Name: using a cyclic ion mobility spectrometer for tandem ion mobility experiments
Uploaded: 2022-01-20T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using a Cyclic Ion Mobility Spectrometer for Tandem Ion Mobility Experiments at JoVE.com

S.O. благодарен Французскому национальному исследовательскому агентству за финансирование его докторской диссертации (грант ANR-18-CE29-0006).

ПРИМЕЧАНИЕ: Обзор протокола приведен на рисунке 1. Параметры, используемые для экспериментов, описанных в настоящем протоколе, можно найти в Дополнительной таблице S1 и Дополнительной таблице S2.
1. Подготовка образца раствора
<p ...

Циклический IMS серии SELECT является мощным инструментом, который позволяет выбрать определенную популяцию ионов — заданной m/z и подвижности ионов — без необходимости хроматографического разделения. Прибор предоставляет возможность создания карты бидименсионной фрагментации это...

Полная химическая характеристика биомолекул является ключом к пониманию их основных биологических и функциональных свойств. С этой целью в последние годы развиваются «омические» науки, нацеленные на широкомасштабную характеристику химических структур в биологических концентрациях. В протеомике и метаболомике РС стал основным инструментом для разгадки структурной гетерогенности, обнаруженной в биологических средах, особенно благодаря его чувствительности и способности предоставлять структурную информацию через тандемный РС (РС / МС). В стратегиях MS / MS ион выбирается в соответствии с его массой, затем фрагментируется, и, наконец, массы его фрагментов приобретаются, чтобы установить отпечаток молекулы. Спектры MS/MS могут, в частности, использоваться для сопоставления спектральных баз данных1,2 или предварительной реконструкции родительских структур3,4. Исходя из предположения, что сходные спектры принадлежат аналогичным соединениям, данные MS/MS также могут быть использованы для построения молекулярных сетей (MNs), соединяющих родственные виды через оценку сходства5,6.
Однако из-за присущего МС свойства обнаруживать отношение массы к заряду (m/z) ионов, методика слепа к ряду структурных особенностей, которые попадают в диапазон (стерео)изомерии. Например, углеводы состоят из нескольких моносахаридных субъединиц, многие из которых являются стереоизомерами или даже эпимерами (например, Glc против Gal или Glc против Man). Эти субъединицы связаны гликозидными связями, которые могут отличаться положением связи (региоизомеризм) и стерической конфигурацией аномерного углерода (аномеризм). Эти характеристики затрудняют для автономного рассеянного склероза различение изомеров углеводов7, и только региоизомеризм может быть устранен с использованием высокоэнергетических методов активации8,9,10. Хотя дериватизация является вариантом нарушения эквивалентности стереоизомерных групп11, она требует обширной пробоподготовки. Другим, более простым вариантом является соединение MS с аналитическим измерением, чувствительным к изомерии, таким как IMS.
Поскольку этот протокол предназначен для пользователей, которые уже знакомы с основными концепциями IMS, и поскольку подробные обзоры доступны в других местах12,13, здесь приведен только краткий обзор принципов IMS. IMS - это метод разделения газовой фазы, который опирается на взаимодействие ионов с буферным газом и электрическим полем, в конечном итоге разделяя ионы в соответствии с их газофазными конформациями. Различные принципы IMS в сочетании с MS можно найти на коммерческих приборах: некоторые работают при переменных высоких и низких электрических полях (асимметричные поля IMS, FAIMS), в то время как большинство работают в пределах предела низкого поля, в частности дрейфующая трубка IMS (DTIMS, линейно уменьшающееся электрическое поле), бегущая волна IMS (TWIMS, симметричные потенциальные волны) и захваченные IMS (TIMS, высокий поток буферных газов, улавливающих ионы против электрических полей)13 . Низкопольные методы обеспечивают доступ к так называемому CCS, свойству пары ион-газ, которая представляет поверхность (в Å2 или нм2) иона, который взаимодействует с буферным газом во время разделения. CCS теоретически не зависит от приборов и, таким образом, полезен для получения данных, которые могут быть воспроизведены между различными лабораториями14. На разделение подвижности ионов могут влиять различные параметры и, в частности, колебания давления газа и температуры газа в ячейке подвижности. Калибровка CCS является способом исправить это, поскольку как калибрант, так и интересующие виды будут затронуты аналогичным образом13. Тем не менее, обязательно установить прибор в помещении с контролируемой температурой и иметь надежную систему контроля давления газа.
Интересной эволюцией IMS является IMS/IMS, которая была впервые представлена в 2006 году группой Клеммера как аналог MS/MS15,16. В IMS/IMS ион, представляющий интерес, выборочно изолируется на основе его подвижности ионов; затем он активируется (до возможной фрагментации) и выполняется новый анализ IMS активированного иона или фрагментов. В первой инструментальной конструкции две ячейки IMS были помещены последовательно, разделенные ионной воронкой, где стояла активация. С тех пор, хотя был предложен ряд установок IMS / IMS (для обзора см. Eldrid и Thalassinos17), первый коммерческий масс-спектрометр с возможностью IMS / IMS стал доступен только в 201918 году. Этот инструмент существенно улучшил первоначальную концепцию, объединив ее с другим технологическим прорывом: циклической конструкцией ячейки IMS.
Циклическая ячейка IMS теоретически позволяет почти бесконечно увеличивать длину дрейфующего пути и, таким образом, разрешающую способность прибора19. Это было достигнуто с помощью определенной геометрии прибора, где циклическая ячейка TWIMS размещена ортогонально к основной оптической оси ионов. Многофункциональная область массива на входе в ячейку IMS позволяет контролировать направление ионного пути: (i) отправлять ионы вбок для разделения IMS, (ii) вперед для обнаружения MS или (iii) назад от ячейки IMS для хранения в ячейке prearray. Из этой ячейки предварительного хранилища ионы могут быть активированы, а фрагменты повторно введены в ячейку IMS для измерения подвижности ионов, подход, который был успешно использован для характеристики стереоизомеров20. В конечном счете, собранные данные содержат информацию о подвижности ионов и m/z для предшественника и его фрагментов.
В недавней публикации, которая использовала этот циклический дизайн для анализа гликанов (Ollivier et al.21), мы показали, что профиль подвижности фрагментов, содержащихся в таких данных IMS / IMS, действует как отпечаток биомолекулы, который может быть использован в стратегии молекулярной сети. Полученная сеть, называемая IM-MN, привела к организации наборов данных гликомики структурно значимым образом, тогда как сеть, построенная исключительно из данных MS / MS (MS-MN), выявила мало информации. Чтобы дополнить эту публикацию и помочь пользователям Cyclic IMS реализовать этот рабочий процесс, этот протокол предоставляет полное описание протокола, используемого для сбора данных. Этот протокол фокусируется только на генерации данных IMS/IMS, которые пользователи могут затем использовать для построения сетей IM-MN (см. 21) или для любого другого приложения по своему выбору. Построение IM-MN не будет рассматриваться в настоящем документе, так как протоколы для молекулярных сетей уже доступны22. Подчеркиваются важнейшие моменты, которые необходимо соблюдать для получения ценных и воспроизводимых приобретений СУИ/СУИ. Возьмем пример одного из олигосахаридов, изученных Ollivier et al. На фиг.21 подробно описаны следующие этапы: i) подготовка проб, ii) настройка прибора циклической ИСМ, iii) автоматический пиковый отбор данных и iv) калибровка УХУ.

