Spektrometrie iontové pohyblivosti s hmotnostní spektrometrií

Schéma spektrometrie iontové pohyblivosti s hmotnostní spektrometrií

Spektrometrie iontové pohyblivosti s hmotnostní spektrometrií (IMS-MS) je metoda analytické chemie, při které se ionty v plynném skupenství oddělují na základě interakcí s kolizním plynem a svých hmotností. V prvním kroku se ionty oddělují na základě pohyblivosti v pufrovém plynu a spektrometrie iontové pohyblivosti. Oddělené ionty následně vstupují do hmotnostního analyzátoru, kde jsou analyzovány hmotnostním spektrometrem.[1] Účinná separace analytů činí tuto metodu často používanou k analýzám složitých směsí například v proteomice a metabolomice.

Historie

Objevitelem spektrometrie iontové pohyblivosti s hmotnostní spektrometrií je Earl Wadsworth McDaniel.[1][2]

Roku 1963 bylo v Bell Labs vyvinuto spojení hmotnostní spektrometrie doby letu a spektrometrie iontové pohyblivosti. V roce 1967 McKnight, McAfee a Sipler popsali IMS-TOF přístroj s ortogonálním TOF.[3] Roku 1969 Cohen et al. získali patent na IMS-QMS. V roce 1970 bylo popsáno IMS-TOF zařízení s ortogonální extrakcí.[4]

V roce 1997 byl patentován kvadrupól s axiálními poli, který bylo možné použít k IMS. Roku 1998 David E. Clemmer vylepšil IMS-TOF použitím koaxiálního zařízení[5] a o rok později vytvořil IMS-TOF s ortogonálním TOF systémem.[6]

Obměnou IMS-MS je spektrometrie diferenciální iontové pohyblivosti s hmotnostní spektrometrií (DIMS-MS), ve které jsou ionty oddělovány na základě iontové pohyblivosti v různě silných elektrických polích.[7]

Přístroje a provedení

IMS-MS je spojením spektrometrie iontové pohyblivosti[8] a hmotnostní spektrometrie.[9]

Spektrometr pro spektrometrii iontové pohyblivosti; detektorem je obvykle TOF (Time of Flight).

Aplikace vzorku a ionizace

V první části přístroje se nachází zdroj iontů, v němž se jednotlivé složky vzorku přeměňují na ionty. V závislosti na fyzikálních vlastnostech analytu se používá několik technik ionizace, podobných těm využívaným při hmotnostní spektrometrii.[8] Plynné vzorky se obvykle ionizují tepelnou desorpcí, radioaktivitou nebo fotoionizací. U vzorků v roztocích jsou běžné elektrosprejová (ESI) a sekundární elektrosprejová ionizace (SESI).[1] Pevné analyty bývají ionizovány pomocí MALDI, jde-li o velké molekuly, nebo laserovou desorpcí (LDI) u molekul s menšími hmotnostmi.

Oddělování iontů podle pohyblivosti

Existuje několik druhů spektrometrů iontové pohyblivosti a několik druhů hmotnostních spektrometrů. Teoreticky může být propojen jakýkoliv typ jednoho zařízení s jakýmkoliv typem druhého, v praxi se ovšem kvůli dostatečné citlivosti využívají jen některé kombinace. Nejčastěji používané typy zařízení pro IM-MS jsou popsány níže:

DTIMS

Při DTIMS ionty procházejí trubicí (jejíž délka může být od 5 do 300 cm) pomocí gradientu elektrického pole. Menší ionty se pohybují rychleji než ionty s většími hmotnostmi a ionty se tak oddělují na základě času, který potřebují k průchodu trubicí.[10]


Při této metodě se nepoužívá radiofrekvenční napětí, které by zahřívalo ionty, díky čemuž se zachovává struktura těchto iontů. Průměrný účinný průřez srážky (CCS), což je fyzikální vlastnost iontů zohledňující jejich tvar, lze u této metody změřit poměrně přesně.[11]

DTIMS je často používanou metodou při zkoumání struktury látek, nejčastěji se spojuje s hmotnostní spektrometrií doby letu.[9]

Spektrometrie diferenciální pohyblivosti (DMS, FAIMS)

Spektrometrie diferenciální pohyblivosti je metoda hmotnostní spektrometrie, při které se ionty oddělují pomocí radiofrekvenčního vysokého napětí a statického napětí mezi dvěma elektrodami.[12][13]

V závislosti na poměru pohyblivosti v silném a slabém elektrickém poli se bude ion pohybovat k jedné z elektrod. Pouze ionty s určitou pohyblivostí projdou. Radiofrekvenční pole narušují konformace iontů, DMS tak patří mezi metody nezachovávající strukturu iontů a účinný průřez srážek nelze změřit.[14] Protože jde o hmotnostně specifickou metodu (analyzuje se jen jeden ion), tak je její citlivost mnohem menší než u DTIMS, kde se analyzují všechny ionty; obvykle se tak spojuje s trojitými kvadrupólovými hmotnostními spektrometry.

Spektrometrie iontové pohyblivosti v pohyblivé vlně (TWIMS)

U TWIMS se ionty oddělují podle své pohyblivosti v pohyblivé vlně v prostředí obsahujícím plyn. Na řadu prstencových elektrod (SRIG) je přivedeno radiofrekvenční a stejnosměrné napětí, které vytváří vlnu.[9] Ionty se oddělují v závislosti na intenzitě a rychlosti vlny. Menší ionty se skrz vlnu pohybují snadněji, protože se méně srážejí s molekulami plynu, než jak je tomu u větších iontů. Podobně jako u DTIMS zde je možné spočítat účinný průřez srážky.[15]

Hmotnostní spektrometr

Nejčastěji se při IM-MS používají hmotnostní spektrometry doby letu (TOF-MS) propojené s IMS.[1] TOF-MS se mimo jiné vyznačuje rychlým získáváním dat a dobrou citlivostí. Protože hmotnostní spektrum vzniká řádově několik mikrosekund, tak lze ke každému IMS spektru (vznikajícím milisekundy) pořídit několik hmotnostních spekter. Dalším zařízením používaným ve spojení s IMS je kvadrupólový hmotnostní spektrometr, který je však pomalejší. Je také možné použít iontovou past, Fourierovu transformaci s iontocyklotronovou rezonancí (FT-ICR) nebo hmotnostní spektrometr s magnetickým sektorem.[10] K dalším možnostem patří hybridní hmotnostní spektrometry vytvářející tandemovou hmotnostní spektrometrii nebo IMSn–MSm.[16]

Využití

IMS-MS lze použít k  analýzám složitých směsí pomocí rozdílné pohyblivosti iontů v elektrickém poli. Strukturu iontů v plynné fázi lze zkoumat pomocí měření CCS a jeho srovnání s CCS standardních vzorků nebo CCS získaným z počítačových modelů. Tato metoda umožňuje oddělení izomerů, pokud mají různé tvary. Kapacita IM-MS je výrazně větší než u MS a lze tak pomocí ní analyzovat mnohem více sloučenin, což je důležité v případech, kdy je třeba najednou zanalyzovat co nejvíce látek.[17] Používá se k detekci bojových chemických látek, výbušnin,[16] k analýze bílkovin v proteomice, peptidů, léčiv a nanočástic.[18] FAIMS je možné spojit s hmotnostní spektrometrií s elektrosprejovou ionizací a nebo kapalinovou chromatografií s hmotnostní spektrometrií a provést tak separaci iontů několik milisekund před analýzou hmotnostním spektrometrem. Použití FAIMS u hmotnostní spektrometrie s elektrosprejovou ionizací a u kapalinové chromatografie s hmotnostní spektrometrií výrazně navyšuje kapacitu analýzy, což je možné využít v proteomice a analýze léčiv.[19]

