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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |