Arbeitsablauf der Ionenmobilitätsspektrometrie-Massenspektrometrie (IM-MS)

Die Ionenmobilitätsspektrometrie-Massenspektrometrie ( IMS-MS ) ist eine analytisch-chemische Methode, die Ionen in der Gasphase anhand ihrer Wechselwirkung mit einem Kollisionsgas und ihrer Masse trennt. Im ersten Schritt werden die Ionen mithilfe eines Ionenmobilitätsspektrometers innerhalb von Millisekunden anhand ihrer Mobilität durch ein Puffergas getrennt . Anschließend werden die getrennten Ionen in einem zweiten Schritt in einen Massenanalysator eingeleitet, wo ihre Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse innerhalb von Mikrosekunden bestimmt werden können. [ 1 ] Die mit dieser Methode erzielbare effektive Trennung von Analyten ermöglicht ihre breite Anwendung in der Analyse komplexer Proben, beispielsweise in der Proteomik und Metabolomik.

Geschichte

Earl W. McDaniel gilt als Vater der Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie. [ 1 ] Anfang der 1960er Jahre koppelte er eine Niederfeld-Ionenmobilitäts-Driftzelle an ein Sektormassenspektrometer. [ 2 ]

Die Kombination von Flugzeitmassenspektrometrie und Ionenmobilitätsspektrometrie wurde 1963 bei den Bell Labs erstmals angewendet . McAfee und Edelson veröffentlichten 1963 eine IMS-TOF-Kombination. 1967 folgte die Veröffentlichung einer weiteren IMS-TOF-Kombination von McKnight, McAfee und Sipler. Ihr Instrument umfasste einen orthogonalen Flugzeitmassenspektrometer. [ 3 ] 1969 meldeten Cohen et al. ein Patent für ein IMS-QMS-System an. Das QMS stellte damals eine Verbesserung gegenüber dem TOFMS dar, da dessen elektronisches Datenerfassungssystem zu dieser Zeit noch recht langsam war. 1970 veröffentlichten Young, Edelson und Falconer ein IMS-TOF-System mit orthogonaler Extraktion. [ 4 ] Sie scheinen dasselbe System wie McKnight et al. im Jahr 1967 verwendet und lediglich geringfügige Modifikationen vorgenommen zu haben. Ihre Arbeit wurde später in dem wegweisenden Buch von Mason/McDaniel reproduziert, das von Fachleuten als die „Bibel der IMS“ angesehen wird.

1996 präsentierten Guevremont et al. auf der ASMS-Konferenz ein Poster über IMS-TOF. 1997 patentierte Tanner einen Quadrupol mit axialen Feldern, der als Driftzelle für die IMS-Trennung verwendet werden kann. Er erwähnt auch die Kombination dieser Quadrupole mit einem orthogonalen TOFMS. 1998 entwickelte Clemmer eine IMS-TOF-Kombination mit einem koaxialen IMS-TOF-Aufbau. [ 5 ] 1999 entwickelte Clemmer ein IMS-TOF mit einem orthogonalen TOF-System. [ 6 ] Diese Arbeit führte zur Entwicklung eines Ionenmobilitäts-Quadrupol-CID-TOFMS-Instruments durch Micromass in Großbritannien und schließlich zur Entwicklung des weltweit ersten kommerziellen Ionenmobilitäts-Massenspektrometers durch die Micromass/Waters Corporation im Jahr 2006. Das Synapt, wie es genannt wird, verfügt über einen vorgeschalteten Ionenmobilitäts-Quadrupol, der die Selektion von Vorläuferionen vor der IMS-Trennung ermöglicht und so die Flexibilität der Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie-Kombinationen weiter erhöht. Im Jahr 2013 brachte Agilent Technologies das erste kommerzielle Driftrohr-Ionenmobilitäts-Massenspektrometer mit der Bezeichnung 6560 und einem 80 cm langen Driftrohr auf den Markt. Ionentrichter werden eingesetzt, um die Ionentransmissionseffizienz zu verbessern. Das Design verbesserte somit die Empfindlichkeit der Ionenmobilität erheblich und ermöglichte die Kommerzialisierung. [ 7 ]

Eine Variante der Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (IMS-MS) ist die differentielle Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (DIMS-MS), bei der Gasphasenionen anhand ihrer Ionenmobilität in elektrischen Feldern unterschiedlicher Stärke getrennt werden. [ 8 ] Diese Analysemethode wird derzeit von Gary Glish und der Glish-Gruppe weiterentwickelt . [ 8 ]

Instrumentierung

Das IMS-MS ist eine Kombination aus einem Ionenmobilitätsspektrometer [ 9 ] und einem Massenspektrometer , wie Professorin Claire E. Eyers und Kollegen in einem kürzlich erschienenen Übersichtsartikel beschrieben haben. [ 7 ]

Ein Driftzeit-Ionenmobilitätsspektrometer. In der IM-MS ist der Detektor typischerweise ein Flugzeitmassenspektrometer.

