Ion-mobilitetsspektrometri–massespektrometri

Ion-mobilitetsspektrometri–massespektrometri (IMS-MS), også kjent som ion-mobilitetsseparasjon-massespektrometri, er en analytisk kjemimetode som skiller gassfaseioner basert på deres interaksjon med en kollisjonsgass og deres masser. I det første trinnet separeres ionene i henhold til deres mobilitet gjennom en buffergass på en millisekund tidsskala ved bruk av et ionmobilitetsspektrometer. De separerte ionene blir deretter introdusert i en masseanalysator i et andre trinn der forholdet mellom masse og ladning kan bestemmes på en mikrosekund tidsskala.[1] Den effektive separasjonen av analytter oppnådd med denne metoden gjør den allment anvendelig i analysen av komplekse prøver som i proteomikk og metabolomikk.

Historie

Earl W. McDaniel er blitt kalt far til massespektrometri for ionmobilitet.[1] Tidlig på 1960-tallet koblet han en drivcelle med lav-felt ionemobilitet til et sektormassespektrometer.[2]

Kombinasjonen av flyvetidsmassespektrometri og ion-mobilit massespektrometri ble banebrytende i 1963 på Bell Labs. I 1963 publiserte McAfee og Edelson en IMS-TOF-kombinasjon. I 1967 publiserte McKnight, McAfee og Sipler en IMS-TOF-kombinasjon. Instrumentet deres inkluderte en ortogonal TOF.[3] I 1969 Cohen et al. arkivert patent på et IMS-QMS-system. QMS på den tiden var en forbedring sammenlignet med TOFMS, fordi TOFMS hadde en langsom elektronisk datainnsamlingssystem på den tiden. I 1970 publiserte Young, Edelson og Falconer en IMS-TOF med ortogonal ekstraksjon.[4] De ser ut til å ha brukt det samme systemet som McKnight et al. i 1967, med små modifikasjoner. Arbeidet deres ble senere gjengitt i landemerkeboken til Mason/McDaniel, som av fagkyndige blir sett på som "IMS-bibelen".

I 1996 Guevremont et al. presenterte en plakat på ASMS-konferansen om IMS-TOF. I 1997 patenterte Tanner en kvadrupol med aksiale felt som kan brukes som drivcelle for IMS-separasjon. Han nevner også kombinasjonen av disse kvadrupolene med en ortogonal TOFMS. I 1998 utviklet Clemmer en IMS-TOF-kombinasjon ved hjelp av et koaksialt IMS-TOF-oppsett.[5] I 1999 utviklet Clemmer en IMS-TOF med et ortogonalt TOF-system.[6] Dette arbeidet førte til utviklingen av et ion-mobilitet-kvadrupol-CID-TOFMS-instrument av Micromass i Storbritannia og til slutt førte Micromass/Waters-selskapet til å utvikle verdens første kommersielle ion-mobilitetsmassespektrometerinstrument i 2006. Synapt, som det kalles, inkorporerer en pre-ion-mobilitet kvadrupol som tillater valg av forløperion før IMS-separasjon, noe som ytterligere forbedrer fleksibiliteten til ion-mobilitet-massespektrometri-kombinasjoner. I 2013 ga Agilent Technologies ut det første kommersielle drivrør ion mobilitetsmassespektrometer kalt 6560 med et 80 cm drivrør. Ionetrakter brukes til å forbedre effektiviteten for ionetransmisjon. Designet forbedret således følsomheten til ionmobilitet og tillot kommersialisering.[7]

En variasjon av IMS-MS er differensial ionmobilitetsspektrometri-massespektrometri (DIMS-MS), der gassfaseioner skilles ut basert på deres ionemobilitet i varierende styrker av elektriske felt.[8] Denne analysemetoden videreføres for tiden av Gary Glish og Glish Group.[7]

Instrumentelt

IMS-MS er en kombinasjon av et ion-mobilitetsspektrometer[8] og et massespektrometer, som diskutert av professor Claire E. Eyers og kolleger i en nylig gjennomgang.[7]

Et driv-tid-ion-mobilitetsspektrometer. I IM-MS er detektoren vanligvis et flyvetid massespektrometer.

