Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Analys av komplexa molekyler och deras reaktioner på ytor med hjälp av klusterinducerad desorption/Jonisering Masspektrometri

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

Neutrala SO2 kluster av låg kinetisk energi (< 0,8 eV/komponent) används för att desorb komplexa ytmolekyler såsom peptider eller lipider för vidare analys med hjälp av masspektrometri med hjälp av en jonfälla masspektrometer. Ingen särskild provberedning krävs, och realtidsobservation av reaktioner är möjlig.

Abstract

Desorption/Jonisering Induceras av neutrala SO2 Clusters (DINeC) används som en mycket mjuk och effektiv desorption/joniseringsteknik för masspektrometri (MS) av komplexa molekyler och deras reaktioner på ytor. DINeC är baserat på en stråle av SO2-kluster som påverkar provytan vid låg klusterenergi. Under kluster-ytan inverkan, några av ytan molekyler är desorbed och joniserade via dissolvation i den påverkar klustret; Som ett resultat av denna dissolvation-medierad desorption mekanism, låg klusterenergi är tillräcklig och desorption processen är extremt mjuk. Både ytadsorbater och molekyler som ytan består av kan analyseras. Tydliga och fragmenteringsfria spektra från komplexa molekyler som peptider och proteiner erhålls. DINeC kräver ingen särskild provberedning, särskilt ingen matris behöver tillämpas. Metoden ger kvantitativ information om provernas sammansättning. molekyler vid en yttäckning så låg som 0,1 % av ett monoskikt kan detekteras. Ytreaktioner som H/D-utbyte eller termisk nedbrytning kan observeras i realtid och reaktionernas kinetik kan härledas. Med hjälp av ett pulsat munstycke för klusterstrålegenerering kan DINeC effektivt kombineras med jonfällamasspektrometri. DINeC-processens matrisfria och mjuka karaktär i kombination med msn-kapaciteten hos jonfällan möjliggör en mycket detaljerad och entydig analys av den kemiska sammansättningen av komplexa organiska prover och organiska adsorbater på ytor.

Introduction

Ytkänsliga analystekniker baseras ofta på partikelsonder som lågenergielektroner, atomer eller joner som starkt interagerar med fasta prover. Som en följd av detta visar de hög ytkänslighet och detaljerad information om ytstruktur kan erhållas1. Kemisk information är dock ofta begränsad. Som ett exempel kan röntgenfotoelektronsspektroskopi ge kvantitativ information om atomsammansättningen och den genomsnittliga kemiska miljön hos en viss art (t.ex. kolatomer i en organisk molekyl adsorbed på en yta2). Mer detaljerad information om komplexa, ytannonserorbedmolekyler, såsom deras detaljerade struktur eller bindningsplatser, är dock svårt att erhålla med standardtekniker för ytanalys. Å andra sidan ökar behovet av sådan information med det ökande intresset för ytfunktionisering med hjälp av organiska molekyler. De expanderande fälten för syntes på ytan3 eller ytfunktionalisering genom fastsättning av biomolekyler4,5 är två framträdande exempel. Inom alla dessa områden undersöks grundläggande frågor om substratannonserorbate och adsorbat-adsorbatinteraktioner för att bättre förstå systemen. För dessa undersökningar är det önskvärt med högst information om adsorbedmolekylerna.

Delvis kan sekundär jonmasspektrometri (SIMS) ge sådan information. För det första är SIMS mycket ytkänsliga. För det andra, eftersom spottade adsorbater och deras fragment upptäcks med hjälp av MS, information långt bortom atomsammansättning erhålls. Beroende på artens art kan den identifieras genom dess molekylära massa och fragmentmönster som observerats i massspektrumet6. De fragment som orsakas av de primära jonerna kan verkligen hjälpa till att identifiera det analyserade materialet. Å andra sidan, om primärjoninducerad modifiering (fragmentering, joninducerade reaktioner, blandning) av provet är för stark, är de flesta information om provets ursprungliga tillstånd förlorad. Således har stora ansträngningar gjorts för att minska fragmenteringen i SIMS (t.ex. med hjälp av laddade molekylära kluster som primära joner7,8,9). Fragmenteringen dominerar dock fortfarande SIMS-spektra av stora makromolekyler och biologiska prover10, vilket begränsar tillämpningen av SIMS inom olika områden.

