Tandem massespektrometri

Tandem massespektrometri, også kjent som MS/MS eller MS2, er en teknikk i instrumental analyse der to eller flere masseanalysatorer er koblet sammen ved hjelp av et ekstra reaksjonstrinn for å øke deres evner til å analysere kjemiske prøver.[1] Vanlig bruk av tandem-MS er analysen av biomolekyler, som proteiner og peptider.

Et kvadrupol-flytid hybrid tandem massespektrometer.

Molekylene i en gitt prøve er ionisert, og det første spektrometeret (betegnet MS1) skiller disse ionene ved deres masse-til-ladningsforhold (ofte gitt som m/z eller m/Q). Ioner med et bestemt m/z-forhold som kommer fra MS1 blir valgt og deretter laget for å splitte i mindre fragmentioner, f.eks. ved kollisjonsindusert dissosiasjon, ion-molekylreaksjon eller fotodissosiasjon. Disse fragmentene blir deretter introdusert i det andre massespektrometeret (MS2), som igjen skiller fragmentene med deres m/z-forhold og oppdager dem. Fragmenteringstrinnet gjør det mulig å identifisere og skille ioner som har veldig like m/z-forhold i vanlige massespektrometre.

StrukturRediger

Tandem massespektrometri inkluderer trippel kvadrupol massespektrometer (qqq), kvad-flytid (Q-tof) og hybrid massespektrometer.

Trippel kvadrupol massespektrometer (qqq)Rediger

Trippel kvadrupolmassespektrometre bruker den første og tredje kvadrupolen som massefilter. Når analytter passerer den andre kvadrupolen, fortsetter fragmenteringen gjennom kollisjon med gass. Vanligvis brukt i farmasøytisk industri.

Kvadrupol-flyvetidsmassespektrometer (Q-tof)Rediger

Q-tof massespektrometer kombinerer flyvetidsmassespektrometer og kvadrupol instrumenter, som forårsaker høy massenøyaktighet for produktioner, nøyaktig kvantifiseringsevne og fragmenteringseksperiment anvendbarhet. Dette er en metode for massespektrometri som forholdet mellom ionefragmenterings (m/z) forholdet bestemmes gjennom en flyvetidsmåling.

HybridmassespektrometerRediger

Hybridmassespektrometer består av mer en to masseanalysatorer

InstrumenteltRediger

 
Skjematisk oversikt over tandem massespektrometri

Flere trinn med masseanalyseseparasjon kan oppnås med individuelle massespektrometerelementer atskilt i rommet eller ved bruk av et enkelt massespektrometer med MS-trinn atskilt i tid. For tandem massespektrometri i rommet blir de forskjellige elementene ofte notert i en kort beskrivelse, og gir den typen massevalg som brukes.

Tandem i romRediger

 
Trippel kvadrupol diagram; og eksempel på tandem massespektrometri i rommet.

I tandem massespektrometri i rommet er separasjonselementene fysisk atskilt og tydelige, selv om det er en fysisk forbindelse mellom elementene for å opprettholde høyt vakuum. Disse elementene kan være sektor, kvadrupole eller flyvetid. Når du bruker flere kvadrupoler, kan de fungere som både masseanalysatorer og kollisjonskamre.

Vanlig betegnelse for masseanalysatorer er Q - kvadrupol masseanalysator; q - radiofrekvens kollisjon kvadrupole; TOF - flyvetidsmasseanalysator; B - magnetisk sektor, og E - elektrisk sektor. Notasjonen kan kombineres for å indikere forskjellige hybridinstrumenter, for eksempel QqQ '- trippel kvadrupol massespektrometer; QTOF - kvadrupol flyvetids massespektrometer (også QqTOF); og BEBE - firesektor (omvendt geometri) massespektrometer.

Tandem i tidRediger

 
En ionefelle massespektrometer er et eksempel på en tandem massespektrometri i tid.

