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Chemistry

클러스터 유도 탈착/이온화 질량 분광법에 의한 표면에 대한 복잡한 분자 및 표면의 반응 분석

Published: March 1, 2020 doi: 10.3791/60487
Automatic Translation
*1, *1, 1, 2, 1
1Institute of Applied Physics and Center for Materials Research (LaMa), Justus Liebig University Giessen, 2Bruker Daltonik GmbH
* These authors contributed equally

Summary

낮은 운동 에너지의 중립 SO2 클러스터 (< 0.8 eV / 성분) 이온 트랩 질량 분광계를 사용하여 질량 분광법을 사용하여 추가 분석을 위해 펩티드 또는 지질과 같은 복잡한 표면 분자를 desorb하는 데 사용됩니다. 특별한 시료 전처리가 필요하지 않으며 반응을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.

Abstract

중성 SO2 클러스터(DINeC)에 의해 유도된 탈착/이온화는 복잡한 분자의 질량 분석법(MS)과 표면에 대한 반응에 대해 매우 부드럽고 효율적인 탈착/이온화 기술로 사용됩니다. DINeC는 낮은 클러스터 에너지에서 샘플 표면에 영향을 미치는 SO2 클러스터의 빔을 기반으로 합니다. 클러스터 표면 충격 동안, 일부 표면 분자는 충격 클러스터에서 용해를 통해 탈착 및 이온화; 이러한 용해 매개 탈착 메커니즘의 결과로 낮은 클러스터 에너지는 충분하며 탈착 공정은 매우 부드럽습니다. 표면 흡착과 표면이 구성되는 분자 를 모두 분석 할 수 있습니다. 펩티드 및 단백질과 같은 복잡한 분자로부터 명확하고 단편화되지 않는 스펙트럼이 얻어진다. DINeC는 특별한 시료 전처리가 필요하지 않으며, 특히 매트릭스를 적용할 필요가 없습니다. 상기 방법은 샘플의 조성에 대한 정량적 정보를 산출하는; 표면 커버리지에서 분자를 0.1 %의 단층으로 감지 할 수 있습니다. H/D 교환 또는 열 분해와 같은 표면 반응을 실시간으로 관찰할 수 있으며 반응의 역학을 추론할 수 있습니다. 클러스터 빔 생성을 위한 펄스 노즐을 사용하여 DINeC는 이온 트랩 질량 분석과 효율적으로 결합할 수 있습니다. 이온 트랩의 MSn 기능과 결합된 DINeC 공정의 매트릭스프리 및 연질특성은 복잡한 유기 시료및 표면에 대한 유기 흡착물의 화학적 조성에 대한 매우 상세하고 명확한 분석을 가능하게 합니다.

Introduction

표면에 민감한 분석 기법은 종종 고체 샘플과 강하게 상호 작용하는 저에너지 전자, 원자 또는 이온과 같은 입자 프로브를 기반으로 합니다. 결과적으로, 그들은 높은 표면 감도를 보여주고 표면 구조에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있습니다1. 그러나 화학 물질 정보는 종종 제한됩니다. 일례로, X선 광전자 분광법은 주어진 종의 원자 조성 및 평균 화학 적 환경에 대한 정량적 정보를 제공할 수 있다(예를 들어, 표면에 흡착된 유기 분자 내의 탄소 원자2). 그러나, 상세한 구조 또는 결합 부위와 같은 복잡한 표면 흡착 분자에 대한 보다 상세한 정보는 표준 표면 분석 기술로 얻기가 어렵습니다. 한편, 유기 분자에 의한 표면 기능화에 대한 관심이 증가함에 따라 이러한 정보에 대한 필요성이 증가하고 있다. 생체 분자4,5의 부착에 의한 표면 합성3 또는 표면 기능화의 팽창 분야는 두 가지 눈에 띄는 예이다. 이러한 모든 분야에서 시스템을 더 잘 이해하기 위해 기판 흡착 및 흡착 상호 작용에 대한 근본적인 질문이 조사됩니다. 이러한 조사를 위해 흡착 된 분자에 대한 최대 정보가 바람직합니다.

부분적으로, 이차 이온 질량 분석법(SIMS)은 이러한 정보를 제공할 수 있다. 첫째, SIMS는 표면에 민감합니다. 둘째, 스퍼터드 흡착제와 그 파편이 MS를 통해 검출됨에 따라 원자 구성을 훨씬 넘어서는 정보를 얻을 수 있습니다. 표면에 흡착된 화학 종의 특성에 따라, 질량 스펙트럼6에서관찰되는 분자 질량 및 단편 패턴에 의해 식별될 수 있다. 1차 이온에 의해 유도된 단편은 실제로 분석된 물질의 식별에 도움이 될 수 있다. 한편, 시료의 1차 이온 유도 변형(단편화, 이온 유발 반응, 혼합)이 너무 강하면, 시료의 원래 상태에 대한 대부분의 정보가 손실된다. 따라서, SIMS에서 단편화를 줄이기 위한 주요 노력이 수행되었다(예를 들어, 충전된 분자 클러스터를 1차이온7,8,9)로사용한다. 그러나, 단편화는 여전히 큰 거대 분자 및 생물학적 샘플10의SIMS 스펙트럼을 지배하여 다양한 분야에서 SIMS의 적용을 제한합니다.

대안으로, 우리는 복합 분자11,12,13,14,15,16,17의질량 분광 분석에 성공적으로 채택된 부드럽고 매트릭스 없는 이온화 방법으로 중성 클러스터(DINeC)에 의해 유도된 탈착/이온화를 보여주었다. DINeC는 103 ~ 104 SO 2 분자로 구성된 분자 클러스터의 빔을 기반으로합니다(그림 1). 클러스터가 샘플에 영향을 미칠 때, 그들은 표면에 있는 분자와 다양한 방식으로 상호 작용합니다: 첫째, 클러스터의 운동 에너지의 일부가 재분배되고 탈착을 활성화합니다. 마찬가지로 중요한 것은, 탈취 분자는 클러스터 표면 충격11,18,19 동안 클러스터에 용해된다(도1 및 도 2). 즉, SO2의높은 다이폴 모멘트를 기반으로 클러스터는 극성 분석물의 과도 행렬역할을 매우 효율적으로 합니다. 그 결과, aalyte 분자의 탈착은 1 eV/분자 이하의 클러스터 에너지에서 일어난다. 탈착 공정의 연질 성질은 SO2 클러스터가 표면충격(11,19)동안 및 이후에 산산조각날 때 시스템의 급속 냉각에 의해 더욱 지원된다. 이러한 다양한 양태의 결과로서, 펩타이드, 단백질, 지질 및 염료와 같은 복합 분자의 클러스터 유도 탈착은 탈취 분자의 어떠한 단편화도 없이 진행된다11,15; 일반적인 질량 스펙트럼은 손상되지 않은 분자의 m/z 값에서 지배적인 피크를 나타낸다([M+H]+ 또는 [M-H]- 그림 3). 분자내 작용기의 수와 성질에 따라, 폼의 다중 충전 양이온 [M + n· H]n+는 11,15,18을관찰한다. 생체 분자의 경우, 이온화는 전형적으로 기본 또는 산성 작용기에서 양성자의 섭취 또는 추상화를 통해, 각각11에서일어난다. 물 분자가 샘플에 존재하는 경우, 클러스터에서 SO2 분자는 황산18을형성하는 이러한 물 분자와 반응할 수 있다. 후자는 양성자 섭취(양성이온 모드)를 통한 이온화의 경우 이온화 과정을 더욱 촉진하는 효율적인 양성자 공급원으로서 작용할 수있다(13,18).

