Name: using a cyclic ion mobility spectrometer for tandem ion mobility experiments
Uploaded: 2022-01-20T15:00:00
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S.O. est reconnaissant à l’Agence nationale de la recherche Français pour le financement de son doctorat (subvention ANR-18-CE29-0006).

REMARQUE : Une vue d’ensemble du protocole est fournie à la figure 1. Les paramètres utilisés pour les expériences décrites dans le présent protocole se trouvent dans le tableau supplémentaire S1 et le tableau supplémentaire S2.
1. Préparation de la solution d’échantillon
NOTE: Le protocole est décrit en utilisant un pentasaccharide arabinoxylane (23-α-L-arabinofuranosyl-x...

L’IMS cyclique SELECT SERIES est un outil puissant qui permet de sélectionner une population d’ions définie , d’une mobilité m/z et ionique donnée , sans avoir besoin d’une séparation chromatographique en amont. L’instrument offre la possibilité de générer une carte de fragmentation bidimensionnelle de cette population d’ions, à partir de laquelle les spectres MS/MS et IMS/IMS peuvent être extraits. Cependant, l’utilisateur doit noter plusieurs points critiques qui nécessitent une attent...

La caractérisation chimique complète des biomolécules est essentielle pour comprendre leurs propriétés biologiques et fonctionnelles sous-jacentes. À cette fin, les sciences « omiques » se sont développées ces dernières années, visant la caractérisation à grande échelle des structures chimiques à des concentrations biologiques. En protéomique et en métabolomique, la SEP est devenue un outil essentiel pour démêler l’hétérogénéité structurelle des milieux biologiques, notamment grâce à sa sensibilité et à sa capacité à fournir des informations structurelles par le biais de la SEP tandem (MS/MS). Dans les stratégies MS/MS, un ion est sélectionné en fonction de sa masse, puis fragmenté, et enfin, les masses de ses fragments sont acquises pour établir une empreinte digitale de la molécule. Les spectres MS/MS peuvent, en particulier, être utilisés pour faire correspondre les bases de données spectrales1,2, ou reconstruire provisoirement les structures parentes3,4. En supposant que des spectres similaires appartiennent à des composés similaires, les données MS/MS peuvent également être utilisées pour construire des réseaux moléculaires (MN) reliant des espèces apparentées grâce à un score de similitude5,6.
Cependant, en raison de la propriété inhérente de la SEP de détecter le rapport masse/charge (m/z) des ions, la technique est aveugle à un certain nombre de caractéristiques structurelles qui entrent dans la gamme de l’isomérisme (stéréo). Par exemple, les glucides sont constitués de plusieurs sous-unités monosaccharidiques, dont beaucoup sont des stéréoisomères ou même des épimères (par exemple, Glc vs Gal ou Glc vs Man). Ces sous-unités sont liées par des liaisons glycosidiques, qui peuvent différer par la position de la liaison (régioisomérisme) et la configuration stérique du carbone anomérique (anomérisme). Ces caractéristiques font qu’il est difficile pour la SEP autonome de faire la distinction entre les isomères glucidiques7, et seul le régioisomérisme peut être traité à l’aide de méthodes d’activation à haute énergie8,9,10. Bien que la dérivatisation soit une option pour perturber l’équivalence des groupes stéréoisomériques11, elle nécessite une préparation approfondie des échantillons. Une autre option, plus simple, consiste à coupler la SEP avec une dimension analytique sensible à l’isomérisme, telle que l’IMS.
Étant donné que ce protocole est conçu pour les utilisateurs qui connaissent déjà les concepts de base du SGI et que des examens détaillés sont disponibles ailleurs12,13, seul un bref aperçu des principes du SGI est donné ici. IMS est une méthode de séparation en phase gazeuse qui repose sur l’interaction des ions avec un gaz tampon et un champ électrique, séparant finalement les ions en fonction de leurs conformations en phase gazeuse. Différents principes d’IMS couplés à MS peuvent être trouvés sur les instruments commerciaux: certains fonctionnent à des champs électriques alternés élevés et faibles (IMS asymétriques de champ, FAIMS), tandis que la plupart fonctionnent dans la limite de champ bas, notamment IMS à tube de dérive (DTIMS, champ électrique décroissant linéaire), IMS à ondes mobiles (TWIMS, ondes de potentiel symétriques) et IMS piégés (TIMS, flux élevé d’ions piégeant les gaz tampons contre les champs électriques)13 . Les méthodes à faible champ permettent d’accéder à ce que l’on appelle un CCS, une propriété de la paire ion-gaz qui représente la surface (en Å2 ou nm2) de l’ion qui interagit avec le gaz tampon pendant la séparation. Le CSC est théoriquement indépendant de l’instrument et est donc utile pour générer des données qui peuvent être reproduites entre différents laboratoires14. Les séparations de mobilité ionique peuvent être influencées par divers paramètres et, notamment, par les fluctuations de la pression et de la température du gaz dans la cellule de mobilité. L’étalonnage CCS est un moyen d’y remédier, car le calibrant et l’espèce d’intérêt seront affectés de la même manière13. Cependant, il est obligatoire d’installer l’instrument dans une pièce à température contrôlée et de disposer d’un système de contrôle de la pression de gaz fiable.
Une évolution intéressante de l’IMS est IMS/IMS, qui a été introduit pour la première fois en 2006 par le groupe de Clemmer en tant qu’analogue de MS/MS15,16. Dans IMS/IMS, un ion d’intérêt est isolé de manière sélective en fonction de sa mobilité ionique; il est ensuite activé (jusqu’à fragmentation possible), et une nouvelle analyse IMS de l’ion ou des fragments activés est effectuée. Dans la première conception instrumentale, deux cellules IMS ont été placées en série, séparées par un entonnoir ionique où se trouvait l’activation. Depuis lors, bien qu’un certain nombre de configurations IMS / IMS aient été proposées (pour un examen, voir Eldrid et Thalassinos17), le premier spectromètre de masse commercial doté de la capacité IMS / IMS n’est devenu disponible qu’en 201918. Cet instrument a considérablement amélioré le concept initial en le combinant avec une autre percée technologique : une conception cyclique de la cellule IMS.