Ved å gjøre tandem massespektrometri i tid, oppnås separasjonen med ioner fanget på samme sted, med flere separasjonstrinn som finner sted over tid. En kvadrupol ionefelle eller Fourier-transform ion syklotron resonans (FTICR) instrument kan brukes til en slik analyse.[2] Felleinstrumenter kan utføre flere analysetrinn, som noen ganger blir referert til som MSn (MS til n).[3] Ofte er antall trinn, n, ikke angitt, men noen ganger blir verdien spesifisert; for eksempel indikerer MS3, tre trinn for separasjon. Tandem i tid MS-instrumenter bruker ikke modusene som er beskrevet nedenfor, men samler vanligvis all informasjon fra en forløper-ion-skanning og en foreldre-ion-skanning av hele spektret. Hver instrumentkonfigurasjon benytter en unik modus for masseidentifikasjon.

Tandem i rom MS/MS-modusRediger

Når tandem MS utføres med en i romdesign, må instrumentet operere i en av en rekke forskjellige moduser. Det finnes en rekke forskjellige tandem MS/MS instrumentoppsett, og hver modus har sine egne applikasjoner og gir forskjellig informasjon. Tandem MS i rommet bruker koblingen av to instrumentkomponenter som måler det samme massespektrumområdet, men med en kontrollert fraksjonering mellom dem i rommet, mens tandem MS i tid innebærer bruk av en ionefelle.

Det er fire hovedskanningseksperimenter mulig ved bruk av MS/MS: forløperionskanning, skanning av produktion, skanning av nøytralt tap og valgt reaksjonsovervåking.

For en forløperionskanning velges produktionen i den andre masseanalysatoren, og forløpermassene skannes i den første masseanalysatoren. Merk at forløperion[4] er synonymt med foreldreion[5] og produktion[6] med datterion,[7] men bruken av disse menneskelignende begrepene frarådes.[8][9]

I en produktionskanning velges et forløperion i det første trinnet, blir fragmentert, og deretter skannes alle resulterende masser i den andre masseanalysatoren og oppdages i detektoren som er posisjonert etter den andre masseanalysatoren. Dette eksperimentet blir ofte utført for å identifisere overganger som brukes til kvantifisering av tandem MS.

I en nøytral tapskanning skanner den første masseanalysatoren alle massene. Den andre masseanalysatoren skanner også, men ved en forskyvning fra den første masseanalysatoren.[10] Denne forskyvningen tilsvarer et nøytralt tap som ofte observeres for denne klassen med forbindelser. I en konstant-nøytral-tap-skanning blir alle forløpere som gjennomgår tapet av en spesifisert felles nøytral overvåket. For å få denne informasjonen blir begge masseanalysatorene skannet samtidig, men med en masseforskyvning som korrelerer med massen til den spesifiserte nøytralen. I likhet med forløper-ion-skanning, er denne teknikken også nyttig i den selektive identifikasjonen av nær beslektet klasse av forbindelser i en blanding.

I valgt reaksjonsovervåking er begge masseanalysatorene satt til en valgt masse. Denne modusen er analog med valgt ionovervåking for MS-eksperimenter. En selektiv analysemodus, som kan øke følsomheten.[11]

FragmenteringRediger

Utdypende artikkel: Fragmentering (massespektrometri)

Fragmentering av ioner i gassfase er viktig for tandem massespektrometri og forekommer mellom forskjellige stadier av masseanalyse. Det er mange metoder som brukes til å fragmentere ionene, og disse kan resultere i forskjellige typer fragmentering og dermed ulik informasjon om strukturen og sammensetningen av molekylet.

