SPEKTROMETRIA MAS Piotr Suder AGH Spis treści

Stan: NOWA

Wydział: Chemia

Monografia to drugie gruntownie zmienione wydanie książki pt. "Spektrometria mas" (red. Piotr Suder i Jerzy Silberring, Kraków: Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2006). Została przygotowana przez Katedrę Biochemii i Neurobiologii WIMiC AGH i stanowi zwarte opracowanie, ze szczególnym uwzględnieniem biologicznych zastosowań tej metody. Autorzy przedstawiają wiedzę w sposób przystępny, bez stosowania skomplikowanych równań matematycznych czy teorii, wychodząc z założenia, że najważniejsze dla użytkowników są aspekty praktyczne oraz dobór właściwych technik do rozwiązywania określonych problemów analitycznych i badawczych.

SPIS TREŚCI:

Przedmowa 17

1. Wstęp 19

Jerzy Silberring

2. Krótka historia spektrometrii mas 23

Marek Smoluch, Jerzy Silberring

3. Podstawowe pojęcia 27

4. Aparatura 33

4.1. Metody jonizacji 33

4.1.1. Jonizacja elektronami 33

Piotr Suder, Anna Bodzoń-Kułakowska

4.1.1.1 Budowa źródła jonów typu EI 33

4.1.1.2. Wprowadzanie próbki 34

4.1.1.3. Derywatyzacja 35

4.1.1.4. Zasada formowania jonów w źródle typu EI 35

4.1.1.5. Fragmentacja w źródle jonów typu EI 36

4.1.1.6. Podstawy interpretacji widm EI 37

4.1.2. Jonizacja chemiczna 56

Anna Bodzoń-Kułakowska, Piotr Suder

4.1.2.1. Zasada działania 56

4.1.2.2. Jony o ładunku ujemnym 59

4.1.2.3. Jonizacja elektronami a jonizacja chemiczna 60

4.1.3. Techniki jonizacji pod ciśnieniem atmosferycznym (API) 61

4.1.3.1. Jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI). 61

Piotr Suder

4.1.3.2. Electrospray (ESI) 66

Piotr Suder

4.1.3.3. Nanoelectrospray (nanoESI) 80

Piotr Suder

4.1.3.4. Desorption electrospray ionization (DESI) 83

Anna Bodzoń-Kułakowska

4.1.3.5. Laser ablation electrospray ionization (LAESI) 88

Anna Bodzoń-Kułakowska

4.1.4. Techniki oparte na jonizacji plazmą niskotemperaturową 90

Marek Smoluch

4.1.4.1. Direct Analysis in Real Time (DART) 92

4.1.4.2. Flowing Atmospheric Pressure Afterglow (FAPA) 95

4.1.4.3. Dielectric Barrier Discharge Ionization (DBDI) 98

4.1.5. Jonizacja/desorpcja laserowa wspomagana matrycą (MALDI) 101

Przemysław Mielczarek, Agnieszka Kraj, Jerzy Silberring

4.1.5.1. Rola matrycy 103

4.1.5.2. Interpretacja widm uzyskanych za pomocą jonizacji MALDI 103

4.1.5.3. Jonizacja/desorpcja na porowatym krzemie (DIOS) 105

4.1.5.4. Jonizacja/desorpcja z wykorzystaniem modyfikowanych powierzchni (SELDI) 106

4.1.5.5. Jonizacja/desorpcja laserowa wspomagana nanostrukturami (NALDI) 107

4.1.6. Jonizacja plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP-MS) 108

Małgorzata Iwona Szynkowska, Aleksandra Pawlaczyk

4.1.6.1. Wprowadzenie 108

4.1.6.2. Optyczna spektrometria emisyjna 110

4.1.6.3. Plazma 110

4.1.6.4. Mechanizm powstawania plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP) 112

4.1.6.5. Sposoby obserwacji plazmy 112

4.1.6.6. Wprowadzanie próbki do plazmy 113

4.1.6.7. Proces nebulizacji próbki 113

4.1.6.8. Proces wzbudzania plazmą sprzężoną indukcyjnie 114

4.1.6.9. Pomiar metodą ICP-OES 115

4.1.6.10. Pomiar metodą ICP-MS 116

4.1.6.11. Interferencje 118

4.1.6.12. Granica wykrywalności i precyzja metody 123

4.1.6.13. Analizatory w spektrometrach ICP-MS 124

4.1.7. Spektrometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu (TOF-SIMS) 126

Małgorzata Iwona Szynkowska, Jacek Rogowski

4.1.7.1. Zasada działania metody TOF-SIMS 127

4.1.7.2. Proces rozpylania powierzchni próbki (ang. sputtering process) 128

4.1.7.3. Jonizacja (powstawanie jonów wtórnych) 129

4.1.7.4. Budowa spektrometru TOF-SIMS 129

4.1.7.5. Możliwości analiz TOF-SIMS 130

4.1.7.6. Przykłady badań metodą TOF-SIMS, interpretacja wyników 131

4.2. Analizatory 142

4.2.1. Analizator czasu przelotu (TOF) 142

Anna Bodzoń-Kułakowska, Anna Bierczyńska-Krzysik

4.2.1.1. Zasada działania analizatora typu TOF 143

4.2.1.2. Liniowy tryb pracy analizatora TOF 145

4.2.1.3. Rozrzut energii kinetycznej dla jonów o tej samej masie 146

4.2.1.4. Opóźniona ekstrakcja jonów 147

4.2.1.5. Tryb pracy z odbiciem 149

4.2.1.6. Analizator ortogonalny (ang. orthogonal acceleration TOF analyzer) 150