<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

Точная характеристика химических структур важна для понимания их основных биологических механизмов и функциональных свойств. Масс-спектрометрия (МС) является популярным инструментом, но не всегда достаточна для полного раскрытия всех структурных особенностей. Например, хотя углеводы биологически значимы, их характеристика осложняется многочисленными уровнями изомерии. Спектрометрия подвижности ионов (IMS) является интересным дополнением, поскольку она чувствительна к конформациям ионов и, таким образом, к изомерии. 
Кроме того, последние достижения значительно улучшили технику: последнее поколение инструментов Cyclic IMS предлагает дополнительные возможности по сравнению с линейными инструментами IMS, такие как повышенная разрешающая способность или возможность выполнять эксперименты с тандемной подвижностью ионов (IMS / IMS). Во время IMS/IMS ион выбирается на основе его подвижности ионов, фрагментируется и повторно анализируется для получения информации о подвижности ионов о его фрагментах. Недавняя работа показала, что профили мобильности фрагментов, содержащиеся в таких данных IMS/IMS, могут действовать как отпечаток конкретного гликана и могут использоваться в стратегии молекулярных сетей для организации наборов данных гликомики структурно значимым образом. 
Таким образом, цель этого протокола состоит в том, чтобы описать, как генерировать данные IMS/IMS, от подготовки образца до окончательной калибровки поперечного сечения столкновения (CCS) измерения подвижности ионов, которое дает воспроизводимые спектры. На примере одного репрезентативного гликана этот протокол покажет, как построить управляющую последовательность IMS/IMS на приборе Cyclic IMS, как учитывать эту контрольную последовательность для преобразования времени прибытия IMS во время дрейфа (т.е. эффективное время разделения, применяемое к ионам), и как извлекать соответствующую информацию о мобильности из необработанных данных. Этот протокол предназначен для четкого объяснения критических моментов эксперимента IMS/IMS и, таким образом, помогает новым пользователям Cyclic IMS выполнять простые и воспроизводимые приобретения.

Арабиноксилан пентасахарид, XA2XX, был выбран в качестве примера для иллюстрации этого протокола. Это соединение коммерчески доступно, но только в виде смеси с другим арабиноксилановым пентасахаридом, XA3XX (чистый XA3XX также коммерчески доступен). Структуры XA2XX и XA3...

Watch this Scientific Journal Video about Using a Cyclic Ion Mobility Spectrometer for Tandem Ion Mobility Experiments at JoVE.com

Using a Cyclic Ion Mobility Spectrometer for Tandem Ion Mobility Experiments

Спектрометрия подвижности ионов (IMS) является интересным дополнением к масс-спектрометрии для характеристики биомолекул, особенно потому, что она чувствительна к изомерии. Этот протокол описывает тандемный эксперимент IMS (IMS/IMS), который позволяет выделить молекулу и генерировать профили подвижности ее фрагментов.

Использование спектрометра циклической подвижности ионов для экспериментов с тандемной подвижностью ионов

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

Протокол описывает, как записать профиль подвижности ионов для фрагментов, образующихся при активации молекулы в масс-спектрометре, и различать изомерные структуры. Протокол позволяет классифицировать гликаны на 11 групп в отношении некоторых из их ключевых структурных особенностей и, таким образом, предоставлять информацию, которую в противном случае трудно получить. Он может служить для создания молекулярных сетей, которые являются чрезвычайно общими и подходят для многих молекулярных семейств, таких как метаболиты или лекарства, представляющие интерес во многих областях исследований.Этот подход максимально использует новую концепцию в спектрометрии подвижности ионов и будет полезен там, где масс-спектрометрия сама по себе не сможет различать две структуры. Эксперимент требует хорошего владения масс-спектрометрией и подвижностью ионов. Тем не менее, экспериментатор должен быть успешным в реализации метода, если тщательно следовать каждому из шагов.Продемонстрировать процедуру будет Саймон Олливье, аспирант из моей лаборатории. Для начала настройте однопроходную последовательность IMS со страницы Настройка, переведите инструмент в режим mobility mode и откройте окно Управление циклической последовательностью. Выберите Расширенный режим на вкладке Циклические функции этого нового окна, выберите Добавить пакет, а затем Одноканальный/Многопроходный.Дождитесь появления последовательности событий мобильности на вкладке Sequence того же окна. Адаптируйте последовательность таким образом, чтобы все калибрантные ионы делали один проход вокруг циклической гоночной трассы IMS. Не изменяйте время впрыска или время извлечения и извлечения, однако уменьшите отдельное время до одной миллисекунды.Если некоторые ионы калибровочной смеси не помещаются в отображаемое окно времени прибытия, измените синхронизацию IMS с толкателем анализатора TOF ортогонального ускорения, увеличив количество толчков на бункер во вкладке Настройки АЦП. Чтобы записать двухминутное приобретение в окне Управление циклической последовательностью, нажмите кнопку «Получить», чтобы открыть всплывающее окно «Параметры получения», введите имя файла, описание и продолжительность получения, минуты и нажмите кнопку «Сохранить». Переключите прибор в режим TOF со страницы MS Tune, чтобы проверить стабильность сигнала.Запишите полное получение МС образца в течение одной минуты, что будет полезно для проверки изотопного рисунка и наличия потенциальных загрязняющих веществ. Переведите инструмент в режим MSMS на вкладке профиля Quad/MS на главной странице Tune. Выберите массу целевого железа в поле MSMS Mass для выделения в квадруполе.Запишите одноминутное приобретение, чтобы проверить изоляцию предшественника при обработке данных. Чтобы выполнить выбор интересующего изомера на основе мобильности, переключите инструмент в режим мобильности в окне Управление циклической последовательностью на вкладке Циклические функции выберите Добавить связку, а затем Нарезка. Дождитесь появления сложной последовательности событий мобильности на вкладке Последовательность.Поместите событие Eject and Acquire сразу после первого отдельного события и нажмите кнопку Выполнить. Ищите результаты начального разделения, которые будут отображаться в режиме реального времени. Увеличьте продолжительность первого отдельного события для многопроходного разделения, изменив значение времени для этого события в последовательности до тех пор, пока разрешение пиков IMS не станет удовлетворительным.Запишите одноминутное приобретение для справки. Нажмите кнопку Пауза, поместите событие Извлечение и Получение под событиями Извлечение, Извлечение в предварительное хранилище и Удержание и извлечение. Отрегулируйте продолжительность событий таким образом, чтобы целевой пик находился в области «Извлечь в предварительное хранилище», а любой другой ион — в области извлечения или удержания и извлечения.Поместите событие Eject and Acquire в конце последовательности под событием Reinject from Pre-Store и вторым отдельным событием. Нажмите кнопку Выполнить, чтобы отобразить выбранное население. Проверьте качество изоляции.Запишите одноминутное приобретение для справки. На вкладке Sequence (Последовательность) в столбце рядом с заданным пользователем временем событий найдите суммированное время всех событий. Обратите внимание на Time Abs, найденное в строке события Reinject from Pre-Store для выполнения калибровки CCS.Установите продолжительность события Separate непосредственно при извлечении и получении равным одной миллисекунде. В строке Повторное добавление из предварительного хранилища установите флажок Включить активацию и оптимизируйте фрагментацию с помощью встроенного элемента управления. Если фрагментация не удовлетворяет встроенному элементу управления, снимите флажок Включить активацию и приступайте к ручной оптимизации напряжений обратной установки, увеличению градиента предварительного массива и снижению напряжения смещения массива до тех пор, пока результаты не будут удовлетворительными.Чтобы записать двухминутное приобретение во всплывающем окне «Приобретение», установите флажок «Сохранить время дрейфа», чтобы создать файл, содержащий только время прибытия, вместо «M over Z», помеченного как _dt.raw. После выполнения анализа MS смеси арабиноксилана пентасахарида спектр показал изотопную картину с одним пиком при M над Z 685,24, предполагая, что эти два соединения являются изомерными по своей природе. Аддукты пентасахаридов были разделены через циклическую ячейку IMS, и три пика были разделены с разным временем прибытия.Чистый XA3XX показывает пики в 83 и 90 миллисекунд, в то время как XA2XX демонстрирует пик в 94 миллисекунды. После первого этапа разделения IMS ионы, принадлежащие XA3XX, были выброшены, и пик в 94 миллисекунды был выбран для анализа IMS-IMS. Трехпроходное разделение выполняли после повторного введения иона без активации, а пик для XA2XX был получен через 199 миллисекунд.Сгенерированные данные IMS-IMS MS были деконвертированы с использованием времени прибытия и измерений M over Z, генерируя спектры IMS-IMS. Пики относительной интенсивности выше 0,2% были экспортированы для калибровки CCS, в результате чего получился центроидированный спектр IMS-IMS, откалиброванный CCS. Всегда важно проверить выделение иона-предшественника, в противном случае спектр может исходить из смеси интересующего соединения и загрязняющих веществ.Ранее мы использовали спектры IMS-IMS для построения сетей и классификации соединений, но они также могут быть использованы для поиска по базам данных для идентификации соединений. Этот метод появился совсем недавно, но мы ожидаем, что он будет чрезвычайно полезен в гликомике, а также в любом контексте, где аналитики сталкиваются с изомерными молекулами.