La cellule IMS cyclique permet théoriquement d’augmenter presque à l’infini la longueur du trajet de dérive et, par conséquent, le pouvoir de résolution de l’instrument19. Ceci a été réalisé au moyen d’une géométrie d’instrument particulière, où la cellule TWIMS cyclique est placée orthogonalement à l’axe optique ionique principal. Une région de réseau multifonction à l’entrée de la cellule IMS permet de contrôler la direction du trajet ionique: (i) envoyer des ions latéralement pour la séparation IMS, (ii) vers l’avant pour la détection MS, ou (iii) vers l’arrière de la cellule IMS pour être stockés dans une cellule de préréseau. À partir de cette cellule de stockage prérésistante, les ions peuvent être activés et les fragments réinjectés dans la cellule IMS pour la mesure de la mobilité ionique, une approche qui a été utilisée avec succès pour caractériser les stéréoisomères20. En fin de compte, les données collectées contiennent des informations sur la mobilité ionique et m/z pour le précurseur et ses fragments.
Dans une publication récente qui a utilisé cette conception cyclique pour les analyses de glycanes (Ollivier et al.21), nous avons montré que le profil de mobilité des fragments contenus dans ces données IMS / IMS agit comme une empreinte digitale d’une biomolécule qui peut être utilisée dans une stratégie de réseau moléculaire. Le réseau qui en a résulté, appelé IM-MN, a conduit à l’organisation des ensembles de données glycomiques d’une manière structurellement pertinente, tandis que le réseau construit uniquement à partir de données MS / MS (MS-MN) a révélé peu d’informations. Pour compléter cette publication et aider les utilisateurs de Cyclic IMS à implémenter ce flux de travail, ce protocole fournit une description complète du protocole utilisé pour collecter les données. Ce protocole se concentre uniquement sur la génération des données IMS/IMS que les utilisateurs peuvent ensuite utiliser pour créer des réseaux IM-MN (voir 21), ou pour toute autre application de leur choix. La construction de l’IM-MN ne sera pas envisagée ici, car des protocoles de mise en réseau moléculaire sont déjà disponibles22. Les points cruciaux qui doivent être suivis pour générer des acquisitions IMS/IMS précieuses et reproductibles sont mis en évidence. Prenant l’exemple d’un des oligosaccharides étudiés par Ollivier et al. 21, les étapes suivantes sont détaillées : (i) préparation de l’échantillon, (ii) réglage de l’instrument IMS cyclique, (iii) prélèvement automatisé des pics des données et (iv) étalonnage CCS.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>33-&#945;-L- plus 23-&#945;-L-Arabinofuranosyl-xylotetraose (XA3XX/XA2XX) mixture</td>
			<td>Megazyme Ltd., Wicklow, Ireland</td>
			<td>O-XAXXMIX</td>
			<td>XA2XX + XA3XX mixture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>33-&#945;-L-Arabinofuranosyl-xylotetraose (XA3XX)</td>
			<td>Megazyme Ltd., Wicklow, Ireland</td>
			<td>O-XA3XX</td>
			<td>Pure XA3XX standard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eppendorf Safe-Lock Tubes, 1.5 mL, Eppendorf Quality, colorless, 1,000 tubes</td>
			<td>Eppendorf, Hamburg, Germany</td>
			<td>0030120086</td>
			<td>Used to prepare the carbohydrate stock solution and dilution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FALCON 50 mL Polypropylene Conical Tube 30 x 115 mm</td>
			<td>Corning Science M&#233;xico S.A. de C.V., Reynosa, Tamaulipas, Mexico</td>
			<td>352070</td>
			<td>Used to prepare the aqueous stock solution of 100 mM LiCl</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium Chloride (ACS reagent, &#8805;99 %)</td>
			<td>Sigma-Aldrich Inc., Saint Quentin Fallavier, France</td>
			<td>310468</td>
			<td>Used to dope the sample with lithium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Major Mix IMS/Tof Calibration Kit</td>
			<td>Waters Corp., Wilmslow, UK</td>
			<td>186008113</td>
			<td>Calibration solution for MS and IMS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MassLynx 4.2 SCN1016 Release 6 (Waters Embedded Analyser Platform for Cyclic IMS 2.9.1 Release 9)</td>
			<td>Waters Corp., Wilmslow, UK</td>
			<td>721022377</td>
			<td>Cyclic IMS vendor software for instrument control and data processing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol for HPLC PLUS Gradient grade</td>
			<td>Carlo-Erba Reagents, Val de Reuil, France</td>
			<td>412383</td>
			<td>High-purity solvent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MS Leucine Enkephaline Kit</td>
			<td>Waters Corp., Wilmslow, UK</td>
			<td>700002456</td>
			<td>Reference compound used for tuning of the mass spectrometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SCHOTT DURAN 100 mL borosilicate glass bottle</td>
			<td>VWR INTERNATIONAL, Radnor, Pennsylvania, US</td>
			<td>218012458</td>
			<td>Used to prepare the solution of 500 &#181;M LiCl in 50:50 MeOH/Water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SELECT SERIES Cyclic IMS</td>
			<td>Waters Corp., Wilmslow, UK</td>
			<td>186009432</td>
			<td>Ion mobility-mass spectrometer equipped with a cylic IMS cell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Website: http://mzmine.github.io/</td>
			<td>MZmine Development Team</td>
			<td>-</td>
			<td>Link to download the MZmine software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Website: https://github.com/siollivier/IM-MN</td>
			<td>INRAE, UR BIA, BIBS Facility, Nantes, France</td>
			<td>-</td>
			<td>Link to an in-house R script containing a CCS calibration function</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using a cyclic ion mobility spectrometer for tandem ion mobility experiments

