Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рабочий процесс спектрометрии-масс-спектрометрии ионной подвижности (ИМ-МС)

Спектрометрия ионной подвижности – масс-спектрометрия ( IMS-MS ), также известная как разделение ионной подвижности – масс-спектрометрия , представляет собой метод аналитической химии, который разделяет ионы газовой фазы на основе их взаимодействия с газом столкновений и их масс. На первом этапе ионы разделяются в соответствии с их подвижностью через буферный газ в миллисекундном масштабе времени с использованием спектрометра подвижности ионов . Разделенные ионы затем вводятся в масс-анализатор на втором этапе, где их отношение 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 [ править ]

Эрла У. МакДэниела называют отцом масс-спектрометрии ионной подвижности. [1] В начале 1960-х он соединил ячейку с дрейфом подвижности ионов с низким полем и секторный масс-спектрометр. [2]

Комбинация времяпролетной масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности была впервые применена в 1963 году в Bell Labs . В 1963 году Макафи и Эдельсон опубликовали комбинацию IMS-TOF. В 1967 году Макнайт, МакАфи и Сиплер опубликовали комбинацию IMS-TOF. Их инструмент включал ортогональный TOF. [3] В 1969 г. Коэн и др. оформил патент на систему IMS-QMS. QMS в то время была улучшением по сравнению с TOFMS, потому что TOFMS в то время имела медленные системы сбора электронных данных. В 1970 году Янг, Эдельсон и Фалконер опубликовали IMS-TOF с ортогональным извлечением. [4]Похоже, они использовали ту же систему, что и McKnight et al. в 1967 году с небольшими изменениями. Их работа позже была воспроизведена в знаковой книге Мейсона / МакДэниела, которая считается «библией IMS» специалистами в данной области.

В 1996 году Guevremont et al. представил плакат на конференции ASMS о IMS-TOF. В 1997 году Таннер запатентовал квадруполь с осевыми полями, который можно использовать в качестве дрейфовой ячейки для IMS-разделения. 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 с квадрупольным CID-TOFMS для определения подвижности ионов и, в конечном итоге, привела корпорацию Micromass / Waters к разработке первого в мире коммерческого масс-спектрометра для определения подвижности ионов в 2006 году. называется, включает в себя квадруполь предыонной подвижности, позволяющий выбирать ионы-предшественники перед разделением IMS, дополнительно повышая гибкость комбинаций ионной подвижности-масс-спектрометрии. В 2013 году Agilent Technologies выпустила первый коммерческий масс-спектрометр для определения подвижности ионов с дрейфовой трубкой под названием 6560 с дрейфовой трубкой 80 см. Ионные воронки используются для повышения эффективности передачи ионов. Таким образом, конструкция значительно улучшила чувствительность к подвижности ионов и позволила коммерциализировать. [7]

Разновидностью IMS-MS является спектрометрия-масс-спектрометрия дифференциальной ионной подвижности (DIMS-MS), в которой ионы в газовой фазе разделяются на основе их ионной подвижности в электрических полях различной силы. [8] Этот аналитический метод в настоящее время разрабатывают Гэри Глиш и Glish Group. [8]

Инструменты [ править ]

IMS-MS представляет собой комбинацию спектрометра ионной подвижности [9] и масс-спектрометра , как обсуждалось профессором Клэр Э. Эйерс и коллегами в недавнем обзоре. [7]

Спектрометр дрейфовой подвижности ионов. В IM-MS детектором обычно является времяпролетный масс-спектрометр.

Введение образца и ионизация [ править ]

Первой ступенью прибора является ионный источник, в котором образцы преобразуются в ионы газовой фазы. Многие методы ионизации, подобные тем, которые традиционно используются для масс-спектрометрии, использовались для IM-MS в зависимости от физического состояния анализируемого вещества. [9] Образцы газовой фазы обычно ионизируются методами термодесорбции , радиоактивной ионизации, ионизации коронным разрядом и фотоионизации . Ионизация электрораспылением и вторичная ионизация электрораспылением (SESI) являются распространенными методами ионизации образцов в растворе. [1] Твердофазные аналиты ионизируются с помощью матричной лазерной десорбционной ионизации. (MALDI) для молекул с большой массой или лазерная десорбционная ионизация (LDI) для молекул с меньшей массой.

Разделение ионной подвижности [ править ]

Существуют разные типы спектрометров ионной подвижности и разные типы масс-спектрометров. В принципе возможно комбинировать любой тип первого с любым типом второго. Однако в реальном мире разные типы подвижности ионов сочетаются с масс-спектрометрами разных типов для достижения разумной чувствительности. Основные типы спектрометров ионной подвижности, которые были связаны с масс-спектрометром для приложений IM-MS, обсуждаются ниже.

Спектрометрия подвижности ионов во времени (DTIMS) [ править ]

В DTIMS ионы дрейфуют через трубку, длина которой может варьироваться от 5 см до 300 см с использованием градиента электрического поля. Ионы меньшего размера проходят через дрейфовую трубку быстрее, чем ионы с большей молекулярной массой. 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 можно сохранить структуру ионов. Усредненное по вращению сечение столкновения (CCS), которое является физическим свойством ионов, отражающим форму ионов, может быть точно измерено по подвижности ионов в дрейфовой трубке. [11] Разрешающая способность высокая (разрешение CCS может быть выше 100). Подвижность ионов в дрейфовой трубке широко используется для анализа структуры. Обычно он сочетается с времяпролетным масс-спектрометром (TOF).[7]

Спектрометрия дифференциальной подвижности (ДМС) [ править ]

Также известная как полевая спектрометрия ионной подвижности с асимметричной формой волны (FAIMS) или спектрометрия ионной подвижности RF-DC, представляет собой метод масс-спектрометрии, в котором ионы разделяются путем применения высоковольтной асимметричной формы волны на радиочастоте (RF) в сочетании с статическая ( постоянная ) форма волны, приложенная между двумя электродами. [12] [13] В зависимости от соотношения подвижности иона в сильном поле и в слабом поле он будет перемещаться к тому или иному электроду.. Через устройство будут проходить только ионы с определенной подвижностью. Хорошо известно, что сильное радиочастотное поле искажает конформацию ионов, FAIMS, таким образом, представляет собой метод разделения без сохранения структуры ионов, и CCS ионов не может быть измерен. [14] Поскольку FAIMS является масс-селектором (другие ионы исключены), чувствительность в режиме сканирования намного ниже, чем у подвижности ионов в дрейфовой трубке (все ионы анализируются). Поэтому FAIMS обычно сочетается с тройным квадрупольным масс-спектрометром, который также является прибором ионного селектора.

Спектрометрия подвижности ионов бегущей волны (TWIMS) [ править ]

В TWIMS ионы разделяются в соответствии с их подвижностью через бегущую волну в ячейке, заполненной газом. Как радиочастотное (RF), так и постоянное (DC) напряжение прикладывается к серии кольцевых электродов, называемых пакетным кольцевым ионопроводом (SRIG), чтобы удерживать ионы и создавать бегущую волну. [7] В зависимости от скорости и величины бегущей волны ионы можно разделить. Ионы меньшего размера обладают большей подвижностью в волне из-за меньшего количества столкновений с молекулами газа и покидают ячейку быстрее, чем ионы с меньшей подвижностью (более крупные ионы). Подобно DTIMS, значения CCS ионов можно рассчитать с помощью TWIMS с использованием калибровки, полученной с использованием известных стандартов. [15] Коммерческим примером инструментария TWIMS-MS является инструмент Waters Corp Synapt G2-S.

Массовое разделение [ править ]

В традиционном приборе IM-MS используется времяпролетный масс-спектрометр (TOF), подключенный к IMS. [1] TOF-MS имеет много преимуществ, включая высокую скорость сбора данных и хорошую чувствительность. Поскольку данные масс-спектров собираются в микросекундной шкале времени, для каждого спектра IMS собираются множественные масс-спектры (полученные в миллисекундной шкале 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 ионной подвижности для тандемных или IMS.n –MS m приложений. [16]

Приложения [ править ]

Технику IM-MS можно использовать для анализа сложных смесей на основе различной подвижности в электрическом поле. Структура ионов в газовой фазе может быть изучена с помощью IM-MS путем измерения CCS и сравнения с CCS стандартных образцов или CCS, рассчитанных на основе молекулярного моделирования. Очевидно, что отношение сигнал / шум улучшается, поскольку шум можно физически разделить с сигналом в IM-MS. Кроме того, изомеры могут быть разделены, если их форма различна. Пиковая емкость IM-MS намного больше, чем MS, поэтому можно найти и проанализировать больше соединений. Этот признак очень важен для исследования -комики, которое требует анализа как можно большего числа соединений за один прогон. [17] Он использовался при обнаружении боевых отравляющих веществ, обнаружении взрывчатых веществ, [16]в протеомике для анализа белков, пептидов, лекарственных молекул и наночастиц. [18] Недавно микромасштабный FAIMS был интегрирован с МС с ионизацией электрораспылением и МС с жидкостной хроматографией для быстрого разделения ионов за миллисекунды перед масс-анализом. Использование микромасштабного FAIMS в МС с ионизацией электрораспылением и МС с жидкостной хроматографией может значительно улучшить пиковую емкость и отношение сигнал / шум для ряда приложений, включая протеомику и фармацевтический анализ. [19]