4.2.1.7. Podsumowanie 151

4.2.2. Analizator ruchliwości jonów (IM) 152

Anna Bodzoń-Kułakowska

4.2.2.1. Zasada działania analizatora IM 152

4.2.2.2. Drift time IMS 153

4.2.2.3. FAMIS (ang. high-field assymmetric waveform ion mobility

spectrometer) 153

4.2.2.4. TWIG (ang. travelling wave ion guides) 155

4.2.2.5. Widmo IM 156

4.2.2.6. Zastosowania 157

4.2.3. Analizator kwadrupolowy (Q) 157

Anna Bodzoń-Kułakowska

4.2.3.1. Budowa i zasada działania analizatora kwadrupolowego 157

4.2.3.2. Zachowanie się jonu wewnątrz kwadrupola 160

4.2.3.3. Zmiany U i V, czyli jak tworzy się widmo 162

4.2.3.4. Od czego zależą parametry widma? 162

4.2.3.5. Zastosowania analizatorów kwadrupolowych 163

4.2.3.6. Kwadrupole, heksapole i oktapole jako elementy ogniskujące (ang. ion guides) 164

4.2.4. Pułapka jonowa (IT) 165

Anna Bodzoń-Kułakowska

4.2.4.1. Budowa i zasada działania pułapki jonowej 165

4.2.4.2. Jak jony zachowują się w pułapce? 166

4.2.4.3. Analiza jonów 167

4.2.4.4. Tryb selektywnej destabilizacji jonów (ang. mass selective instability mode) 167

4.2.4.5. Tryb opróżniania pułapki przy częstotliwości rezonansowej (ang. resonant ejection mode) 169

4.2.4.6. Tryb selektywnej destabilizacji jonów z modulacją osiową (ang. axial modulation) 170

4.2.4.7. Tryb rezonansów nieliniowych (ang. nonlinear resonances) 171

4.2.4.8. Liniowa pułapka jonowa 171

4.2.4.9. Zastosowania 172

4.2.5. Analizator cyklotronowy (ICR) 173

Piotr Stefanowicz, Zbigniew Szewczuk

4.2.5.1. Częstotliwość cyklotronowa 174

4.2.5.2. Zasada działania spektrometrów mas ICR 175

4.2.5.3. Wprowadzanie jonów do komory 176

4.2.5.4. Płytki pułapkujące 176

4.2.5.5. Płytki wzbudzające 176

4.2.5.6. Płytki detekcyjne i transformacja Fouriera 177

4.2.5.7. Właściwości FT-ICR jako analizatora m/z 180

4.2.6. Analizator typu Orbitrap 182

Piotr Stefanowicz, Zbigniew Szewczuk

4.2.6.1. Zasada działania, historia, podstawy fizyczne 182

4.2.6.2. Budowa i schemat Orbitrapu 182

4.2.6.3. Ruch ładunków w analizatorze mas 183

4.2.6.4. Właściwości Orbitrapu jako analizatora m/z 184

4.2.6.5. Zastosowania proteomiczne i analityczne Orbitrapu 185

4.2.7. Spektrometry mas z sektorem magnetycznym i elektrostatycznym (B i E) 186

Anna Bodzoń-Kułakowska

4.2.7.1. Zasada działania analizatora magnetycznego (B) 187

4.2.7.2. Sektor elektrostatyczny (E) 189

4.2.7.3. Spektrometry mas z sektorami: elektrostatycznym i magnetycznym 191

4.3. Detektory jonów 192

Piotr Suder

4.3.1. Powielacz elektronowy 193

4.3.2. Detektor mikrokanalikowy 193

4.3.3. Detektory typu Medipix/Timepix 194

4.3.4. Detekcja w analizatorach ICR i Orbitrap 196

5. Metody połączone 198

5.1. Chromatografia gazowa w połączeniu ze spektrometrią mas (GC-MS) 198

Anna Drabik, Agnieszka Kraj

5.1.1. Podstawy chromatografii gazowej 198

5.1.2. Modyfikacje chemiczne (derywatyzacja) 202

5.1.3. Dwuwymiarowa chromatografia gazowa 205

5.2. Chromatografia cieczowa w połączeniu ze spektrometrią mas (LC-MS) 207

5.2.1. Podstawy chromatografii cieczowej 207

5.2.2. Detekcja w chromatografii cieczowej 209

5.2.3. Rodzaje kolumn chromatograficznych 211

5.2.3.1. Chromatografia w układzie odwróconych faz (ang. reversed phase, RP) 214

5.2.3.2. Chromatografia w normalnym układzie faz (ang. normal phase, NP) 215

5.2.3.3. Chromatografia jonowymienna (ang. strong cation exchange SCX, weak cation exchange WCX, weak anion exchange WAX i strong anion exchange SAX) 216

5.2.3.4. Chromatografia par jonowych (ang. ion pair chromatography, IPC) 217

5.2.3.5. Chromatografia powinowactwa (ang. affinity chromatography, AC) 218

5.2.3.6. Sączenie molekularne (ang. size exclusion chromatography, SEC) 219

5.2.3.7. Chromatografia chiralna (ang. chiral chromatography) 219

5.2.3.8. Kolumny monolityczne (ang. monolithic columns) 220

5.2.3.9. Chromatografia oddziaływań hydrofilowych (ang. hydrophilic interaction liquid chromatography, HILIC) 220

5.2.3.10. Ultrawysokosprawna chromatografia cieczowa (ang. ultra high performance liquid chromatography, UHPLC) 220

5.2.3.11. Wielowymiarowa chromatografia cieczowa (ang. multi-dimensional liquid chromatography, coupled-column chromatography) 221