Som ett alternativ har vi visat desorption /jonisering framkallas av neutrala kluster (DINeC) att vara en mjuk och matrisfri jonisering metod som framgångsrikt har använts för massa spektrometrisk analys av komplexa molekyler11,12 ,13,14,15,16,17. DINeC är baserad på en stråle av molekylära kluster som består av 103 till 104 SO2 molekyler (figur 1). När klustren påverkar provet interagerar de på olika sätt med molekylerna på och i ytan: för det första omfördelas en del av klustrets kinetiska energi och aktiverar desorption. Likaviktigt är desorbing molekylen upplöst i klustret under kluster-yta inverkan11,18,19(Figur 1 och figur 2). Med andra ord, baserat på den höga dipol ögonblick av SO2,kluster mycket effektivt fungera som en övergående matris för polaralyter. Som ett resultat sker desorption av analytmolekylerna vid klusterenergier så lågt som 1 eV/molekyl och nedan. Den mjuka karaktären av desorption processen stöds ytterligare av snabb kylning av systemet när SO2 klustret splittras under och efter ytan inverkan11,19. Som en följd av dessa olika aspekter, kluster-inducerad desorption av komplexa molekyler såsom peptider, proteiner, lipider och färgämnen fortsätter utan någon fragmentering av desorbingmolekylerna 11,15; typisk massa spektra visar den dominerande toppen på m / z värdet av intakt molekyl ([M + H]+ eller [M-H]-, Figur 3). Beroende på antalet funktionella grupper i molekylen, flera laddade katjoner av formen [M + n· H]n+ observeras11,15,18. För biomolekyler sker jonisering vanligtvis via upptag eller abstraktion av en proton vid en grundläggande eller sur funktionell grupp, respektive11. Om vattenmolekyler finns i provet, SO2 molekyler från klustret kan reagera med dessa vattenmolekyler bildar svavelsyra18. Den senare kan fungera som en effektiv protonkälla som ytterligare främjar joniseringsprocessen vid jonisering via protonupptag (positivt jonläge)13,18.

Figure 1
Bild 1: Schematisk illustration av klusterinducerad desorption/jonisering och experimentell inställning. Klusterinducerad desorption/jonisering utförs i ett högvakuumkärl. En stråle av SO2 kluster (gula prickar) produceras via överljudsfart expansion av en SO2/ Han gas blandning från ett pulsat munstycke. Under kluster-ytan inverkan, ytmolekyler är desorbed och joniserade. Molekylärjoner (röda/orange prickar) överförs via ett partiskt rutnät, en dubbel jontrattinlopp och octopolärjonsguider i jonfällan för masspektrometri. Typisk massa spektra visar dominerande toppar på m / z värden av intakta molekyler, här: M1 (orange) och M2 (röd) i positiv jon läge. Spränga: Under klusterytans påverkan löses desorbedmolekylerna upp i det slagkluster eller ett av dess fragment. Ytterligare omskakande och avdunstning av SO2 molekyler leder sedan till den nakna, intaktmolekylära jonen som detekteras i masspektrometern. Se även figur 2. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Ögonblicksbilder av molekylära dynamiksimuleringar som illustrerar klusterinducerad desorption via dissolvation. (A) En SO2 kluster (300 molekyler) närmar sig ytan med 1250 m/s vinkelrätt mot ytan där en dipeptid (aspartic acid-arginin, ASP-ARG) är adsorbed. (B) Vid kluster-ytan-påverkan splittras klustret. Adsorbed dipeptid interagerar med de omgivande SO2 molekyler som leder till dess dissolvation i en av klustret fragment. (C) Klusterfragmenten stöts bort från ytan. Det märkta fragmentet (blå cirkel) bär dipeptid som är desorbed i detta fragment. Denna siffra har ändrats från referens 19. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Representativt massspektrum och molekylär modell av angiotensin II. (A) Masspektra (övre panelen: positiv jonläge, nedre panelen: negativjonläge) som erhålls efter klusterinducerad desorption/jonisering från ett angiotensin II-prov. Provet bereds genom att släppa respektive lösning på en Si-wafer (täckt av dess naturliga oxid). De viktigaste topparna tilldelas den intakta biomolekylen, [M+H]+ och [M-H]-; inga fragmenteringsmönster observeras. Dimers ([2M+H]+, pil) indikerar vidare den mjuka naturen av desorptionen processaa. Den positiva jonsignalen är mer intensiv på grund av påverkan av SO2 kluster18. (B) Modell för utrymmesfyllning och aminosyrasekvens av angiotensin II. Vita bollar indikerar väteatomer; svart: kol; Blå: kväve; röd: syre. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

DINeC kan appliceras på alla typer av fast prov som är kompatibel med högvakuumförhållanden. Ingen särskild provberedning krävs, särskilt ingen matris behöver tillämpas före Mätningarna av DINeC-MS, i motsats till matrisassisterad laserdesorption/jonisering (MALDI) masspektrometri och tillhörande tekniker20,21. Detta möjliggör realtidsmätningar av kemiska förändringar av provet med varierande experimentella förhållanden såsom bakgrundstryck av reaktiva arter i vakuumkammaren22 eller provtemperaturen. Detektionsgränsen för DINeC-MS har visat sig vara i femtomolintervallet11. När den applicerades på analysen av biomolekyler adsorbed på fasta ytor i undermonolayer regimen, en yta täckning så lågt som 0,1% av ett monolayer upptäcktes23. I detta täckningssystem beror signalintensiteten linjärt på yttäckningen och DINeC-MS kan användas för kvantitativ analys av ytsammansättningen23. När det gäller blandade prover är en kvantitativ utvärdering av provsammansättningen möjlig17,24, eftersom det inte observeras någon större effekt av den kemiska miljön på joniseringssannolikheten (t.ex. när det gäller blandade lipid-/peptidprover17). Detta står i tydlig kontrast till SIMS, för vilka joniseringssannolikheten för en viss art vanligtvis påverkas starkt av förekomsten av olika kemiska komponenter (den så kallade "matriseffekten"25,26).

