中性SO2簇低动能(<0.8 eV/成分)用于解脱复杂的表面分子,如肽或脂质,通过使用电环质谱仪进行进一步分析。无需特殊的样品制备,可以实时观察反应。
中性SO2簇(DINeC)诱导的解吸/电化技术是复杂分子质谱(MS)及其表面反应的一种非常柔软和高效的解吸/电化技术。DINeC 基于 SO2聚类束,以低聚类能量影响样品表面。在聚类表面冲击过程中,一些表面分子在冲击簇中通过解索进行解吸和离子化;由于这种解解介导解吸机制,低簇能量足够,解吸过程非常柔软。可以分析表面吸附和表面由其组成的分子。从肽和蛋白质等复杂分子中获得清晰和无碎片的光谱。DINeC不需要任何特殊的样品制备,特别是不需要应用基质。该方法产生样本成分的定量信息;可检测到表面覆盖率低至单层0.1%的分子。可以实时观察到H/D交换或热分解等表面反应,并推导出反应的动力学。DINeC 使用脉冲喷嘴生成聚束束,可有效地与电偶圈质谱相结合。DINeC 工艺的无基质和柔软特性与电偶圈的 MSn功能相结合,可以非常详细和毫不含糊地分析复杂有机样品和表面有机吸附物的化学成分。
表面敏感分析技术通常基于粒子探针,如低能电子、原子或离子,它们与固体样品强相互作用。因此,它们表现出较高的表面灵敏度,并可获得1.然而,化学信息往往有限。例如,X射线光电子光谱可以定量地提供关于原子组成和特定物种的平均化学环境(例如,在表面吸附的有机分子中的碳原子)。然而,很难用标准表面分析技术获得关于复杂表面吸附分子的更详细信息,例如其详细结构或结合位点。另一方面,随着人们对通过有机分子实现表面功能化的兴趣日益浓厚,对此类信息的需求也越来越大。表面合成3或表面功能化通过附加生物分子4,5的扩展领域是两个突出的例子。在所有这些领域,为了更好地了解系统,研究了基板-吸附和吸附-吸附-吸附性相互作用的基本问题。对于这些调查,最好获得关于吸附分子的最大信息。
部分地,二次子质谱(SIMS)可以提供这样的信息。首先,SIMS 对表面高度敏感。其次,由于溅射吸附及其片段是通过MS检测的,因此获得的信息远远超出原子成分。根据在表面吸附的化学物种的性质,可以通过在质量谱6中观察到的分子质量和片段模式来识别它。由主离子诱导的碎片确实有助于识别被分析的材料。另一方面,如果样品的原发性-子由修饰(破碎、发力反应、混合)太强,则大部分样品的原始状态信息会丢失。因此,已作出重大努力来减少SIMS的破碎(例如,使用带电分子簇作为初级离子7、8、9)。然而,碎片仍然主导着大型大分子和生物样品的SIMS光谱10,限制了SIMS在各个领域的应用。
作为替代方案,我们表明中性簇(DINeC)诱导的解吸/电化是一种软质和无矩阵电电化方法,已成功用于复杂分子11、12、13、14、15、16、17的质谱分析。DINeC基于由10个3至10个4SO2分子组成的分子簇束(图1)。当簇对样品产生影响时,它们以各种方式与表面和表面的分子相互作用:首先,聚子团的动能的一部分被重新分配并激活解吸。同样重要的是,在星团表面撞击11、18、19期间,脱冰分子溶解在簇中(图1和图2)。换句话说,基于SO2的高偶极子矩,聚类非常有效地充当极性分析物的瞬态矩阵。因此,分析分子的解吸发生在低至1 eV/分子及以下的聚类能量下。当SO2簇在表面撞击11、19期间和之后破碎时,系统的快速冷却进一步支持了解吸过程的软性。由于这些各方面,聚类诱导的解吸复杂分子,如肽,蛋白质,脂质和染料进行,没有任何分裂的解吸分子11,15;典型质谱显示完整分子的m/z值的显性峰值([M=H]=或[M-H]– 图3)。根据分子中功能组的数量和性质,形式 [M = n] 的多个带电阳离子H_n_被观察到11,15,18。对于生物分子,电电化通常通过在基本或酸性功能组(分别为11)的质子的接收或提取而发生。如果样品中存在水分子,则簇中的SO2分子可以与形成硫酸18的水分子发生反应。后者可以作为一个有效的质子源,进一步促进电电化过程的情况下,通过质子的接收(正电模式)13,18。
图1:聚类诱导解吸/电电和实验设置的原理图。聚组诱导解吸/电电在高真空容器中进行。SO2簇(黄点)的光束是通过从脉冲喷嘴上超音速膨胀 SO2/He 气体混合物产生的。在聚类表面冲击期间,表面分子被解吸和离子化。分子离子(红色/橙色点)通过偏置网格、双离子漏斗入口和八极离子导板传输到质谱的离子陷阱。典型的质谱显示完整分子的m/z值占显性峰,这里:M1(橙色)和M2(红色)在正子模式。爆炸:在聚类表面撞击期间,脱氧核化分子溶解在撞击团或其碎片之一中。SO2分子的进一步粉碎和蒸发,然后导致在质谱仪中检测到的裸光、完整的分子电团。另见图2。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:分子动力学模拟的快照,说明通过解沉降产生的簇诱导解吸。(A) SO2簇(300个分子)以1250米/s垂直于吸附二肽(阿斯分酸精氨酸,ASP-ARG)的表面接近表面。(B)在集群表面撞击期间,聚类会碎裂。吸附二肽与周围的SO2分子相互作用,导致其在其中一个簇片段中分离。(C)簇碎片从表面被击退。标记的片段(蓝色圆圈)携带二肽,该二肽在此片段中脱吸。这一数字已由参考文献19修改。请点击此处查看此图的较大版本。
图3:血管紧张2的代表性质量谱和分子模型。(A)质谱(顶部面板:正电子模式,底部面板:负电模式),这是从血管紧张素II样品中聚组诱导解吸/电离后获得的。样品是通过在Si晶圆上(由其天然氧化物覆盖)上滴铸相应的溶液制备的。主峰被分配给完整的生物分子,[M[H]=和[M-H]–;未观察到碎片模式。丁二器([2M[H]=, 箭头) 进一步指示解吸过程的软性。由于SO2簇18的影响,正子信号更强烈。(B)血管紧张剂II的空间填充模型和氨基酸序列。白色球表示氢原子;黑色:碳;蓝色:氮气;红色:氧气。请点击此处查看此图的较大版本。
DINeC 可应用于任何与高真空条件兼容的固体样品。无需特殊样品制备,特别是DINeC-MS测量之前无需应用基质,与矩阵辅助激光解吸/电化(MALDI)质谱及相关技术20、21相比。这样可以实时测量样品的化学变化,具有不同的实验条件,如真空室22中活性物种的背景压力或样品温度。DINeC-MS的检测极限已被证明在飞毛人范围11。当应用于分析生物分子吸附在固体表面的亚单层系统,表面覆盖率低至0.1%的单层被检测23。在此覆盖制度中,信号强度线性取决于表面覆盖,DINeC-MS可用于表面成分的定量分析23。对于混合样品,对样品组合物进行定量评价是可能的17、24,因为没有观察到化学环境对电电化概率的主要影响(例如,混合脂质/肽样品17)。这与SIMS形成鲜明对比,因为SIMS的电电大概率通常受到不同化学成分的存在的强烈影响(所谓的”矩阵效应“25、26)。
除表面分析外,地下区域的化学成分可以通过深度剖面分析17进行探测。在目前的设置下,生物分子簇诱导解吸的典型解吸率为10-3nm/s。对于混合脂质/肽样品17,观察到1至2nm范围内的高深度分辨率。
