CDMS mode of FTMS Orbital Frequency Analyzer

Význam tématu

Metoda kombinující Fourierovy transformace s Orbital Frequency Analyzerem (OFA) v režimu Charge Detection Mass Spectrometry (CDMS) otevírá nové možnosti v analýze vysokomolekulárních iontů. Individuální měření náboje iontů a vysoké rozlišovací schopnosti umožňují přesnou stanovení skutečné hmotnosti biologických makromolekul, což je klíčové například v proteomice, kvalitativní a kvantitativní kontrole farmaceutických látek nebo v základním výzkumu kolizních dějů iontů.

Cíle a přehled studie / článku

Studie popisuje implementaci CDMS módu na platformě OFA pracující dle principu FTMS. Hlavním cílem bylo:

• Umožnit samostatné měření náboje každého iontu pro přesné stanovení hmotnosti (M = m/z · Q).
• Optimalizovat zpracování signálu pomocí nových algoritmů: složený časový signál, fitování ve frekvenční doméně, scoring a metodu ztráty hmoty (mlCDMS).
• Ověřit výkon při měření proteinů (myoglobin, aldoláza) při nízkých koncentracích a vysoké multiplexaci.

Použitá metodika a instrumentace

Ionizace probíhá pomocí elektrosprejového zdroje (ESI), následuje separace iontů přes skimmer, kvadrupól Q1, kolizní buňku Q2 a jejich zachycení v elektrostatickém pastu OFA. Základní parametry:

• ESI Probe se směsí H2O / acetonitril (1 : 1) s 0,5 % formiové kyseliny
• Chladicí plyn He/Ar, vakuum 3–4·10−10 Torr
• čítače signálu – image charge pick-up elektrody OFA
• třístupňové čerpadlo: rotující, turbo molekulární (dual a triple inlet)

Klíčové kroky zpracování dat CDMS:

1. Zpracování nesinusového signálu ve složeném časovém tvaru (folded time domain)
2. Fitování ve frekvenční doméně se zohledněním sousedních lidí (frequency domain fitting)
3. Skoring pravděpodobných Q hodnot pro každou detekovanou frekvenci
4. Metoda ztráty hmoty (mlCDMS) – korekce náboje na základě pozorovaných ztrát neutralních fragmentů

Hlavní výsledky a diskuse

Eliminace interferencí umožnila snížit odchylku náboje iontů na přirozenou úroveň (σ ~1,1 kDa při LT > 800 ms). Vyšší harmonické složky posilují rozlišovací schopnost bez prodloužení akvizičního času. U myoglobinu (40 nM) a aldolázy (70 nM) byla dosažena izotopická rozlišení v CDMS módu a výrazně se snížila nutná koncentrace vzorku. Scoring i mlCDMS metody přinesly vzájemně komplementární korekce náboje a umožnily zpracovat až 200 iontů na injekci s Tacq=500 ms až 1000 ms.

Přínosy a praktické využití metody

Využití CDMS na OFA přináší:

• Precizní měření hmotností velkých proteinových komplexů a jejich agregátů.
• Snížení doby analýzy díky vysoké multiplexaci bez ztráty kvality dat.
• Možnost sledovat kolizní děje a fragmentaci iontů v reálném čase.
• Potenciál pro validaci farmaceutických proteinů a studium biopolymerů ve vakuu bez potřeby značných vzorkových množství.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj se očekává v oblasti:

• Vylepšených algoritmů pro potlačení elektronického šumu a přesnější skoring náboje.
• Automatizovaných pracovních postupech pro vysokopropustné screeningy proteomických databází.
• Integrace s hmotnostními analyzátory vyšších generací a hyphenovanými technikami (LC-CDMS).
• Aplikaci na studium velkých virových částic, nanovlákenných materiálů a komplexních supramolekulárních uskupení.

Závěr

OFA v režimu CDMS představuje robustní platformu pro vysoce přesné stanovení hmotnosti jednotlivých iontů. Kombinace pokročilých metod zpracování signálu a vysoké multiplexace umožňuje dosáhnout izotopického rozlišení pro proteiny při nízkých nanomolárních koncentracích. Metoda má široké uplatnění ve výzkumu i průmyslové analýze a očekává se další zlepšení algoritmů a instrumentace.

Reference

1. Ding L., Badheka R., Ding Z., Nakanishi H. A simulation study of the planar electrostatic ion trap mass analyzer. J Am Soc Mass Spectrom. 2013 Mar;24(3):356–364.
2. Ding L., Rusinov A. High-Capacity Electrostatic Ion Trap with Mass Resolving Power Boosted by High-Order Harmonics. Anal. Chem. 2019, 91(12):7595–7602.
3. Rusinov A., Ding L., Smirnov S., Knight P., Andrzejewski R., Waki H. Protein Analysis by Electrospray-Orbital Frequency Analyzer with Charge Detection Mass Spectrometry Algorithm. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2021, 32(5):1145–1154.