Förutom ytanalys kan kemisk sammansättning i området under ytan undersökas med hjälp av djupprofilering17. Med den aktuella uppsättningen är typiska desorption-frekvenser av klusterinducerad desorption av biomolekyler av ordningen 10-3 nm/s. En hög djupupplösning i intervallet 1 till 2 nm har observerats för blandade lipid-/peptidprover17.

Ett annat användningsområde är kombinationen av DINeC-MS med tunn skiktkromatografi (TLC). Konventionella TLC-plattor kan analyseras direkt med hjälp av DINeC-MS. Positionsberoende massspektra kan förvärvas från TLC-plattorna och därmed massspecifika kromatogram kan erhållas från TLC-plattorna27. Ingen omelläggning av de separerade analyterna är nödvändig, annorlunda än TLC i kombination med ESI28,29. Ingen matris behövs för DINeC-MS + TLC-kombinationen heller, i motsats till kopplingen mellan TLC med MALDI28,29.

Desorption elektrosprayjonisering (DESI) är också en mjuk desorption /joniseringmetod för MS-applikationer30,31. De mest slående skillnaderna mellan DINeC och DESI är: DINeC23:skvantitativa karaktär, dess kompatibilitet med uhv-förhållanden (Ultra-high-vacuum), särskilt möjligheten att undersöka prover som utarbetats och överförts under UHV-förhållanden utan att brytavakuum23,samt möjligheten att effektivt desorb nonpolar molekyler19.

I princip kan DINeC som desorption/joniseringskälla kopplas till alla typer av masspektrometer. Kombinationen med jonfälla massa spektrometri har dock två huvudsakliga fördelar: för det första motsvarar pulsbredden och upprepningshastigheten hos en typisk pulsade klusterstråle mycket bra till den diskontinuerliga ackumuleringstiden samt jonfällans spektrala hastighet15,32. För det andra leder den mjuka karaktären av DINeC-processen till desorption av intakta molekyler. I kombination med MSn kapacitet jonfälla massa pektrometri, detta möjliggör en mest omfattande analys av de undersökta proverna15.

Protocol

Protokollet kan pausas när som helst.

1. Beredning av substrat

  1. För standardprover skär du substraten från kiselplattor (tjocklek på ca 0,5 till 1 mm) i bitar av 1 x 1 cm2.
  2. Rengör Si substrat i ett ultraljud bad av etanol och aceton i 15 min vardera.
  3. Torka substraten i en ström av torr kvävegas.

2. Beredning av prover

  1. Standardprovberedning
    1. För standardprover, bered lösningen som innehåller analytmolekylerna enligt den vetenskapliga fråga som ska behandlas. Koncentrationen av analyten ska vara minst 1 x 10-10 mol/L.
    2. Drop-cast 5 till 30 μL av provlösningen på substratet. Beroende på ångtrycket av lösningsmedlet, låt provet torka under omgivande förhållanden eller i en exsickator tills allt lösningsmedel har avdunstat och en torr film har bildats. Beroende på mängden ämne som används kan filmens tjocklek vara mellan flera tio μm (okulärbesiktningsmöjlig) och monoskiktet till undermonolayerregimen (alltså inte detekterbart med ögat).
    3. Montera proverna på provhållaren (t.ex. med tejp eller klämmor åtdragna av skruvar, beroende på vilka prover och vakuumförhållanden som krävs).
    4. Om möjligt, montera dessutom ett referensprov, till exempel en mikrometertjock film av angiotensin II, på provhållaren.
  2. Alternativt provberedning
    1. Använd alternativa provberedningsscheman som elektrosprayjonstrålenedfall (ES-IBD) i vakuum- eller dipbeläggning i en respektive lösning om tillämpligt.
    2. Monterade prover som skall beredas och överföras i vakuum på DINeC-provhållaren före beredningsstegen.
    3. Se till att dipplackerade prover är torra efter det sista förberedelsesteget.
    4. Tänk på det enklaste förberedelseschemat. Som ett exempel, för undersökning av highlighter bläck, bara rita en punkt på substratytan.

