Спектрометрия ионной подвижности – масс-спектрометрия

Спектрометрия ионной подвижности–масс-спектрометрия ( IMS-MS ) — это метод аналитической химии , который разделяет ионы газовой фазы на основе их взаимодействия с газом столкновения и их масс. На первом этапе ионы разделяются в соответствии с их подвижностью через буферный газ в миллисекундном масштабе времени с использованием спектрометра ионной подвижности . Отделенные ионы затем вводятся в масс-анализатор на втором этапе, где их соотношение массы к заряду может быть определено в микросекундном масштабе времени. [ 1 ] Эффективное разделение аналитов, достигаемое с помощью этого метода, делает его широко применимым при анализе сложных образцов, например, в протеомике и метаболомике.
История
[ редактировать ]Эрла В. МакДэниела называют отцом масс-спектрометрии ионной подвижности. [ 1 ] В начале 1960-х годов он соединил ячейку дрейфа подвижности ионов в слабом поле с секторным масс-спектрометром. [ 2 ]
Комбинация времяпролетной масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности была впервые использована в 1963 году в Bell Labs . В 1963 году McAfee и Edelson опубликовали комбинацию IMS-TOF. В 1967 году Макнайт, Макафи и Сиплер опубликовали комбинацию IMS-TOF. Их инструмент включал ортогональный TOF. [ 3 ] В 1969 году Коэн и др. подала патент на систему IMS-QMS. СМК в то время была усовершенствованием по сравнению с ТОФМС, поскольку в то время ТОФМС имела медленные электронные системы сбора данных. В 1970 году Янг, Эдельсон и Фальконер опубликовали IMS-TOF с ортогональным извлечением. [ 4 ] Похоже, они использовали ту же систему, что и Макнайт и др. в 1967 году с небольшими изменениями. Их работа была позже воспроизведена в знаковой книге Мейсона/МакДэниела, которую специалисты в этой области считают «библией IMS».
В 1996 году Гевремонт и др. представил на конференции ASMS постер о IMS-TOF. В 1997 году Таннер запатентовал квадруполь с осевыми полями, который можно использовать в качестве дрейфовой ячейки для разделения IMS. Он также упоминает комбинацию этих квадруполей с ортогональным TOFMS. В 1998 году Клеммер разработал комбинацию IMS-TOF, используя коаксиальную установку IMS-TOF. [ 5 ] В 1999 году Клеммер разработал IMS-TOF с ортогональной системой TOF. [ 6 ] Эта работа привела к разработке прибора Micromass в Великобритании для измерения квадрупольной подвижности ионов CID-TOFMS и в конечном итоге привела к тому, что корпорация Micromass/Waters в 2006 году разработала первый в мире коммерческий масс-спектрометр для измерения подвижности ионов. называется, включает в себя квадруполь подвижности предионов, позволяющий выбирать ионы-предшественники перед разделением IMS, что еще больше повышает гибкость масс-спектрометрии подвижности ионов. комбинации. В 2013 году компания Agilent Technologies выпустила первый коммерческий масс-спектрометр подвижности ионов с дрейфовой трубкой под названием 6560 с дрейфовой трубкой длиной 80 см. Ионные воронки используются для повышения эффективности передачи ионов. Таким образом, конструкция значительно улучшила чувствительность подвижности ионов и позволила коммерциализировать ее. [ 7 ]
Разновидностью IMS-MS является масс-спектрометрия дифференциальной подвижности ионов (DIMS-MS), в которой ионы газовой фазы разделяются на основе их ионной подвижности в электрических полях различной силы. [ 8 ] Этот аналитический метод в настоящее время продвигается Гэри Глишом и Glish Group. [ 8 ]
Инструментарий
[ редактировать ]IMS-MS представляет собой комбинацию спектрометра подвижности ионов. [ 9 ] и масс-спектрометр , как обсуждалось профессором Клэр Э. Эйерс и его коллегами в недавнем обзоре. [ 7 ]

Введение пробы и ионизация
[ редактировать ]Первая ступень прибора представляет собой источник ионов, в котором образцы преобразуются в ионы газовой фазы. Многие методы ионизации, аналогичные тем, которые традиционно используются для масс-спектрометрии, использовались для IM-MS в зависимости от физического состояния аналита. [ 9 ] Образцы газовой фазы обычно ионизируются методами радиоактивной ионизации, ионизации коронным разрядом и фотоионизации . Ионизация электрораспылением является распространенным методом ионизации образцов в растворе. [ 1 ] Твердофазные аналиты ионизируются с помощью матричной лазерной десорбционной ионизации (MALDI) для молекул большой массы или лазерной десорбционной ионизации (LDI) для молекул с меньшей массой.