Une caractérisation précise des structures chimiques est importante pour comprendre leurs mécanismes biologiques sous-jacents et leurs propriétés fonctionnelles. La spectrométrie de masse (SEP) est un outil populaire mais n’est pas toujours suffisante pour dévoiler complètement toutes les caractéristiques structurelles. Par exemple, bien que les glucides soient biologiquement pertinents, leur caractérisation est compliquée par de nombreux niveaux d’isomérisme. La spectrométrie de mobilité ionique (IMS) est un complément intéressant car elle est sensible aux conformations ioniques et, par conséquent, à l’isomérisme. 
En outre, les progrès récents ont considérablement amélioré la technique : la dernière génération d’instruments IMS cycliques offre des capacités supplémentaires par rapport aux instruments IMS linéaires, telles qu’un pouvoir de résolution accru ou la possibilité d’effectuer des expériences de mobilité ionique en tandem (IMS/IMS). Au cours de l’IMS/IMS, un ion est sélectionné en fonction de sa mobilité ionique, fragmenté et réanalysé pour obtenir des informations sur la mobilité ionique de ses fragments. Des travaux récents ont montré que les profils de mobilité des fragments contenus dans ces données IMS/IMS peuvent agir comme une empreinte digitale d’un glycane particulier et peuvent être utilisés dans une stratégie de réseau moléculaire pour organiser les ensembles de données glycomiques d’une manière structurellement pertinente. 
L’objectif de ce protocole est donc de décrire comment générer des données IMS/IMS, de la préparation de l’échantillon à l’étalonnage final de la section transversale de collision (CCS) de la dimension de mobilité ionique qui donne des spectres reproductibles. En prenant l’exemple d’un glycane représentatif, ce protocole montrera comment construire une séquence de contrôle IMS/IMS sur un instrument IMS cyclique, comment tenir compte de cette séquence de contrôle pour traduire le temps d’arrivée IMS en temps de dérive (c’est-à-dire le temps de séparation efficace appliqué aux ions) et comment extraire les informations de mobilité pertinentes des données brutes. Ce protocole est conçu pour expliquer clairement les points critiques d’une expérience IMS/IMS et ainsi aider les nouveaux utilisateurs d’IMS cycliques à effectuer des acquisitions simples et reproductibles.