3. Överföring av prover till DINeC masspektrometer

  1. Överföring av prover från omgivningsförhållanden till den evakuerade DINeC-kammaren
    1. Ventilera lastlåssystemet.
    2. Öppna lastlåset och montera provhållaren.
    3. Stäng lastlåset och pumpa ner lastlåskammaren till ett tryck under 2 x 10-5 mbar.
    4. Öppna ventilen till DINeC-kammaren och överför provhållaren med överföringsstången till huvudmanipulatorn. Fäst provhållaren på manipulatorn.
    5. Dra tillbaka överföringsstången och stäng ventilen mellan lastlåset och DINeC-kammaren.
       
  2. Överföring av prover från vakuum till den evakuerade DINeC-kammaren
    1. Använd en transportabel vakuumbehållare som kan fästas på DINeC-kammarens CF40-fläns. Överför proverna, som bereds i vakuum, med denna behållare utan att bryta vakuumet. Se till att proverna monteras på en provhållare som är kompatibel med den manipulator som används i DINeC-systemet.
    2. Fäst den transportbara vakuumbehållaren på CF40-flänsen och pumpa ner volymen mellan behållaren och DINeC-kammaren.
    3. När trycket har sjunkit under 2 x 10-5 mbar, öppna grindventilerna till DINeC-kammaren och den transportbara vakuumbehållaren och överför provet till DINeC-kammaren på manipulatorn med hjälp av en vingpinne eller ett annat överföringssystem med mer än 50 cm linjär rörelse.
    4. Dra tillbaka överföringssystemet och stäng de två grindventilerna.

4. Beredning av gasblandning

  1. Förbered en blandning av ca 3% SO2 i helium genom att först evakuera gasflaskorna i gasblandningssystemet i 10 min.
  2. Fyll cylindrarna med SO2 tills ett tryck på 1 bar har nåtts.
  3. Fyll cylindrarna ytterligare med helium tills ett totalt tryck på 30 bar uppnås.
    VARNING: Vid användning av SO2måste respektive säkerhetsåtgärder som lagring av SO 2-cylindrar i utsedda gasskåp alltid uppfyllas.

5. Beredning av DINeC masspektrometer

  1. Öppna ventilen mellan gascylindern och munstycket. Justera trycket på SO2/He gasblandningen vid konturen av gasblandningssystemet till 15 bar.
  2. Ställ in manipulatorns position på referensprovets position.
  3. För mätning av katjonisk massspektra ställer du in prov- och rutnätsbias till +40 respektive +7 V.
  4. Om du vill köra det pulsade munstycket och jonfällans masspektrometer ställer du in den externa funktionsgeneratorn till 2 Hz. Med fördröjningsgeneratorn ställer du in tidsfördröjningen Δtn mellan den rensarfällans signal från jonfällan och avtryckaren för det pulserade munstycket till 5 ms.
  5. Justera följande parametrar genom att trycka på respektive knappar i kontrollprogrammet: Scanläge: Scan Läge:Förbättrad upplösning, Intervall: m/z 50 – 3000, Accu-tid:0.1 ms, Medel:10 cykler, Polaritet: positivt för mätning av katjoniskt masspektra
    OBS: För mätning av anjonisk spektra, provet och nätet bias måste vara negativ med avseende på mark, Polarity måste bytas till negativ i kontrollprogrammet.

6. Mätning av massspektra

  1. När ett tryck under 3 x 10-6 mbar har uppnåtts i DINeC-kammaren kan mätningen påbörjas. Starta mätningen genom att först trycka på Stand by och tryck sedan på Använd i styrprogrammet. Börja spela in måtten genom att trycka på Play-knappen.
  2. Mät ett testspektrum från ett referensprov som angiotensin II för ca 300 s. Följ tidsberoendet av signalen med hjälp av Chromatogram som är inställt på respektive m/z-värde. Optimera signalintensiteten genom justering av tidsfördröjningen Δtn mellan den rensar fällasignalen och signalen som utlöser det pulserade munstycket.
  3. Flytta manipulatorn till provets position som ska mätas. Optimera signalintensiteten genom justering av provpositionen inom provhållarplanet.
  4. Förvärva massspektra över tidsspannet av intresse. Ändra de experimentella parametrarna såsom provtemperatur eller bakgrundstryck i kammaren enligt detaljerna i experimentet. Fortsätt att ta massspektra när du varierar de experimentella parametrarna.

7. Datautvärdering

  1. När mätningen är klar läser du in respektive datauppsättning i dataanalysprogrammet. Välj tidsintervall för intresset för kromatogrammet med musens högra knapp. Det genomsnittliga spektrumet visas i ett separat fönster.
  2. Exportera spektrumet som en datafil för vidare bearbetning i ett valprogram.