Разделение подвижности ионов
[ редактировать ]Существуют разные типы спектрометров ионной подвижности и разные типы масс-спектрометров. В принципе можно комбинировать любой тип первого с любым типом второго. Однако в реальном мире разные типы подвижности ионов сочетаются с разными типами масс-спектрометров для достижения разумной чувствительности. Ниже обсуждаются основные типы спектрометров подвижности ионов, которые подключаются к масс-спектрометру для приложений IM-MS.
Спектрометрия ионной подвижности с дрейфовой трубкой (DTIMS)
[ редактировать ]В DTIMS ионы дрейфуют через трубку, длина которой может варьироваться от 5 см до 300 см, используя градиент электрического поля. Ионы меньшего размера проходят через дрейфовую трубку быстрее, чем ионы с большим сечением столкновения. Таким образом, ионы разделяются в зависимости от времени их дрейфа через трубку. [ 10 ] Для подвижности ионов в дрейфовой трубке не используется высокочастотное напряжение, которое может нагревать ионы, и оно может сохранять структуру ионов. Усредненное по вращению сечение столкновения (CCS), которое является физическим свойством ионов, отражающим форму ионов, может быть точно измерено по подвижности ионов в трубке дрейфа. [ 11 ] Разрешающая способность высокая (разрешение CCS может быть выше 100). Подвижность ионов в дрейфовой трубке широко используется для структурного анализа. Обычно он сочетается с времяпролетным масс-спектрометром (TOF). [ 7 ]
Спектрометрия дифференциальной подвижности (ДМС)
[ редактировать ]Также известный как полевая спектрометрия подвижности ионов с асимметричной формой волны (FAIMS) или спектрометрия подвижности ионов RF-DC, представляет собой метод, в котором ионы разделяются путем применения высоковольтной асимметричной формы волны на радиочастоте (RF) в сочетании со статическим ( постоянным током) ) форма волны, приложенная между двумя электродами. [ 12 ] [ 13 ] В зависимости от соотношения высокополевой и низкополевой подвижности иона он будет мигрировать в сторону того или иного электрода . Через устройство будут проходить только ионы с определенной подвижностью. Хорошо известно, что сильное радиочастотное поле искажает конформацию ионов, поэтому FAIMS представляет собой метод разделения без сохранения структуры ионов, и CCS ионов не могут быть измерены. [ 14 ] Поскольку FAIMS является масс-селектором (другие ионы исключены), чувствительность в режиме сканирования намного ниже, чем у подвижности ионов в дрейфовой трубке (анализируются все ионы). Поэтому FAIMS обычно сочетается с тройным квадрупольным масс-спектрометром, который также является прибором типа селекции ионов.
Спектрометрия подвижности ионов на бегущей волне (TWIMS)
[ редактировать ]В TWIMS ионы разделяются по их подвижности посредством бегущей волны в газонаполненной ячейке. Напряжения как радиочастотного (RF), так и постоянного тока (DC) подаются на серию кольцевых электродов, называемых многослойным кольцевым ионопроводом (SRIG), для удержания ионов и создания бегущей волны. [ 7 ] Ионы можно разделить по скорости и величине бегущей волны. Ионы меньшего размера имеют более высокую подвижность в волне из-за меньшего количества столкновений с молекулами газа и покидают клетку быстрее, чем ионы с меньшей подвижностью (более крупные ионы). Подобно DTIMS, значения CCS ионов можно рассчитать с помощью TWIMS, используя калибровку, полученную с использованием известных стандартов. [ 15 ] Коммерческим примером прибора TWIMS-MS является прибор Waters Corp Synapt G2-S.
