Analyse komplexer Moleküle und ihrer Reaktionen auf Oberflächen mittels Cluster-induzierter Desorption/Ionisationsmassspektrometrie

Die durch neutrale SO2-Cluster induzierte Desorptionsionisierung, die wir kurz DINeC nennen, ist eine weiche und effiziente Desorptionsionisierungsmethode. Wir verwenden es unter anderem für die Massenspektrometrie von Biomolekülen, wie Peptiden und Proteinen. Als DINeC, Desorptionsmoleküle intakt von den Probenoberflächen, subtile chemische Veränderungen in diesen Molekülen leicht in den Massenspektren detektiert werden.

Der Prozess wird in der folgenden Simulation veranschaulicht. Die eingehenden Cluster zersplittern durch den Aufprall auf die Oberfläche des Clusters. Das Oberflächenisotopdipeptid wird in einem der Clusterfragmente aufgelöst und durch diesen Prozess desorptiert.

Im Experiment wird der Strahl von SO2-Clustern über Überschallausdehnung aus einer gepulsten Düse erzeugt. Die Moleküle, die während des Aufpralls auf der Clusteroberfläche gelöst und ionisiert werden, werden in die Ionenfalle für die Massenspektrometrie übertragen. Typische Massenspektren zeigen nur Spitzen bei den MO-Eingestelltwerten des intakten Moleküls.

Das Verfahren wird Karolin Bomhardt und Pascal Schneider, zwei Doktoranden in meinem Labor, demonstrieren. Schneiden Sie bei Standardproben die Substrate aus Siliziumwafern mit einer Dicke von etwa 0,5 bis einem Millimeter in Stücke von einem mal einen Quadratzentimeter. Reinigen Sie die Siliziumsubstrate in einem Ultraschallbad von Ethanol und Aceton für jeweils 15 Minuten.

Trocknen Sie die Substrate in einem Strom von trockenem Stickstoffgas. Dann fünf bis 30 Mikroliter der Probenlösung auf das Substrat werfen. Lassen Sie die Probe je nach Dampfdruck des Lösungsmittels unter Umgebungsbedingungen oder in einem Trockenhaus trocknen, bis das gesamte Lösungsmittel verdampft und ein Trockenfilm gebildet wurde.

Betrachten Sie das einfachste Vorbereitungsschema. Zum Beispiel, für die Untersuchung von Highlighter-Tinte, zeichnen Sie einfach einen Punkt auf der Substratoberfläche. Montieren Sie die Proben auf dem Probenhalter mit Klebeband oder Klemmen, die mit Schrauben angezogen werden.

Zusätzlich eine Referenzprobe wie einen mikrometerdicken Film von Angiotensin II auf den Probenhalter montieren. Drücken Sie dann die Entlüftungssperre, um das Lastsperrsystem zu entlüften. Warten Sie fünf Minuten, oder bis der atmosphärische Druck erreicht ist.

Öffnen Sie das Lastschloss und montieren Sie den Probenhalter. Schließen Sie das Lastschloss und pumpen Sie die Lastsperrkammer auf einen Druck unter zwei mal 10 auf die negative Fünf-Millibar. Öffnen Sie das Ventil zur DINeC-Kammer und übertragen Sie den Probenhalter mit dem Transferstab zum Hauptmanipulator.

Befestigen Sie den Probenhalter am Manipulator. Ziehen Sie die Transferstange ein und schließen Sie das Ventil zwischen dem Lastschloss und der DINeC-Kammer. Öffnen Sie das Ventil zwischen gaszylinder und düse.

Stellen Sie den Druck des Schwefeldioxid- und Heliumgasgemisches an der Umrisslinie des Gasmischsystems auf 15 bar ein. Legen Sie die Position des Manipulators auf die Position des Referenzbeispiels fest. Stellen Sie für die Messung kationischer Massenspektren die Vorspannung der Probe und des Rasters auf plus 40 Volt bzw. plus sieben Volt ein.

Um die gepulste Düse und das Ionenfang-Massenspektrometer anzutreiben, stellen Sie den externen Funktionsgenerator auf zwei Hertz ein. Stellen Sie mit dem Verzögerungsgenerator die Zeitverzögerung zwischen dem klaren Trapsignal aus der Ionenfalle und dem Auslösesignal für die gepulste Düse auf fünf Millisekunden ein. Wählen Sie in der Bruker-Steuerungssoftware auf der Seite Modus des Hauptdialogfensters Erweiterte Auflösung für den Scan-Modus aus.

Geben Sie m über Z 50 bis 3000 für den Bereich ein, geben Sie 0,1 Millisekunden für die Akkumulationszeit ein, geben Sie 10 Zyklen für den Durchschnitt ein, und wählen Sie für die Polarität positiv für die Messung kationischer Massenspektren und negativ für die Messung von anionischen Spektren. Sobald ein Druck unter dreimal 10 auf die negative sechs Millibar in der DINeC-Kammer erreicht wurde, beginnen Sie die Messung. Stellen Sie den Wert M über Z auf die jeweilige Masse ein, um dem zeitabhängigen Chromatogrammsignal zu folgen.

Drücken Sie In der Steuerungssoftware auf Operate. Beginnen Sie mit der Aufzeichnung der Messungen, indem Sie die Aufnahmetaste drücken. Messen Sie das Testspektrum einer Referenzprobe, z. B. Angiotensin II, für etwa 300 Sekunden.

Optimieren Sie die Signalintensität durch Einstellung der Zeitverzögerung zwischen dem klaren Trapsignal und dem Signal, das die gepulste Düse auslöst. Wenn die Zeitverzögerung optimiert ist, bewegen Sie den Manipulator in die Position der zu messenden Probe. Klicken Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnen, um Massenspektren über den Zeitzeitraum zu erfassen.

Laden Sie nach Abschluss der Messung den jeweiligen Datensatz in das Datenanalyseprogramm, wie hier für die Referenzmessung gezeigt. Wählen Sie die Zeitspanne des Interesses für das Chromatogramm mit der rechten Maustaste aus. Das durchschnittliche Spektrum wird in einem separaten Fenster angezeigt.

Klicken Sie auf Als ASCII-Datei exportieren, um das Spektrum als Datendatei zur weiteren Verarbeitung in einem Programm ihrer Wahl zu exportieren. Das DINeC-Massenspektrum einer Angiotensin-II-Probe änderte sich mit der Zeit, da die Probe auf etwa 140 Grad Celsius erhitzt wurde. Sobald die Temperatur den Endwert erreicht hatte, fiel der Höhepunkt des angegriffenen prointierten Moleküls bei M über Z gleich 1047 und es wurden neue Spitzen beobachtet.

Der Prozess wird in diesen drei Diagrammen zusammengefasst. Die zusätzlichen Spitzen bei M über Z, die 932, 1012 und 1029 entsprachen, wurden gut beobachtet. Die Analyse der Reaktionskinetik zeigt, dass das Gebilde mit M über Z, das 1029 entspricht, ein Zwischenprodukt ist, das weiter in kleinere Fragmente zerlegt wurde, als die Intensität zuerst zunahm und dann abnahm.

Die wichtigsten Merkmale von DINeC sind die weiche Natur des Desorptionsprozesses, die Effizienz und die hohe Oberflächenempfindlichkeit. Sie alle kommen mit den geringen Anforderungen an die Probenvorbereitung zusammen. DINeC kann somit auf eine Vielzahl unterschiedlicher Proben angewendet werden, von organischen Rindenmaterialien bis hin zu komplexen Oberflächenadsorbaten im Submonolayer-Bereich.

In allen Fällen können vollständige chemische Informationen in Echtzeit abgerufen werden.