Figure 1
그림 1: 클러스터 유도 탈착/이온화 및 실험 설정의 개략적 그림. 클러스터 유도 탈착/이온화는 고진공 용기에서 수행됩니다. SO2 클러스터 (노란색 점)의 빔은 펄스 노즐에서 SO2/ He 가스 혼합물의 초음속 팽창을 통해 생성됩니다. 클러스터 표면 충격 동안 표면 분자는 탈지되고 이온화됩니다. 분자 이온(빨간색/주황색 점)은 바이어스 그리드, 이중 이온 깔때기 입구 및 옥토폴라 이온 가이드를 통해 질량 분석용 이온 트랩으로 전달됩니다. 일반적인 질량 스펙트럼은 손상되지 않은 분자의 m/z 값에서 지배적인 피크를 보여 주며, 여기서는 양이온 모드에서 M1(주황색) 및 M2(빨간색)를 표시합니다. 블로우 업: 클러스터 표면 충격 동안, 탈지 분자는 충격 클러스터 또는 그 조각 중 하나에 용해된다. SO2 분자의 추가 산산조각 및 증발은 질량 분광계에서 검출된 바와 같이, 그대로 분자 이온을 맨손으로 이끈다. 그림 2를참조하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 용해를 통한 클러스터 유도 탈착을 보여주는 분자 역학 시뮬레이션의 스냅샷. (A) SO2 클러스터(300분자)는 디펩티드(aspartic acid-아르기닌, ASP-ARG)가 흡착되는 표면에 수직으로 1250 m/s로 표면에 접근한다. (B) 클러스터 표면 충격 중에 클러스터가 부서지게 됩니다. 흡착된 디펩타이드는 주변 SO2 분자와 상호 작용하여 클러스터 단편 중 하나에서 용해됩니다. (C) 클러스터 조각은 표면에서 격퇴됩니다. 표지된 단편(청원)은 이 단편에서 탈소화되는 디펩티드를 운반한다. 이 그림은 참조 19에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
도 3: 안지오텐신 II의 대표적인 질량 스펙트럼 및 분자 모델. (A) 안지오텐신 II 샘플로부터 클러스터 유도 탈착/이온화 후 얻어진 질량 스펙트럼(상단 패널: 양이온 모드, 하단 패널: 음수 이온 모드). 샘플을 Si 웨이퍼(천연 산화물로 덮여 있음)에 각각의 용액을 드롭 캐스팅하여 제조하였다. 주요 피크는 손상되지 않은 생체 분자, [M+H]+ 및 [M-H]에할당된다-; 조각화 패턴은 관찰되지 않습니다. [2M+H]+화살표)는 탈착 프로세스의 연질 특성을 더 나타낸다. 양이온 신호는 SO2 클러스터(18)의영향으로 인해 더욱 강렬하다. (B) 안지오텐신 II의 공간 충진 모델 및 아미노산 서열. 흰색 공은 수소 원자를 나타냅니다. 블랙: 탄소; 파란색: 질소; 빨간색: 산소. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

DINeC는 고진공 조건과 호환되는 모든 종류의 고체 샘플에 적용할 수 있습니다. 특별한 시료 전제가 필요하지 않으며, 특히 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화(MALDI) 질량 분석법 및 관련 기술20,21과는 달리 DINeC-MS 측정 전에 매트릭스를 적용할 필요가 없다. 이를 통해 진공챔버(22) 또는 샘플 온도에서 반응성 종의 배경 압력과 같은 다양한 실험 조건으로 시료의 화학적 변화를 실시간으로 측정할 수 있습니다. DINeC-MS의 검출 한계는 펨토몰 범위11에있는 것으로 나타났다. 하단일층 정권의 고체 표면에 흡착된 생체분자의 분석에 적용했을 때, 단층의 0.1%까지 낮은 표면 커버리지가검출되었다 23. 이러한 커버리지 체제에서, 신호 세기는 표면 커버리지에 선형적으로 의존하며 DINeC-MS는 표면조성물(23)의정량분석에 사용될 수 있다. 혼합 시료의 경우, 시료 조성물의 정량적 평가가 가능하며,이온화확률에 대한 화학적 환경의 주요 영향이 관찰되지 않는다(예를 들어, 혼합 지질/펩티드 시료17의경우). 이것은 주어진 종의 이온화 확률이 전형적으로 상이한 화학 성분의 존재에 의해 강하게 영향을 받는 SIMS와 는 명백한 대조이다(소위 "매트릭스 효과"25,26).

표면 분석 이외에, 지하 영역내의 화학 조성은 깊이프로파일링(17)을통해 조사될 수 있다. 현재 설정으로, 생체 분자의 클러스터 유도 탈착의 전형적인 탈착 속도는 순서10-3 nm/s입니다. 혼합 지질/펩타이드샘플(17)에대해 1~2 nm 의 범위에서 고심 분해능이 관찰되었다.

추가 응용 분야는 DINeC-MS와 얇은 층 크로마토그래피(TLC)의 조합입니다. 종래의 TLC 플레이트는 DINeC-MS. 위치 의존 질량 스펙트럼을 통해 직접 분석할 수 있으며 TLC 플레이트로부터 획득될 수 있으며 따라서 질량 별 크로마토그램은 TLC플레이트(27)로부터수득될 수 있다. 분리 된 어말레이트의 재 용출은 ESI28,29와함께 TLC와 달리 필요하지 않습니다. DL과 MALDI28,29의결합과 는 달리 DINeC-MS + TLC 조합에는 행렬이 필요하지 않습니다.

