Использование новых методов ионизации и фрагментации органических и биоорганических молекул для их идентификации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Попов, Игорь Алексеевич

• Попов, Игорь Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Попов, Игорь Алексеевич

Введение.

Глава 1.

Литературный обзор.

Основы масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразование Фурье.

Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

Явление циклотронного резонанса.

Структура современного спектрометра ИЦР и принцип его работы.

ИЦР масс-спектрометрия с преобразованием Фурье.

Ионные источники, работающие при атмосферном давлении.

Источник ионов на основе электрораспыления в вакуум (электроспрей).

MALDI при атмосферном давлении.

Источник MALDI при атмосферном давлении.

APCI - химической ионизации при атмосферном давлении.

Различные конфигурации атмосферных интерфейсов масс-спектрометров

Методы фрагментации органических молекул в масс-спектрометрах.

Столкновительная фрагментация (CID).

Продолжительное нерезонансное возбуждение циклотронного. движения ионов.

Инфракрасная многофотонная диссоциация (IRMPD).

Диссоциация при захвате электрона (ECD/ETD).

Способы определения изомерных форм аминокислот в составе пептидов.

Глава II. Масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с ионным источником электрораспыления в вакуум.

Конструкция ионного источника электрораспыления в вакуум.

Принцип работы ионного источника электрораспыления в вакуум.

Радиочастотная ионная воронка.

Радиочастотная система транспортировки ионов. Система внешнего накопления и импульсного захвата ионов.

Конструкция вакуумной системы.

Конструкция системы радиочастотной транпортировки ионов.

Измерительная ячейка ИЦР. Захват и накопление ионов.

Столкновительный захват ионов в ячейке ИЦР.

Столкновительная диссоциация ионов при продолжительном нерезонансном возбуждениии циклотронного движения.

Система внешнего накопления и импульсного захвата ионов в измерительной ячейке ИЦР.

Глава III.

Разработка чувствительного и селективного метода экспресс-обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ в твердом состоянии.

Источник ионов.

Метод.

Пределы детектирования.

Глава IV.

Глава IV.

Определение изомерного состава аминокислот, входящих в состав пептидов.

Количественный анализ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование новых методов ионизации и фрагментации органических и биоорганических молекул для их идентификации»

Масс-спектрометрия с момента ее появления в начале 20-го века является одним из наиболее информативных физических методов исследования веществ во всех агрегатных состояниях. В последнее время масс-спектрометрия переживает бурное развитие. Прогресс в развитии масс-спектрометрии был связан с совершенствованием масс-анализаторов, детекторов ионов и, в первую очередь, с созданием и развитием методов ионизации. В первых масс-спектрометрах использовались методы ионизации веществ, находящихся в газообразном состоянии, такие как разряд и электронный удар. Эти методы позволяли анализировать газообразные вещества или вещества, которые могут быть переведены в газообразное состояние. Они в значительной степени покрывали потребности анализа воздуха, различных летучих веществ, в том числе и органического происхождения, в частности, продуктов переработки нефти, да и самой нефти при использовании методов пиролиза. В семидесятые годы прошлого века сильно активизировались исследования, направленные на поиск методов неразрушающей ионизации больших органических молекул с целью применить масс-спектрометрию для анализа биологических систем. Было открыто несколько методов неразрушающей ионизации биологических молекул с атомными весами до 10 кДальтон. Это полевая десорбция, вторичная ионная эмиссия из молекулярной матрицы (глицерин и подобные вещества, дающие протоны при ударе о них ускоренных ионов), бомбардировка быстрыми атомами (FAB), плазменная десорбция. Революционизирующим масс-спектрометрию событием стало открытие неразрушающих молекулы методов ионизации электроспрея (ESI) и лазерной десорбции ионизации из матрицы (MALDI), позволяющих ионизовать и вводить в масс-анализатор большие, в сотни Мегадальтон, молекулы биологического происхождения без их разрушения. Эти удостоенные

Нобелевской премии открытия послужили толчком к бурному развитию биологической масс-спектрометрии.