   

Representative Results

I följande presenteras två exempel för realtidstillämpning av DINeC-MS. Figur 4 visar förändringen av massspektrumet från angiotensin II när provet värms upp till ca 140 °C. När den slutliga temperaturen uppnås (figur 4B, Figur 4E), kännetecknas spektrumet av en extra topp som indikerar förlusten av en H2O-enhet (m/z = 1029). Vid förvaring av provet vid den temperaturen observeras ytterligare nedbrytning av angiotensin II-molekylerna (figur 4C), inklusive förlust av en av de terminalaminosyraenheter, asparaginsyra (topp vid m/z = 932, figur 4D). Kvantitativ analys av uppgifterna gör det möjligt att utvärdera den underliggande reaktionskinetiken(figur 4E). I synnerhet visar figur 4E att enheten med m/z = 1029 är en mellanliggande som ytterligare bryts ned i mindre fragment när intensiteten först ökar och minskar sedan. De samtidiga hastighetskonstanterna är således i samma storleksordning.

Som ett andra exempel illustreras undersökningen av väte-/deuteriumutbyte i angiotensin II22 i figur 5. Vid exponering av angiotensinprovet till D2O i DINeC-kammaren (pD2O = 10-4 mbar) breddas det isotopiska mönstret angiotensin II och flyttas mot högre m/z-värden som anger byte av H av D-atomer. Processen är snabb under de första 60-talet men saktar ner avsevärt i ytterligare loppet av experimentet: Isotopmönstret i figur 5B täcker ett brett m/z-intervall (ca 15 m/z-enheter). När vi definierar graden av utsättning d som antalet utbytte H atomer i en molekyl, kan värden d mellan d = 0 till d = 13 extraheras från spektrumet. I figur 5Creduceras isotopmönstret igen i bredd. Denna iakttagelse kan hänföras till den kraftigt minskade intensiteten i topparna som är associerade med de lägsta graderna av ututeration. I figur 5Dvisas spektrumet för ännu längre reaktionstider. Den täckta m / z-serien förblir nästan densamma men mitten av massan av spektrumet fortfarande skiftar långsamt mot att öka m / z värden. Under långa exponeringstider når en del av molekylerna den högsta graden av utsättning, dmax = 17. Det motsvarar det maximala antalet utbytbara H-atomer, som ges av antalet H-atomer som är bundna till funktionella grupper som karboxylicsyror eller amingrupper.

Redan från den temporal utvecklingen av spektra, kan det härledas att H/D utbyte äger rum med olika klassa konstanter. För en kvantitativ beskrivning av denna iakttagelse ritas medelgraden av ututeration d中i figur 5E som en funktion av tiden. Inspektion av de experimentella resultaten (symboler) avslöjar tre olika regimer: en snabb ökning av d中operativ för t < 50 s, ett mellansystem för 50 s < t < 200 s, och en långsam men nästan kontinuerlig ökning för t > 200 s. De experimentella resultaten simulerades med hjälp av Monte Carlo-simuleringar; pseudo-första ordningenreaktion kinetik med reaktionkonstanter ki antogs för H / D utbyte vid funktionella grupper av molekylernaundersökt22. Ett bra avtal mellan simuleringar och experimentella resultat i alla tre regimerna erhölls först när minst tre olika hastighetskonstanter ki för H/D-utbytet i angiotensin II-molekyler tillämpades. I figur 5F,Gvisas kinetiken som härledas från att montera de experimentella isotopmönstren med summan av isotopmönster för olika grader av ututeration(figur 5A till figur 5D). Det goda avtalet mellan experimentella data och simuleringar samt de mycket olika växelkurserna för låga och höga grader av ututerationer observeras tydligt. I jämförelse med olika oligopeptider såsom hexaglycine, de snabba växelkurserna tillskrevs de explicita funktionella grupperna, medan de långsamma växelkurserna var förknippade med amide grupper av peptid ryggrad22.

Dessa två första exempel mättes med mikrometertjocka angiotensin II-prover, visar figur 6 resultaten från undermonolayer täckning av angiotensin II på guldprover som utarbetats med hjälp av elektrospray jonstråle nedfall (ES-IBD)23. Ett linjärt beroende av signalintensiteten på mängden ämne observeras över 3 storleksordningar, den lägsta mängden av upptäckt ämne motsvarar 0,1% av ett monolayer av angiotensin II-molekyler på guldytan. H / D utbyte experiment som visas i figur 5 utfördes också med angiotensin II på guld i undermonolayer regimen23.