탈착 전기 분무 이온화 (DESI)는 또한 MS 응용30,31을위한 연약한 탈착/이온화 방법이다. DINeC와 DESI 의 가장 눈에 띄는 차이점은 DINeC23의정량적 특성, 초고진공 (UHV) 조건과의 호환성, 특히 진공(23)을파괴하지 않고 UHV 조건에서 제조 및 전송 된 샘플을 조사 할 수있는 가능성뿐만 아니라 비극성 분자(19)를효율적으로 desorb 할 수있는 가능성입니다.

원칙적으로 탈착/이온화 소스로서 DINeC는 모든 유형의 질량 분석기와 결합될 수 있습니다. 그러나, 이온 트랩 질량 분석과의 조합은 두 가지 주요 장점을 특징으로 한다: 첫째, 전형적인 펄스 클러스터 빔의 펄스 폭 및 반복 속도는 이온트랩(15,32)의스펙트럼 속도뿐만 아니라 불연속 축적 시간에 매우 잘 대응한다. 둘째, DINeC 공정의 부드러운 특성은 손상되지 않은 분자의 탈착을 유도합니다. 이온 트랩 질량 분석법의 MSn 기능과 결합하여 조사된 샘플15의가장 포괄적인 분석을 가능하게 합니다.

Protocol

참고: 프로토콜은 언제든지 일시 중지할 수 있습니다.

1. 기판의 준비

  1. 표준 시료의 경우 실리콘 웨이퍼(약 0.5~1mm 두께)에서 기판을 1 x 1cm2조각으로자릅니다.
  2. Si 기판을 에탄올과 아세톤의 초음파 욕조에서 각각 15 분 동안 청소하십시오.
  3. 건조 질소 가스의 스트림에서 기판을 건조.

2. 견본의 준비

  1. 표준 샘플 준비
    1. 표준 시료의 경우, 다루어야 할 과학적 질문에 따라 타액 분자를 포함하는 용액을 준비하십시오. 골액의 농도는 적어도 1 x 10-10 mol/L이어야 합니다.
    2. 기판 에 샘플 용액의 5 ~ 30 μL을 드롭 캐스트. 용매의 증기 압력에 따라 모든 용매가 증발하고 건조 필름이 형성될 때까지 주위 조건 또는 건조기에서 시료를 건조시키십시오. 적용된 물질의 양에 따라, 필름의 두께는 여러 10 μm(육안 검사 가능)과 단층-서브 단층 정권(따라서 눈으로 감지할 수 없다) 사이에 있을 수 있다.
    3. 샘플 홀더에 시료를 장착합니다(예: 필요한 시료 및 진공 조건에 따라 나사로 조여진 끈적끈적한 테이프 또는 클램프 사용).
    4. 가능하면 안지오텐신 II의 마이크로미터 두께 필름과 같은 기준 샘플을 샘플 홀더에 추가로 장착합니다.
  2. 대체 샘플 준비
    1. 적용 가능한 경우 진공 또는 딥 코팅에 전기 분무 이온 빔 증착(ES-IBD)과 같은 대체 시료 전처리 방식을 사용하십시오.
    2. 제조 단계 전에 DINeC 샘플 홀더에 진공으로 제조및 이송할 샘플을 장착합니다.
    3. 최종 준비 단계 후에 딥 코팅 된 샘플이 건조되었는지 확인하십시오.
    4. 가장 간단한 준비 계획을 고려하십시오. 예를 들어, 형광펜 잉크의 조사를 위해 기판 표면에 점을 그립니다.

3. 샘플을 DINeC 질량 분석계로 전달

  1. 주변 조건에서 대피된 DINeC 챔버로 시료 전달
    1. 로드 록 시스템을 환기시고 로드록 시스템을 환기시고 있습니다.
    2. 로드 록을 열고 샘플 홀더를 장착합니다.
    3. 로드 록을 닫고 로드 록 챔버를 2 x 10-5 mbar 이하의 압력으로 펌프하십시오.
    4. 밸브를 DINeC 챔버로 열고 이송 로드가 있는 샘플 홀더를 주 조작기로 옮김으로 옮김을 전달합니다. 샘플 홀더를 조작기에 부착합니다.
    5. 전사 봉을 철회하고 로드 록과 DINeC 챔버 사이의 밸브를 닫습니다.
       