Metody založené na aktivaci iontů v plynné fázi přinesly nové způsoby zkoumání složitých struktur. Příkladem je CIU, kdy se vnitřní energie iontů zvyšuje jejich srážkami s molekulami plynu a poté se provádí IM-MS analýza; dochází přitom k navýšení CCS.[20] Tento postup byl použit k analýze polyubikvitinových vazeb[20] a intaktních protilátek.[21]

Odkazy

Související články

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Ion-mobility spectrometry–mass spectrometry na anglické Wikipedii.

  1. ↑ a b c d Abu B.Kanu; Prabha Dwivedi; Maggie Tam; Laura Matz; Herbert H. Hill. Ion mobility–mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry. 2008, s. 1–22. ISSN 1096-9888. DOI 10.1002/jms.1383. PMID 18200615. Bibcode 2008JMSp...43....1K. 
  2. ↑ E. McDaniel; D. W. Martin; W. S. Barnes. Drift Tube-Mass Spectrometer for Studies of Low-Energy Ion-Molecule Reactions. Review of Scientific Instruments. 1962, s. 2–7. ISSN 0034-6748. DOI 10.1063/1.1717656. Bibcode 1962RScI...33....2M. 
  3. ↑ L. G. McKnight]; K. B. McAfee; D. P. Sipler. Low-Field Drift Velocities and Reactions of Nitrogen Ions in Nitrogen. Physical Review. 1967-12-05, s. 62–70. DOI 10.1103/PhysRev.164.62. Bibcode 1967PhRv..164...62M. 
  4. ↑ C. Young; D. Edelson; W. E. Falconer. Water Cluster Ions: Rates of Formation and Decomposition of Hydrates of the Hydronium Ion. The Journal of Chemical Physics. 1970, s. 4295–4302. DOI 10.1063/1.1673936. Bibcode 1970JChPh..53.4295Y. 
  5. ↑ S. C. Henderson; S. J. Valentine; A. E. Counterman; D. E. Clemmer. ESI/Ion Trap/Ion Mobility/Time-of-Flight Mass Spectrometry for Rapid and Sensitive Analysis of Biomolecular Mixtures. Analytical Chemistry. 1999, s. 291–301. DOI 10.1021/ac9809175. PMID 9949724. 
  6. ↑ C. S. Hoaglund; S. J. Valentine; C. R. Sporleder; J. P. Reilly; D. E. Clemmer. Three-Dimensional Ion Mobility/TOFMS Analysis of Electrosprayed Biomolecules. Analytical Chemistry. 1998, s. 2236–2242. DOI 10.1021/ac980059c. PMID 9624897. 
  7. ↑ S. L. Isenberg; P. M. Armistead; G. L. Glish. Optimization of peptide separations by differential ion mobility spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2014, s. 1592–1599. DOI 10.1007/s13361-014-0941-9. PMID 24990303. Bibcode 2014JASMS..25.1592I. 
  8. ↑ a b I. Gràcia; J. I. Baumbach; C. E. Davis; E. Figueras; R. Cumeras. Review on Ion Mobility Spectrometry. Part 1: current instrumentation. Analyst. 2015-02-16, s. 1376–1390. ISSN 1364-5528. DOI 10.1039/C4AN01100G. PMID 25465076. Bibcode 2015Ana...140.1376C. 
  9. ↑ a b c Claire E. Eyers; Christopher J. Gray; Stephen W. Holman; Francesco Lanucara. The power of ion mobility-mass spectrometry for structural characterization and the study of conformational dynamics. Nature Chemistry. 2014, s. 281–294. ISSN 1755-4349. DOI 10.1038/nchem.1889. PMID 24651194. Bibcode 2014NatCh...6..281L. 
  10. ↑ a b Cris Lapthorn; Frank Pullen; Babur Z. Chowdhry. Ion mobility spectrometry-mass spectrometry (IMS-MS) of small molecules: Separating and assigning structures to ions. Mass Spectrometry Reviews. 2013, s. 43–71. Dostupné online. ISSN 1098-2787. DOI 10.1002/mas.21349. PMID 22941854. 
  11. ↑ Recommendations for reporting ion mobility Mass Spectrometry measurements. Mass Spectrometry Reviews. 2019, s. 291–320. ISSN 1098-2787. DOI 10.1002/mas.21349. PMID 30707468. Bibcode 2019MSRv...38..291G. 
  12. ↑ R. Guevremont. High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry: a new tool for mass spectrometry. Journal of Chromatography A. 2004, s. 3–19. DOI 10.1016/S0021-9673(04)01478-5. PMID 15595648. 
  13. ↑ B. M. Kolakowski; Z. Mester. Review of applications of high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) and differential mobility spectrometry (DMS). The Analyst. 2007, s. 842–864. DOI 10.1039/b706039d. PMID 17710259. Bibcode 2007Ana...132..842K. 
  14. ↑ A. Shvartsburg; F. Li; K. Tang; R. D. Smith. Distortion of Ion Structures by Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry. Analytical Chemistry. 2007, s. 1523–1528. DOI 10.1021/ac061306c. PMID 17297950. 
  15. ↑ Jody C. May; John A. McLean. Ion Mobility-Mass Spectrometry: Time-Dispersive Instrumentation. Analytical Chemistry. 2015-02-03, s. 1422–1436. ISSN 0003-2700. DOI 10.1021/ac504720m. PMID 25526595. 
  16. ↑ a b M. Kliman; J. C. May; John A. McLean. Lipid analysis and lipidomics by structurally selective ion mobility-mass spectrometry. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids. 2011, s. 935–945. Dostupné online. DOI 10.1016/j.bbalip.2011.05.016. PMID 21708282. 
  17. ↑ O. Aizpurua-Olaizola; J. Sastre Toraño; J. M. Falcon-Perez; C. Williams; N. Reichardt; G.-J. Boons. Mass spectrometry for glycan biomarker discovery. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2018, s. 7–14. DOI 10.1016/j.trac.2017.12.015. 
  18. ↑ L. A. Angel; L. T. Majors; A. C. Dharmaratne; A. Dass. Ion mobility mass spectrometry of Au25(SCH2CH2Ph)18 nanoclusters. ACS Nano. 2010, s. 4691–4700. DOI 10.1021/nn1012447. PMID 20731448. 
  19. ↑ K. M. Kabir; W. A. Donald. Microscale differential ion mobility spectrometry for field deployable chemical analysis. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2017, s. 399–427. DOI 10.1016/j.trac.2017.10.011. 
  20. ↑ a b N. D. Wagner; D. E. Clemmer; D. H. Russell. ESI-IM-MS and Collision-Induced Unfolding That Provide Insight into the Linkage-Dependent Interfacial Interactions of Covalently Linked Diubiquitin. Analytical Chemistry. 2017-08-31, s. 10 094 – 10 103. DOI 10.1021/acs.analchem.7b02932. PMID 28841006. 
  21. ↑ Y. Tian; L. Han; A. C. Buckner; B. T. Ruotolo. Collision Induced Unfolding of Intact Antibodies: Rapid Characterization of Disulfide Bonding Patterns, Glycosylation, and Structures. Analytical Chemistry. 2015-10-27, s. 11 509 – 11 515. DOI 10.1021/acs.analchem.5b03291. PMID 26471104. 

Média použitá na této stránce

Ion mobility-mass spectrometry workflow.jpg
Autor: Remilawal, Licence: CC BY-SA 4.0
Different regions in an ion mobility spectrometry mass spectrometer
Ion mobility spectrometry diagram.svg
Autor: Jeff Dahl, Licence: CC BY-SA 3.0
Diagram of an ion mobility spectrometer