В последнее время методы газофазной ионной активации использовались для получения нового понимания сложных структур. Разворачивание, индуцированное столкновениями (CIU) - это метод, в котором внутренняя энергия иона увеличивается за счет столкновений с буферным газом перед анализом IM-MS. Развертывание иона наблюдается через более крупные CCS, а энергия, при которой происходит развертывание, частично соответствует нековалентным взаимодействиям внутри иона. [20] Этот метод был использован для дифференциации полиубиквитиновых связей [20] и интактных антител. [21]

См. Также [ править ]

  • Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия
  • Газовая хроматография-масс-спектрометрия

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Кану, Абу Б.; Двиведи, Прабха; Тэм, Мэгги; Мац, Лаура; Хилл, Герберт Х. (2008). «Подвижность ионов - масс-спектрометрия». Журнал масс-спектрометрии . 43 (1): 1-22. Bibcode : 2008JMSp ... 43 .... 1K . DOI : 10.1002 / jms.1383 . ISSN  1096-9888 . PMID  18200615 .
  2. Перейти ↑ McDaniel E, Martin DW, Barnes WS (1962). "Дрейфовый масс-спектрометр с трубкой для исследования низкоэнергетических ионно-молекулярных реакций". Обзор научных инструментов . 33 (1): 2–7. Bibcode : 1962RScI ... 33 .... 2M . DOI : 10.1063 / 1.1717656 . ISSN 0034-6748 . 
  3. ↑ McKnight LG, McAfee KB, Sipler DP (5 декабря 1967). «Низкополевые скорости дрейфа и реакции ионов азота в азоте». Физический обзор . 164 (1): 62–70. Bibcode : 1967PhRv..164 ... 62M . DOI : 10.1103 / PhysRev.164.62 .
  4. ↑ Young C, Edelson D, Falconer WE (декабрь 1970 г.). "Водные кластерные ионы: скорость образования и разложения гидратов иона гидроксония". Журнал химической физики . 53 (11): 4295–4302. Bibcode : 1970JChPh..53.4295Y . DOI : 10.1063 / 1.1673936 .
  5. Перейти ↑ Henderson SC, Valentine SJ, Counterman AE, Clemmer DE (январь 1999). «ESI / ионная ловушка / ионная подвижность / времяпролетная масс-спектрометрия для быстрого и чувствительного анализа биомолекулярных смесей». Аналитическая химия . 71 (2): 291–301. DOI : 10.1021 / ac9809175 . PMID 9949724 . 
  6. ^ Hoaglund CS, Валентина SJ, Sporleder CR, Рейли JP, Clemmer DE (июнь 1998). "Трехмерная ионная подвижность / TOFMS-анализ биомолекул после электрораспыления". Аналитическая химия . 70 (11): 2236–2242. DOI : 10.1021 / ac980059c . PMID 9624897 . 
  7. ^ a b c d Эйерс, Клэр Э .; Кристофер Дж. Грей; Холман, Стивен В .; Ланукара, Франческо (2014). «Возможности масс-спектрометрии подвижности ионов для структурной характеристики и изучения конформационной динамики». Химия природы . 6 (4): 281–294. Bibcode : 2014NatCh ... 6..281L . DOI : 10.1038 / nchem.1889 . ISSN 1755-4349 . PMID 24651194 .  
  8. ^ а б Изенберг С.Л., Армистед П.М., Глиш Г.Л. (сентябрь 2014 г.). «Оптимизация разделения пептидов с помощью спектрометрии дифференциальной ионной подвижности» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 25 (9): 1592–9. Bibcode : 2014JASMS..25.1592I . DOI : 10.1007 / s13361-014-0941-9 . PMC 4458851 . PMID 24990303 .  
  9. ^ a b Gràcia, I .; Baumbach, JI; Дэвис, CE; Фигерас, Э .; Кумерас, Р. (16 февраля 2015 г.). «Обзор спектрометрии подвижности ионов. Часть 1: современные приборы» . Аналитик . 140 (5): 1376–1390. Bibcode : 2015Ana ... 140.1376C . DOI : 10.1039 / C4AN01100G . ISSN 1364-5528 . PMC 4331213 . PMID 25465076 .   
  10. ^ a b Лапторн, Крис; Пуллен, Фрэнк; Чоудри, Бабур З. (2013). «Спектрометрия ионной подвижности-масс-спектрометрия (IMS-MS) малых молекул: разделение и определение структур ионам» (PDF) . Обзоры масс-спектрометрии . 32 (1): 43–71. Bibcode : 2013MSRv ... 32 ... 43L . DOI : 10.1002 / mas.21349 . ISSN 1098-2787 . PMID 22941854 .   
  11. ^ Gabelica, Valérie; Шварцбург, Александр А .; Афонсу, Карлос; Барран, Пердита; Бенеш, Джастин LP; Блейхолдер, Кристиан; Бауэрс, Майкл Т .; Бильбао, Айветт; Буш, Мэтью Ф. (2019). «Рекомендации по отчетности масс-спектрометрических измерений подвижности ионов» . Обзоры масс-спектрометрии . 0 (3): 291–320. Bibcode : 2019MSRv ... 38..291G . DOI : 10.1002 / mas.21585 . ISSN 1098-2787 . PMC 6618043 . PMID 30707468 .   
  12. ^ Guevremont R (ноябрь 2004). «Спектрометрия подвижности ионов с асимметричной формой волны в сильных полях: новый инструмент для масс-спектрометрии». Журнал хроматографии A . 1058 (1–2): 3–19. DOI : 10.1016 / S0021-9673 (04) 01478-5 . PMID 15595648 . 
  13. ^ Колаковски Б.М., Mester Z (сентябрь 2007). «Обзор приложений высокопольной спектрометрии ионной подвижности с асимметричной формой волны (FAIMS) и дифференциальной спектрометрии подвижности (DMS)». Аналитик . 132 (9): 842–64. Bibcode : 2007Ana ... 132..842K . DOI : 10.1039 / b706039d . PMID 17710259 . 
  14. ^ Shvartsburg A, Li F, Тан K, Smith RD (февраль 2007). «Искажение ионных структур с помощью спектрометрии подвижности ионов с асимметричной формой волны». Аналитическая химия . 79 (4): 1523–1528. DOI : 10.1021 / ac061306c . PMID 17297950 . 
  15. ^ Мэй, Джоди C .; Маклин, Джон А. (2015-02-03). "Ионная подвижность-масс-спектрометрия: приборы для дисперсии во времени" . Аналитическая химия . 87 (3): 1422–1436. DOI : 10.1021 / ac504720m . ISSN 0003-2700 . PMC 4318620 . PMID 25526595 .   
  16. ^ а б Климан, М .; May, JC; Маклин, Дж. А. (2011). «Липидный анализ и липидомика методом структурно-селективной масс-спектрометрии ионной подвижности» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - молекулярная и клеточная биология липидов . 1811 (11): 935–45. DOI : 10.1016 / j.bbalip.2011.05.016 . PMC 3326421 . PMID 21708282 .  
  17. ^ Aizpurua-Olaizola, O .; Sastre Toraño, J .; Фалькон-Перес, JM; Уильямс, С .; Reichardt, N .; Бунс, Г.-Дж. (Март 2018 г.). «Масс-спектрометрия для открытия гликановых биомаркеров». Тенденции TrAC в аналитической химии . 100 : 7–14. DOI : 10.1016 / j.trac.2017.12.015 .
  18. ↑ Angel LA, Majors LT, Dharmaratne AC, Dass A (август 2010). «Масс-спектрометрия ионной подвижности нанокластеров Au25 (SCH2CH2Ph) 18». САУ Нано . 4 (8): 4691–700. DOI : 10.1021 / nn1012447 . PMID 20731448 . 
  19. Перейти ↑ Kabir KM, Donald WA (декабрь 2017 г.). «Микромасштабная спектрометрия дифференциальной ионной подвижности для полевого химического анализа». Тенденции TrAC в аналитической химии . 97 : 399–427. DOI : 10.1016 / j.trac.2017.10.011 .
  20. ^ a b Вагнер Н.Д., Клеммер Д.Е., Рассел Д.Х. (31 августа 2017 г.). «ESI-IM-MS и разворачивание, вызванное столкновениями, которые обеспечивают понимание взаимосвязанных межфазных взаимодействий ковалентно связанного диубиквитина». Аналитическая химия . 89 (18): 10094–10103. DOI : 10.1021 / acs.analchem.7b02932 . PMID 28841006 . 
  21. ↑ Tian Y, Han L, Buckner AC, Ruotolo BT (27 октября 2015 г.). «Вызванное столкновением разворачивание интактных антител: быстрая характеристика паттернов дисульфидных связей, гликозилирования и структур». Аналитическая химия . 87 (22): 11509–11515. DOI : 10.1021 / acs.analchem.5b03291 . PMID 26471104 . 

Библиография [ править ]

  • Wilkins CL, Trimpin S (16 декабря 2010 г.). Спектрометрия подвижности ионов - масс-спектрометрия: теория и приложения . Тейлор и Фрэнсис США . ISBN 978-1-4398-1324-9. Проверено 27 ноября 2012 года .