Eksempel på introduksjon og ionisering

Den første fasen av instrumentet er en ionekilde der prøvene konverteres til gassfaseioner. Mange ioniseringsmetoder som ligner på de som tradisjonelt ble brukt for massespektrometri, har blitt anvendt for IM-MS, avhengig av den fysiske tilstanden til analytten.[9] Gassfaseprøver ioniseres vanligvis med termisk desorpsjon, radioaktiv ionisering, koronautladningsionisering og fotoioniseringsteknikker. Elektrosprayionisering og sekundær elektrosprayionisering (SESI) er vanlige metoder for ionisering av prøver i løsningen.[1] Fastfase-analytter ioniseres med matriseassistert laserdesorpsjonsionisering (MALDI) for store massemolekyler eller laserdesorpsjonsionisering (LDI) for molekyler med mindre masser.

Ion mobilitet separasjon

Det finnes forskjellige typer ionmobilitetsspektrometre, og det finnes forskjellige typer massespektrometre. I prinsippet er det mulig å kombinere hver type førstnevnte med hvilken som helst type av sistnevnte. Imidlertid, i den virkelige verden, er forskjellige typer ionmobilitet kombinert med forskjellige typer massespektrometre for å oppnå rimelig følsomhet. Hovedtyper av ionmobilitetsspektrometre som har blitt koblet til et massespektrometer for IM-MS-applikasjoner er diskutert nedenfor.

Drift-tid ion mobilitetsspektrometri (DTIMS)

I DTIMS drives ioner gjennom et rør med lengde som kan variere fra 5 cm til 300 cm ved bruk som elektrisk feltgradient. Mindre ioner beveger seg raskere gjennom røret enn ioner med større molekylvekt. Dermed skilles ioner ut fra deres driftstid gjennom røret.[9] Driftrør ion mobilitet bruker ikke RF-spenning som kan varme opp ioner, og det kan bevare strukturen til ionene. Det rotasjonsgjennomsnittlige kollisjonstverrsnittet (CCS), som er en fysisk egenskap for ioner som reflekterer ionenes form, kan måles nøyaktig på drivrørets ionemobilitet.[10] Oppløsningskraften er høy (CCS-oppløsning kan være høyere enn 100). Driftrør ion mobilitet er mye brukt til strukturanalyse. Det er vanligvis kombinert med massespektrometer.[7]

Differensial mobilitetsspektrometri (DMS)

Også kjent som felt asymmetrisk bølgeform ion-mobilitets spektrometri (FAIMS) eller RF-DC ion-mobilitet spektrometri er en massespektrometri teknikk der ioner er atskilt ved anvendelse av en høyspennings asymmetrisk bølgeform ved radiofrekvens (RF) kombinert med en statisk (DC) bølgeform påført mellom to elektroder.[11][12] Avhengig av forholdet mellom ioner med høy felt og lavt felt, vil det migrere mot den ene eller den andre elektroden. Bare ioner med spesifikk mobilitet vil passere gjennom enheten. Det er velkjent at det høye RF-feltet forvrenger ionens konformasjon, FAIMS er således en separasjonsteknikk uten å reservere strukturen til ionene og CCSene til ionene kan ikke måles.[13] Fordi FAIMS er en massevelger (andre ioner er ekskludert), er følsomheten i skannemodus mye lavere enn drivrørets ionemobilitet (alle ionene blir analysert). Derfor er FAIMS vanligvis kombinert med tredobbelt kvadrupol massespektrometer som også er instrument for ionevalg.