5.3. Elektroforeza kapilarna w połączeniu ze spektrometrią mas (CE-MS) 222

Przemysław Mielczarek, Jerzy Silberring

5.3.1. Podstawy teoretyczne 222

5.3.2. Rodzaje technik elektroforetycznych 224

5.3.3. Elektroforeza kapilarna połączona z jonizacją typu electrospray 225

5.3.3.1. Połączenie z przepływem osłonowym (ang. sheath flow interface) 225

5.3.3.2. Połączenie bez przepływu cieczy osłonowej (ang. sheathless interface) 226

5.3.3.3. Połączenie z kontaktem w cieczy (ang. liquid junction hirudina interface ) 227

5.3.4. Jonizacja laserowa wspomagana matrycą w połączeniu z elektroforezą kapilarną 228

5.3.4.1. Off-line CE-MALDI-TOF 228

5.3.4.2. Direct CE-MALDI-TOF 229

5.3.4.3. Bezpośrednie połączenie CE-MALDI-TOF (ang. on-line CE-MALDI-TOF) 230

5.3.5. Podsumowanie 230

6. Metody obrazowania powierzchni 232

Anna Bodzoń-Kułakowska

6.1. Techniki analityczne 234

6.1.1. SIMS 234

6.1.2. MALDI-IMS 234

6.1.3. DESI 236

6.2. Analiza skrawków tkanek za pomocą technik MSI 236

6.3. Analiza pojedynczych komórek i hodowli komórkowych za pomocą technik MSI 238

6.4. Przykłady analiz z użyciem technik MSI 239

6.5. Łączenie różnych technik obrazowania 241

6.6. Podsumowanie 242

7. Tandemowa spektrometria mas 244

Piotr Suder, Marek Noga

7.1. Zasada działania 244

7.2. Strategie eksperymentów MS/MS 246

7.2.1. Fragmentacja rozdzielona w przestrzeni 246

7.2.2. Fragmentacja rozdzielona w czasie 247

7.2.3. Fragmentacja wielokrotna 248

7.3. Techniki fragmentacji 249

7.3.1. Dysocjacja zderzeniowa (CID) 250

7.3.2. Wysokoenergetyczna dysocjacja zderzeniowa (HCD) 250

7.3.3. Technika PQD 251

7.3.4. Rozpad z wychwytem elektronu (ECD) 252

7.3.5. Rozpad z przeniesieniem elektronu (ETD) 252

7.3.6. Rozpad z oderwaniem elektronu (EDD) 254

7.3.7. Rozpad anionów z przeniesieniem elektronu (NETD) 254

7.3.8. Fotodysocjacja wywołana promieniowaniem podczerwonym (IRMPD) 255

7.3.9. Fotodysocjacja wywołana energią termiczną (BIRD) 255

7.3.10. Rozpad jonów metastabilnych 255

7.3.11. Dysocjacja indukowana kolizją z powierzchnią (SID) 256

7.3.12. Rozpad indukowany odległym ładunkiem 256

7.3.13. Fragmentacja wspomagana chemicznie (CAF) 257

7.3.14. Reakcja przeniesienia protonu (PTR) jako technika towarzysząca fragmentacji ETD 257

7.4. Praktyczne aspekty fragmentacji w typowych spektrometrach masowych 258

7.4.1. Fragmentacja w źródle jonów 258

7.4.2. Fragmentacja w potrójnym kwadrupolu 259

7.4.3. Pułapki jonów 262

7.4.4. Analizatory czasu przelotu 264

7.4.5. Połączone analizatory czasu przelotu (tzw. TOF-TOF) 265

7.4.6. Instrumenty hybrydowe 266

7.4.7. Instrumenty z analizatorem typu Orbitrap 267