另一个应用领域是 DINeC-MS 与薄层色谱 (TLC) 的结合。传统的TLC板可以直接通过DINeC-MS分析。位置相关质谱可以从TLC板获得,因此可以从TLC板27获得质量特异性色谱图。无需重新洗脱分离的分析物,与与 ESI28、29的组合的 TLC 不同。与 TLC 与 MALDI28、29的耦合相比,DINeC-MS + TLC 组合也不需要矩阵。
脱吸电喷雾电化(DESI)也是MS应用30、31的软脱吸/电化方法。DINeC和DESI之间最显著的区别是:DINeC23的定量性质,其与超高真空(UHV)条件的兼容性,特别是在不破坏真空23的情况下研究在特高压条件下制备和转移的样品的可能性,以及有效解除非极分子19的可能性。
原则上,DINeC作为解吸/电电源可以耦合到任何类型的质谱仪。然而,与辐射陷井质谱的组合具有两个主要优点:第一,典型脉冲聚类束的脉冲宽度和重复率与不连续积累时间以及辐射陷集15、32的光谱速率非常吻合。其次,DINeC工艺的软性导致完整分子的解吸。结合MSn能力的ION陷阱质谱,这允许最全面的分析调查的样品15。
在迄今为止进行的许多研究中,DINeC-MS对各种物质的高灵敏度已经得到证明。事实上,这允许在女性细胞机制11中测量到一定量的物质。由于这种高灵敏度,样品制备,特别是基板清洁,必须使用高度纯的化学品进行,以避免DINeC质谱中的污染。与许多分析技术一样,从空白基底进行适当的背景测量有助于将峰与分析物和峰中分离出来,这些峰在基板/样品制备中具有原点。
虽然我们已经表明,给定分析物分子的电离概率没有受到混合样品17、24中共吸附剂或共分子的存在的强烈影响,但电离概率可能因物质13而异。因此,在清洁条件下工作更为重要,因为污染物根据其电电化概率,可能导致信号比分析物强得多。预制离子(例如,在许多染料分子中发现),或具有功能组的分子,它们表现出明显的质子接受或脱硫趋势(即碱或酸),在DINeC-MS中通常表现出高电离概率。如果分析剂中不存在此类功能组,电电化概率可能较低。然后,样品可以通过电离剂(如三氟酸)进行处理(例如,将样品暴露于电离剂的蒸汽压力)。
图4和图5中讨论的代表性结果表明DINeC-MS适用于通过质谱法对化学反应进行实时调查。图 6说明了该方法的亚单层灵敏度。如果两种特性相结合,表面及其产品的化学反应可以实时跟踪23。对于所谓的”表面合成”来说,这尤其令人感兴趣,它导致在表面3、33、34、35、36上组装大分子结构。在目前的设置中,在低反应表面(如黄金23和其他贵金属)上可以观察到这种表面反应;由于解吸室的基压在10-7-mbar范围内,因此在硅表面(如硅表面37)等高活性表面进行实验更加困难。目前的活动解决了这一限制,正在建立一个与特高压兼容的DINeC设备。对于无功表面,在测量表面吸附和表面反应之前,必须测试SO2和基板表面之间的相互作用。
由于聚组束是中性的,因此无法聚焦。因此,样品上的光束大小由正在使用的滑水器的设置和孔的几何形状给出;样品上光束直径的典型值为一至几毫米。因此,只需以极低的分辨率扫描样品才能进行成像。另一方面,由于高电电位概率13,DINeC有效地利用了脱吸分子。因此,DINeC-MS 和电成像探测器38的组合似乎极具吸引力。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢赫尔姆霍尔茨国际FAIR中心(HICforFAIR)和赫尔姆霍尔茨哈德龙和伊恩研究研究生院(P.S.)的财政支持。作者感谢劳申巴赫教授(牛津大学)和他的团队在ES-IBD/DINeC联合实验中进行了富有成效的合作。
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 |