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

Характеристика, Количественное и соединение конкретных изотопный анализ пирогенного углерода с использованием Бензол поликарбоновых кислот (BPCA)

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

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

Сайт Направленный Спин Этикетировочное и ЭПР спектроскопических исследований пентамерной лигандами ионных каналов

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

Анализируя фотоокисления 2-пропанол уровня концентраций воздуха с помощью поля асимметричной ионной подвижности спектрометрии

We demonstrate a versatile protocol to be used for determining the effectiveness of photocatalysts in degrading indoor air concentration (ppb) volatile ...

A Novel Technique for Raman Analysis of Highly Radioactive Samples Using Any Standard Micro-Raman Spectrometer

Роман Техника для комбинационного анализа высокорадиоактивных образцов с помощью любого стандартного микро-комбинационного Спектрометр

A novel approach for the Raman measurement of nuclear materials is reported in this paper. It consists of the enclosure of the radioactive sample in a ...

An HS-MRM Assay for the Quantification of Host-cell Proteins in Protein Biopharmaceuticals by Liquid Chromatography Ion Mobility QTOF Mass Spectrometry

HS-мно Assay для количественного определения белков клетки хозяина в области биофармацевтики белка по жидкостной хроматографии ионной подвижности QTOF масс-спектрометрии

The analysis of low-level (1-100 ppm) protein impurities (e.g., host-cell proteins (HCPs)) in protein biotherapeutics is a challenging assay requiring ...

A Practical Guide on Coupling a Scanning Mobility Sizer and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (SMPS-ICPMS)

A Practical Guide on Coupling a Scanning Mobility Sizer and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer SMPS-ICPMS

Практическое руководство по соединению сканирующего мобильщика и масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой (SMPS-ICPMS)

A large variety of analytical methods are available to characterize particles in aerosols and suspensions. The choice of the appropriate technique depends ...

Real-time Breath Analysis by Using Secondary Nanoelectrospray Ionization Coupled to High Resolution Mass Spectrometry

Анализ реального времени дыхание с помощью вторичных Nanoelectrospray ионизации в сочетании с масс-спектрометрии высокого разрешения

Exhaled volatile organic compounds (VOCs) have aroused considerable interest, since they can serve as biomarkers for disease diagnosis and environmental ...

Membrane Remodeling of Giant Vesicles in Response to Localized Calcium Ion Gradients

Мембрана Ремоделирование гигантских пузырьков в ответ на локализованных кальций иона градиенты

In a wide variety of fundamental cell processes, such as membrane trafficking and apoptosis, cell membrane shape transitions occur concurrently with local ...

Imaging Corrosion at the Metal-Paint Interface Using Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry

Коррозионная обработка изображений в интерфейсе Metal-краски с использованием вторичной спектрометрии "время полета"

Corrosion developed at the paint and aluminum (Al) metal-paint interface of an aluminum alloy is analyzed using time-of-flight secondary ion mass ...

Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Determining the Structure and Mechanisms of Metal Ion Recognition and Redox Activity of Metal Binding Oligopeptides

Ионная мобильность-массовая спектрометрия Методы для определения структуры и механизмов распознавания ионов металла и Redox деятельности металлических связывая олигопептиды