Az ioncsapda dinamikus tartományának kiterjesztése differenciál mobilitási szűréssel

Adam B. Hall

1 Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszék és Barnett Intézet, Északkeleti Egyetem, Boston, MA 02115

2 Biomedical Forensic Sciences Program, Boston University School of Medicine, Boston, MA 02118

Stephen L. Coy

1 Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszék és Barnett Intézet, Északkeleti Egyetem, Boston, MA 02115

Amol Kafle

1 Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszék és Barnett Intézet, Északkeleti Egyetem, Boston, MA 02115

James Glick

1 Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszék és Barnett Intézet, Északkeleti Egyetem, Boston, MA 02115

Erkinjon Nazarov

3 Draper Lab. Biomérnöki Központ, USF, 3802 Spectrum Blvd, Suite 201, Tampa, FL 33612-9220

Paul Vouros

1 Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszék és Barnett Intézet, Északkeleti Egyetem, Boston, MA 02115

Társított adatok

Absztrakt

BEVEZETÉS

A számos ionmobilitás-alapú szétválasztási típus és a légköri nyomás-ionizációs tömegspektrometria (API-MS) összekapcsolása a hibrid eszközök új, erőteljes osztályát hozta létre, amelyek a tömegspektrometriával kiegészítve ionmobilitási módszereken alapulnak. Noha nem tekintjük a nagy felbontású kromatográfiás módszerek helyettesítőjének, az ionmobilitási módszerek egyedülálló jellemzőkkel bírnak, többek között az MS által nem feloldható ionok, például izobáros vegyületek, szerkezeti izomerek, és különleges körülmények között sztereoizomerek vagy királis izomerek feloldására. Ezenkívül egyes technikák, például a DMS/FAIMS milliszekundumban (ms) működnek, így az összetett ütemezett MS műveleteket ez nem érinti. Az ionfajok előszűrése a tömegspektrométerek elején jelentősen csökkentheti a kémiai zajt a rögzített tömegspektrumokban [1, 2, 3], és fokozhatja az MS detektálás érzékenységét.

Jelenleg legalább négyféle típusú ionmobilitás-alapú elválasztási módszer létezik, amelyek környezeti körülmények között működnek. Ezek a repülési ion mobilitási spektrometria (DT-IMS) [4, 5] haladó hullámú ion mobilitási spektrometria (TWIMS) [6], differenciális ion mobilitási spektrometria (DMS/FAIMS) [7] és aspirációs ion mobilitási spektrometria (AIMS) sodródási ideje. ) [8]. Az IMS és a TWIMS impulzusos üzemmódokban működik, ion-elválasztással, a repülési idő alapján egy sodródó csőben vagy a haladó hullámszerkezetben. A DMS és AIMS spektrométerek térbeli spektrométerek közé sorolhatók, mivel ezek a rendszerek az ionpályák alapján különbséget tesznek és folyamatosan működnek. Mind a DMS, mind az AIMS módszerek előnyöket kínálnak, ha ion előszűrőként használják a tömegspektrometriához, mert mindkettő folyamatosan működik.

A hagyományos IMS-t, amelyben az ionok egy driftcsövön haladnak gyenge egyenáramú elektromos tér hatására, először egy mágneses tömegspektrométerhez [4, 5], majd további MS rendszerekhez [9, 10], például az MS repülési idejéhez illesztették. [11, 12], egyszeres [13] és hármas kvadrupol [14] MS, ioncsapda [15] és FT-ICR tömegspektrométerek [16]. A hagyományos IMS bizonyos mértékben hasonlít a TOF-MS-hez, mivel mindkettő impulzusos módszer, bár az IMS ezredmásodperces időintervallumban működik, míg utóbbi általában magasabb kHz-es sebességgel ismételgeti a kereséseket. A kapcsolás megfordított módjában egy kvadrupólion-csapdát is alkalmaztak az első szakaszú ionfelhalmozódáshoz a hagyományos IMS-elemzés előtt [17, 18]. Az ioncsapdában történő ionkoncentráció megnövelt dinamikus tartományt és magasabb IMS-szelektivitást biztosít a nem kovalens komplexek jellemzését és az aromás ionok konformációs izomerjeinek elválasztását magában foglaló alkalmazásokban.

A hagyományos IMS-MS alapvető gyengesége az alacsony terhelési ciklus (injektálási idő/sodródási idő) és a ciklusok közötti ionveszteség, bár ez a korlátozás megoldható multiplex technikákkal [19]. Multiplexelt működés nélkül az ionforrásból származó legtöbb ion elveszik az injektálás között, semlegesítve az ionizációs kamra falán vagy a redőnyrácsokon [20]. Ezenkívül a magas IMS felbontás hosszabb sodródási időt igényel, ami tovább csökkenti az üzemi ciklust. Úgy gondoljuk, hogy a folyamatos üzemmódban működő ionmobilitási technikák előnyösek, és hogy a kisebb szerves anyagok nagy szelektivitása és a DMS/FAIMS gyors elválasztása jelentős előnyöket jelenthet a tömegspektrometria szempontjából.