7.5. Zastosowania w naukach biologicznych 267

7.6. Fragmentacja typu SWATH 270

8. Wysokorozdzielcza spektrometria mas 273

Zbigniew Szewczuk, Piotr Stefanowicz

8.1. Zastosowania 274

9. Analiza wielowymiarowego zbioru danych uzyskanego na podstawie widm masowych 281

Aleksandra Pawlaczyk, Paulina Chęsy, Małgorzata Iwona Szynkowska, Andrzej Parczewski

9.1. Metody chemometryczne pomocne przy wizualizacji podobieństwa między próbkami 281

9.2. Zastosowanie wybranych metod chemometrycznych na przykładzie analizy porównawczej aerozoli do nosa pochodzących od różnych producentów 283

9.2.1 Opis badanych próbek 283

9.2.2. Metodyka badań 284

9.2.3. Interpretacja uzyskanych wyników 284

9.2.4. Wnioski i podsumowanie 288

10. Przykłady zastosowań spektrometrii mas 291

10.1. Proteomika 291

Anna Drabik, Tomasz Dyląg, Joanna Ner-Kluza

10.1.1. Strategia top-down 292

10.1.2. Strategia bottom-up 293

10.1.3. Strategia shotgun 293

10.1.4. Podstawy sekwencjonowania peptydów 293

10.1.5. Sekwencjonowanie de novo 295

10.1.6. Analiza ilościowa w proteomice 296

10.1.6.1. Odczynniki iTRAQ 297

10.1.6.2. ICAT 299

10.1.6.3. SILAC 301

10.1.6.4. SILAM 303

10.1.6.5. MCAT 303

10.1.6.6. Techniki label-free 304

10.2. Spektrometria mas jako narzędzie stosowane w kryminalistyce i w przeciwdziałaniu terroryzmowi 305

Anna Drabik, Piotr Suder

10.3. Ochrona środowiska 312

Piotr Suder

10.4. Metabolomika 317

Grzegorz Schroeder, Piotr Młynarz, Michał Ciborowski

10.4.1. Biomarkery chorób 318

10.4.2. Metabolom mikroorganizmów 322

10.4.3. Żywnościomika 323

10.5. Badania kosmosu 325

Anna Drabik, Piotr Suder

10.5.1. Badania eksploracyjne 325

10.5.2. Monitoring warunków życia 327

10.6. Datowanie izotopowe 328

Anna Drabik, Piotr Suder

10.7. Miniaturyzacja w spektrometrii mas 330

Marek Smoluch

11. Internetowe bazy danych 334

11.1. Literaturowe bazy danych 334

11.2. Czasopisma naukowe 335

11.3. Bioinformatyczne bazy danych 336

11.3.1. Białkowe bazy danych 336

11.3.2. Bazy struktur i funkcji białek 337

11.3.3. Inne bazy danych 337

11.3.4. Narzędzia bioinformatyczne 337

12. Dodatki 339

12.1. Jednostki ciśnienia 339

12.2. Najczęściej występujące fragmenty w jonizacji elektronami (EI) 339

12.3. Produkty autolizy trypsyny 343

12.4. Enzymy stosowane w analizie białek 344

12.5. Masy cząsteczkowe i struktury reszt aminokwasowych występujących w białkach 345

12.6. Masy cząsteczkowe i struktury reszt aminokwasów niebiałkowych 347

12.7. Masy wybranych monosacharydów i ich pochodnych 349

12.8. Analiza próbki zanieczyszczonej keratynami 350

Wykaz skrótów 353

Indeks rzeczowy 357