Ионы могут получиться не только при ионизации нейтрального вещества в разных агрегатных состояниях, но и при диссоциации уже имеющихся ионов. Процессы образования ионов при диссоциации ионизированных молекул оказались чрезвычайно важными при исследовании структуры молекул методами масс-спектрометрии, в особенности биологических молекул, таких как ДНК, РЖ и белков, являющихся биополимерами. Наряду с фрагментацией молекулярных ионов, вызываемой столкновениями этих ионов с атомами или малоатомными молекулами (CID), в настоящее время при исследовании структуры биомолекул используется лазерный нагрев ионов - многофотонная лазерная инфракрасная диссоциация (IRMPD), рекомбинация со свободными электронами (ECD) и электронами, передаваемыми на исследуемые ионы (многозарядные положительные продукты ионизации электроспреем) от отрицательных ионов (ETD).

В данной работе основное внимание уделяется дальнейшему совершенствованию и поиску новых применений новых методов ионизации и фрагментации органических молекул - как синтетических низкомолекулярных (на примере взрывчатых веществ), так и природных -белки и пептиды.

Цель и задачи исследования.

Основной целью настоящих исследований была разработка новых масс-спектрометрических методов анализа органических молекул, позволяющих исследовать молекулы разных классов, для чего были решены следующие задачи:

1) Разработка масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье и ионным источником, работающим при атмосферном давлении.

2) Разработка чувствительного и селективного метода экспресс-обнаружения взрывчатых веществ в твердом состоянии, позволяющего избежать предварительной подготовки пробы или свести её к минимуму.

3) Разработка чувствительного метода количественного определения относительных концентраций пептидов с заменами аспарагиновой кислоты на её изо-форму при использовании ионизации на основе метода электрораспыления в вакуум.

4) Применение метода количественного определения относительных концентраций пептидов с заменами аспарагиновой кислоты на её изо-форму в случае работы с ионным источником на основе лазерной десорбции из матрицы (MALDI).

Научная новизна.

1. Впервые разработан и создан источник химической ионизации при атмосферном давлении с термодесорбционным вводом исследуемых веществ.

2. Впервые продемонстрирована возможность обнаружения взрывчатых веществ при помощи созданного ионного источника химической ионизации с термодесорбционным вводом анализа взрывчатых веществ, сорбированных на пыли и поверхностях, достигнута чувствительность на уровне 10 нг TNT.

3. Впервые создана методика распознавания и количественного определения относительного содержания в бинарных смесях изомерных замен аспарагиновой кислоты в пептидах с использованием СГО и ECD фрагментации.

4. Впервые продемонстрирована возможность определения замен при помощи MALDI при атмосферном давлении.

5. Впервые в РФ создан масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с интерфейсом для ионных источников, работающих при атмосферном давлении.

Практическое значение работы.

Результаты, полученные в данной работе могут быть использованы при создании нового и дальнейшем совершенствовании существующего масс-спектрометрического оборудования, при разработке систем контроля безопасности различных объектов. Кроме того, описанные в диссертации методы, могут быть использованы при изучении молекулярных основ болезни Альцгеймера, а так же при создании новых методов биологических и биохимических исследований, связанных с созданием новых подходов молекулярной медицинской диагностики.

Объём и структура диссертации.

Диссертация изложена на 103 страницах, содержит 32 рисунка, 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Попов, Игорь Алексеевич

Основные результаты и выводы.

1. Создан масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с интерфейсом для ионных источников, работающих при атмосферном давлении.

2. Разработан и создан источник химической ионизации при атмосферном давлении с термодесорбционным вводом исследуемых веществ.

3. Продемонстрирована возможность обнаружения взрывчатых веществ при помощи созданного ионного источника химической ионизации с термодесорбционным вводом анализа взрывчатых веществ, сорбированных на пыли и поверхностях, достигнута чувствительность на уровне 10 нг TNT.

4. Создана методика распознавания и количественного определения относительного содержания в бинарных смесях изомерных замен аспарагиновой кислоты в пептидах с использованием СЮ и ECD фрагментации.

5. Продемонстрирована возможность определения замен при помощи MALDI при атмосферном давлении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Попов, Игорь Алексеевич, 2007 год

1. Alan G. Marshall, Christopher L. Hendrikson, George S. Jackson. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry: A primer. //Mass Spectrom. Rev., 1998, II, p. 1-35.