Vandrebølgerør ionemobilitet spektrometri (TWIMS)

I TWIMS skilles ioner i henhold til mobiliteten gjennom en vandrende bølge i en gassfylt celle. Både radiofrekvens (RF) og likestrøm (DC) påføres en serie ringelektroder kalt en stablet ringionstyring (SRIG) for å begrense ionene og skape en vandrende bølge.[7] Basert på hastigheten og størrelsen på den vandrende bølgen, kan ioner skilles fra hverandre. Mindre ioner har høyere mobilitet gjennom bølgen på grunn av mindre kollisjoner med gassmolekyler og går ut av cellen raskere enn ioner med lavere mobilitet (større ioner). I likhet med DTIMS kan CCS-verdier av ioner beregnes med TWIMS ved hjelp av en kalibrering avledet med kjente standarder.[14] Et kommersielt eksempel på TWIMS-MS-instrumenteringen er Waters Corp Synapt G2-S-instrument.

Masseseperasjon

Det tradisjonelle IM-MS-instrumentet bruker et flyvetid (TOF) massespektrometer grensesnittet til et IMS.[1] TOF-MS har mange fordeler, inkludert den høye hastigheten på datainnsamling og god følsomhet. Siden massespektredata blir anskaffet på en mikrosekund tidsskala, samles flere massespektre for hvert IMS-spektre (anskaffet på millisekund tidsskala). Kvadrupol-massespektrometeret har også blitt koblet til en IMS, men med en lavere skannehastighet. Andre massespektrometre, inkludert ionefelle, Fourier-transform ion syklotron resonans (FT-ICR), eller magnetiske sektormassespektrometre har også blitt kombinert med forskjellige IMS for forskjellige applikasjoner. I tillegg har hybrid massespektrometere blitt grensesnittet til mer enn en ion-mobilitetscelle for tandem- eller IMSn–MSm-applikasjoner.[15]

Applikasjoner

IM-MS-teknikken kan brukes til å analysere komplekse blandinger basert på forskjellige mobiliteter i et elektrisk felt. Gassfase-ionstrukturen kan studeres ved bruk av IM-MS gjennom måling av CCS og sammenligning med CCS av standardprøver eller CCS beregnet fra molekylær modellering. Signal/støy-forholdet er åpenbart forbedret fordi støyen kan skilles fysisk med signal i IM-MS. I tillegg kan isomerer skilles fra hverandre hvis formene er forskjellige. Toppkapasiteten til IM-MS er mye større enn MS, slik at flere forbindelser kan bli funnet og analysert. Denne karakteren er veldig kritisk for -omics-studie som krever analyse av så mange forbindelser som mulig i et enkelt løp.[16] Den har blitt brukt i påvisning av kjemiske krigsmidler, påvisning av eksplosiver,[15] i proteomikk for analyse av proteiner, peptider, medikamentlignende molekyler og nanopartikler.[17] Nylig har mikroskala FAIMS blitt integrert med elektrosprayionisering MS og væskekromatografi MS for raskt å skille ioner i millisekunder før masseanalyse. Bruken av mikroskala FAIMS i elektrosprayionisering MS og væskekromatografi MS kan forbedre toppkapasiteten og signal-til-støy for en rekke applikasjoner, inkludert proteomikk og farmasøytisk analyse.[18]

Nylig har gassfase-ionaktiveringsmetoder blitt brukt for å få ny innsikt i komplekse strukturer. Kollisjonsindusert utfolding (CIU) er en teknikk der ionets indre energi økes gjennom kollisjoner med en buffergass før IM-MS-analyse. Utfolding av ionet observeres gjennom større CCSer, og energien der utfolding skjer tilsvarer delvis ikke-kovalente interaksjoner i ionet.[19] Denne teknikken har blitt brukt for å skille polyubikvitinkoblinger[19] og intakte antistoffer.[20]

Referanser

  1. ^ a b c d Kanu, Abu B.; Dwivedi, Prabha; Tam, Maggie; Matz, Laura; Hill, Herbert H. (16. januar 2008). «Ion mobility-mass spectrometry». Journal of Mass Spectrometry. 1 (på engelsk). 43: 1–22. doi:10.1002/jms.1383. Besøkt 17. april 2021. 
  2. ^ McDaniel, E. W.; Martin, D. W.; Barnes, W. S. (Januar 1962). «Drift Tube‐Mass Spectrometer for Studies of Low‐Energy Ion‐Molecule Reactions». Review of Scientific Instruments. 1 (på engelsk). 33: 2–7. ISSN 0034-6748. doi:10.1063/1.1717656. Besøkt 17. april 2021. 
  3. ^ McKnight, L. G.; McAfee, K. B.; Sipler, D. P. (5. desember 1967). «Low-Field Drift Velocities and Reactions of Nitrogen Ions in Nitrogen». Physical Review. 1 (på engelsk). 164: 62–70. ISSN 0031-899X. doi:10.1103/PhysRev.164.62. Besøkt 17. april 2021. 
  4. ^ Young, C. E.; Edelson, D.; Falconer, W. E. (Desember 1970). «Water Cluster Ions: Rates of Formation and Decomposition of Hydrates of the Hydronium Ion». The Journal of Chemical Physics. 11 (på engelsk). 53: 4295–4302. ISSN 0021-9606. doi:10.1063/1.1673936. Besøkt 17. april 2021. 
  5. ^ Henderson, Sheila C.; Valentine, Stephen J.; Counterman, Anne E.; Clemmer, David E. (Januar 1999). «ESI/Ion Trap/Ion Mobility/Time-of-Flight Mass Spectrometry for Rapid and Sensitive Analysis of Biomolecular Mixtures». Analytical Chemistry. 2 (på engelsk). 71: 291–301. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac9809175. Besøkt 17. april 2021. 
  6. ^ Hoaglund, Cherokee S.; Valentine, Stephen J.; Sporleder, C. Ray; Reilly, James P.; Clemmer, David E. (Juni 1998). «Three-Dimensional Ion Mobility/TOFMS Analysis of Electrosprayed Biomolecules». Analytical Chemistry. 11 (på engelsk). 70: 2236–2242. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac980059c. Besøkt 17. april 2021. 
  7. ^ a b c d e Lanucara, Francesco; Holman, Stephen W.; Gray, Christopher J.; Eyers, Claire E. (April 2014). «The power of ion mobility-mass spectrometry for structural characterization and the study of conformational dynamics». Nature Chemistry. 4 (på engelsk). 6: 281–294. ISSN 1755-4330. doi:10.1038/nchem.1889. Besøkt 17. april 2021. 
  8. ^ a b Isenberg, Samantha L.; Armistead, Paul M.; Glish, Gary L. (September 2014). «Optimization of Peptide Separations by Differential Ion Mobility Spectrometry». Journal of The American Society for Mass Spectrometry. 9 (på engelsk). 25: 1592–1599. ISSN 1044-0305. PMC 4458851 Åpent tilgjengelig. PMID 24990303. doi:10.1007/s13361-014-0941-9. Besøkt 17. april 2021. 
  9. ^ a b Cumeras, R.; Figueras, E.; Davis, C. E.; Baumbach, J. I.; Gràcia, I. (2015). «Review on Ion Mobility Spectrometry. Part 1: current instrumentation». The Analyst. 5 (på engelsk). 140: 1376–1390. ISSN 0003-2654. PMC 4331213 Åpent tilgjengelig. PMID 25465076. doi:10.1039/C4AN01100G. Besøkt 17. april 2021. 
  10. ^ Gabelica, Valérie; Shvartsburg, Alexandre A.; Afonso, Carlos; Barran, Perdita; Benesch, Justin L.P.; Bleiholder, Christian; Bowers, Michael T.; Bilbao, Aivett; Bush, Matthew F. (Mai 2019). «Recommendations for reporting ion mobility Mass Spectrometry measurements». Mass Spectrometry Reviews. 3 (på engelsk). 38: 291–320. ISSN 0277-7037. doi:10.1002/mas.21585. Besøkt 17. april 2021. 