  2. 진공에서 배출된 DINeC 챔버로 시료 전달
    1. DINeC 챔버의 CF40 플랜지에 부착할 수 있는 운반 가능한 진공 용기를 사용하십시오. 진공을 깨지 않고이 용기로 진공에서 제조 된 샘플을 옮긴다. 샘플이 DINeC 시스템에 사용되는 조작기와 호환되는 샘플 홀더에 장착되어 있는지 확인합니다.
    2. 운반 가능한 진공 용기를 CF40 플랜지에 부착하고 컨테이너와 DINeC 챔버 사이의 부피를 펌프합니다.
    3. 압력이 2 x 10-5 mbar 이하로 떨어지면 게이트 밸브를 DINeC 챔버와 운반 가능한 진공 용기로 열고 50cm 이상의 선형 이동을 가진 동요 스틱 또는 다른 전달 시스템을 사용하여 DINeC 챔버로 샘플을 전달합니다.
    4. 이송 시스템을 철회하고 두 개의 게이트 밸브를 닫습니다.

4. 가스 혼합물의 준비

  1. 먼저 가스 혼합 시스템의 가스 실린더를 10 분 동안 증발시킴으로써 헬륨에서 약 3 % SO2의 혼합물을 준비합니다.
  2. 1 bar의 압력에 도달 할 때까지 SO2로 실린더를 채웁니다.
  3. 총 압력이 30bar에 도달할 때까지 실린더를 헬륨으로 채웁니다.
    주의: SO2를사용할 때는 지정된 가스 캐비닛에 SO2 실린더를 보관하는 것과 같은 각각의 안전 예방 조치를 항상 이행해야 합니다.

5. DINeC 질량 분석기의 준비

  1. 가스 실린더와 노즐 사이의 밸브를 엽니다. SO2/He가스 혼합물의 압력을 가스 혼합 시스템의 윤곽선에서 15 bar로 조정합니다.
  2. 조작기의 위치를 참조 샘플의 위치로 설정합니다.
  3. 양이온 질량 스펙트럼을 측정하려면 샘플 및 그리드 바이어스를 각각 +40 및 +7V로 설정합니다.
  4. 펄스 노즐과 이온 트랩 질량 분석기를 구동하려면 외부 기능 발생기를 2Hz로 설정합니다. 지연 발생기를 사용하여 이온 트랩의 클리어 트랩 신호와 펄스 노즐의 트리거 신호 사이에 시간 지연 Δtn을 5ms로 설정합니다.
  5. 제어 소프트웨어에서, 각각의 버튼을 누르거나 메인 대화 창의 모드 페이지에 각각의 값을 입력하여 다음 매개 변수를 조정 : 스캔 모드: 향상된 해상도, 범위: m / z 50 – 3000, Accu-시간: 0.1 ms, 평균: 10 사이클, 극성: 양이온 질량 스펙트럼의 측정에 대한 긍정적 인
    참고: 음이온 스펙트럼을 측정하려면 시료 및 그리드 바이어스가 지면과 관련하여 음수여야 하며, 극성은 제어 소프트웨어에서 음수로 전환되어야 합니다.

6. 질량 스펙트럼의 측정

  1. DINeC 챔버에서 3 x 10-6 mbar 이하의 압력에 도달하면 측정을 시작할 수 있습니다. 먼저 대기를 누른 다음 제어 소프트웨어에서 작동을 눌러 측정을 시작합니다. 재생 버튼을 누르는 측정값 기록을 시작합니다.
  2. 약 300s에 대한 안지오텐신 II와 같은 참조 샘플로부터 테스트 스펙트럼을 측정합니다. 클리어 트랩 신호와 펄스 노즐을 트리거하는 신호 사이의 시간 지연 Δtn을 조정하여 신호 강도를 최적화합니다.
  3. 조작기를 측정할 샘플의 위치로 이동합니다. 샘플 홀더 평면 내의 샘플 위치를 조정하여 신호 강도를 최적화합니다.
  4. 관심 기간 동안 질량 스펙트럼을 수집합니다. 실험의 세부 사항에 따라 챔버내의 샘플 온도 또는 배경 압력과 같은 실험 파라미터를 수정합니다. 실험 파라미터를 다양하게 할 때 질량 스펙트럼을 계속 사용합니다.

7. 데이터 평가

  1. 측정이 완료되면 데이터 분석 프로그램에서 각 데이터 집합을 로드합니다. 마우스오른쪽 버튼으로 크로마토그램에서 관심 있는 시간 범위를 선택합니다. 평균 스펙트럼은 별도의 창에 표시됩니다.
  2. 선택한 프로그램에서 추가 처리를 위해 스펙트럼을 데이터 파일로 내보냅니다.