Массовое разделение
[ редактировать ]Традиционный прибор IM-MS использует времяпролетный масс-спектрометр (TOF), подключенный к IMS. [ 1 ] TOF-MS имеет множество преимуществ, включая высокую скорость сбора данных и хорошую чувствительность. Поскольку данные масс-спектров собираются в микросекундном масштабе времени, для каждого спектра IMS собираются несколько масс-спектров (полученные в миллисекундном масштабе времени). Квадрупольный масс-спектрометр также был подключен к IMS, хотя и с меньшей скоростью сканирования. Другие масс-спектрометры, включая ионную ловушку, ионно-циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) или масс-спектрометры с магнитным сектором, также были связаны с различными IMS для различных приложений. [ 10 ] Кроме того, гибридные масс-спектрометры были подключены к более чем одной ячейке подвижности ионов для тандемной или IMS. н -РС м приложения. [ 16 ]
Приложения
[ редактировать ]Метод IM-MS можно использовать для анализа сложных смесей на основе различной подвижности в электрическом поле. Ионную структуру газовой фазы можно изучить с помощью IM-MS путем измерения CCS и сравнения с CCS стандартных образцов или CCS, рассчитанного на основе молекулярного моделирования. Соотношение сигнал/шум, очевидно, улучшается, поскольку шум можно физически разделить с сигналом в IM-MS. Кроме того, изомеры можно разделить, если их форма различна. Пиковая емкость IM-MS намного выше, чем у MS, поэтому можно найти и проанализировать больше соединений. Этот признак очень важен для исследований -омики , которые требуют анализа как можно большего количества соединений за один проход. [ 17 ] Его использовали при обнаружении боевых отравляющих веществ, обнаружении взрывчатых веществ, в протеомике для анализа белков, пептидов, молекул, подобных лекарствам, и наночастиц. [ 18 ] Кроме того, IM-MS можно использовать для мониторинга промежуточных изомерных реакций и исследования их кинетики. [ 19 ] Недавно микромасштабный FAIMS был интегрирован с МС с ионизацией электрораспылением и жидкостной хроматографией МС для быстрого разделения ионов за миллисекунды перед массовым анализом. Использование микромасштабных FAIMS в МС с ионизацией электрораспылением и МС с жидкостной хроматографией может значительно улучшить пиковую емкость и соотношение сигнал/шум для ряда приложений, включая протеомику и фармацевтический анализ. [ 20 ]
В последнее время методы ионной активации в газовой фазе стали использоваться для получения нового понимания сложных структур. Разворачивание, вызванное столкновениями (CIU), — это метод, при котором внутренняя энергия иона увеличивается за счет столкновений с буферным газом перед анализом IM-MS. Разворачивание иона наблюдается через более крупные CCS, и энергия, при которой происходит разворачивание, частично соответствует нековалентным взаимодействиям внутри иона. [ 21 ] Этот метод использовался для дифференциации полиубиквитиновых связей. [ 21 ] и интактные антитела. [ 22 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Кану А.Б., Двиведи П., Там М., Мац Л., Хилл Х.Х. (январь 2008 г.). «Подвижность ионов-масс-спектрометрия». Журнал масс-спектрометрии . 43 (1): 1–22. Бибкод : 2008JMSp...43....1K . дои : 10.1002/jms.1383 . ПМИД 18200615 .
- ^ МакДэниел Э., Мартин Д.В., Барнс В.С. (1962). «Масс-спектрометр с дрейфовой трубкой для исследования низкоэнергетических ионно-молекулярных реакций». Обзор научных инструментов . 33 (1): 2–7. Бибкод : 1962RScI...33....2M . дои : 10.1063/1.1717656 . ISSN 0034-6748 .
