Calibration of Charge Detection MS Instruments

Význam tématu

Detekční hmotnostní spektrometrie se stanovením náboje (Charge Detection MS, CDMS) rozšiřuje možnosti analýzy vysoce molekulárních a heterogenních vzorků, které jsou obtížně měřitelné konvenčními metodami. Přímé současné měření poměru m/z a náboje umožňuje bezprostřední určení hmotnosti jednotlivých iontů a významně zjednodušuje interpretaci spekter velkých biologických komplexů.

Cíle a přehled studie / článku

Studie měla za cíl zavést a validovat kalibraci poměru m/z a náboje v prototypových CDMS přístrojích (CDMS1 a CDMS2) za použití proteinových standardů, jejichž hmotnost může být nejistá. Autoři představili:

• lineární víceproměnnou kalibraci náboje,
• nový přístup k m/z kalibraci s explicitním ošetřením nejistoty přídavné hmotnosti,
• Bayesovský algoritmus, který umožňuje kvantifikovat a propagovat tyto nejistoty.

Použitá metodika

Ionizace: nanoelektrospray v pozitivním módu.
Ionty byly zachyceny v elektrostatické lineární iontové pasti po dobu 100 ms.
Signál byl zpracován FFT analýzou pro extrakci frekvence (m/z) a amplitudy (náboj).
Pro lineární kalibraci náboje se použil vztah A=c1·z+c2, který se odhadl lineární regrese reprezentativních hodnot amplitudy pro známé nábojové stavy.
m/z kalibrace vychází z teoretického vztahu mezi frekvencí a m/z s jedním parametrem k, jehož přesnost byla zlepšena pomocí skalovacího faktoru g získaného Bayesovskou analýzou.
Bayesovský přístup: parametry g a přídavné hmotnosti δi byly modelovány jako náhodné proměnné, δi s exponenciálním prior, g s uniformním prior, s následnou marginalizací pro eliminaci neznámých masových přírůstků.

Použitá instrumentace

• Elektrostatický lineární iontový past (ELIT CDMS) – prototypy CDMS1 a CDMS2
• Nanoelektrosprayový zdroj
• Bio-Spin P-6 velikostně vylučovací kolony pro výměnu pufru do 200 mM amonium acetátu
• Detektor s citlivým zesilovačem pro měření indukovaného náboje
• Vlastní software pro zpracování signálu a vizualizaci dat

Hlavní výsledky a diskuse

m/z kalibrace dosáhla přesnosti ~600 ppm (RMS ~593 ppm pro CDMS1, ~648 ppm pro CDMS2).
Kalibrační skalovací faktory g se pohybovaly v rozmezí 1.0314 (CDMS1) a 1.0348 (CDMS2), což odpovídá vzájemné odchylce menší než 0.4 %.
Bayesovský posterior g vykazoval asymetrickou distribuci; jako charakteristiku byly uvedeny medián (gm=1.0996) a interkvartilní rozpětí (Q1,Q3).
Nábojová kalibrace prokázala téměř dokonalou linearitu s RMS chybou <0.1 elementárního náboje (0.093 e) a interceptem –0.62 e, což potvrzuje téměř příčnou závislost signálu amplitudy na počtu nábojů.

Přínosy a praktické využití metody

Robustní pravděpodobnostní kalibrace umožňuje přesné stanovení m/z i při nejistých hmotnostech standardů.
Zajišťuje vysokou reprodukovatelnost mezi přístroji stejné konstrukce.
Metoda je vhodná pro průmyslovou kontrolu kvality, výzkum vysokomolekulárních komplexů a biotechnologické aplikace.

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozšíření spektra kalibračních standardů a aplikace na reálné komplexní vzorky.
Integrace Bayesovské kalibrace do automatizovaných pracovních postupů QA/QC.
Optimalizace softwarových nástrojů pro zrychlení výpočtů a zpracování velkých datasetů.

Závěr

Studie představila spolehlivý pravděpodobnostní přístup ke kalibraci CDMS, který zohledňuje nejistoty v hmotnostech standardů.
Byla dosažena reprodukovatelnost mezi dvěma prototypy v rámci 0.4 % a vynikající přesnost nábojové kalibrace (<0.1 e) a m/z kalibrace (~600 ppm).

Reference

• Todd A. R.; Jarrold M. F. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2020, 31(6), 1241–1248