   

Representative Results

다음은 DINeC-MS의 실시간 적용을 위한 두 가지 예제가 제시된다. 도 4는 시료가 약 140°C로 가열될 때 안지오텐신 II로부터 얻어진 질량 스펙트럼의 변화를 나타낸다. 최종 온도에도달하면(도 4B, 도 4E),스펙트럼은H2O 엔티티의 손실을 나타내는 추가피크(m/z= 1029)를 특징으로 한다. 시료를 그 온도에서 유지하면, 안지오텐신 II 분자의 추가 분해가 관찰된다(도4C),말단 아미노산 단위 중 하나의 손실을 포함하는, asparticacid (피크 에서 m/z = 932, 도 4D). 데이터의 정량적 분석은 근본적인 반응 역학을 평가할 수있다(도 4E). 특히 그림 4E는 m/z = 1029를 가진 엔티티가 강도가 먼저 증가하고 감소함에 따라 더 작은 조각으로 더 분해되는 중간체임을 보여 줍니다. 따라서 수반되는 속도 상수는 동일한 크기의 순서입니다.

제2 예로서, 안지오텐신II(22)에서의 수소/중수소 교환에 대한 조사는 도 5에예시된다. DINeC 챔버에서D2O에 안지오텐신 샘플을 노출시 (pD2O = 10-4 mbar), 안지오텐신 II의 동위원소 패턴은 확대되고 D 원자에 의한 H의 교환을 나타내는 더 높은 m/z 값으로 이동된다. 이 과정은 처음 60초 동안 빠르지만 실험의 추가 과정에서 상당히 느려집니다: 그림 5B의 동위원소 패턴은 넓은 m/z 범위(약 15m/z 단위)를 포함합니다. 분자에서 교환된 H 원자의 수로 중형 d의 정도를 정의할 때, d=0 에서 d= 13 사이의 d값은 스펙트럼으로부터 추출될 수 있다. 그림 5C에서동위원소 패턴은 다시 너비가 줄어듭니다. 이 관찰은 가장 낮은 수준의 deuteration와 관련된 피크의 강도가 강하게 감소된 데 기인할 수 있습니다. 도 5D에서,스펙트럼은 더 긴 반응 시간 동안 도시된다. 덮여 m/z 범위는 거의 동일하게 유지되지만 스펙트럼의 질량 중심은 여전히 m/z 값을 늘리는 쪽으로 천천히 이동합니다. 긴 노출 시간 동안, 분자의 일부가 가장 높은 수준의 deuteration, dmax = 17에 도달합니다. 카르복실산 또는 아민 기와 같은 작용기에 결합된 H 원자의 수에 의해 주어진 교환 가능한 H 원자의 최대 수에 해당한다.

이미 스펙트럼의 시간적 진화에서 H/D 교환이 다른 속도 상수로 일어난다는 것을 추론할 수 있습니다. 이러한 관측치에 대한 정량적 설명을 위해, 평균 치수 d의 정도는 시간의 함수로서 도 5E에 플롯된다. 실험 결과 (기호)의 검사는 세 가지 다른 정권을 밝혀 : t & 50 s에 대한 d의 빠른 증가, 50 s & t & 200 s의 중간 정권, 그리고 t > 200 s에 대한 느리지만 거의 지속적인 증가. 실험 결과는 몬테 카를로 시뮬레이션을 통해 시뮬레이션되었습니다. 의사-1차 반응 역학 반응 반응 상수 ki는 조사된 분자의 작용기에서 H/D 교환을 위해 가정하였다22. 안지오텐신 II 분자에서 H/D 교환에 대해 적어도 3개의 상수 ki가 적용되었을 때만 세 가지 정권에서 시뮬레이션과 실험 결과 사이의 양호한 합의가 얻어졌다. 도5F,G에서,상이한 수준의 동위원소 패턴의 합에 의해 실험동위원소 패턴을 피팅하여 추론된 역학(도5A ~ 도 5D)을도시한다. 실험 데이터와 시뮬레이션 간의 좋은 합의뿐만 아니라 낮은 및 높은 수준의 deuterations에 대한 매우 다른 환율이 명확하게 관찰됩니다. 헥사글리신과 같은 상이한 올리고펩티드와 비교하여, 빠른 환율은 명시적 작용기에 기인한 반면, 느린 환율은 펩티드의등뼈(22)의아미드 그룹과 연관되었다.