Probeneinführung und Ionisierung

Die erste Stufe des Instruments ist eine Ionenquelle, in der Proben in gasförmige Ionen umgewandelt werden. Für die Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (IM-MS) werden je nach Aggregatzustand des Analyten zahlreiche Ionisationsmethoden eingesetzt, die denen der Massenspektrometrie ähneln. [ 9 ] Gasförmige Proben werden typischerweise mittels radioaktiver Ionisation, Koronaentladungsionisation und Photoionisation ionisiert . Die Elektrospray-Ionisation ist eine gängige Methode zur Ionisation von Proben in Lösung. [ 1 ] Festphasenanalyten werden mittels Matrix-unterstützter Laserdesorptions-/Ionisation (MALDI) für Moleküle mit großer Masse oder mittels Laserdesorptions-/Ionisation (LDI) für Moleküle mit kleinerer Masse ionisiert.

Ionenmobilitätstrennung

Es gibt verschiedene Arten von Ionenmobilitätsspektrometern und Massenspektrometern. Prinzipiell lässt sich jeder Ionenmobilitätsspektrometertyp mit jedem Massenspektrometertyp kombinieren. In der Praxis werden jedoch unterschiedliche Ionenmobilitätsspektrometertypen mit verschiedenen Massenspektrometern gekoppelt, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erzielen. Die wichtigsten Ionenmobilitätsspektrometertypen, die für IM-MS-Anwendungen mit einem Massenspektrometer gekoppelt wurden, werden im Folgenden erläutert.

Driftrohr-Ionenmobilitätsspektrometrie (DTIMS)

Bei der Driftrohr-Ionenmobilitätsspektrometrie (DTIMS) werden Ionen mithilfe eines elektrischen Feldgradienten durch ein Rohr driftet, dessen Länge zwischen 5 cm und 300 cm variieren kann. Kleinere Ionen bewegen sich schneller durch das Driftrohr als Ionen mit größerem Stoßquerschnitt. Daher werden die Ionen anhand ihrer Driftzeit durch das Rohr getrennt. [ 10 ] Die Driftrohr-Ionenmobilitätsspektrometrie benötigt keine Hochfrequenzspannung, die die Ionen erhitzen könnte, und erhält deren Struktur. Der rotationsgemittelte Stoßquerschnitt (CCS), eine physikalische Eigenschaft von Ionen, die deren Form widerspiegelt, kann mit Driftrohr-Ionenmobilitätsspektrometrie präzise gemessen werden. [ 11 ] Das Auflösungsvermögen ist hoch (die CCS-Auflösung kann über 100 liegen). Driftrohr-Ionenmobilitätsspektrometrie wird häufig zur Strukturanalyse eingesetzt und üblicherweise mit einem Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-Massenspektrometer) gekoppelt. [ 7 ]

Differenzielle Mobilitätsspektrometrie (DMS)

Die auch als Feldasymmetrische-Wellenform-Ionenmobilitätsspektrometrie (FAIMS) oder RF-DC-Ionenmobilitätsspektrometrie bekannte Technik trennt Ionen durch Anlegen einer asymmetrischen Hochspannungswelle im Radiofrequenzbereich (RF) in Kombination mit einer statischen Gleichstromwelle ( DC ) zwischen zwei Elektroden. [ 12 ] [ 13 ] Abhängig vom Verhältnis der Hochfeld- und Niederfeldmobilität wandert das Ion zur einen oder anderen Elektrode . Nur Ionen mit einer bestimmten Mobilität passieren das Gerät. Da das hohe RF-Feld die Konformation der Ionen verändert, ist FAIMS eine Trenntechnik, die die Ionenstruktur nicht erhält, und die Kontaktstellen (CCS) der Ionen können nicht gemessen werden. [ 14 ] Da FAIMS ein Massenselektor ist (andere Ionen werden ausgeschlossen), ist die Empfindlichkeit im Scan-Modus deutlich geringer als bei der Driftrohr-Ionenmobilitätsspektrometrie (alle Ionen werden analysiert). Daher wird FAIMS üblicherweise mit einem Triple-Quadrupol-Massenspektrometer gekoppelt, das ebenfalls ein Ionenselektionsinstrument ist.

