Abstract :
[en] Mass spectrometry (MS) has become a prominent technology, indispensable in many research areas. In particular, the development of the soft matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) has been really changing the game by allowing the analysis of intact biological macromolecules. However, the analysis of small molecules (< 500 Da) by the established MALDI-MS technique can be difficult because of the interference generated by the matrix ions, clusters and adducts in the low m/z range. Therefore, techniques that do not require an organic matrix have been proposed. Pushed by the development of nanomaterials, surface-assisted laser desorption/ionization (SALDI-MS), which relies on the use of nanostructured surfaces to assist the analyte desorption and ionization, is one of these alternatives. The use of nanosubstrates instead of organic matrices offers unique capabilities to SALDI-MS. Yet, the use of this technique introduces some challenges, which include the understanding of the fundamental mechanisms that govern the SALDI processes, and the implementation of new analytical procedures, which take full advantage of the benefits of the nanosubstrates in advanced applications. Therefore, the objective of this PhD thesis was to highlight some interesting capabilities of the SALDI-MS technique, and to demonstrate how they can be leveraged in innovative analytical strategies for the analysis of small molecules in complex biological samples. To this end, the optimization of the instrumental settings and of the nanosubstrate properties was first required, as they both impact the analytical performance. A systematic method, based on the study of benzylpyridinium thermometer ions used as reference analytes, was therefore proposed to investigate and tune these experimental factors in SALDI-MS. In particular, this method was used to study and optimize the surface chemistry of silicon nanosubstrates through their surface functionalization with superhydrophobic ligands, with the ultimate goal of detecting amino acids with the optimized nanosubstrate. New analytical workflows were then developed (involving both data acquisition and sample preparation). First, a dual-polarity SALDI-MS imaging (MSI) approach using gold nanoparticles was demonstrated for the imaging, in both ionization modes, of the lipids present in a mouse brain section. The approach was combined with a data filtering method based on the Kendrick mass defect. Second, a new blotting sample preparation using a DIUTHAME membrane was developed to image, by SALDI-MSI, the metabolites excreted in agar-based bacterial co-cultures with minimal sample preparation. These examples of new analytical strategies demonstrate that SALDI-MSI is a promising alternative for the imaging of small molecules contained in biological samples. I am convinced that SALDI-MSI will play a key role in the forthcoming years in addressing the crucial needs in that particular context, by proposing alternatives to current analytical workflows and solving its own limitations.
[fr] La spectrométrie de masse (MS) s’est aujourd’hui imposée comme une technologie indispensable dans de nombreux domaines de recherche. En particulier, le développement de la désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI), technique d’ionisation douce, a véritablement changé la donne, en permettant l'analyse de macromolécules biologiques intactes. Cependant, l'analyse de petites molécules (< 500 Da) par MALDI-MS peut s'avérer complexe en raison des interférences générées par les ions, clusters et adduits de la matrice dans la gamme des faibles m/z. C'est pourquoi des techniques ne nécessitant pas de matrice organique ont été développées. Promue par le développement des nanomatériaux, la désorption/ionisation laser assistée par surface (SALDI-MS), reposant sur l'utilisation de surfaces nanostructurées pour permettre la désorption et l'ionisation des analytes, est l'une de ces alternatives. L'utilisation de nanosubstrats à la place de matrices organiques offre des possibilités uniques à la spectrométrie de masse SALDI. Cependant, l'utilisation de cette technique introduit certains défis, qui concernent notamment la compréhension des mécanismes fondamentaux qui régissent les processus SALDI, et la mise en œuvre de nouvelles procédures analytiques qui tirent pleinement profit des avantages des nanosubstrats dans des applications avancées. Par conséquent, l'objectif de cette thèse de doctorat était de mettre en évidence certaines capacités intéressantes de la technique SALDI-MS et de démontrer comment elles peuvent être exploitées dans des stratégies analytiques innovantes pour l'analyse de petites molécules dans des échantillons biologiques complexes. Pour ce faire, l'optimisation des paramètres instrumentaux et des propriétés du nanosubstrat a tout d’abord été nécessaire, car tous deux ont un impact sur les performances analytiques. Une méthode systématique, basée sur l'étude d’ions thermomètres (ions benzylpyridinium) utilisés comme analytes de référence, a donc été proposée pour étudier et mettre au point ces facteurs expérimentaux en SALDI-MS. En particulier, cette méthode a été utilisée pour étudier et optimiser la chimie de surface de nanosubstrats en silicium via la fonctionnalisation de leur surface avec des ligands superhydrophobes, avec comme objectif final la détection d’acides aminés avec le nanosubstrat optimisé. De nouvelles stratégies analytiques ont ensuite été développées (impliquant à la fois l'acquisition de données et la préparation d'échantillons). Tout d'abord, une approche d'imagerie SALDI-MS (MSI) en double polarité utilisant des nanoparticules d'or a été démontrée pour l'imagerie, dans les deux modes d'ionisation, des lipides présents dans une section de cerveau de souris. L'approche a été combinée à une méthode de filtrage des données basée sur le défaut de masse de Kendrick. Ensuite, une nouvelle procédure de préparation d'échantillon par « blotting » utilisant une membrane DIUTHAME a été développée pour imager, en SALDI-MSI, les métabolites excrétés dans des co-cultures bactériennes sur gel d’agar, avec une préparation minimale de l'échantillon. Ces exemples de nouvelles stratégies analytiques démontrent que la SALDI-MS est une alternative prometteuse pour l'imagerie de petites molécules contenues dans des échantillons biologiques. Je suis convaincue que l’imagerie SALDI-MS jouera un rôle clé dans les années à venir pour répondre aux besoins cruciaux dans ce contexte particulier, en proposant des alternatives aux protocoles analytiques actuels et en résolvant ses propres limitations.