KildefragmenteringRediger

Ofte er ioniseringsprosessen tilstrekkelig voldsom til å etterlate de resulterende ionene med tilstrekkelig indre energi til å fragmenteres i massespektrometeret. Hvis produktionene vedvarer i sin ikke-likevektstilstand i moderat tid før auto-dissosiasjon, kalles denne prosessen metastabil fragmentering.[12] Fragmentering av dyse-skimmer refererer til målrettet induksjon av kildefragmentering ved å øke dyseskimmer-potensialet på vanligvis elektrospraybaserte instrumenter. Selv om fragmentering i kilden tillater fragmenteringsanalyse, er det ikke teknisk tandem-massespektrometri med mindre metastabile ioner masseanalyseres eller velges før auto-dissosiasjon og et andre analysetrinn utføres på de resulterende fragmentene. Kildefragmentering kan brukes i stedet for tandem massespektrometri gjennom bruk av forbedret kildefragmenteringannotonering (ofte forkortet EISA fra engelsk Enhanced in-Source Fragmentation Annotation) teknologi som genererer fragmentering som direkte samsvarer med tandem massespektrometri data.[13] Fragmenter observert av EISA har høyere signalintensitet enn tradisjonelle fragmenter som lider tap i kollisjonscellene til tandem massespektrometre.[14] EISA muliggjør oppsamling av fragmenteringsdata på MS1-masseanalysatorer som flytid og enkelt kvadrupolinstrumenter. Kildefragmentering brukes ofte i tillegg til tandem massespektrometri (med etterkildefragmentering) for å tillate to trinn med fragmentering i en pseudo MS3-type eksperimenter.[15]

Kollisjonsindusert dissosiasjonRediger

Fragmentering etter kilden er oftest det som blir brukt i et tandem massespektrometrieksperimenter. Energi kan også tilsettes ionene, som vanligvis allerede er vibrasjonelt begeistret, gjennom kollisjon etter kilden med nøytrale atomer eller molekyler, absorpsjon av stråling, eller overføring eller innfanging av et elektron med et mangfoldig ladet ion. Kollisjonsindusert dissosiasjon (CID), også kalt kollisjonsaktivert dissosiasjon (CAD), innebærer kollisjon av et ion med et nøytralt atom eller molekyl i gassfasen og påfølgende dissosiasjon av ionet.[16][17] For eksempel:

 

der ionet AB+ kolliderer med det nøytrale speciet M og deretter bryter fra hverandre. Detaljene i denne prosessen er beskrevet av kollisjonsteori. På grunn av ulik instrumental konfigurasjon er to hovedtyper av CID mulig: (i) stråle-type (hvor forløperioner er fragmentert underveis)[18] og (ii) ionefeller (der forløperioner blir først fanget, og deretter fragmentert).[19][20]

En tredje og nyere type CID-fragmentering er høyenergi kollisjonell dissosiasjon (HCD). HCD er en CID-teknikk som er spesifikk for orbitrap massespektrometre der fragmentering foregår utenfor ionefellen,[21][22] det skjer i HCD-cellen (i noen instrumenter kalt "ion routing multipole").[23] HCD er en fragmentering av felle-typen som har vist seg å ha egenskaper av bjelketypen.[24][25] Fritt tilgjengelige storskala høyoppløselige tandem massespektrometri databaser eksisterer (f.eks. METLIN med 850 000 molekylære standarder hver med eksperimentelle CID MS/MS data),[26] og brukes vanligvis for å lette identifikasjon av små molekyler.

Elektronfangst og overføringsmetoderRediger

Energien som frigjøres når et elektron overføres til eller fanges opp av et multipladdet ion, kan indusere fragmentering.

ElektronfangstdissosiasjonRediger

Hvis et elektron tilsettes et multiladdet positivt ion, frigjøres Coulomb-energien. Å legge til et fritt elektron kalles elektronfangsdissosiasjon (ECD),[27] og er representert med:

 

for et multiplisert protonert molekyl M.