A differenciális ionmobilitás-spektrometria (DMS/FAIMS) az 1990-es évek elején jelent meg az ionelválasztás és -detektálás módszereként [21]. A differenciál mobilitási spektrometriában, eltérően a hagyományos ion mobilitástól, az ionokat olyan nyomásokon választják el, ahol az ion mozgását ionneutrális ütközések vezérlik. Az ion-semleges kölcsönhatások összetett kémiai jellege miatt az ion-semleges ütközési keresztmetszet a mező amplitúdójától függően változik intenzív oszcilláló elektromos mezők alatt [22, 23]. Az ionmobilitást a DMS-mezők nagy és alacsony elektromos mező részei során történő fürtözés/deklasztermentesítés reakciói módosítják, az ionok alacsonyabb téren inkább csoportosulnak, mint magasan, ezáltal növelve a natív differenciálmobilitási hatást [24, 25].

Az elmúlt tizenöt évben a differenciálion-mobilitási technológiáról több műszerterv és alkalmazás is beszámolt [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32], és különféle tömegspektrométerekhez kapcsolódott [33, 34]. Az egyik kialakítás, amelyet Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS) néven emlegetnek, hengeres koaxiális csöveket alkalmaz és kereskedelmi forgalomban kapható a Thermo Scientific [35] oldalán, míg a SelexION ™ Technology sík konfigurációt használ, és az AB SCIEX forgalmazza. Az itt használt sík kialakításnak van néhány egyedi jellemzője, többek között a gyors váltás a teljes szelektivitással rendelkező szűrési mód és az átlátszó mód között, ahol az összes iont továbbítják az MS-be. Az üzemmódváltás kényelmes módot kínál a spektrumok összehasonlítására ionelválasztással és anélkül, ezt a tulajdonságot használják ezekben a tanulmányokban. A sík és a hengeres kialakítást Shvartsburg és mtsai hasonlították össze. [36], ahol kiderült, hogy a sík kialakítás nagyobb szelektivitást biztosít. Ezenkívül a síkbeli kialakítások lehetővé teszik a transzportgáz-módosítók - kicsi szerves molekulák, más néven adalékanyagok - használatát, amelyek a reverzibilis klaszterezés segítségével fokozzák a differenciál mobilitási szétválasztást a magas és az alacsony térbeli mobilitás közötti különbség növelése érdekében [24, 25, 37, 38, 39].

Az ioncsapda dinamikus tartományának kiterjesztése érdekében sík, differenciálionos ionmobilitási spektrométert illesztettünk össze egy LCQ klasszikus ioncsapdával az ionszűrés elvégzésére a tömegelemzés előtt. A tömegelemzés előtt a differenciál mobilitáson alapuló szétválasztások elvégzése lehetővé teszi az elemző számára, hogy elektrospray-vel vagy más módszerekkel kiszűrje a keverékből létrehozott ionpopulációt, és szelektíven bevezesse a célzott fajokat a csapdába tömegelemzés céljából. Annak értékelésére, hogy a differenciál mobilitási szűrés növelheti-e a csapdába töltött célzott ionok számát, elnyomhatja a mátrixionokat és javíthatja-e a dinamikus tartományt, kísérleteket hajtottunk végre a csapda kitöltési idejének ismert koncentrációjú mintákkal történő változtatásával. A DMS-szűrés (kiválasztott vagy átlátszó mód) alkalmazásának közvetlen összehasonlítását különös hangsúlyt fektetve annak alkalmazhatóságára a benzoilecgonin (BE), a kokain metabolitjának biológiai mátrixból történő elemzésére.

KÍSÉRLETI SZAKASZ

Kísérleti körülmények

A kutatás során felhasznált planáris DMS rendszert a Sionex Corporation fejlesztette ki (mára megszűnt), és a szűrőrés 0,5 mm magas × 3,0 mm széles × 10,0 mm hosszú. Ezek a méretek kiegyenlítik a felbontás követelményeit, valamint a diffúzió útján bekövetkező veszteségeket a mért beáramló áramláshoz körülbelül 0,6 liter/perc. Az elektronikát a Sionex gyártotta, és a Krylov et al. [40].

A DMS - MS bemeneti rendszer vázlata. (a) ionforrás, (b) deszolvációs gáz és módosító bevezetés, (c) DMS ionválasztás, (d) a tömegspektrométer vákuumjának első szakasza.

Egy Thermo-Finnigan, LCQ Classic szolgált ioncsapda tömegspektrométerként a DMS-től elválasztott fajok kimutatásához. A DMS-felbontású fajok az ionkapu impulzusos elektrosztatikus vezérlésével kerültek be a csapdába. Azt az időszakot, amely alatt az ionokat beengedték a csapdába, más néven ionizációs periódusnak értékeltük az automatikus erősítésszabályozás (AGC) kikapcsolásával és az ioncsapda töltési idejének manuális beállításával. Az eszközzel végzett kísérletekhez használt beállítások AGC-je a következő volt: teljes MS-cél: 5 × 107 és SIM-cél: 2 × 10 7 számít, a maximális injektálási idő 200 ms. Az ionizációs periódus befejeztével a prekurzor fajok szétaprózódását kollíziós aktiválással hajtottuk végre.

Anyagok és metódusok

A benzoilecgonin (BE) standard törzskoncentrációja 1 mg/ml volt MeOH-ban (Cerilliant, Round Rock, TX). Az alkalmazott belső standard a benzoil-tekgonin (BE-d3) deuterált analógja volt 100 ug/ml koncentrációban MeOH-ban (Cerilliant, Round Rock, TX). A szintetikus vizelet-standardot szintén a Cerilliant-től kaptuk, és negatív kontrollként szolgált a tüskés minták előállításához.

Nyolc benzoilecgonin mintát állítottunk elő: 25 ng/µl, 10 ng/µl, 7,5 ng/µl, 5 ng/µl, 2,5 ng/µl, 1 ng/µl, 0,5 ng/µl és 0,1 ng/µl 1,0 ml-ben szintetikus vizelet (Cerilliant, Round Rock, TX). A választott koncentrációtartomány a Cone és munkatársai által meghatározott vagy annál alacsonyabb biológiai értékeket képviseli. (2003), az Országos Kábítószer-visszaélési Intézet [41] biológiai mintákból származó BE mennyiségének meghatározására hagyományos GC vagy LC alapú módszerekkel. A belső standardot (BE-d3) a vizeletmintákba 0,5 ng/µl koncentrációban bekötöttük a szilárd fázisú extrakció előtt. Az SPE-t 130 mg tiszta képernyő Xcel I oszlop (UCT, Bristol, PA) alkalmazásával végeztük. Az oszlopokat 2 ml MeOH-val előkezeltük. Mindegyik mintát 1 ml foszfátpufferrel (pH 6,0) összekevertük és az oszlopokra töltöttük. Az oszlopokat 1 ml 98% -os CH3OH/2% CH3COOH (v/v) oldattal mossuk, és 1 ml CH2Cl2/IPA/NH4OH oldattal (78/20/2 v/v/v) eluáljuk. Az eluenseket vákuumban 1 órán át szárítottuk, majd lezártuk és egy éjszakán át 4 ° C-on tároltuk. DMS-MS elemzés előtt; a mintákat 200 µl mozgó fázisban rekonstruáltuk (70% MeOH/30% H2O/0,1% CH2O2 v/v/v).

Eredmények és vita

Az ioncsapda kapacitása a töltési idő függvényében

A koncepció kezdeti bizonyítékaként a DMS szűrő szelektivitását teszteltük, összehasonlítva a mátrix vak teljes pásztázási tömegspektrumát (MS 1) a DMS-átlátszó és a DMS-on módban (2. ábra). Ez utóbbi körülmények között a DMS kompenzációs feszültséget CV = -16V értékre állítottuk be, amely megfelel az m/z 290, a BE [M + H] + ionjának átadásának etil-acetát módosító jelenlétében. Amint az ábrán látható, a DMS-szűrés a mátrix háttér teljes megszüntetését eredményezte, és ami a legjelentősebb, az m/z 289 potenciális interferencia eltávolítását eredményezte a BE protonált ionjára m/z 290-nál. Meg kell jegyezni, hogy ez a szelektivitás bebizonyosodott, hogy az AGC be- vagy kikapcsolt állapotban van-e (az adatokat nem mutatjuk be). Ennek a szelektivitásnak egy további tesztje során a legalacsonyabb, 0,1 ng/µl-es BE-koncentrációs mintát vizsgáltuk. Amint a 2. (c) ábra mutatja, a rendszer DMS-on üzemmódban történő működése jól definiált analit jelet adott, valamint a deuterált belső standard egyikét a várt 10: 1 IS/analit arány mellett.

A vizeletben lévő BE elemzése DMS-MS segítségével. a) a vizelet vakoldatának teljes pásztázási tömegspektruma (m/z 150 - m/z 500) DMS-átlátszó módban; (b) Az előző oldat teljes pásztázási tömegspektruma (m/z 150 - m/z 500), a DMS-on bekapcsolt állapotban CV = -16V értékre állítva, bemutatva az összes mátrixion eltávolítását, beleértve a potenciális interferenciát m/z 289-nél; (c) A vizeletben lévő BE (0,1 ng/µL) elemzése CV = -16V értékre beállított DMS-sel, az 1:10 analit: belső standard arányát mutatva MS letapogatási tartomány (m/z 182 - m/z 296).

A szülő ion jeleinek intenzitása BE [M + H] + = 290 esetében az ioncsapda töltési idejének változtatásának függvényében ábrázolva. Inset: az ion akkumuláció lineáris függése a töltési időtől. A hibasávok három párhuzamos mérés szórását mutatják.