2. Alan G. Marshall. Milestones in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry technique development. //International Journal of Mass Spectrometry, 200(2000), p. 331-356.

3. Shenheng Guan and Alan G. Marshall. Ion traps for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: principles and design of geometric and electric configurations. // International Journal of Mass Spectrometry, 220.

4. M.B. Горшков, O.H. Харыбин, A.H. Вилков, B.B. Дривен, И.А. Попов. М.И. Даштиев, Е.Н. Николаев. Масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса для биохимических исследований. ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2002, том 21, №4, с.32-38

5. Comisarov М.В., Marshall A.G., Fourier transform ion cyclotron resonance spectroscopy. Chem. Phys. Lett., 1974, v. 25, No. 2, p. 282 - 283.

6. Brigham E.O., The Fast Fourier Transform., N.Y.: Prentice Hall, 1974.

7. Comisarov, M. В., Marshall A.G.// Chem. Phys. Lett. 1974. V.26. P.489.

8. Fenn J.B., Mann, M., Meng C.K., etc.//Mass Spectrom. Rev. 1990. V. 9. P.37.

9. Smith R.D., Loo J.A., Loo R.R.O., etc.// Mass Spectrom. Rev. 1991. V.10. P.359-451.

10. Henry K.D., Williams E.R., Wang B.H., etc.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1989. V.86. P.9075.

11. Hofstadler S.A., Laude D.A.//Anal. Chem. 1992. V.64. P.569.

12. Winger B.E., Hofstadler S.A., Bruce J.E., etc. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.566.

13. Winger B.E., Hofstadler S.A., Bruce J.E., etc.// J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.566.

14. Beu S.C., Senko M.W., Quinn J.P., etc.// J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.190.

15. Gorshkov M.V., Pasa Tolic L., Udseth H.R., etc// J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1998. V.9. P.692.

16. Belov M.E., Gorshkov M.V., Udesth H.R., etc.// Anal. Chem. 2000. V.72. P.2271.

17. Вилков A.H., Николаев E.H., Горшков M.B. // Химическая физика. 2000. т.19. стр. 47.

18. Schweikhard L., Marshall A.G. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.433.

19. Gorshkov M.V., Pasa Tolic L., Bruce J.E., etc. // Anal. Chem. 1997. V.69. P. 1307.

20. Beu S.C., Laude D.A. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1990. V.97. P.295.

21. Gorshkov M.V., Nikolaev E.N. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1993. V.125. P.l.

22. Senko M.W., Hendrickson C.L., Emmett M.R.,etc.//J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1997. V.8. P.970.

23. Belov M.E., Nikolaev E.N., Anderson G.A., etc. //Anal. Chem. 2001. V.73. P.253.

24. Gorshkov M.V., Pasa-Tolic L., Smith R.D. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1999. V.10. P.15-18.

25. Belov M.E., Gorshkov M.V., Alvin K., Smith R.D. // Rapid commun. In Mass Spectrometry, 2001,15: 1988-199631 .Belov M.E., Gorshkov M.V., Udseth H.R., etc. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2000. V.ll. P.19-23.

26. Karas, M.; Hillenkamp, F. And. Chem. 1988, 60,2299.

27. Laiko V.V., Baldwin M.A. and Burlingame A.L., Anal Chem 2000; 72:5239

28. Philip V.T., Laiko V.V. and Doroshenko V.M., Anal Chem 2004; 76:2462

29. Phillip V. Tan, Victor V. Laiko, and Vladimir M. Doroshenko. Atmospheric Pressure MALDI with Pulsed Dynamic Focusing for High-Efficiency Transmission of Ions into a Mass Spectrometer. Anal. Chem.2004, 76,2462-2469

30. Mikhail E. Belov, Mikhail V. Gorshkov, Harold R. Udseth, Gordon A. Anderson, and Richard D. Smith, Zeptomole-Sensitivity Electrospray Ionization-Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry of Proteins, Anal. Chem.2000,72,2271-2279

31. Biological Significance of Isoaspartate and Its Repair System. Takahiko Shimizu, Yasuji Matsuoka, Takuji Shirasawa Biol. Pharm. Bull. 28(9) 1590—1596 (2005)

32. Clarke S., Ageing Res. Rev, 2, 263—285 (2003).

33. Voorter С. E, de Haard-Hoekman W. A., van den Oetelaar P. J., Bloemendal H, de Jong W. W, J. Biol. Chem, 263,19020—19023 (1988).