Elektronoverføring dissosiasjonRediger

Tilsetning av et elektron gjennom en ion-ion-reaksjon kalles elektronoverføring dissosiasjon (ETD).[28][29] I likhet med elektronfangst-dissosiasjon, induserer ETD fragmentering av kationer (f.eks. Peptider eller proteiner) ved å overføre elektroner til dem. Den ble oppfunnet av Donald F. Hunt, Joshua Coon, John E. P. Syka og Jarrod Marto ved University of Virginia.[30]

ETD bruker ikke frie elektroner, men benytter radikale anioner (f.eks. Antracen eller azobenzen) til dette formålet:

 

hvor A er anionet.[31]

ETD spaltes tilfeldig langs peptidrygraden (c- og z-ioner) mens sidekjeder og modifikasjoner som fosforylering blir liggende intakte. Teknikken fungerer bare bra for ioner med høyere ladningstilstand (z> 2), men i forhold til kollisjonsindusert dissosiasjon (CID) er ETD fordelaktig for fragmentering av lengre peptider eller til og med hele proteiner. Dette gjør teknikken viktig for ovenfra og ned proteomikk. I likhet med ECD er ETD effektiv for peptider med modifikasjoner som fosforylering.[32]

BegrensningerRediger

Tandem massespektrometri kan ikke brukes til encelleanalyser, da det er ufølsomt å analysere så små mengder av en celle. Disse begrensningene skyldes primært en kombinasjon av ineffektiv ioneproduksjon og ionetap i instrumentene på grunn av kjemiske støykilder til løsningsmidler.[33]