- ^ Макнайт Л.Г., McAfee KB, Sipler DP (5 декабря 1967 г.). «Скорости низкопольного дрейфа и реакции ионов азота в азоте». Физический обзор . 164 (1): 62–70. Бибкод : 1967PhRv..164...62M . дои : 10.1103/PhysRev.164.62 .
- ^ Янг С., Эдельсон Д., Фальконер В.Е. (декабрь 1970 г.). «Кластерные ионы воды: скорости образования и разложения гидратов иона гидроксония». Журнал химической физики . 53 (11): 4295–4302. Бибкод : 1970JChPh..53.4295Y . дои : 10.1063/1.1673936 .
- ^ Хендерсон С.К., Валентайн С.Дж., Контрман А.Е., Клеммер Д.Е. (январь 1999 г.). «ESI/ионная ловушка/подвижность ионов/времяпролетная масс-спектрометрия для быстрого и чувствительного анализа биомолекулярных смесей». Аналитическая химия . 71 (2): 291–301. дои : 10.1021/ac9809175 . ПМИД 9949724 .
- ^ Хоагланд К.С., Валентайн С.Дж., Спорледер Ч.Р., Рейли Дж.П., Клеммер Д.Э. (июнь 1998 г.). «Трехмерная ионная подвижность/TOFMS-анализ электрораспыленных биомолекул». Аналитическая химия . 70 (11): 2236–2242. дои : 10.1021/ac980059c . ПМИД 9624897 .
- ^ Jump up to: а б с д Ланукара Ф., Холман С.В., Грей СиДжей, Эйерс CE (апрель 2014 г.). «Мощность масс-спектрометрии ионной подвижности для структурной характеристики и изучения конформационной динамики». Природная химия . 6 (4): 281–294. Бибкод : 2014НатЧ...6..281Л . дои : 10.1038/nchem.1889 . ПМИД 24651194 .
- ^ Jump up to: а б Айзенберг С.Л., Армистед П.М., Глиш Г.Л. (сентябрь 2014 г.). «Оптимизация разделения пептидов методом дифференциальной спектрометрии ионной подвижности» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 25 (9): 1592–1599. Бибкод : 2014JASMS..25.1592I . дои : 10.1007/s13361-014-0941-9 . ПМЦ 4458851 . ПМИД 24990303 .
- ^ Jump up to: а б Кумерас Р., Фигерас Э., Дэвис С.Э., Баумбах Дж.И., Грасиа I (март 2015 г.). «Обзор спектрометрии ионной подвижности. Часть 1: современное оборудование» . Аналитик . 140 (5): 1376–1390. Бибкод : 2015Ана...140.1376C . дои : 10.1039/C4AN01100G . ПМЦ 4331213 . ПМИД 25465076 .
- ^ Jump up to: а б Лапторн С., Пуллен Ф., Чоудри Б.З. (2013). «Спектрометрия ионной подвижности-масс-спектрометрия (IMS-MS) малых молекул: разделение и определение структур ионов» (PDF) . Обзоры масс-спектрометрии . 32 (1): 43–71. Бибкод : 2013MSRv...32...43L . дои : 10.1002/mas.21349 . ПМИД 22941854 .
- ^ Габелика В., Шварцбург А.А., Афонсо С., Барран П., Бенеш Дж.Л., Блейхолдер С. и др. (май 2019 г.). «Рекомендации по составлению отчетов об измерениях масс-спектрометрии подвижности ионов» . Обзоры масс-спектрометрии . 38 (3): 291–320. Бибкод : 2019MSRv...38..291G . дои : 10.1002/mas.21585 . ПМК 6618043 . ПМИД 30707468 .
- ^ Гевремонт Р. (ноябрь 2004 г.). «Спектрометрия подвижности ионов с асимметричной формой волны в сильном поле: новый инструмент для масс-спектрометрии». Журнал хроматографии А. 1058 (1–2): 3–19. дои : 10.1016/S0021-9673(04)01478-5 . ПМИД 15595648 .
- ^ Колаковский Б.М., Местер З. (сентябрь 2007 г.). «Обзор применения спектрометрии подвижности ионов с асимметричной формой волны в сильном поле (FAIMS) и спектрометрии дифференциальной подвижности (DMS)». Аналитик . 132 (9): 842–864. Бибкод : 2007Ана...132..842К . дои : 10.1039/b706039d . ПМИД 17710259 .
- ^ Шварцбург А.А., Ли Ф., Тан К., Смит Р.Д. (февраль 2007 г.). «Искажение ионных структур с помощью спектрометрии подвижности ионов с асимметричной формой поля». Аналитическая химия . 79 (4): 1523–1528. дои : 10.1021/ac061306c . ПМИД 17297950 .
- ^ Мэй Дж.С., Маклин Дж.А. (февраль 2015 г.). «Масс-спектрометрия подвижности ионов: приборы с дисперсией во времени» . Аналитическая химия . 87 (3): 1422–1436. дои : 10.1021/ac504720m . ПМК 4318620 . ПМИД 25526595 .
- ^ Климан М., Мэй Дж.К., Маклин Дж.А. (ноябрь 2011 г.). «Анализ липидов и липидомика методом структурно-селективной масс-спектрометрии подвижности ионов» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1811 (11): 935–945. дои : 10.1016/j.bbalip.2011.05.016 . ПМЦ 3326421 . ПМИД 21708282 .
- ^ Айспуруа-Олайсола О, Тораньо Х.С., Фалькон-Перес Х.М., Уильямс К., Райхардт Н., Бунс Г.Дж. (март 2018 г.). «Масс-спектрометрия для открытия биомаркеров гликанов». TrAC Тенденции в аналитической химии . 100 : 7–14. дои : 10.1016/j.trac.2017.12.015 . hdl : 1874/364403 .
- ^ Анхель Л.А., Majors LT, Дхармаратне AC, Дасс А (август 2010 г.). «Масс-спектрометрия ионной подвижности нанокластеров Au25(SCH2CH2Ph)18». АСУ Нано . 4 (8): 4691–4700. дои : 10.1021/nn1012447 . ПМИД 20731448 .
- ^ Хилгерс Р., Йонг Тенг С., Бриш А., Переверзев А.Ю., Уайт П., Янсен Дж.Дж., Ройтова Дж. (сентябрь 2022 г.). «Мониторинг промежуточных продуктов реакции для прогнозирования энантиоселективности с помощью масс-спектрометрии» . Ангеванде Хеми . 61 (36): e202205720. дои : 10.1002/anie.202205720 . ПМЦ 9544535 . ПМИД 35561144 .
- ^ Кабир К.М., Дональд В.А. (декабрь 2017 г.). «Микромасштабная спектрометрия дифференциальной подвижности ионов для химического анализа в полевых условиях». TrAC Тенденции в аналитической химии . 97 : 399–427. дои : 10.1016/j.trac.2017.10.011 .
- ^ Jump up to: а б Вагнер Н.Д., Клеммер Д.Э., Рассел Д.Х. (сентябрь 2017 г.). «ESI-IM-MS и разворачивание, вызванное столкновениями, которые дают представление о зависимых от сцепления межфазных взаимодействиях ковалентно связанного диубиквитина». Аналитическая химия . 89 (18): 10094–10103. дои : 10.1021/acs.analchem.7b02932 . ПМИД 28841006 .
- ^ Тиан Ю, Хан Л., Бакнер AC, Руотоло BT (ноябрь 2015 г.). «Вызванное столкновением разворачивание интактных антител: быстрая характеристика структуры дисульфидных связей, гликозилирования и структур». Аналитическая химия . 87 (22): 11509–11515. дои : 10.1021/acs.analchem.5b03291 . ПМИД 26471104 .
Библиография
[ редактировать ]- Уилкинс К.Л., Тримпин С. (16 декабря 2010 г.). Спектрометрия ионной подвижности - Масс-спектрометрия: теория и приложения . Тейлор и Фрэнсис США . ISBN 978-1-4398-1324-9 . Проверено 27 ноября 2012 г.