Ionenmobilitätsspektrometrie mit Wanderwellen (TWIMS)

Bei der TWIMS werden Ionen anhand ihrer Mobilität durch eine Wanderwelle in einer gasgefüllten Zelle getrennt. An eine Reihe von Ringelektroden, den sogenannten gestapelten Ringionenleiter (SRIG), werden sowohl Hochfrequenz- (HF) als auch Gleichstromspannungen (DC) angelegt, um die Ionen einzuschließen und eine Wanderwelle zu erzeugen. [ 7 ] Basierend auf der Geschwindigkeit und Amplitude der Wanderwelle können Ionen getrennt werden. Kleinere Ionen weisen aufgrund weniger Kollisionen mit Gasmolekülen eine höhere Mobilität in der Welle auf und verlassen die Zelle schneller als Ionen mit geringerer Mobilität (größere Ionen). Ähnlich wie bei der DTIMS können auch bei der TWIMS die CCS-Werte von Ionen mithilfe einer Kalibrierung berechnet werden, die mit bekannten Standards erstellt wurde. [ 15 ] Ein kommerzielles Beispiel für ein TWIMS-MS-Gerät ist das Synapt G2-S-Gerät der Waters Corp.

Massentrennung

Das traditionelle IM-MS-Instrument verwendet ein Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-MS), das mit einem Ionenmobilitäts-Massenspektrometer (IMS) gekoppelt ist. [ 1 ] Das TOF-MS bietet viele Vorteile, darunter die hohe Datenerfassungsgeschwindigkeit und die gute Empfindlichkeit. Da massenspektrometrische Daten im Mikrosekundenbereich erfasst werden, werden für jedes IMS-Spektrum (Erfassung im Millisekundenbereich) mehrere Massenspektren aufgenommen. Auch Quadrupol-Massenspektrometer wurden mit einem IMS gekoppelt, allerdings mit einer geringeren Scanrate. Weitere Massenspektrometer, darunter Ionenfalle-, Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz- (FT-ICR-) oder Magnetsektor-Massenspektrometer, wurden ebenfalls mit verschiedenen IMS für diverse Anwendungen gekoppelt. [ 10 ] Darüber hinaus wurden Hybrid-Massenspektrometer mit mehr als einer Ionenmobilitätszelle für Tandem- oder IMS<sub> n </sub>-MS <sub> m</sub> -Anwendungen gekoppelt. [ 16 ]

Anwendungen

Die IM-MS-Technik eignet sich zur Analyse komplexer Gemische aufgrund der unterschiedlichen Mobilitäten der Ionen im elektrischen Feld. Die Ionenstruktur in der Gasphase lässt sich mittels IM-MS durch Messung der CCS (Kollisionsquerschnitt) und Vergleich mit den CCS von Standardproben oder mittels Molekülmodellierung berechneten CCS untersuchen. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist deutlich verbessert, da sich Rauschen und Signal in IM-MS physikalisch trennen lassen. Zudem können Isomere anhand ihrer Form unterschieden werden. Die Peak-Kapazität von IM-MS ist wesentlich höher als die von MS, wodurch mehr Verbindungen detektiert und analysiert werden können. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Omics- Studien, die die Analyse möglichst vieler Verbindungen in einem einzigen Lauf erfordern. [ 17 ] IM-MS wurde bereits zur Detektion chemischer Kampfstoffe und Sprengstoffe sowie in der Proteomik zur Analyse von Proteinen, Peptiden, arzneimittelähnlichen Molekülen und Nanopartikeln eingesetzt. [ 18 ] Darüber hinaus kann IM-MS zur Überwachung isomerer Reaktionszwischenprodukte und zur Untersuchung ihrer Kinetik verwendet werden. [ 19 ] Kürzlich wurde die FAIMS im Mikromaßstab mit der Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS) und der Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) integriert, um Ionen vor der Massenanalyse innerhalb von Millisekunden schnell zu trennen. Der Einsatz von FAIMS im Mikromaßstab in der ESI-MS und der LC-MS kann die Peak-Kapazität und das Signal-Rausch-Verhältnis für eine Reihe von Anwendungen, einschließlich Proteomik und pharmazeutischer Analytik, deutlich verbessern. [ 20 ]

In jüngster Zeit wurden Methoden zur Ionenaktivierung in der Gasphase eingesetzt, um neue Einblicke in komplexe Strukturen zu gewinnen. Die kollisionsinduzierte Entfaltung (CIU) ist eine Technik, bei der die innere Energie eines Ions durch Kollisionen mit einem Puffergas vor der IM-MS-Analyse erhöht wird. Die Entfaltung des Ions wird durch größere Kollisionsquerschnitte (CCS) beobachtet, und die Energie, bei der die Entfaltung erfolgt, korrespondiert teilweise mit nichtkovalenten Wechselwirkungen innerhalb des Ions. [ 21 ] Diese Technik wurde zur Unterscheidung von Polyubiquitin-Verknüpfungen [ 21 ] und intakten Antikörpern [ 22 ] verwendet.

Siehe auch

Referenzen

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