KilderRediger

  1. ^ Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «tandem mass spectrometer». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.t06250. Besøkt 17. februar 2021. 
  2. ^ Cody, R.B.; Freiser, B.S. (Januar 1982). «Collision-induced dissociation in a fourier-transform mass spectrometer». International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics. 3 (engelsk). 41: 199–204. doi:10.1016/0020-7381(82)85035-3. Besøkt 17. februar 2021. 
  3. ^ Cody, R. B.; Burnier, R. C.; Cassady, C. J.; Freiser, B. S. (1. november 1982). «Consecutive collision-induced dissociations in Fourier transform mass spectrometry». Analytical Chemistry. 13 (engelsk). 54: 2225–2228. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac00250a021. Besøkt 17. februar 2021. 
  4. ^ Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «precursor ion in mass spectrometry». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.p04807. Besøkt 17. februar 2021. 
  5. ^ Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «parent ion in mass spectrometry». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.p04406. Besøkt 17. februar 2021. 
  6. ^ Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «product ion». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.p04864. Besøkt 17. februar 2021. 
  7. ^ Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «daughter ion in mass spectrometry». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.d01524. Besøkt 17. februar 2021. 
  8. ^ Bursey, Maurice M. (Januar 1991). «Comment to readers: Style and the lack of it». Mass Spectrometry Reviews. 1 (engelsk). 10: 1–2. ISSN 0277-7037. doi:10.1002/mas.1280100102. Besøkt 17. februar 2021. 
  9. ^ Adams, Jeanette (Mai 1992). «To the editor». Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 4 (engelsk). 3: 473–473. doi:10.1016/1044-0305(92)87078-D. Besøkt 17. februar 2021. 
  10. ^ Louris, John N.; Wright, Larry G.; Cooks, R. Graham.; Schoen, Alan E. (1. desember 1985). «New scan modes accessed with a hybrid mass spectrometer». Analytical Chemistry. 14 (engelsk). 57: 2918–2924. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac00291a039. Besøkt 17. februar 2021. 
  11. ^ Hoffmann, Edmond de (2001). Mass spectrometry : principles and applications. (2nd ed. utg.). Chichester: Wiley. s. 133. ISBN 0-471-48566-7. OCLC 46683947. 
  12. ^ Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «transient (chemical) species». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.t06451. Besøkt 17. februar 2021. 
  13. ^ Domingo-Almenara, Xavier; Montenegro-Burke, J. Rafael; Guijas, Carlos; Majumder, Erica L.-W.; Benton, H. Paul; Siuzdak, Gary (5. mars 2019). «Autonomous METLIN-Guided In-source Fragment Annotation for Untargeted Metabolomics». Analytical Chemistry. 5 (engelsk). 91: 3246–3253. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/acs.analchem.8b03126. Besøkt 17. februar 2021. 
  14. ^ Xue, Jingchuan; Domingo-Almenara, Xavier; Guijas, Carlos; Palermo, Amelia; Rinschen, Markus M.; Isbell, John; Benton, H. Paul; Siuzdak, Gary (21. april 2020). «Enhanced in-Source Fragmentation Annotation Enables Novel Data Independent Acquisition and Autonomous METLIN Molecular Identification». Analytical Chemistry. 8 (engelsk). 92: 6051–6059. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/acs.analchem.0c00409. Besøkt 17. februar 2021. 
  15. ^ Körner, Roman; Wilm, Matthias; Morand, Kenneth; Schubert, Michael; Mann, Matthias (Februar 1996). «Nano electrospray combined with a quadrupole ion trap for the analysis of peptides and protein digests». Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2 (engelsk). 7: 150–156. ISSN 1044-0305. doi:10.1016/1044-0305(95)00626-5. Besøkt 17. februar 2021. 
  16. ^ Mitchell Wells, J. (2005). «Collision‐Induced Dissociation (CID) of Peptides and Proteins». Methods in Enzymology (engelsk). 402. Elsevier. s. 148–185. ISBN 978-0-12-182807-3. doi:10.1016/s0076-6879(05)02005-7. Besøkt 17. februar 2021. 
  17. ^ Sleno, Lekha; Volmer, Dietrich A. (Oktober 2004). «Ion activation methods for tandem mass spectrometry». Journal of Mass Spectrometry. 10 (engelsk). 39: 1091–1112. ISSN 1076-5174. doi:10.1002/jms.703. Besøkt 17. februar 2021. 
  18. ^ Xia, Yu; Liang, Xiaorong; McLuckey, Scott A. (Februar 2006). «Ion Trap versus Low-Energy Beam-Type Collision-Induced Dissociation of Protonated Ubiquitin Ions». Analytical Chemistry. 4 (engelsk). 78: 1218–1227. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac051622b. Besøkt 17. februar 2021. 