Un pentasaccharide arabinoxylane, XA2XX, a été choisi comme exemple pour illustrer ce protocole. Ce composé est disponible dans le commerce, mais uniquement sous forme de mélange avec un autre pentasaccharide arabinoxylane, XA3XX (le XA3XX pur est également disponible dans le commerce). Les structures de XA2XX et XA3XX sont données dans la figure supplémentaire S1. Comme le rapport entre XA2XX et XA3XX dans le mélange co...

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Using a Cyclic Ion Mobility Spectrometer for Tandem Ion Mobility Experiments

La spectrométrie de mobilité ionique (IMS) est un complément intéressant à la spectrométrie de masse pour la caractérisation des biomolécules, notamment parce qu’elle est sensible à l’isomérisme. Ce protocole décrit une expérience IMS en tandem (IMS/IMS), qui permet l’isolement d’une molécule et la génération des profils de mobilité de ses fragments.

Utilisation d’un spectromètre de mobilité ionique cyclique pour les expériences de mobilité ionique en tandem

Accurate characterization of chemical structures is important to understand their underlying biological mechanisms and functional properties. Mass ...

Le protocole décrit comment enregistrer un profil de mobilité ionique pour les fragments produits lors de l’activation d’une molécule dans le spectromètre de masse, et faire la distinction entre les structures isomériques. Le protocole permet aux glycanes d’être classés en 11 groupes en ce qui concerne certaines de leurs caractéristiques structurelles clés, et ainsi de fournir une information qui est autrement difficile à obtenir. Il peut servir à construire des réseaux moléculaires extrêmement génériques et adaptés à de nombreuses familles moléculaires, telles que les métabolites ou les médicaments d’intérêt dans de nombreux domaines de recherche.L’approche tire le meilleur parti d’un nouveau concept en spectrométrie de mobilité ionique et sera utile lorsque la spectrométrie de masse seule ne parviendra pas à discriminer entre deux structures. L’expérience nécessite une bonne maîtrise de la spectrométrie de masse et de la mobilité ionique. Cependant, l’expérimentateur devrait réussir à mettre en œuvre la méthode si l’on suit attentivement chacune des étapes.Simon Ollivier, un doctorant de mon laboratoire, fera la démonstration de la procédure. Pour commencer, configurez une séquence IMS à passage unique à partir de la page Tune, mettez l’instrument en mode Mobilité et ouvrez la fenêtre Contrôle de séquence cyclique. Sélectionnez Mode avancé dans l’onglet Fonctions cycliques de cette nouvelle fenêtre, sélectionnez Ajouter un bundle, puis Single/Multipass.Attendez qu’une séquence d’événements de mobilité apparaisse dans l’onglet Séquence de la même fenêtre. Adaptez la séquence pour que tous les ions calibrants fassent un seul passage autour de la piste de course IMS cyclique. Ne modifiez pas le temps d’injection ou le temps d’éjection et d’acquisition, cependant, réduisez le temps de séparation à une milliseconde.Si certains ions du mélange d’étalonnage ne rentrent pas dans la fenêtre d’heure d’arrivée affichée, modifiez la synchronisation de l’IMS avec le poussoir de l’analyseur TOF d’accélération orthogonale en augmentant le nombre de poussées par bac dans l’onglet Paramètres ADC. Pour enregistrer une acquisition de deux minutes dans la fenêtre Contrôle de séquence cyclique, cliquez sur Acquérir pour ouvrir la fenêtre contextuelle Paramètres d’acquisition, entrez le nom de fichier, la description et la durée de l’acquisition, minutes, puis cliquez sur Enregistrer. Basculez l’instrument en mode TOF à partir de la page MS Tune pour vérifier la stabilité du signal.Enregistrez une acquisition complète de l’échantillon par SEP pendant une minute, ce qui sera utile pour vérifier le profil isotopique et la présence de contaminants potentiels. Mettez l’instrument en mode MSMS à partir de l’onglet Profil Quad/MS de la page tune principale. Sélectionnez la masse du fer ciblé dans le champ MSMS Mass pour l’isolation dans le quadripôle.Enregistrez une acquisition d’une minute pour vérifier l’isolement du précurseur lors du traitement des données. Pour effectuer une sélection basée sur la mobilité de l’isomère d’intérêt, basculez l’instrument en