Figure 4
Figur 4: Realtidsobservation av termisk nedbrytning av angiotensin II. (A-C) Massspektra som erhållits efter klusterinducerad desorption/jonisering från ett angiotensin II-prov. A) Färskt prov vid RT. (B) Prov som värms upp till ca 140 °C. Förutom toppen på m/z = 1047, som är associerad med den intakta molekylen [M+H]+, toppar på m/z = 932, 1012 och 1029 visas (indikeras av pilar). (C) De senare topparna ökar och huvudtoppen minskar med tiden när provet hållers vid förhöjd temperatur. D) Strukturell formel för angiotensin II som anger fragmentet (bruna parentes) som leder till kulmens utseende på m/z = 932 genom förlust av en aminosyraenhet (asparaginsyra). (E) Tidsberoende av provtemperatur och intensiteten hos de huvudtoppar som anges i tomterna (A) till (C). Solida linjer är linjer mot ögat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Realtidsobservation av H/D-utbyte i angiotensin II. (A-D) Katjoniskt massspektra av angiotensin II som erhålls med hjälp av DINeC-MS. På grund av H/D-utbyte breddar isotopmönstret och skiftar mot högre m/z-värden i (B) till (D) jämfört med isotopmönstret hos de outrenterade arter som visas i A.. Röda linjer är data, streckade cyanlinjer passar in i data med hänsyn till olika grader av ututeration. (E) Genomsnittlig grad av ututeration d'as en funktion av tid som härledas från experimenten (öppna prickar). Dessutom visas di som en funktion av tid som härledas med hjälp av Monte Carlo-simuleringar. Svart streckad kurva: simuleringar med hänsyn till en hastighetskonstant (k1). röd kurva: med hänsyn till tre hastighetskonstanter (k1, k2, k3). (F,G) Relativa signalintensiteter av utvalda grader av utsättning av angiotensin II (symboler + fasta linjer) som en funktion av tid tillsammans med motsvarande resultat av Monte Carlo-simuleringar (streckade linjer). Denna siffra har ändrats från referens 22. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Tillämpning av DINeC-MS på angiotensin II på guld i undermonolayer regimen. A) Schematisk representation av kombinationen av ES-IBD för nedfall och DINeC-MS för masspektrometri av isolerade angiotensin II-molekyler i undermonoskiktets regim. b) Beroende av signalintensitet på det mängdämne som deponerats på provet enligt två oberoende uppsättningar av data (fyllda och öppna symboler). Inset: DINeC massspektra som erhållits från prover på vilka en mängd ämne deponerades enligt vad som anges. Denna siffra har ändrats från referens 23. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

I många studier hittills har en hög känslighet hos DINeC-MS på olika ämnen påvisats. Detta gör det faktiskt möjligt att mäta analyter ner till en mängd ämne i femtomolregimen11. På grund av denna höga känslighet måste provberedning, särskilt substratrengöring, utföras med mycket rena kemikalier för att undvika kontaminering i DINeC-massspektrat. Eftersom det är fallet för många analystekniker hjälper en korrekt bakgrundsmätning från ett tomt substrat att separera toppar från analyten och toppar som har sitt ursprung i substrat-/provberedning.

Även om vi har visat att joniseringssannolikheten för en viss analytmolekyl inte påverkas starkt av närvaron av co-adsorbater eller sambeståndsdelar i blandade prover17,24,kan joniseringssannolikheten variera från substans till ämne13. Således är det ännu viktigare att arbeta under rena förhållanden som föroreningar, beroende på deras jonisering sannolikhet, kan bidra till signalen mycket starkare än analyten. Förformade joner (t.ex. som finns i fallet med många färgämnesmolekyler) eller molekyler med funktionella grupper som visar en tydlig tendens till protonupptag eller deprotonisering (dvs. baser eller syror), visar vanligtvis hög joniseringssannolikhet i DINeC-MS. Om ingen sådan funktionell grupp finns i analyten kan joniseringssannolikheten vara låg. Proverna kan sedan behandlas med joniserande ämnen som trifluorsyra (t.ex. genom exponering av provet på joniserande medlets ångtryck).

De representativa resultat som diskuteras i figur 4 och figur 5 visar att DINeC-MS är tillämplig t.ex. Figur 6 illustrerar metodens undermonolayer-känslighet. Om de två egenskaperna kombineras kan kemiska reaktioner på ytor och deras produkter följas i realtid23. Detta kan vara särskilt av intresse för så kallad "on-surface syntes" som leder till montering av makromolekylära strukturer på ytor3,33,34,35,36. I den nuvarande uppsättningen är observationen av sådana ytreaktioner möjlig på ytor med lägre reaktivitet såsom guld23 och andra ädla metaller. Experimenten är svårare att utföras på mycket reaktiva ytor som kiselytor37, eftersom bastrycket i desorptionkammaren är i 10 -7-mbar-området. Aktuella aktiviteter tar itu med denna begränsning och en UHV-kompatibel DINeC-apparat håller på att byggas upp. När det gäller reaktiva ytor måste interaktionen mellan SO2 och substratytan testas före mätningarna av ytadsorbater och ytreaktioner.

Eftersom klusterstrålen är neutral kan den inte fokuseras. Strålstorleken på provet ges således av geometrin hos den använda skimmern. typiska värden för stråldiametern på provet är en till flera millimeter. Som ett resultat är det endast möjligt att skanna provet med mycket låg upplösning. Å andra sidan, ges av den höga jonisering sannolikhet13, DINeC effektivt använder sig av desorbed molekyler. Således verkar en kombination av DINeC-MS och en jon-imaging detektor38 vara mycket attraktiv.

