Hauptinhalt

Spezielle Methoden - MSMS und IMS

Gezielte Fragmentierung (Strukturaufklärung):

Die gezielte Fragmentierung (MS/MS; MSn) von Ionen in der Gasphase wird zur Strukturaufklärung eingesetzt. Sie ist insbesondere interessant in Kombination mit Ionisierungstechniken wie ESI oder APCI, bei denen normalerweise ausschließlich die jeweiligen Molekülionen entstehen. Man unterscheidet die unspezifische (Skimmer-) Fragmentierung von der selektiven Fragmentierung nach Vorläuferionenselektion. Bei letzterer werden einzelne m/z-Bereiche mit einer Breite von typischerweise 1-3 Da in der Gasphase isoliert und durch Zuführung von Energie (in der Regel Stoßaktivierung) fragmentiert. Die im Analysator gemessenen Fragmente gehören dann alle zu dem fragmentierten Vorläuferion. Speziell wenn alle Fragmentionen mit exakter Masse vorliegen (Summenformeln!) lassen sich Fragmentierungswege und damit Strukturen aufklären, oftmals auch, wenn wegen zu geringer Substanzmenge oder unsauberer Gemische keine NMR-Daten zur Verfügung stehen. In klassischen Triple-Quadrupol- oder Q-TOF-Instrumenten kann man in der Regel genau einmal isolieren, nicht jedoch erzeugte Fragmente (außer in Kombination mit unspezifischer Skimmer-Fragmentierung) nochmals isolieren. Ionenfallengeräte hingegen, wie z.B. verbaut in unserem LTQ-FT Ultra oder der Orbitrap Velos, eignen sich zur Durchführung von MSn-Experimenten mit n </= 10, da bauartbedingt in Ionenfallen die Fragmente ihrerseits ebenfalls in der Zelle verbleiben und wiederum ein m/z-Bereich der Fragmentionen isoliert werden kann.

Neben der Strukturaufklärung wird gezieltes MS/MS im Bereich der sensitiven und selektiven Quantifizierung eingesetzt. Für die sogenannten MRM- (Multiple-Reaction-Monitoring)-Experimente besitzen Triple-Quadrupol-Instrumente nach wie vor eine hervorragende Sensitivität. Viele hochauflösende Geräte verfügen aber heutzutage über an MRM angelehnte Scan-Modi, mit denen ebenfalls sensitiv und selektiv quantifiziert werden kann.

Eine besondere Fragmentierungsmethode ist die ETD (Electron-Transfer-Dissociation) oder ECD-(Electron Capture Dissociation)-Fragmentierung. Bei diesen beiden Methoden werden einzelne Elektronen auf mehrfach geladene Vorläuferionen übertragen und führen so zu einer radikalischen Fragmentierung, die der Stoßaktivierung komplementär ist. Verwendung findet ECD/ETD vorwiegend im Bereich der Peptid- und Proteinanalytik, insbesondere für die „Top-Down“-Sequenzierung von Proteinen sowie der Analyse von posttranslationalen Modifikationen. ECD steht am LTQ-FT Ultra, ETD am Synapt G2Si zur Verfügung.

Ionenmobilitätstrennung (IMS):

Bei der Ionenmobilitätsspektrometrie driften unter Normaldruck erzeugte Ionen in einem elektrischen Feld gegen die Strömungsrichtung eines Gases. Diese Driftzelle befindet sich innerhalb des Ionenpfades im Hochvakuum des Massenspektrometers. Ionen unterschiedlicher Ladung, Masse und /oder Struktur erreichen unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten und werden voneinander getrennt. In der Praxis bedeutet dies, dass stabile Konformere oder isobare Verbindungen in einer zusätzlichen Dimension in der Gasphase separiert werden können. Die IMS-Zelle kann kalibriert werden, so dass sich Stoßquerschnitte (CCS; collisional cross sections) experimentell bestimmen lassen. Anders herum heißt dies, dass bei gleichen Parametern die Driftzeit eine stoffspezifische Größe ist und zur Identifizierung mit herangezogen werden kann. IMS findet Verwendung zur Reduktion der Komplexität von Massenspektren aus Stoffgemischen oder zur Unterscheidung von isobaren Verbindungen.

Zur Erzeugung eines konstanten elektrischen Feldes ist die gesamte Driftröhre aus Metallringen, die durch Isolatoren getrennt sind, aufgebaut. Durch eine angelegte Hochspannung werden Feldgradienten mit mehreren V/cm erzeugt. 

Die Theorie der Ionenmobilität beschreibt die Bewegung von Ionen in einem neutralen Gas unter dem Einfluss eines schwachen elektrischen Feldes. Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck wird die Mobilität weitestgehend durch die Anzahl der Ladungen, der reduzierten Masse und dem  Stoßquerschnitt bestimmt: Wird das gleiche Driftgas verwendet, wird die Mobilität für kleine atomare Ionen durch die reduzierte Masse bestimmt. Bei schweren Ionen ist die Mobilität hingegen hauptsächlich eine Funktion des Stoßquerschnitts und wird somit von der Struktur stark beeinflusst. Für die Ionen, die zwischen diesen beiden Extremen liegen, ist die Mobilität eine Funktion von Masse und Struktur. Der Einfluss der Struktur auf die Mobilität wurde von einigen Autoren anhand isomerer Verbindungen publiziert. So ergeben z.B. die Isomeren Hexylamin, Di-n-propylamin und Triethylamin sehr unterschiedliche Driftzeiten. Aufgrund des geringeren Stoßquerschnitts der sekundären und tertiären Amine nehmen die Driftzeiten in dieser Reihe ab. Diese Tatsache stellt ein entscheidendes Leistungskriterium der Ionenmobilitätsspektrometrie heraus. Verbindungen gleicher Masse können anhand unterschiedlicher Driftzeiten in einer IM-Zelle getrennt werden. Verfügbar ist diese Technologie an unserem Synapt Massenspektrometer der Firma Waters.