이들 처음 두 예는 마이크로미터 두께의 안지오텐신 II 샘플로 측정된 반면, 도 6은 전기 분무 이온 빔 증착(ES-IBD)에 의해 제조된 바와 같이 금 시료상에서 안지오텐신 II의 서브모노레이어 커버리지로부터 얻어진 결과를 나타낸다(ES-IBD)23. 물질의 양에 대한 신호 강도의 선형 의존성은 3 배 이상의 크기로 관찰되며, 검출 된 물질의 가장 낮은 양은 금 표면에 안지오텐신 II 분자의 단층의 0.1 %에 해당합니다. 도 5에 도시된 바와 같이 H/D 교환 실험은 또한 하부 모노레이어 정권23에서금상 안지오텐신 II로 수행하였다.

Figure 4
그림 4: 안지오텐신 II의 열 열 분해를 실시간으로 관찰한다. (A-C) 안지오텐신 II 샘플로부터 클러스터 유도 탈착/이온화 후 수득된 질량 스펙트럼. (A) RT에서 신선한 샘플 (B) 약 140 °C로 가열 된 샘플. m/z = 1047의 피크 외에도, 이는 손상되지 않은 분자 [M+H]+및 m/z = 932, 1012 및 1029의 피크가 나타납니다(화살표로 표시). (C) 후자의 피크가 증가하고 높은 온도에서 샘플을 유지할 때 주요 피크는 시간이 지남에 따라 감소합니다. (D) 하나의 아미노산 단위(aspartic acid)의 손실에 의해 m/z=932에서 피크의 외관을 유도하는 단편(갈색 브래킷)을 나타내는 안지오텐신 II의 구조적 공식. (E) 시료 온도의 시간 의존성과 플롯(A)에서 (C)에 표시된 주 피크의 강도. 실선은 눈에 안내선입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 안지오텐신 II에서 H/D 교환의 실시간 관찰. (A-D) DINeC-MS에 의해 얻어진 안지오텐신 II의 양이온 질량 스펙트럼은 H/D 교환으로 인해, 동위원소 패턴은 (A)에도시된 미분종의 동위원소 패턴과 비교할 때 (B)에서 (D)로 더 높은 m/z 값으로 확대 및 이동한다. 빨간색 선은 데이터, 파선 시안 선은 증신의 다른 정도를 고려하여 데이터에 적합합니다. (e) 실험(open dots)으로부터 추론된 바와 같이 시간의 함수로서 의 증명d의 평균 정도. 또한, 몬테카를로 시뮬레이션에 의해 추론된 시간의 함수로서 dés가 도시된다. 검은 색 파선 곡선 : 고려 하나의 속도 상수(k1)를고려 시뮬레이션; 빨간색 곡선 : 계정에 세 속도 상수(k1,k2, k3)를고려한다. (F,G) 몬테 카를로 시뮬레이션 (파선)의 해당 결과와 함께 시간의 함수로 안지오텐신 II (기호 + 실선)의 중해의 선택된 정도의 상대 신호 강도. 이 수치는 참조 22로부터 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 아일레이어 정권에서 금에 안지오텐신 II에 DINeC-MS의 적용. (a) 서브 모노레이어 정권에서 단리된 안지오텐신 II 분자의 질량 분광법에 대한 증착 및 DINeC-MS에 대한 ES-IBD의 조합의 개략적 표현. (B) 두 개의 독립적인 데이터 세트(채워진 기호 및 열린 심볼)에서 얻은 바와 같이 샘플에 증착된 물질에 대한 신호 강도의 의존성. 인세트: 지시된 대로 물질의 양이 증착된 샘플로부터 얻은 DINeC 질량 스펙트럼. 이 그림은 참조 23에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

지금까지 수행 된 많은 연구에서, 다양한 물질에 대한 DINeC-MS의 높은 감도가 입증되었습니다. 실제로, 이것은 펨토몰 정권11에있는 물질의 양까지 아래로 해달린의 측정을 허용합니다. 이러한 높은 감도로 인해, 시료 준비, 특히 기판 세척은 DINeC 질량 스펙트럼의 오염을 피하기 위해 고순도 화학물질로 수행되어야 합니다. 많은 분석 기술의 경우와 마찬가지로 빈 기판의 적절한 배경 측정은 기판/시료 준비에서 기원을 가진 분석기와 피크에서 피크를 분리하는 데 도움이 됩니다.

주어진 타액분해 분자의 이온화 확률은 혼합 샘플17,24에서공동 흡착제 또는 공동 성분의 존재에 의해 강하게 영향을 받지 않는 것으로 나타났지만, 이온화 확률은물질13에따라 달라질 수 있다. 따라서 이온화 확률에 따라 오염물질이 해석물질보다 훨씬 강한 신호에 기여할 수 있으므로 깨끗한 조건에서 작업하는 것이 더욱 중요합니다. 미리 형성된 이온(예를 들어, 많은 염료 분자의 경우에서 발견됨) 또는 양성자 섭취 또는 탈진(즉, 염기 또는 산)으로 명확한 경향을 보이는 작용기를 가진 분자는 전형적으로 DINeC-MS에서 높은 이온화 확률을 나타낸다. 이러한 작용군이 어말란에 존재하지 않으면 이온화 확률이 낮을 수 있습니다. 시료는 트리플루오로산과 같은 이온화제(예를 들어, 이온화제의 증기압에 대한 샘플의 노출에 의해)에 의해 처리될 수 있다.

그림 4 및 그림 5에서 논의된 대표적인 결과는 질량 분석법을 통해 화학 반응을 실시간으로 조사하기 위한 DINeC-MS의 적용 가능성을 보여줍니다. 도 6은 방법의 서브모노레이어 민감도를 도시한다. 두 특성이 결합되면, 표면 및 그 제품에 대한 화학 반응을 실시간으로 따를 수 있다23. 이것은표면3,33,34,35,36에거대 분자 구조의 조립으로 이어지는 소위 "표면 합성"에 특히 관심이있을 수 있습니다. 현재 셋업에서, 이러한 표면 반응의 관찰은금(23) 및 기타 귀금속과 같은 낮은 반응성을 가진 표면에서 가능하다; 탈착 챔버내의 기압이10-7-mbar범위이기 때문에 실리콘표면(37)과같은 반응성이 높은 표면에서 실험이 수행되기가 더 어렵다. 현재 활동은 이러한 제한을 해결하고 UHV 호환 DINeC 장치가 구축되고 있습니다. 반응성 표면의 경우, SO2와 기판 표면 간의 상호작용은 표면 흡착및 표면 반응을 측정하기 전에 테스트되어야 합니다.

클러스터 빔이 중립이기 때문에 초점을 맞출 수 없습니다. 샘플상에서의 빔 크기는 사용 중 스키머의 셋업 및 오리피스의 형상에 의해 주어진다; 샘플의 빔 지름에 대한 일반적인 값은 1~6mm입니다. 그 결과, 샘플을 스캔하여 이미징은 매우 낮은 해상도로만 가능합니다. 한편, 높은 이온화확률(13)에의해 주어진 DINeC는 탈상 분자를 효율적으로 이용한다. 따라서, DINeC-MS및 이온 이미징검출기(38)의 조합은 매우 매력적인 것으로 보인다.

Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다고 선언합니다.

Acknowledgments

저자는 헬름홀츠 국제 박람회 센터 (HICforFAIR)와 하드론 과 이온 연구를위한 헬름홀츠 대학원 (P.S.)의 재정 지원을 인정합니다. 저자는 라우셴바흐 교수(옥스포드 대학)와 그의 팀이 결합된 ES-IBD/DINeC 실험에 대한 유익한 협력을 해준 것에 대해 감사를 표합니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone rotisolv HPLC Roth 7328.2 HPLC Gradient Grade
Copper tape
Ethanol rotisolv HPLC Roth p076.1 HPLC Gradient Grade
Helium Praxair 4800086706 Purity 99.9999%
Nitrogen Praxair 40728408 Purity 99.5 - 100%
Silicon Wafers Active Business Company GmbH G60007
Sulfur dioxide Air Liquide P1734S10R0A001 Purity 99.98%
Water rotisolv LC-MS Roth HN43.1 Ultra LC-MS

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클러스터 유도 탈착/이온화 질량 분광법에 의한 표면에 대한 복잡한 분자 및 표면의 반응 분석
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Bomhardt, K., Schneider, P., Portz, A., Gebhardt, C. R., Dürr, M. Analysis of Complex Molecules and Their Reactions on Surfaces by Means of Cluster-Induced Desorption/Ionization Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (157), e60487, doi:10.3791/60487 (2020).

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