Disclosures

Författarna förklarar att de inte har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna erkänner ekonomiskt stöd från Helmholtz International Center for FAIR (HICforFAIR) och Helmholtz Graduate School for Hadron och Ion Research (P.S.). Författarna tackar Professor Rauschenbach (University of Oxford) och hans team för givande samarbete på kombinerade ES-IBD/DINeC experiment.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Vickerman, J. C., Gilmore, I. Surface Analysis: The Principal Techniques. , 2nd ed, John Wiley & Sons. New York. (2009).
  2. Reutzel, M., Münster, N., Lipponer, M. A., Länger, C., Höfer, U., Koert, U., Dürr, M. Chemoselective Reactivity of Bifunctional Cyclooctynes on Si(001). Journal of Physical Chemistry C. 120, 26284-26289 (2016).
  3. Grill, L., Dyer, M., Lafferentz, L., Persson, M., Peters, M., Hecht, S. Nano-architectures by covalent assembly of molecular building blocks. Nature Nanotechnol. 2, 687-691 (2007).
  4. Stutzmann, M., Garrido, J. A., Eickhoff, M., Brandt, M. S. Direct biofunctionalization of semiconductors: A survey. Physica Status Solidi A. 203, 3424-3437 (2006).
  5. Adler-Abramovich, L., Gazit, E. The physical properties of supramolecular peptide assemblies: from building block association to technological applications. Chemical Society Reviews. 43, 6881-6893 (2014).
  6. Vickerman, J. C., Briggs, D. TOF-SIMS: Materials Analysis by Mass Spectrometry, 2nd ed. , IM Publications. Chichester, UK. (2013).
  7. Winograd, N. The magic of cluster SIMS. Analytical Chemistry. 77, 142-149 (2005).
  8. Ichiki, K., Ninomiya, S., Nakata, Y., Honda, Y., Seki, T., Aoki, T., Matsuo, J. High Sputtering Yields of Organic Compounds by Large Gas Cluster Ions. Applied Surface Science. 255, 1148-1150 (2008).
  9. Mochiji, K., Hashinokuchi, M., Moritani, K., Toyoda, N. Matrix-free Detection of Intact Ions from Proteins in Argon-Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 23, 648-652 (2009).
  10. Yokoyama, Y., Aoyagi, S., Fujii, M., Matsuo, J., Fletcher, J. S., Lockyer, N. P., Vickerman, J. C., Passarelli, M. K., Havelund, R., Seah, M. P. Peptide Fragmentation and Surface Structural Analysis by Means of ToF-SIMS Using Large Cluster Ion Sources. Analytical Chemistry. 88, 3592-3597 (2016).
  11. Gebhardt, C. R., Tomsic, A., Schröder, H., Durr, M., Kompa, K. L. Matrix-Free Formation of Gas-Phase Biomolecular Ions by Soft Cluster-Induced Desorption. Angewandte Chemie, International Edition. 48, 4162-4165 (2009).
  12. Baur, M., Lee, B. J., Gebhardt, C. R., Durr, M. Soft Clusterinduced Desorption and Ionization of Biomolecules - Influence of Surface Load and Morphology on Desorption Efficiency. Applied Physics Letters. 99, 234103 (2011).
  13. Lee, B. J., Baur, M., Gebhardt, C. R., Durr, M. Quantification of the Ionization Probability During Desorption/Ionization of Oligopeptides Induced by Neutral Cluster Impact. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 27, 1090-1094 (2013).
  14. Lee, B. J., Gebhardt, C. R., Schroder, H., Kompa, K. L., Durr, M. Observation of Ionic Desorption Channels in Cluster-induced Desorption of Alkali Halides - Influence of Surface Electronic Properties and Surface Configuration. Chemical Physics Letters. 556, 77-81 (2013).
  15. Baur, M., Gebhardt, C. R., Durr, M. Desorption/Ionization Induced by Neutral Cluster Impact as a Soft and Efficient Ionization Source for Ion Trap Mass Spectrometry of Biomolecules. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 28, 290-296 (2014).
  16. Kley, C. S., Dette, C., Rinke, G., Patrick, C. E., Cechal, J., Jung, S. J., Baur, M., Durr, M., Rauschenbach, S., Giustino, F., Stepanow, S., Kern, K. Atomic-Scale Observation of Multiconformational Binding and Energy Level Alignment of Ruthenium-Based Photosensitizers on TiO2 Anatase. Nano Letters. 14, 563-569 (2014).
  17. Portz, A., Aoyagi, S., Durr, M. Soft depth-profiling of mixed peptide/lipid samples by means of cluster induced desorption/ionization mass spectrometry - high depth resolution and low matrix effect. Biointerphases. 13, 03B405 (2018).
  18. Portz, A., Baur, M., Gebhardt, C. R., Frank, A. J., Neuderth, P., Eickhoff, M., Durr, M. Influence of the Cluster Constituents' Reactivity on the Desorption/Ionization Process Induced by Neutral SO2 Clusters. Journal of Chemical Physics. 146, 134705 (2017).
  19. Schneider, P., Durr, M. Cluster-induced desorption investigated by means of molecular dynamics simulations - Microsolvation in clusters of polar and non-polar constituents. Journal of Chemical Physics. 150, 214301 (2019).
  20. Karas, M., Hillenkamp, F. Laser Desorption Ionization of Proteins with Molecular Masses Exceeding 10 000 Daltons. Analytical Chemistry. 60, 2299-2301 (1988).
  21. Buchberger, A. R., DeLaney, K., Johnson, J., Li, L. Mass Spectrometry Imaging: A Review of Emerging Advancements and Future Insights. Analytical Chemistry. 90, 240-265 (2018).
  22. Portz, A., Gebhardt, C. R., Durr, M. Real-Time Investigation of the H/D Exchange Kinetics of Porphyrins and Oligopeptides by Means of Neutral Cluster-Induced Desorption/Ionization Mass Spectrometry. Journal of Physical Chemistry B. 121, 11031-11036 (2017).
  23. Portz, A., Baur, M., Rinke, G., Abb, S., Rauschenbach, S., Kern, K., Dürr, M. Chemical Analysis of Complex Surface-Adsorbed Molecules and Their Reactions by Means of Cluster-Induced Desorption/Ionization Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 90, 3328 (2018).
  24. Portz, A., Baur, M., Gebhardt, C. R., Durr, M. Mass Spectrometry of Oligopeptides in the Presence of Large Amounts of Alkali Halides Using Desorption/Ionization Induced by Neutral Cluster Impact. Biointerphases. 11, 02A316 (2016).
  25. Shard, A. G., Spencer, S. J., Smith, S. A., Havelund, R., Gilmore, I. S. International Journal of Mass Spectrometry. 377, 599-609 (2015).
  26. Nakano, S., Yamagishi, T., Aoyagi, S., Portz, A., Durr, M., Iwai, H., Kawashima, T. Evaluation of Matrix Effects on TOF-SIMS Data of Leu-enkephalin and DOPC Mixed Samples. Biointerphases. 13, 03B403 (2018).
  27. Heep, J., Tuchecker, P. H. K., Gebhardt, C. R., Dürr, M. Coupling of planar chromatography to mass spectrometry. ACS Omega. 4, 22426-22430 (2019).
  28. Morlock, G., Schwack, W. Coupling of planar chromatography to mass spectrometry. Trends in Analytical Chemistry. 29, 1157-1171 (2010).
  29. Cheng, S. C., Huang, M. Z., Shiea, J. Thin layer chromatography/mass spectrometry. Journal of Chromatography A. 1218, 2700-2711 (2011).
  30. Takats, Z., Wiseman, J. M., Gologan, B., Cooks, R. G. Mass spectrometry sampling under ambient conditions with desorption electrospray ionization. Science. 306, 471 (2004).
  31. Cooks, R. G., Ouyang, Z., Takats, Z., Wiseman, J. M. Ambient mass spectrometry. Science. 311, 1566 (2006).
  32. Dürr, M., Gebhardt, C. Ion generation in mass spectrometers by cluster bombardment. US Patent. , 926322 B2 (2019).
  33. Lindner, R., Kuhnle, A. Bottom-up Assembly of Molecular Wagons on a Surface. ChemPhysChem. 16, 1582-1592 (2015).
  34. Dong, L., Liu, P. N., Lin, N. Bottom-up Assembly of Molecular Wagons on a Surface. Accounts of Chemical Research. 48, 2765-2774 (2015).
  35. Björk, J. Reaction mechanisms for on-surface synthesis of covalent nanostructures. Journal of Physics: Condensed Matter. 28, 083002 (2016).
  36. Rauschenbach, S., Rinke, G., Gutzler, R., Abb, S., Albarghash, A., Le, D., Rahman, T. S., Durr, M., Harnau, L., Kern, K. Two-Dimensional Folding of Polypeptides into Molecular Nanostructures at Surfaces. ACS Nano. 11, 2420-2427 (2017).
  37. Dürr, M., Höfer, U. Dissociative adsorption of molecular hydrogen on silicon surfaces. Surface Science Reports. 61, 465-526 (2006).
  38. Zhang, J., Franzreb, K., Aksyonov, S. A., Williams, P. Mass Spectra and Yields of Intact Charged Biomolecules Ejected by Massive Cluster Impact for Bioimaging in a Time-of-Flight Secondary Ion Microscope. Analytical Chemistry. 87, 10779-10784 (2015).

Tags

Kemi Utgåva 157 masspektrometri kluster desorption matrisfri mjuk ytadsorbater reaktionskinetik H/D-utbyte
Analys av komplexa molekyler och deras reaktioner på ytor med hjälp av klusterinducerad desorption/Jonisering Masspektrometri
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bomhardt, K., Schneider, P., Portz,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter