разделения 2D. Пиксельные столбцы последовательно обрабатываются таким образом, что абсцисса (осьX, слева направо) сообщает о времени разделения 1 D. Это упорядочение представляет данные 2D в правосторонней декартовой системе координат с порядковым номером удержания 1D в качестве первого индекса в массиве.
Обработка данных 2D хроматограмм дает доступ к более высокому уровню информации, чем необработанные данные, что позволяет обнаруживать пики 2D, идентифицировать пики, извлекать данные ответа для количественного анализа и перекрестного сравнительного анализа.
Пиковые паттерны 2D можно рассматривать как уникальный отпечаток образца, а обнаруженные соединения — как мелочные признаки для эффективного перекрестного сравнительного анализа. Этот подход, известный как шаблонная дактилоскопия6,7,был вдохновлен биометрической дактилоскопией6. Автоматические биометрические системы проверки отпечатков пальцев, по сути, опираются на уникальные характеристики кончиков пальцев: бифуркации и окончания хребтов, локализованные и извлеченные из чернильного оттиска или подробных изображений. Эти характеристики, называемые особенностями minutiae, затем перекрестно сопоставляются с доступными сохраненными шаблонами8,9.
Как упоминалось выше, каждая схема разделения GC×GC состоит из 2D пиков, рационально распределенных по двумерной плоскости. Каждый пик соответствует одному анализируемым, имеет свой информативный потенциал и может рассматриваться как единый признак для сравнительного анализа паттернов.
Здесь мы представляем эффективный подход к химической дактилоскопии GC×GC-TOF MS с тандемной ионизацией. Цель состоит в том, чтобы всесторонне и количественно каталогизировать признаки из набора хроматограмм.
По сравнению с существующим коммерческим программным обеспечением или встроенными процедурами10, 11,которые используют подход пиковых функций, дактилоскопия наоснове шаблонов характеризуется высокой специфичностью, эффективностью и ограниченным вычислительным временем. Кроме того, он обладает внутренней гибкостью, которая позволяет перекрестно выравливание минутных особенностей (т.е. пиков 2D) между сильно смещенными хроматограммами, приобретенными различными приборами или в долгосрочных исследованиях12,13,14.
Основные операции предлагаемого метода кратко описаны, чтобы направить читателя к хорошему пониманию сложности 2-Dшаблона и информационной мощи. Затем, исследуя матрицу выходных данных прибора, выполняется химическая идентификация и известные целевые аналиты, расположенные над двумерным пространством. Затем шаблон целевых пиков строится и применяется к серии хроматограмм, полученных в рамках одной аналитической партии. Метаданные, связанные со временем удержания, спектральными сигнатурами и ответами (абсолютными и относительными), извлекаются из перевыровненных шаблонов целевых пиков и принимаются для выявления композиционных различий в наборе выборок.
В качестве дополнительного, уникального этапа процесса на предварительно целевых хроматограммах также выполняется комбинированная нецелевая и таргетная (UT) дактилоскопия, чтобы расширить потенциал отпечатков пальцев как на известные, так и на неизвестные аналиты. Процесс создает шаблон UT для действительно всестороннего сравнительного анализа, который может быть в значительной степени автоматизирован.
В качестве заключительного этапа способ выполняет перекрестное выравнивание признаков в двух параллельных сигналах детектора, полученных с высокими и низкими энергиями ионизации электронов (70 и 12 эВ).
Протокол является достаточно гибким в поддержке анализа одной хроматограммы или набора хроматограмм и с переменной хроматографией и / или несколькими детекторами. Здесь протокол демонстрируется с коммерчески доступным пакетом программного обеспечения GC×GC (см. Таблицу материалов),объединенным с библиотекой MS и поисковым программным обеспечением (см. Таблицу материалов). Некоторые из необходимых инструментов доступны в другом программном обеспечении, и подобные инструменты могут быть реализованы независимо от описаний в литературе Рейхенбаха и его коллег15,16,17,18,19. Исходные данные для демонстрации получены из исследования оливкового масла экстра-вирджин (EVO), проведенного в лаборатории авторов14. В частности, летучая фракция (т.е. волатиломе) итальянских масел EVO отбирается методом твердофазной микроэкстракции (HS-SPME) и анализируется GC×GC-TOF MS для захвата диагностических отпечатков пальцев для качества и сенсорной квалификации образцов. Подробная информация о пробах, условиях отбора проб и аналитической настройке приведена в Таблице материалов.
Шаги 1–6 описывают предварительную обработку хроматограмм. Шаги 7–9 описывают обработку и анализ отдельных хроматограмм. Шаги 10–12 описывают создание и сопоставление шаблонов, которые являются основой для анализа перекрестной выборки. Шаги 13–16 описывают применение протокола к набору хроматограмм, а шаги 14–16 для анализа UT.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1D SolGel-Wax column (100% polyethylene glycol; 30 m &#215; 0.25 mm dc &#215; 0.25 &#956;m df). Carrier gas helium at a constant nominal flow of 1.3 mL/min.</td>
			<td>Trajan SGE Analytical Science, Ringwood, Australia</td>
			<td>PN 054796</td>
			<td>Carrier gas helium at a constant nominal flow of 1.3 mL/min. Oven temperature programming set as follows: 40&#176;C (2 min) to 240&#176;C (10 min) at 3.5&#176;C/min.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2D OV1701 column (86% polydimethylsiloxane, 7% phenyl, 7% cyanopropyl; 1 m &#215; 0.1 mm dc &#215; 0.10 &#956;m df) from .</td>
			<td>Mega, Legnano, Milan, Italy</td>
			<td>PN MEGA-1701</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automated system for sample preparation: SPR Autosampler for GC</td>
			<td>SepSolve-Analytical, Llantrisant, UK</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Extra Virgin Olive oils: Sicily and Tuscany, Italy</td>
			<td>Project VIOLIN (Ager - Fondazioni in rete per la ricerca agroalimentare)</td>
			<td></td>
			<td>Samples (n=10) were collected during the production year 2018 within the &#34;Violin&#34; project sampling campaign. Oils were submitted to HS-SPME to sample volatiles according to a reference protocol validated in a previous study of Stilo et al.14</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas chromatograph: Model 7890B GC</td>
			<td>Agilent Technologies Wilmington DE, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GC Image GC&#215;GC edition V 2.9</td>
			<td>GC Image LLC, Lincoln, Nebraska</td>
			<td></td>
			<td>https://www.gcimage.com/gcxgc/trial.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image processing software</td>
			<td>GC Image LLC, Lincoln, Nebraska</td>
			<td></td>
			<td>https://www.gcimage.com/gcxgc/trial.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass spectrometer: BenchTOF-Select</td>
			<td>Markes International Llantrisant, UK</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methyl-2-octynoate (CAS 111-12-6)</td>
			<td>Merck-Millipore/Supelco</td>
			<td>PN: 68982</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Modulator controller: Optimode v2.0</td>
			<td>SRA Intruments, Cernusco sul Naviglio, Milan, Italy</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Modulator: KT 2004 loop type</td>
			<td>Zoex Corporation Houston, TX, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MS library and search software: NIST Library V 2017, Software V 2.3</td>
			<td>National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg MD</td>
			<td></td>
			<td>https://www.nist.gov/srd/nist-standard-reference-database-1a-v17</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-alkanes C8-C40 for retention indexing</td>
			<td>Merck-Millipore/Supelco</td>
			<td>PN: 40147-U</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-hexane (CAS 110-54-3) gas chromatography MS SupraSolv</td>
			<td>Merck-Millipore/Supelco</td>
			<td>PN: 100795</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solid Phase Microextraction fiber</td>
			<td>Merck-Millipore/Supelco</td>
			<td>PN 57914-U</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#945;- /&#946;-thujone (CAS 546-80-5)</td>
			<td>Merck-Millipore/Sigma Aldrich</td>
			<td>PN: 04314</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

chromatographic fingerprinting by template matching for data collected by comprehensive two-dimensional gas chromatography

Обработка и оценка данных являются критическими этапами комплексной двумерной газовой хроматографии (GCxGC), особенно в сочетании с масс-спектрометрией. Богатая информация, зашифрованная в данных, может быть очень ценной, но труднодоступной для эффективного доступа. Плотность и сложность данных могут привести к длительному времени разработки и потребовать трудоемких, зависящих от аналитиков процедур. Таким образом, эффективные, но доступные инструменты обработки данных являются ключом к распространению и принятию этого передового многомерного метода в лабораториях для ежедневного использования. Протокол анализа данных, представленный в этой работе, использует хроматографическую дактилоскопию и сопоставление шаблонов для достижения цели высокоавтоматизированной деконструкции сложных двумерных хроматограмм в отдельные химические признаки для расширенного распознавания информативных паттернов в отдельных хроматограммах и в наборах хроматограмм. Протокол обеспечивает высокую согласованность и надежность при незначительном вмешательстве. В то же время аналитический надзор возможен в различных условиях и функциях ограничений, которые могут быть настроены для обеспечения гибкости и способности адаптироваться к различным потребностям и целям. Здесь показано, что сопоставление шаблонов является мощным подходом к исследованию оливкового масла экстра-вирджин. Перекрестное выравнивание пиков выполняется не только для известных мишеней, но и для нецелевых соединений, что значительно увеличивает характеризацию мощности для широкого спектра применений. Приведены примеры, подтверждающие эффективность классификации и сравнения хроматографических паттернов из выборочных наборов, проанализированных в аналогичных условиях.

Watch this Scientific Journal Video about Chromatographic Fingerprinting by Template Matching for Data Collected by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography at JoVE.com

Chromatographic Fingerprinting by Template Matching for Data Collected by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography

Этот протокол представляет собой подход к отпечаткам пальцев и исследованию многомерных данных, собранных с помощью комплексной двумерной газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией. Специальные алгоритмы распознавания образов (сопоставление шаблонов) применяются для изучения химической информации, зашифрованной в летучей фракции оливкового масла экстра-класса (т.е. волатиломе).

Хроматографическая дактилоскопия путем сопоставления шаблонов для данных, собранных с помощью комплексной двумерной газовой хроматографии

Data processing and evaluation are critical steps of comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCxGC), particularly when coupled to mass ...

Research

JoVE Journal

Chemistry

Fabricating Nanogaps by Nanoskiving

Изготовление нанометрических зазоров по Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two ...

Profiling the Triacylglyceride Contents in Bat Integumentary Lipids by Preparative Thin Layer Chromatography and MALDI-TOF Mass Spectrometry

Профилирования содержимого триацилглицерида в Бат-покровных липидов с помощью препаративной тонкослойной хроматографии и MALDI-TOF масс-спектрометрии

The mammalian integument includes sebaceous glands that secrete an oily material onto the skin surface. Sebum production is part of the innate immune ...

Isolation and Preparation of Bacterial Cell Walls for Compositional Analysis by Ultra Performance Liquid Chromatography

Изоляция и подготовка бактериальных клеточных стенок для композиционного анализа с помощью ультра производительности жидкой хроматографии

The bacterial cell wall is critical for the determination of cell shape during growth and division, and maintains the mechanical integrity of cells in the ...

Exploring the Radical Nature of a Carbon Surface by Electron Paramagnetic Resonance and a Calibrated Gas Flow

Изучение радикальной природы поверхности углерода на электронного парамагнитного резонанса и калиброванного потоке газа

While the first Electron Paramagnetic Resonance (EPR) studies regarding the effects of oxidation on the structure and stability of carbon radicals date ...

Improved In-gel Reductive &#946;-Elimination for Comprehensive O-linked and Sulfo-glycomics by Mass Spectrometry

Improved In-gel Reductive ÃƒÅ½Ã‚Â²-Elimination for Comprehensive O-linked and Sulfo-glycomics by Mass Spectrometry

Улучшенные В-гель восстановительного β-Ликвидация для Комплексная О-связанные и сульфо-glycomics помощью масс-спектрометрии

Separation of proteins by SDS-PAGE followed by in-gel proteolytic digestion of resolved protein bands has produced high-resolution proteomic analysis of ...

Quantitative Detection of Trace Explosive Vapors by Programmed Temperature Desorption Gas Chromatography-Electron Capture Detector

Количественный детектирования следов взрывчатых паров запрограммированными Температура десорбции газовой хроматографии-электронного захвата детектора

The direct liquid deposition of solution standards onto sorbent-filled thermal desorption tubes is used for the quantitative analysis of trace explosive ...

Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles

Самоорганизация сложных двумерных фигур из одноцепочечной ДНК Плитка

Current methods in DNA nano-architecture have successfully engineered a variety of 2D and 3D structures using principles of self-assembly. In this ...

Radiolabeling and Quantification of Cellular Levels of Phosphoinositides by High Performance Liquid Chromatography-coupled Flow Scintillation

Радиоактивной и Количественная клеточном уровнях фосфоинозитидов с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии в сочетании-Flow мерцаний

Phosphoinositides (PtdInsPs) are essential signaling lipids responsible for recruiting specific effectors and conferring organelles with molecular ...

Detection and Quantification of Plasmodium falciparum in Aqueous Red Blood Cells by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy and Multivariate Data Analysis

Detection and Quantification of Plasmodium falciparum in Aqueous Red Blood Cells by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy and Multivariate Data Analysis

Выявление и количественная оценка Plasmodium falciparum в водный красных кровяных клеток, ослабленных общее отражение инфракрасной спектроскопии и многомерного анализа данных

We demonstrate a method of quantification and detection of parasites in aqueous red blood cells (RBCs) by using a simple benchtop Attenuated Total ...

Exfoliation and Analysis of Large-area, Air-Sensitive Two-Dimensional Materials

Пилинг и анализ больших площадей, воздух чувствительных двумерных материалы

We describe methods for producing and analyzing large, thin flakes of air-sensitive two-dimensional materials. Thin flakes of layered or van der Waals ...