  19. ^ March, Raymond E. (1997). «An Introduction to Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry». Journal of Mass Spectrometry. 4 (engelsk). 32: 351–369. ISSN 1096-9888. doi:10.1002/(SICI)1096-9888(199704)32:43.0.CO;2-Y. Besøkt 17. februar 2021. 
  20. ^ Bantscheff, Marcus; Boesche, Markus; Eberhard, Dirk; Matthieson, Toby; Sweetman, Gavain; Kuster, Bernhard (September 2008). «Robust and Sensitive iTRAQ Quantification on an LTQ Orbitrap Mass Spectrometer». Molecular & Cellular Proteomics. 9 (engelsk). 7: 1702–1713. PMC 2556025 . PMID 18511480. doi:10.1074/mcp.M800029-MCP200. Besøkt 17. februar 2021. 
  21. ^ Olsen, Jesper V; Macek, Boris; Lange, Oliver; Makarov, Alexander; Horning, Stevan; Mann, Matthias (September 2007). «Higher-energy C-trap dissociation for peptide modification analysis». Nature Methods. 9 (engelsk). 4: 709–712. ISSN 1548-7091. doi:10.1038/nmeth1060. Besøkt 17. februar 2021. 
  22. ^ Senko, Michael W.; Remes, Philip M.; Canterbury, Jesse D.; Mathur, Raman; Song, Qingyu; Eliuk, Shannon M.; Mullen, Chris; Earley, Lee; Hardman, Mark (17. desember 2013). «Novel Parallelized Quadrupole/Linear Ion Trap/Orbitrap Tribrid Mass Spectrometer Improving Proteome Coverage and Peptide Identification Rates». Analytical Chemistry. 24 (engelsk). 85: 11710–11714. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac403115c. Besøkt 17. februar 2021. 
  23. ^ Riley, Nicholas M.; Westphall, Michael S.; Coon, Joshua J. (7. juli 2017). «Activated Ion-Electron Transfer Dissociation Enables Comprehensive Top-Down Protein Fragmentation». Journal of Proteome Research. 7 (engelsk). 16: 2653–2659. ISSN 1535-3893. PMC 5555583 . PMID 28608681. doi:10.1021/acs.jproteome.7b00249. Besøkt 17. februar 2021. 
  24. ^ Nagaraj, Nagarjuna; D’Souza, Rochelle C. J.; Cox, Juergen; Olsen, Jesper V.; Mann, Matthias (3. desember 2010). «Feasibility of Large-Scale Phosphoproteomics with Higher Energy Collisional Dissociation Fragmentation». Journal of Proteome Research. 12 (engelsk). 9: 6786–6794. ISSN 1535-3893. doi:10.1021/pr100637q. Besøkt 17. februar 2021. 
  25. ^ Jora, Manasses; Burns, Andrew P.; Ross, Robert L.; Lobue, Peter A.; Zhao, Ruoxia; Palumbo, Cody M.; Beal, Peter A.; Addepalli, Balasubrahmanyam; Limbach, Patrick A. (1. august 2018). «Differentiating Positional Isomers of Nucleoside Modifications by Higher-Energy Collisional Dissociation Mass Spectrometry (HCD MS)». Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 8. 29: 1745–1756. ISSN 1044-0305. doi:10.1021/jasms.8b05892. Besøkt 17. februar 2021. 
  26. ^ «Article Metrics - METLIN MS 2 molecular standards database: a broad chemical and biological resource | Nature Methods» (engelsk). ISSN 1548-7105. Besøkt 17. februar 2021. 
  27. ^ Cooper, Helen J.; Håkansson, Kristina; Marshall, Alan G. (Mars 2005). «The role of electron capture dissociation in biomolecular analysis: ELECTRON CAPTURE DISSOCIATION». Mass Spectrometry Reviews. 2 (engelsk). 24: 201–222. doi:10.1002/mas.20014. Besøkt 17. februar 2021. 
  28. ^ «Peptide and protein sequence analysis by electron transfer dissociation mass spectrometry». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (26): 9528–33. June 2004. Bibcode:2004PNAS..101.9528S. PMC 470779 . PMID 15210983. doi:10.1073/pnas.0402700101.  Sjekk datoverdier i |dato= (hjelp)
  29. ^ «The utility of ETD mass spectrometry in proteomic analysis». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. 1764 (12): 1811–22. December 2006. PMC 1853258 . PMID 17118725. doi:10.1016/j.bbapap.2006.10.003.  Sjekk datoverdier i |dato= (hjelp)
  30. ^ Mal:US patent reference
  31. ^ «Ion/ion chemistry of high-mass multiply charged ions». Mass Spectrometry Reviews. 17 (6): 369–407. 1998. Bibcode:1998MSRv...17..369M. PMID 10360331. doi:10.1002/(SICI)1098-2787(1998)17:6<369::AID-MAS1>3.0.CO;2-J. 
  32. ^ «Analysis of phosphorylation sites on proteins from Saccharomyces cerevisiae by electron transfer dissociation (ETD) mass spectrometry». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (7): 2193–8. February 2007. Bibcode:2007PNAS..104.2193C. PMC 1892997 . PMID 17287358. doi:10.1073/pnas.0607084104.  Sjekk datoverdier i |dato= (hjelp)
  33. ^ Angel, Thomas E.; Aryal, Uma K.; Hengel, Shawna M.; Baker, Erin S.; Kelly, Ryan T.; Robinson, Errol W.; Smith, Richard D. (2012). «Mass spectrometry-based proteomics: existing capabilities and future directions». Chemical Society Reviews. 10 (engelsk). 41: 3912. ISSN 0306-0012. PMC 3375054 . PMID 22498958. doi:10.1039/c2cs15331a. Besøkt 17. februar 2021.