34. D-aspartic acid in purified myelin and myelin basic protein. Fisher GH, Garcia NM, Payan IL, Cadilla-Perezrios R, Sheremata WA, Man EH. Biochem Biophys Res Commun. 1986 Mar 13;135(2):683-7.

35. Extension of the Drosophila lifespan by overexpression of a protein repair methyltransferase. Chavous DA, Jackson FR, O'Connor CM Proc Natl Acad Sci U S A 2001 Dec 18;98(26):14814-8. Epub 20

36. Weber D. J, McFadden P. N, Caughey B, Biochem. Biophys. Res. Commun, 246, 606—608 (1998).

37. Beta-Amyloid-(l-42) is a major component of cerebrovascular amyloid deposits: implications for the pathology of Alzheimer disease. A E Roher, J D Lowenson, S

38. Clarke, A S Woods, R J Cotter, E Gowing, and M J Ball Proc Natl Acad Sci USA. 1993 November 15; 90(22): 10836-10840.

39. Phenotypic Analysis of Seizure-Prone Mice Lacking L-Isoaspartate (D-Aspartate) 0- Methyltransferase. Kim, E., Lowenson, J. D., Clarke, S., and Young, S. G. (1999) J. Biol. Chem. 274,20671-20678.

40. Fales, H. M.; Wright, G. J. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 2339-2340.

41. F.J. Winkler, R. Medina, J.Winkler and H. Krause, 13th International Mass Spectrometry Conference, Budapest, 1994

42. Chiral Analysis by Electrospray Ionization Mass Spectrometry/Mass Spectrometry.1. Chiral

43. Recognition of 19 Common Amino Acids. Zhong-Ping Yao, Terence S.M.Wan, Ka-Ping Kwong and Chun-Tao Che. Anal. Chem.2000,72, 5383-5393

44. Harris, D. C. Quantitative Chemical Analysis, 5th ed.; W. H. Freeman and Co.: New York, 1999; p 74.

45. Chiral Analysis by Electrospray Ionization Mass Spectrometry/Mass Spectrometry.

46. Determination of Enantiomeric Excess of Amino Acids. Zhong-Ping Yao, Terence S.M.Wan, Ka-Ping Kwong and Chun-Tao Che. Anal. Chem.2000, 72, 5394-5401

47. Roepstorff, P and Fohlman, J, Proposal for a common nomenclature for sequence ions in mass spectra of peptides. Biomed Mass Spectrom, 11(11) 601 (1984).

48. Johnson, RS, Martin, SA, Biemann, K, Stults, JT and Watson, JT, Novel fragmentation process of peptides by collision-induced decomposition in a tandemmass spectrometer: differentiation of leucine and isoleucine. Anal. Chem., 59(21) 2621-5 (1987).

49. Zubarev, R. A.; Kelleher, N. L.; McLafferty, F. W. Electron Capture Dissociation of Multiply Charged Protein Cations a Nonergodic Process J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 3265-3266.

50. Syka, J.E.P., Coon, J.J., Schroeder, M.J., Shabanowitz, J., and Hunt, D.F. 2004. Peptide and protein sequence analysis by electron transfer dissociation mass spectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. 101: 9528-9533.

51. Electron capture dissociation distinguishes a single D-amino acid in a protein and probes the tertiary structure. Adams, C.M.; Kjeldsen, F.; Zubarev, R.; Budnik, B.A.; Haselmann, K.F. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2004,15,1087-1098.

52. Mass spectrometric differentiation of linear peptides composed of L-amino acids from isomers containing one D-amino acid residue. Scott V. Serafin, Rhonda Maranan, Kangling Zhang, and Thomas Hellman Morton, Anal Chem.2005 Sep l;77(17):5480-7

53. Carr SA, Hemling ME, Bean MF, Roberts GD. Anal. Chem. 1991; 63: 2802.

54. Carr SA, Bean MF, Hemling ME, Roberts GD. Integration of Mass Spectrometry in Biopharmaceutical Research In Biological Mass Spectrometry, Burlingame AL, McCloskey JA (eds). Elsevier Science: Amsterdam, 1992; 621-652.

55. Papayannopoulus IA, Biemann K. Pept. Res. 1992; 5: 83.

56. Lehmann, W. and Schlosser, A. 2000. Five-membered ring formation in uni-molecular reactions of peptides: A key structural element controlling low-energy collision-induced dissociation of peptides. J. Mass Spectrom. 35: 1382-1390.

57. J. Yinon, Anal. Chem., 2003, 75,99A.

58. Jason Cournoyer; Peter O'Connor. Estimating Relative Isoaspartyl/Aspartyl

59. Abundances Using ECD. //The 54th ASMS Conference on Mass Spectrometry and

60. Allied Topics, May 28-June 1,2006, Seattle, WA, USA

61. J. Yinon, J. E. McClellan, R. A. Yost, Rapid Commun. Mass Spectrom., 1997, 11, 1961.

62. S. A. McLuckey, D. E. Goeringer, K. G. Asano, G. Vaidyanathan, J. L. Stephenson, Jr. Rapid Commun. Mass Spectrom., 1996, 10, 287.

63. K. Hakansson, R. V. Coorey, R. A. Zubarev, V. L. Talrose, P. Hakansson, J. Mass Spectrom., 2000, 35, 337.

64. J. B. Fenn, U.S. Pat. Appl. Publ. 2004, 8 pp.

65. Z. Takats, J. M. Wiseman, B. Gologan, R. G. Cooks, Science 2004, 5695,471.

66. Z. Takats, C. Ismael, T. Nari, R. G. Cooks, Chem. Commun., Submitted.

67. R. J. Beuhler, E. Flanigan, L. J. Greene, L. Friedman, J. Am. Chem. Soc., 1974, 96, 3990.

68. Cummings,J.L., 2004, Alzheimer's disease. N. Engl. J. Med. 351, 56-67

69. Завалишин И.А, Яхно H.H., Гаврилова С.И., 2001, Нейродегенеративные болезни и старение

70. Hardy,J. and Selkoe,D.J., 2002, The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease: progress and problems on the road to therapeutics. Science 297, 353-356

71. Bush, A.I. et al, 1994, Rapid induction of Alzheimer A beta amyloid formation by zinc. Science 265,1464-1467

72. Lee,J.Y. et al, 2002, Contribution by synaptic zinc to the genderdisparate plaque formation in human Swedish mutant APP transgenic mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 99,7705-7710

73. Kozin,S.A et al, 2001,. Zinc binding to Alzheimer's Abeta(l-16) peptide results in stable soluble complex. Biochem. Biophys. Res. Commun. 285,959-964

74. Zirah,S., Kozin,S.A., et al, 2006, Structural changes of region 1-16 of the Alzheimer disease amyloid beta-peptide upon zinc binding and in vitro aging. J Biol. Chem. 281, 2151-2161

75. Roher,A.E., et al, 1993, Structural alterations in the peptide backbone of beta-amyloid core protein may account for its deposition and stability in Alzheimer's disease. J Biol. Chem. 268, 3072-3083

76. Vaughan,D.W. and Peters,A.,1981, The structure of neuritic plaque in the cerebral cortex of aged rats. J. Neuropathol. Exp. Neurol. 40,472-487.

77. Eugene Nikolaev, Rui Zhang, Igor Popov, Mikhail Belov, Richard D. Smith. Fast trapping of externally acuumulated ions by strong DC defocusing inside ICR cell -"Radial kick". // 16th International Mass Spectrometry Conference. Edinburg, 2003. p.128.

78. Popov I.A. Chen H., Kharybin O.N, Nikolaev E.N, Cooks R.G. Detection of explosives on solid surfaces by thermal desorption and ambient ion/molecule reactions// Chem Commun. (Camb). 2005, v.15, pp. 1953-1955.

79. Nikolaev E.N, Kharybin O.N, Popov I.A. Atmospheric pressure thermoionization of organics, Recognition of chirality by in situ probing// Proceedings of the 53d ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 2005