A novel algorithm for automating fragment ion structure assignment using high mass accuracy MS/MS data

Význam tématu

Automatizovaná interpretace fragmentačních dat z vysoce přesné MS/MS spektrometrie je klíčová pro rychlé a spolehlivé ověřování struktury analytů v oblastech jako potravinářská bezpečnost, forenzní toxicologie nebo metabolomika. Ruční anotace fragmentů je časově náročná a náchylná k chybám, proto je zavedení účinného algoritmu zásadní pro zvýšení výkonnosti a reprodukovatelnosti analytických metod.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo vyvinout a ověřit nový algoritmus, který na základě vysoké přesnosti m/z dat z Q-TOF MS/MS automaticky přiřazuje pravděpodobné struktury fragmentních iontů. Algoritmus byl testován na panelu chemicky odlišných malých molekul, včetně pesticidů, drog zneužívaných osobami a klíčových metabolitů v komplexních matricích.

Použitá instrumentace

• LCMS-9030 Q-TOF (Shimadzu Corporation)
• Režimy akvizice: MS a DIA-MS/MS se šířkou izolace m/z 20 a rozptylem kolizní energie 0–30 V
• Cyklus skenování pod 1 s pro MS a až 39 následných MS/MS skenů
• Externí kalibrace pro vysokou přesnost m/z

Použitá metodika

Vzorky zahrnovaly:

• Pesticidy extrahované z potravinových matric pomocí protokolu QuEChERS
• Drogové analyty (fentanyl, kokain) ve spišovaných plazmatických vzorcích
• Lipidy (lysofosfatidylcholin 16:0) z metabolomických studií

Data byla získána s vysokým rozlišením Q-TOF MS při rozmezí m/z 40–1000 a následně analyzována technikou DIA-MS/MS. Algoritmus nejprve generuje kolekci iontových tautomerů, detekuje možné skupiny atomů zapojené do fragmentace, simuluje heterolytické a homolytické štěpení, kruhové otevření i intramolekulární přeskupení a validuje hypotézy chemickými a nábojovými omezeními.

Hlavní výsledky a diskuse

1) Anotace pesticidů v potravinářské extraktu:

• Ethiofencarb vs. methiocarb – rozlišení izomerů díky charakteristickým fragmentům m/z 164 (ethiofencarb) a 121 (methiocarb).

2) Screening drog v plazmě:

• Fentanyl – hlavní fragmenty m/z 216, 188, 134 potvrzují strukturu odpovídající rozdělení na anilinový a fenethylový segment.
• Kokain – fragmenty m/z 182, 150, 105 a 122 identifikují hlavní štěpné cesty esterické a esteroxo skupiny.

3) Verifikace lipidů v metabolomice:

• Lysophosphatidylcholin 16:0 – fragmenty m/z 124 a 184 typické pro fosfocholinovou hlavu a m/z 313 pro zbytkový acyl řetězec.

Algoritmus spolehlivě vytváří multistupňové šířecí mechanismy a potvrzuje je experimentálními spektry.

Přínosy a praktické využití metody

• Podstatné zrychlení interpretace MS/MS spekter a snížení rizika chyb v označování fragmentů.
• Vyšší spolehlivost ověřování identifikace analytů v komplexních matricích (potraviny, biologické vzorky).
• Možnost automatizovaného generování metodik pro kvalitativní i kvantitativní analýzu Q-TOF.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace s metodami strojového učení a databázovými vyhledávacími přístupy pro další zvýšení přesnosti predikce.
• Rozšíření aplikace na větší biomolekuly (proteiny, peptidy, komplexní lipidy).
• Realtime interpretace fragmentačních dat v online LC-MS systémech.

Závěr

Vyvinutý algoritmus pro automatickou anotaci fragmentních iontů založený na vysoké přesnosti m/z významně usnadňuje strukturovou verifikaci analytů. Prokázal schopnost generovat a validovat chemické mechanizmy fragmentace u pestré škály malých molekul, což vede k efektivnějším a spolehlivějším analytickým postupům.

Reference

• Loftus N., Hobby K., Barnes A. A novel algorithm for automating fragment ion structure assignment using high mass accuracy MS/MS data. ASMS 2019.
• Nunez M. et al. Toxics 2018.