mode Mobilité dans la fenêtre Contrôle de séquence cyclique, dans l’onglet Fonctions cycliques, sélectionnez Ajouter un faisceau, puis Découpage. Attendez qu’une séquence complexe d’événements de mobilité apparaisse dans l’onglet Séquence.Positionnez l’événement Eject and Acquire juste après le premier événement Separate, puis cliquez sur Exécuter. Recherchez les résultats de la séparation initiale à afficher en temps réel. Augmentez la durée du premier événement Separate pour une séparation multipasse en modifiant la valeur temporelle de cet événement dans la séquence jusqu’à ce que la résolution des pics IMS soit satisfaisante.Enregistrez une acquisition d’une minute pour référence. Cliquez sur Pause, positionnez l’événement Éjecter et acquérir sous les événements Éjecter, Éjecter vers le pré-magasin et Maintenir et éjecter. Ajustez la durée des événements de sorte que le pic ciblé se trouve dans la région Éjecter vers le pré-stockage et que tout autre ion se trouve dans la région Éjecter ou Tenir et éjecter.Positionnez l’événement Eject and Acquire à la fin de la séquence sous les événements Reinject from Pre-Store et les deuxièmes événements Separate. Cliquez sur Exécuter pour afficher la population sélectionnée. Vérifiez la qualité de l’isolement.Enregistrez une acquisition d’une minute pour référence. Dans l’onglet Séquence, dans la colonne en regard des heures d’événement définies par l’utilisateur, recherchez les heures résumées de tous les événements. Prenez note de l’abs temporel trouvé sur la ligne de l’événement Reinject from Pre-Store pour effectuer l’étalonnage CCS.Définissez la durée de l’événement Separate procédant directement à l’éjection et à l’acquisition à une milliseconde. Sur la ligne Réinjecter à partir du pré-magasin, cochez la case Activer l’activation et optimisez la fragmentation avec le contrôle intégré. Si la fragmentation n’est pas satisfaisante avec le contrôle intégré, décochez la case Activer l’activation et procédez à l’optimisation manuelle des tensions de réinjection, augmentez le gradient de pré-matrice et abaissez la tension de décalage de la matrice jusqu’à ce que les résultats soient satisfaisants.Pour enregistrer une acquisition de deux minutes dans la fenêtre contextuelle Acquisition, cochez l’option Conserver le temps de dérive pour générer un fichier contenant uniquement les heures d’arrivée, par opposition à M sur Z étiqueté comme _dt.raw. Après avoir effectué l’analyse MS du mélange de pentasaccharides arabinoxylane, le spectre a montré un motif isotopique avec un seul pic à M sur Z 685,24 suggérant que les deux composés sont de nature isomérique. Les adduits des pentasaccharides ont été séparés par la cellule IMS cyclique, et trois pics ont été séparés avec des heures d’arrivée différentes.Le XA3XX pur affiche les pics à 83 et 90 millisecondes, tandis que le XA2XX présente un pic à 94 millisecondes. Après la première étape de la séparation IMS, les ions appartenant à XA3XX ont été éjectés et le pic à 94 millisecondes a été sélectionné pour l’analyse IMS-IMS. Une séparation à trois passages a été effectuée après réinjection de l’ion sans activation, et un pic pour XA2XX a été obtenu à 199 millisecondes.Les données IMS-IMS MS générées ont été déconcentrées en utilisant l’heure d’arrivée et les dimensions M sur Z, générant les spectres IMS-IMS. Les pics supérieurs à 0,2 % d’intensité relative ont été exportés pour l’étalonnage du CSC, ce qui a donné un spectre IMS-IMS étalonné au CSC centroïde. Il est toujours important de vérifier l’isolement de l’ion précurseur, sinon, le spectre peut provenir d’un mélange du composé d’intérêt et des contaminants.Nous utilisions auparavant les spectres IMS-IMS pour construire des réseaux et classer des composés, mais ils pouvaient également être utilisés pour rechercher dans des bases de données des identifications de composés. Cette technique est très récente, mais nous nous attendons à ce qu’elle soit extrêmement utile en glycomique ainsi que dans tout contexte où les analystes sont confrontés à des molécules isomériques.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Characterization, Quantification and Compound-specific Isotopic Analysis of Pyrogenic Carbon Using Benzene Polycarboxylic Acids (BPCA)

Characterization, Quantification and Compound-specific Isotopic Analysis of Pyrogenic Carbon Using Benzene Polycarboxylic Acids BPCA

Caractérisation, Quantification et spécifiques composé isotopiques Analyse des pyrogénée carbone Utilisation Benzène Acides polycarboxyliques (BPCA)

Fire-derived, pyrogenic carbon (PyC), sometimes called black carbon (BC), is the carbonaceous solid residue of biomass and fossil fuel combustion, such as ...

Recherche

Chimie

Site Directed Spin Labeling and EPR Spectroscopic Studies of Pentameric Ligand-Gated Ion Channels

Site Réalisé Étiquetage Spin et EPR spectroscopiques études de pentamères Ligand-Gated Ion Channels

Ion channel gating is a stimulus-driven orchestration of protein motions that leads to transitions between closed, open, and desensitized states. ...

Analyzing the Photo-oxidation of 2-propanol at Indoor Air Level Concentrations Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry

Analysant la photo-oxydation de 2-propanol à des Concentrations de niveau Air intérieur à l’aide de la spectrométrie de mobilité ionique asymétrique champ

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Techniques de spectrométrie de mobilité-masse d'ion pour déterminer la structure et les mécanismes de la reconnaissance d'ion de métal et de l'activité de Redox des Oligopeptides de liaison de métal