ÚVOD DO TANDEMOVÉ HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

Význam tématu

Ve vědecké i aplikační praxi analytické chemie představuje tandemová hmotnostní spektrometrie (THS) klíčový nástroj pro hloubkovou strukturní analýzu molekul, kvalitativní i kvantitativní určení složek v komplexních směsích a pro výzkum fyzikálně-chemických vlastností iontů. Díky možnosti selektivní fragmentace je THS nezbytná v proteomice, farmaceutických a environmentálních aplikacích, v QA/QC i v klinické diagnostice.

Cíle a přehled článku

Cílem referátu je uvést teoretické základy a praktické provedení THS ve dvou základních režimech – v prostoru (dvěma či více analyzátory za sebou) a v čase (iontové pasti) – a systematicky představit hlavní metody aktivace iontů, jejich mechanismy i přístrojové uspořádání. Přehled doplňuje katalog scanovacích režimů a ukázky aplikací od základního výzkumu po rutinní analýzy.

Použitá metodika a instrumentace

Veškeré experimenty THS vycházejí ze tří kroků: izolace prekurzoru, selektivní aktivace a analýza fragmentů. Aktivace lze rozdělit do čtyř kategorií:

• Ze srážek: CID (collision induced dissociation) v kvadrupólech, FT-ICR-MS, TOF, sektorových přístrojích; SID (surface induced dissociation).
• Snížením náboje: ETD (electron transfer dissociation) v iontových pastech; ECD (electron capture dissociation) v ICR buňkách.
• Fotony: IRMPD (infrared multiphoton dissociation) v ICR a pastech; UVPD (ultraviolet photodissociation) v TOF a FT-ICR-MS.
• Termálně či černým tělesem: BIRD pro přesné stanovení aktivačních energií.

Hlavní konstrukční kombinace analyzátorů:

• QqQ, QqTOF, Q-LIT, kvadrupól–iontová past–FT-ICR, sektor–Q, tandem-TOF, reTOF.
• Iontové pasti RF a FT-ICR-MS pro THS v čase.

Hlavní výsledky a diskuse

Rozlišení THS v prostoru a v čase umožňuje cílenou selekci a fragmentaci iontů s vysokou specifitou:

• THS v prostoru: první analyzátor vybírá prekurzor, mezi analyzátory probíhá aktivace, druhý analyzátor měří fragmenty.
• THS v čase: izolace a aktivace v pasti, opakované MSn experimenty, tvorba fragmentačních stromů.

Skenovací režimy:

• Product ion scan, neutral loss scan, precursor scan, SRM/MRM (selected/multiple reaction monitoring).

Teoretické aspekty rozdělení energie při srážkách, význam srážkového průřezu, kinetika rozpadů a vliv energií vevnitř i vně indukční zóny. Pro peptidovou analýzu se ukazují výhody radikálových metod (ETD/ECD): lepší pokrytí sekvence, zachování post-translačních modifikací a specifické štěpení vazeb.

Přínosy a praktické využití metody

THS se stala standardní metodou v proteomice, metabolomice, klinické chemii, monitoringu životního prostředí, v potravinářské a farmaceutické analýze. Díky vysoké citlivosti a selektivitě při sledování SRM/MRM přechodů poskytuje spolehlivou kvantifikaci i ve složitých matricích.

Budoucí trendy a možnosti využití

Vývoj THS směřuje k automatizaci ladění SRM přechodů, real-time rozhodování v iontových pastech, širšímu využití hybridních přístrojů kombinujících kvadrupóly, ICR, TOF a iontovou mobilitu, k rozvoji akčních spektroskopických metod (NRMS, UVPD ve vysokém rozlišení) a k integraci s pokročilou datovou analýzou pomocí AI a databázových vyhledávačů.

Závěr

Tandemová hmotnostní spektrometrie nabízí rozmanitou paletu aktivačních metod a konfigurací analyzátorů umožňujících získat kvalitativní, kvantitativní a strukturální informace o molekulách i komplexních směsích. Rychlý rozvoj instrumentace a softwaru dále rozšiřuje její uplatnění v základním výzkumu i v rutinních laboratorních postupech.

Reference

1. Sekiya S., Nagoshi K., Iwamoto S., Tanaka K., Takayama M.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 26, 1588 (2015).
2. Sleno L., Volmer D. A.: J. Mass Spectrom. 39, 1091 (2004).
3. McLuckey S. A.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 3, 599 (1992).
4. Wysocki V. H., Kenttamaa H. I., Cooks R. G.: Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 75, 181 (1987).
5. Wright P. J., Zhang J., Douglas D. J.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 19, 1906 (2008).
6. Holmes J. L.: Org. Mass Spectrom. 20, 169 (1985).
7. McLafferty F. W., Tureček F.: Interpretation of Mass Spectra, 4th ed., Univ. Science Books 1993.
8. Gross J. H.: Mass Spectrometry, 2nd ed., Springer 2011.
9. Laskin J.: Eur. J. Mass Spectrom. 21, 377 (2015).
10. Cooks R. G., Ast T., Mabud Md. A.: Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 100, 209 (1990).
11. Nikolaev E. N. et al.: Int. J. Mass Spectrom. 212, 535 (2001).
12. Mikhailov V. A., Cooper H. J.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 20, 763 (2009).
13. Zubarev R. A. et al.: Anal. Chem. 72, 563 (2000).
14. Syka J. E. P. et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 9528 (2004).
15. Schwartz J. C. et al.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 13, 659 (2002).
16. Tureček F., Julian R. R.: Chem. Rev. 113, 6691 (2013).
17. Savitski M. M. et al.: Angew. Chem., Int. Ed. 45, 5301 (2006).
18. Dunbar R. C.: Mass Spectrom. Rev. 23, 127 (2004).
19. Robotha S. A., Brodbelt J. S.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 26, 1570 (2015).
20. Swaney D. L. et al.: Nat. Methods 5, 959 (2008).
21. McLafferty F. W., Tureček F.: Interpretation of Mass Spectra (op. cit.).
22. McLafferty F. W.: Science 247, 925 (1990).
23. Tureček F. et al.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 3, 493 (1992).
24. Schalley C. A. et al.: Chem. Soc. Rev. 27, 91 (1998).
25. Herman Z.: Int. J. Mass Spectrom. 212, 413 (2001).
26. Polfer N. C., Dugourd P. (ed.): Laser Photodissociation and Spectroscopy of Mass-Separated Biomolecular Ions, Springer 2013.