  11. ^ Guevremont, R (26. november 2004). «High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry: A new tool for mass spectrometry». Journal of Chromatography A. 1-2 (på engelsk). 1058: 3–19. doi:10.1016/S0021-9673(04)01478-5. Besøkt 17. april 2021. 
  12. ^ Kolakowski, Beata M.; Mester, Zoltán (2007). «Review of applications of high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) and differential mobility spectrometry (DMS)». The Analyst. 9 (på engelsk). 132: 842. ISSN 0003-2654. doi:10.1039/b706039d. Besøkt 17. april 2021. 
  13. ^ Shvartsburg, Alexandre A.; Li, Fumin; Tang, Keqi; Smith, Richard D. (Februar 2007). «Distortion of Ion Structures by Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry». Analytical Chemistry. 4 (på engelsk). 79: 1523–1528. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac061306c. Besøkt 17. april 2021. 
  14. ^ May, Jody C.; McLean, John A. (3. februar 2015). «Ion Mobility-Mass Spectrometry: Time-Dispersive Instrumentation». Analytical Chemistry. 3 (på engelsk). 87: 1422–1436. ISSN 0003-2700. PMC 4318620 Åpent tilgjengelig. PMID 25526595. doi:10.1021/ac504720m. Besøkt 17. april 2021. 
  15. ^ a b Kliman, Michal; May, Jody C.; McLean, John A. (November 2011). «Lipid analysis and lipidomics by structurally selective ion mobility-mass spectrometry». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids. 11 (på engelsk). 1811: 935–945. PMC 3326421 Åpent tilgjengelig. PMID 21708282. doi:10.1016/j.bbalip.2011.05.016. Besøkt 17. april 2021. 
  16. ^ Aizpurua-Olaizola, O.; Sastre Toraño, J.; Falcon-Perez, J.M.; Williams, C.; Reichardt, N.; Boons, G.-J. (Mars 2018). «Mass spectrometry for glycan biomarker discovery». TrAC Trends in Analytical Chemistry (på engelsk). 100: 7–14. doi:10.1016/j.trac.2017.12.015. Besøkt 17. april 2021. 
  17. ^ Angel, Laurence A.; Majors, Lance T.; Dharmaratne, Asantha C.; Dass, Amala (24. august 2010). «Ion Mobility Mass Spectrometry of Au 25 (SCH 2 CH 2 Ph) 18 Nanoclusters». ACS Nano. 8 (på engelsk). 4: 4691–4700. ISSN 1936-0851. doi:10.1021/nn1012447. Besøkt 17. april 2021. 
  18. ^ Kabir, K.M. Mohibul; Donald, William A. (Desember 2017). «Microscale differential ion mobility spectrometry for field deployable chemical analysis». TrAC Trends in Analytical Chemistry (på engelsk). 97: 399–427. doi:10.1016/j.trac.2017.10.011. Besøkt 17. april 2021. 
  19. ^ a b Wagner, Nicole D.; Clemmer, David E.; Russell, David H. (19. september 2017). «ESI-IM-MS and Collision-Induced Unfolding That Provide Insight into the Linkage-Dependent Interfacial Interactions of Covalently Linked Diubiquitin». Analytical Chemistry. 18 (på engelsk). 89: 10094–10103. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/acs.analchem.7b02932. Besøkt 17. april 2021. 
  20. ^ Tian, Yuwei; Han, Linjie; Buckner, Adam C.; Ruotolo, Brandon T. (17. november 2015). «Collision Induced Unfolding of Intact Antibodies: Rapid Characterization of Disulfide Bonding Patterns, Glycosylation, and Structures». Analytical Chemistry. 22 (på engelsk). 87: 11509–11515. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/acs.analchem.5b03291. Besøkt 17. april 2021. 
Autoritetsdata