DE102005049549A1 - Ionenfragmentierung durch Reaktionen mit Neutralteilchen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Apparate für die Fragmentierung von großen Molekülen, insbesondere von Biopolymeren. DOLLAR A Die Erfindung besteht darin, Analyt-Ionen mit angeregten oder radikalen Neutralteilchen reagieren zu lassen, wodurch, wie beispielsweise im Falle des Beschusses von Analyt-Ionen mit Heliumatomen aus einem FAB-Generator, sich neuartige Fragmentierungsarten ergeben, die stark einer Fragmentierung durch Elektroneneinfang (ECD) ähneln. Die Reaktionen können in magnetischen Ionenfallen (Ionencyclotronresonanz-Zellen, ICR), in Hochfrequenz-Ionenfallen nach Wolfang Paul, in Ionenleitsystemen oder auch in freien Strahlen der Analyt-Ionen oder der Neutralteilchen stattfinden.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren und Apparate für die Fragmentierung von großen Molekülen, insbesondere von Biopolymeren.
  • Die Erfindung besteht darin, Analyt-Ionen mit angeregten oder radikalen Neutralteilchen reagieren zu lassen, wodurch sich, wie beispielsweise im Falle des Beschusses von Analyt-Ionen mit Heliumatomen aus einem FAB-Generator, neuartige Fragmentierungsarten ergeben, die stark einer Fragmentierung durch Elektroneneinfang (ECD) ähneln. Die Reaktionen können in magnetischen Ionenfallen (Ionencyclotronresonanz-Zellen, ICR), in Hochfrequenz-Ionenfallen nach Wolfgang Paul, in Ionenleitsystemen oder auch in freien Strahlen der Analyt-Ionen oder der Neutralteilchen stattfinden.
  • Stand der Technik
  • Das Ziel der Human-Proteomik ist es, alle Proteine des menschlichen Körpers zu erforschen, ihre stets wechselnden Strukturen und Modifikationen zu bestimmen, ihre Partner für Wechselwirkungen zu erkennen und die Art der Wechselwirkungen herauszufinden. Die 22 000 Gene, die im menschlichen Genom gefunden wurden, erzeugen eine viel höhere Anzahl an verschiedenartigen Proteinen (100- bis 1000-mal mehr) auf Grund von Mutationen, posttransskriptionalen oder posttranslationalen Modifikationen der Proteine. Die Aufgabe der Human-Proteomik ist daher gewaltig. Weitere Aufgaben warten in der Tier-Proteomik und Pflanzen-Proteomik. Der letztendliche Erfolg in der Erforschung dieser Grundlagen unseres Lebens wird von der Entwicklung adäquater Werkzeuge zur Erkennung der Proteinstrukturen abhängen.
  • Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) ist eines der nützlichsten Werkzeuge der Proteomik wegen seines hohen Nachweisvermögens (Femtomole und niedriger) und seiner hohen Spezifität. Das übliche MS/MS-Verfahren für die Protein-Charakterisierung besteht aus einem enzymatischen Verdau des Proteins und einer nachfolgenden Fragmentierung der Verdaupeptide im Massenspektrometer durch Stöße mit einem Stoßgas. (Zur Definition: Peptide sind kleinere Proteine mit bis zu etwa 30 oder 40 Aminosäuren; Verdaupeptide sind aus größeren Proteinen durch enzymatischen Verdau entstanden, beispielsweise durch einen Verdau mit dem Enzym Trypsin). Die Massen der Fragment-Ionen und des Molekülions werden anschließend in eine Suchmaschine eingegeben, die das gemessene Fragmentierungsmuster mit theoretischen Fragmentierungsmustern der virtuellen Verdaupeptide des entsprechenden Enzyms aller Proteine einer Protein-Sequenzdatenbank vergleicht. Der Erfolg dieses Verfahrens hängt davon ab, wie viele Fragment-Ionen aus dem Verdaupeptid-Ion gebildet werden, und wie charakteristisch oder spezifisch diese Fragment-Ionen für ein gegebenes Verdaupeptid sind.
  • Die herkömmliche Fragmentierungstechnik ist die Stoßfragmentierung (CID = collision induced dissociation, auch CAD = collision activated dissociation). Die Peptid-Ionen werden auf kinetische Energien von 20 bis 4000 Elektronvolt beschleunigt und stoßen mit Neutralgasmolekülen, dabei werden innere Bindungssysteme zu Schwingungen angeregt. CID spaltet vorzugsweise die so genannten Peptid-Bindungen (C-N-Bindungen in der zentralen Kette aus Aminosäuren), dabei werden N-terminale b-Fragmente und C-terminale y-Fragmente gebildet. Die Nachteile dieser Fragmentierung bestehen in Verlusten leicht abspaltbarer Gruppen, die in vielen posttranslationalen Modifikationen vorkommen (beispielsweise Phosphorylierungen, Sulfatat-Ionen) und in vielfach vorkommenden unvollständigen Fragmentierungen.
  • Tatsächlich sind die Informationen über das Protein, die in Form der MS/MS-Spektren an die Datenbank-Suchmaschinen übermittelt werden, selten vollständig. Es können daher falsche Identifizierungen nicht ausgeschlossen werden; diese kommen vielmehr häufig vor, da die Datenbanken nur einen winzigen Bruchteil aller wirklich vorkommenden Proteine einschließlich aller Mutationsformen und Modifikationen enthalten, selbst wenn das Genom voll entschlüsselt ist. Falsche Identifizierungen und fehlerhafte Strukturinformationen sind ein ernsthaftes Problem der heutigen Proteomik.
  • Um falsche Identifizierungen und fehlerhafte Strukturinformationen zu vermeiden, müssen unabhängige (so genannte „orthogonale") und möglichst auch sanfte Fragmentierungsarten zur Verfügung stehen. Als „sanft" werden hier solche Fragmentierungsarten bezeichnet, die keine Seitenketten und insbesondere keine Modifikationsgruppen abspalten. Zueinander „orthogonale" Fragmentierungsarten liefern bestätigende Informationen über andere, unabhängige Wege. Diese orthogonalen Fragmentierungsverfahren können zur Bestätigung der Identifizierungen und der Korrektur der Strukturinformationen herangezogen werden. Ein guter Kandidat für eine solche zur Stoßfragmentierung CID orthogonale Fragmentierungsart ist die Elektroneneinfang-Dissoziation (ECD = electron capture dissociation), die N-Cα-Bindungen der Aminosäurenkette spaltet und N-terminale c-Fragmente und C-terminale z-Fragmente erzeugt, ohne dabei labile Gruppen zu verlieren. Die Massendifferenz zwischen b- und c-Ionen beträgt +17 atomare Masseneinheiten (Dalton), die Differenz zwischen z- und y-Ionen beträgt –16 Dalton. Diese Massendifferenzen, die bei richtiger Zuordnung zwischen den unabhängigen Messungen auftreten müssen, können die Identifizierung sicherer machen. Die kombinierte Anwendung von CID und ECD erhöht die Sicherheit der Identifizierung um Faktoren von 20 bis 100.
  • Die Fragmentierung durch Elektroneneinfang ECD ist bisher nur in teueren Ionencyclotronresonanz-Massenspektrometern ICR-MS (auch Fourier-Transform-Massenspektrometer FTMS genannt) routinemäßig anwendbar. Dieses Fragmentierungsverfahren hat zur Voraussetzung, dass doppelt geladene Ionen der Untersuchungssubstanz (im Folgenden Analytsubstanz genannt) zur Verfügung stehen.
  • In neuester Zeit ist ein weiteres Fragmentierungsverfahren bekannt geworden, das zur Stoßfragmentierung CID orthogonal ist: Die Fragmentierung von mehrfach geladenen positiven Ionen durch Reaktionen mit geeigneten negativen Ionen durch Elektronentransfer (ETD = electron transfer dissociation, J.E.P. Syka, J.J. Coon, M.J. Schroeder, J. Shabanowitz und D.F., Hunt „Peptide and protein sequence analysis by electron transfer dissociation mass spectrometry", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 9528–9533). Diese Reaktionen können in Hochfrequenz-Ionenfallen ablaufen, und zwar sowohl in linearen Ionenfallen aus Stabelektroden wie auch in dreidimensionalen Ionenfallen aus Ring- und Endkappenelektroden. Um hohe Ausbeuten an Fragment-Ionen zu erhalten, ist es jedoch notwendig, von dreifach geladenen Ionen auszugehen. Da aber gerade für die weitaus interessantesten Biomoleküle, die Verdaupeptide, die Herstellung von dreifach geladenen Ionen nur mit sehr eingeschränkter Ausbeute möglich ist, hat das Verfahren seine Grenzen. Die Notwendigkeit, von dreifach gelade nen Analyt-Ionen auszugehen, reduziert das Nachweisvermögen des Verfahrens mit ETD um Faktoren von 10 bis 20.
  • Eine gängige Art der Ionisierung großer Biomoleküle ist die Elektrosprüh-Methode (ESI = electron spray ionization), die Ionen bei Atmosphärendruck außerhalb des Massenspektrometers ionisiert. Diese Ionen werden dann über Einlasssysteme bekannter Art in das Vakuum des Massenspektrometers und von dort in die Ionenfalle eingebracht.
  • Diese Ionisierung erzeugt praktisch keine Fragment-Ionen, die Ionen sind im wesentlichen die des Analytmoleküls. Wohl aber treten bei Elektrosprühen mehrfach geladene Analyt-Ionen auf; für Peptide gilt, dass die doppelt geladenen Ionen in etwa 85 bis 90 % der Fälle die häufigsten Ionen sind. Die dreifach geladenen Ionen treten in der Regel nur in wenigen Prozenten der insgesamt gebildeten Ionen auf. Für leichtere Peptide sind die einfach geladenen Ionen die häufigsten, die doppelt geladenen die zweithäufigsten. Durch das Fehlen fast jeder Fragmentierung der entstehenden Analyt-Ionen während des Ionisierungsprozesses beschränkt sich die Information aus dem Massenspektrum auf das Molekülgewicht; es fehlen Informationen über interne Molekülstrukturen, die zur weiteren Identifizierung der vorliegenden Substanz benutzt werden können. Diese Informationen können erst über die oben geschilderte Aufnahme von Fragment-Ionenspektren in Tandem-Massenspektrometern erhalten werden.
  • Wegen der hohen Preise von Fourier-Transform-Massenspektrometern (FTMS) ist es zu wünschen, dass zur Stoßfragmentierung CID komplementäre und orthogonale Fragmentierungsverfahren wie Elektroneneinfang-Dissoziation ECD auch in einfacheren, kleineren und weniger teueren Massenspektrometern ausgeführt werden können, beispielsweise in Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometern, die mit Hochfrequenzspannungen betrieben werden. In Quadrupol-Ionenfallen wird bisher ausschließlich durch Stoßfragmentierung CID fragmentiert. Für eine Fragmentierung durch Elektroneneinfang ECD muss jedoch die kinetische Energie der Elektronen sehr gering sein, da sonst kein Einfang stattfinden kann. In der Praxis bietet man Elektronen mit einer Energie an, die nur wenig über der thermischen Energie liegt. Das geht in den sehr starken Magnetfeldern der Fourier-Transfom-Massenspektrometer sehr gut, jedoch nicht in elektrischen Hochfrequenz-Ionenfallen. Weder in dreidimensionalen noch in linearen Ionenfallen ist bisher eine Fragmentierung der Ionen durch Elektroneneinfang mit genügender Ausbeute gelungen. Hier ist es störend, dass praktisch zu jedem Zeitpunkt hohe elektrische Feldstärken herrschen, die den Zugang von niederenergetischer Elektronen erschweren, wenn auch nicht unmöglich machen (J. Franzen DE 100 58 706 C1 ; R. Zubarev et al. US 6,800,851 B1 ).
  • Normalerweise bestehen Ionenfallen nach Wolfgang Paul aus einer Ringelektrode und zwei Endkappenelektroden, wobei in der Regel die Ringelektrode mit der Speicherhochfrequenzspannung versorgt wird; diese Ionenfallen werden auch dreidimensionale Ionenfallen genannt. Es können aber auch Vierstab-Quadrupolfilter nach Paul als Ionenfallen verwendet werden, wenn beide Enden des Stabsystems durch Blenden mit ionenabstoßenden Potentialen beaufschlagt werden. Diese so genannten „linearen Quadrupol-Ionenfallen" oder kurz „linearen Ionenfallen" können leichter mit Ionen befüllt werden und möglicherweise mit mehr Ionen als die „dreidimensionalen Ionenfallen". Im Inneren der Ionenfalle können Ionen im quadrupolaren Hochfrequenzfeld gespeichert werden. Die linearen Ionenfallen werden auch oft „zweidimensionale Ionenfallen" genannt.
  • Sowohl die dreidimensionalen wie auch die linearen Ionenfallen können auch als Ionenanalysatoren verwendet werden, indem die Ionen durch resonante Anregung massenselektiv ausgeworfen und dann als Ionenströme gemessen werden. Aus den linearen Quadrupol-Ionenfallen können die Ionen sowohl radial durch Schlitze in mindestens einer der langgestreckten Elektroden ( US 5,420,425 , M. E. Bier und J. E. Syka, entsprechend EP 0 684 628 A1 ), wie auch axial durch Kopplungsvorgänge im inhomogenen Endfeld des Stabsystems („A new linear ion trap mass spectrometer", J. W. Hager, Rapid Commun. Mass Spectrom. 2002, 16, 512–526) massenselektiv herausgeworfen werden. Die massenselektiv herausgeworfenen Ionen werden durch eine Detektionseinheit, beispielsweise einen Sekundärelektronenvervielfacher, gemessen und dann zu einem Massenspektrum verarbeitet.
  • Ionenfallenmassenspektrometer haben Eigenschaften, die ihren Einsatz für viele Arten von Analysen interessant macht. So können insbesondere ausgewählte Ionensorten (so genannte „Eltern-Ionen") in der Ionenfalle isoliert und fragmentiert werden. Die Isolierung besteht darin, alle unerwünschten Ionen aus der Ionenfalle durch resonante Anregung hinauszuwerfen und nur die erwünschten Analyt-Ionen in der Ionenfalle zu belassen. Die Fragmentierung verläuft etwas anders als die oben durch Beschleunigung der Analyt-Ionen beschriebene Fragmentierung. Die Analyt-Ionen werden hier durch Anregung ihrer Oszillationen zu vielen Einzelstößen mit dem Stoßgas gezwungen, wobei sehr viele kleine Energieportionen aufgenommen werden, bis endlich eine Fragmentierung eintritt. Diese Art der Fragmentierung liefert, ebenso wie die Stoßfragmentierung nach Beschleunigung, Fragment-Ionen der b- und y-Reihe. Die Spektren dieser Fragment-Ionen werden auch "Tochter-Ionenspektren" der betreffenden „Eltern-Ionen" genannt. Es können in Ionenfallen auch „Enkel-Ionenspektren" als Fragment-Ionenspektren ausgewählter Tochter-Ionen gemessen werden.
  • Für Flugzeitmassenspektrometer mit MALDI-Ionenquellen, deren Produkte gepulst axial in das Flugzeitmassenspektrometer eingeschossen werden, sind ebenfalls zwei verschiedene, zueinander orthogonale Fragmentierungsarten für die Analyt-Ionen bekannt. Der metastabile Zerfall von Analyt-Ionen auf der geraden Flugstrecke im Flugzeitmassenspektrometer, auch PSD (post source decay) genannt, liefert Tochter-Ionenspektren, die denen von stoßinduzierten Fragmentierungen gleichen. Wenn die Laserstrahlen energiereicher eingestellt werden, tritt ein Sofortzerfall von Analyt-Ionen noch vor ihrer Beschleunigung ein, auch ISD (in source decay) genannt. Dieser Sofortzerfall liefert Fragment-Ionen vom ECD-Typ. Der Mechanismus wurde lange Zeit als Rekombination vorübergehend doppelt geladener Ionen im heißen Plasma durch freie Elektronen, also durch eine Art Elektroneneinfang, erklärt. In einer neueren Arbeit dagegen wird plausibel gemacht, dass die Fragmentierung wohl durch Reaktion einfach geladener Ionen mit Wasserstoff-Radikalen bewirkt wird, wobei die Wasserstoff-Radikale durch photolytische Wirkung der UV-Laserstrahlung erzeugt werden sollen („Fragmentation of Peptides in MALDI In-Source-decay by Hydrogen Radicals", T. Köcher et al., Anal. Chem. 2005, 77, 172–177).
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, Fragmentierungsverfahren für Analyt-Ionen und entsprechende Apparate bereitzustellen, wobei die Fragmentierung bevorzugt von einfach oder doppelt geladenen Ionen ausgehen und zur Stoßfragmentierung CID orthogonal sein soll. Die Zu fuhr der Partnerteilchen für die Fragmentierung soll möglichst nicht durch elektromagnetische Felder behindert werden können.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt Verfahren und Apparate für die Fragmentierung von Analyt-Ionen bereit, in denen die Analyt-Ionen durch Reaktionen mit angeregten oder radikalen Neutralteilchen fragmentiert werden. Dabei kann beispielsweise einerseits eine Wolke der Analyt-Ionen erzeugt werden, die mit einem Strahl von angeregten oder radikalen Neutralteilchen beschossen wird. Andererseits kann eine Ansammlung von angeregten oder radikalen Neutralteilchen bereitgestellt werden, durch die ein Strahl von Analyt-Ionen gesandt wird.
  • Im Falle der Reaktion mit angeregten Neutralteilchen kann bevorzugt von doppelt geladenen Analyt-Ionen ausgegangen werden, die durch Elektrosprühen von Peptiden vorherrschend erzeugt werden; doch können im Bedarfsfalle, beispielsweise bei schwereren Proteinen, auch höhere Ladungszustände verwendet werden. Der Strahl der angeregten Neutralteilchen wird hier vorzugsweise in einem üblichen FAB-Generator erzeugt (FAB = fast atom bombardment). Üblicherweise werden dazu Edelgasatome verwendet, vorzugsweise Heliumatome; jedoch können auch andere Arten von Atomen oder Molekülen als Neutralteilchen des Strahls verwendet werden.
  • Im Falle der Verwendung von radikalen Neutralteilchen, vorzugsweise von Wasserstoff-Radikalen, kann sogar von einfach geladenen Analyt-Ionen ausgegangen werden, wie sie beispielsweise durch Ionisierung der Analytmoleküle durch matrix-unterstützte Laserdesorption (MALDI) geliefert werden. Ein Strahl von Wasserstoff-Radikalen kann mit kommerziell erhältlichen Generatoren erzeugt werden, wie sie beispielsweise zur Reinigung von Wafern und Chips von Verunreinigungen und Oxiden in der Elektrotechnik verwendet werden. Wasserstoff in statu nascendi ist außerordentlich reaktiv. Wasserstoff-Radikale können sowohl thermisch wie auch in Mikrowellen-Plasmen erzeugt werden.
  • Die Wolke der Analyt-Ionen kann sich dabei durch ein Ionenleitsystem bewegen, sie kann aber auch ruhend in einer Ionenfalle bereitgestellt werden. Es kann sich dabei um magnetische oder auch um Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen linearer oder dreidimensionaler Art handeln; der Strahl der angeregten oder radikalen Neutralteilchen wird dabei durch die jeweils vorherrschenden elektrischen oder magnetischen Felder nicht gestört. Sowohl bei Verwendung eines Strahls von Heliumatomen aus einem FAB-Generator wie auch bei Verwendung von Wasserstoff-Radikalen ähneln die Fragment-Ionenspektren überraschenderweise denen, die mit Elektroneneinfang ECD gemessen werden. Die Ausbeute an Fragment-Ionen ist dabei relativ hoch, sie ist etwa ebenso so hoch wie die Ausbeute des Elektroneneinfangs ECD (möglicherweise sogar höher).
  • Die Erfindung umfasst auch Massenspektrometer, die einen Generator für die Erzeugung von angeregten oder radikalen Neutralteilchen besitzen und eine Speichermöglichkeit für die Analyt-Ionen enthalten, wobei der Strahl an Neutralteilchen zumindest zeitweise in den Ionenspeicher eingeschossen werden kann. Auch Massenspektrometer mit einer Kammer für die angeregten oder radikalen Neutralteilchen und einer Einrichtung zum Einschuss oder Durchschuss eines Ionenstrahls sollen mit umfasst sein.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • 1 zeigt schematisch eine Ionenfalle mit zwei Endkappenelektroden (1, 2) und einer Ringelektrode (3), durch deren Bohrung (7) ein Strahl von Neutralteilchen (8) auf die gespeicherte Wolke (6) von Analyt-Ionen trifft. Der Strahl von Neutralteilchen (8) wird hier in einem FAB-Generator (914) produziert. In dessen Elektronenstoßkammer (11) erzeugen Elektronen aus einer Glühkathode (12), geleitet durch ein Magnetfeld zwischen den Magneten (13) und (14), zunächst Ionen für einen Ionenstrahl, der durch Potentiale zwischen Elektronenstoßkammer (11) und Linsensystem (10) beschleunigt und durch das Linsensystem (10) fokussiert wird. Die Ionen werden in der Umladungskammer (9) durch Ladungsaustausch entladen und bilden dann den Strahl (8) von Neutralteilchen. Statt des FAB-Generators (914) kann auch ein Generator für Wasserstoff-Radikale verwendet werden.
  • 2 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der aber der Strahl der Neutralteilchen (8) axial in die Ionenfalle eingeschossen wird. Der Strahl (8) passiert dabei die Detektionseinheit des Massenspektrometers, bestehend aus einer Konversionsdynode (16), die die durch die Öffnung (5) aus der Ionenfalle massenselektiv ausgeworfenen Ionen in Elektronen umwandelt, und einem Channeltron-Multiplier (17).
  • 3 zeigt ein lineares Ionenfallen-Massenspektrometer, bestehend aus den vier Polstäben (2124), der Einschussblende (25) an der Stirnfläche der Polstäbe, einer Vertiefung (26) mit einem Schlitz (27) zum massenselektiven Auswerfen der Ionen. Die Neutralteilchen können axial als Strahl (28) eingeschossen werden, oder diagonal als Strahl (29) in den Schlitz zwischen den Polstäben.
  • 4 zeigt ein Fragment-Ionenspektrum des Peptids RSarKSarQQFFGLM-NH2 nach dieser Erfindung, aufgenommen in einer dreidimensionalen Ionenfalle nach 1 in einem einzigen Scan (hier noch ohne korrekte Massenkalibrierung und ohne optimierte Fragmentierungsparameter). Die Fragmentierung wurde durch Heliumatome von vier Kiloelektronenvolt Energie erzeugt, die für 200 Millisekunden in die Ionenfalle eingestrahlt wurden.
  • 5 zeigt zum Vergleich ein ECD-Spektrum des gleichen Peptids in einem ICR-Massenspektrometer, wobei hier 100 Scans aufgenommen und addiert wurden.
  • 6 zeigt ein Fragment-Ionenspektrum des Peptids YGADFLRRIRPK-NH2 nach dieser Erfindung, analog zum Spektrum des Peptids in 4.
  • 7 zeigt zum Vergleich ein ECD-Spektrum des gleichen Peptids in einem ICR-Massenspektrometer, wobei hier wieder 100 Scans aufgenommen und addiert wurden.
  • 8 gibt einen Scan der Fragment-Ionen des Peptids FKDLGEQYFK-NH2 wieder, erzeugt nach dieser Erfindung in einer Ionenfalle aus dreifach geladenen Analyt-Ionen unter 200 Millisekunden Beschuss mit Heliumatomen von vier Kiloelektronenvolt.
  • 9 zeigt zum Vergleich ein ECD-Spektrum des gleichen Peptids, ebenfalls aus dreifach geladenen Analyt-Ionen, gewonnen aus 100 Scans in einem ICR-Massenspektrometer.
  • 10 stellt das Prinzip eines Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF) dar, das mit einer MALDI-Ionenquelle betrieben wird, in der ein Laserstrahl (2) aus einem Laser (4) eine Probe auf einem Probenträger (1) bestrahlt. Gewünschte Eltern-Ionen werden in einer Selektionsstufe (7) ausgefiltert, die Fragmentierung wird durch Neutralteilchen aus dem Wasserstoff-Radikal-Generator (9) in der Fragmentierungskammer (10) vorgenommen.
  • Besonders günstige Ausführungsformen
  • Eine besonders günstige Ausführungsform eines Verfahrens und einer Apparatur werde an Hand der 1 beschrieben. Analyt-Ionen werden als Wolke (6) in einer Ionenfalle aus zwei hyperboloiden Endkappenelektroden (1) und (2) und einer hyperboloiden Ringelektrode (3) gespeichert. An der Ringelektrode (3) ist eine Hochfrequenzspannung von einigen Kilovolt Spannung und einer Frequenz von etwa einem Megahertz angelegt, das im Inneren ein weitgehend quadrupolares Hochfrequenzfeld aufspannt. Dieses Hochfrequenzfeld erzeugt zeitintegriert eine Wirkung auf eingesperrte Ionen, die durch ein Pseudopotential beschrieben werden kann. Das Pseudopotential hat ein Minimum im Zentrum der Ionenfalle und steigt in alle Richtungen quadratisch an. Es bildet also für die Ionen eine Potentialmulde, in der sie harmonische Oszillationen um das Zentrum herum oder durch das Zentrum hindurch ausführen können.
  • Die Analyt-Ionen wurden durch die Öffnung (4) in der Endkappenelektrode (1) in die Ionenfalle eingeschossen. In der Ionenfalle befindet sich ein Stoßgas (üblicherweise Helium) unter einem Druck von einigen Hundersteln Pascal, das eine Dämpfung der Oszillationen der Ionen und damit ihre Speicherung im Zentrum der Ionenfalle bewirkt. In der Wolke (6) herrscht ein Gleichgewicht zwischen den Coulombschen Abstoßungskräften zwischen den Ionen und der rücktreibenden Kraft des Pseudopotentials.
  • Es können dann in der Ionenfalle die doppelt geladenen Analyt-Ionen von allen anderen Ionenarten befreit werden. Diesen Vorgang nennt man „Isolierung" oder „Alleinstellung". Es werden dabei alle anderen Ionenarten durch resonante Anregung ihrer Schwingungen aus der Ionenfalle ausgeworfen, so dass nur die doppelt geladenen Analyt-Ionen in der Ionenfalle verbleiben. In der Regel sind die doppelt geladenen Analyt-Ionen auch die häufigsten Ionen der Analytsubstanz; jedenfalls dann, wenn es sich bei dem Analyten um ein Peptid handelt und wenn die Ionen durch Elektrosprühen erzeugt wurden.
  • Die Wolke der doppelt geladenen Analyt-Ionen wird jetzt mit einem Strahl (8) von angeregten Neutralteilchen beschossen. Die Neutralteilchen werden in einem FAB-Generator (914) erzeugt. Dazu werden zunächst in einer normalen Elektronenstoß-Ionenquelle (11) mit einer Glühkathode (12) und zwei Führungsmagneten (13, 14) Ionen eines geeigneten Elementes erzeugt, hier Ionen von Helium, das in die Elektronenstoß-Ionenquelle (11) eingeleitet wird. Die Helium-Ionen werden in üblicher Weise aus der Elektronenstoß-Ionenquelle (11) extrahiert und durch eine Spannungsdifferenz von einigen Kilovolt zwischen dem Gehäuse (11) der Elektronenstoß-Ionenquelle und dem Linsensystem (10) beschleunigt. Gute Elektronenstoß-Ionenquellen liefern eine Ionenstromdichte von einigen 1010 Ionen/(s × mm2). Durch das Linsensystem (10) wird der Ionenstrahl fein fokussiert und durch eine Entladungskammer (9) geschickt. In dieser Entladungskammer (9) wird ein Teil der Helium-Ionen mit Hilfe eines geeigneten Reaktionsgases durch Ladungsaustausch entladen, wobei die entladenen Helium-Ionen allerdings praktisch keine kinetische Energie verlieren und ungebremst weiterfliegen. Der Strahl (8) der Neutralteilchen (hier also hoch angeregte Heliumatome) trifft dann die Wolke (8) der Analyt-Ionen und kann mit diesen reagieren. Die noch geladenen Helium-Ionen werden durch elektrische Potentiale daran gehindert, in die Ionenfalle einzutreten.
  • Ergebnisse sind in den 4, 6 und 8 wiedergegeben, die Spektren ähneln sehr stark den ECD-Spektren in 5, 7 und 9, die in einem ICR-Massenspektrometer aufgenommen wurden. Es ist zu beachten, dass es sich bei den Spektren nach dieser Erfindung um Einzelscans handelt, während im ICR-Massenspektrometer jeweils 100 Einzelscans gemessen und addiert wurden. Dieses Ergebnis ist überraschend und konnte nicht erwartet werden.
  • Der Mechanismus der Fragmentierung ist noch unbekannt. Aus langer Erfahrung wissen wir, dass eine Stoßfragmentierung CID mit Bildung von b- und y-Ionen stattfindet, wenn die Analyt-Ionen mit etwa vier Kiloelektronenvolt Energie in ein Stoßgas eingeschossen werden (auch in Helium als Stoßgas). Im umgekehrten Fall der 4, 6 und 8 aber, in denen die neutralen Heliumatome mit vier Kiloelektronenvolt Energie in die Wolke der Analyt-Ionen eingeschossen wird, wird diese Stoßfragmentierung CID nicht beobachtet. Stattdessen werden hier, wie auch bei ECD, Ionen der c- und z-Reihe gebildet. Das deutet auf einen neuen, unbekannten Prozess hin, über den hier nur Spekulationen angestellt werden können.
  • Es war vor Beginn der Experimente erwartet worden, dass sich entweder Stoßfragmentierung oder aber eine elektronische Wechselwirkung des Analytions mit dem durchfliegenden hoch angeregten Neutralteilchen einstellen würde, wobei letztere a- und x-Ionen liefern müsste. Dieser letztere Fall würde ebenfalls eine zu CID orthogonale Fragmentierung darstellen. Die überraschenden Ergebnisse lassen jedoch vermuten, dass es sich um einen Prozess handelt, bei dem Elektroneneinfang oder Elektronentransfer eine Rolle spielt. Das starke elektrische Wechselfeld in der Ionenfalle macht es unwahrscheinlich, dass die schnellen Heliumatome Elektronen durch Stöße mit dem Helium-Dämpfungsgas oder durch Aufprall auf die Wände der Ionenfalle erzeugen, und dass diese Elektronen für Elektroneneinfang zur Verfügung stehen. Diese Elektronen würden innerhalb von Nanosekunden aus der Ionenfalle ausgeworfen werden. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass die Heliumatome des Strahls der Neutralteilchen hoch angeregt sind, so dass eines der beiden Elektronen außerordentlich schwach gebunden ist, und dass ein Elektronentransfer bei einem Durchflug eines Heliumatoms durch ein Analyt-Ion stattfinden kann. Dazu leicht widersprüchlich ist es jedoch, dass im Gegensatz zu Elektronentransfer in Reaktionen mit negativen Ionen hier die Ausbeute bei doppelt geladenen Analyt-Ionen sehr hoch ist. Der Mechanismus bedarf daher noch weiterer Aufklärung. Es ist dazu zu bemerken, dass der Vorbeiflug eines Heliumatoms mit vier Kiloelektronenvolt an einem Analyt-Ion etwa die gleiche Wechselwirkungszeit bietet wie der Vorbeiflug eines Elektrons mit einem halben Elektronvolt kinetischer Energie, also einer Energie, die für Elektroneneinfang ECD optimal ist.
  • Die hohe Anregung der Heliumatome könnte durch den Ladungsaustausch in der Entladungskammer (9) entstehen, bei der das übertragene Elektron in einem hohem Anregungszustand verbleibt und die Anregungsenergie nicht abgestrahlt werden kann. Die hohe Anregung könnte jedoch auch durch Stöße der schnellen Heliumatome mit den Heliumatomen des Dämpfungsgases in der Ionenfalle erzeugt werden, wenn auch dieser Mechanismus weniger wahrscheinlich ist.
  • In 2 ist eine Anordnung wiedergegeben, die ebenfalls einen Beschuss der Ionenwolke (6) im Inneren einer Ionenfalle (1, 2, 3) erlaubt. Sie hat den Vorteil, dass die Bohrung (7) durch die Ringelektrode (1) vermieden wird. Stattdessen wird hier ausgenutzt, dass der Zugang des Strahls (8) der Neutralteilchen zur Ionenwolke (6) auch durch die Austrittsöffnung (5) erfolgen kann, wobei die Anordnung des Detektors mit Konversionsdynode (16) und Channeltron-Multiplier (17) einen Durchschuss dieses Strahls ermöglicht.
  • In 3 ist ein lineares Ionenfallen-Massenspektrometer gezeigt. Hier kann der Strahl der Neutralteilchen entweder axial (28) in die Ionenfalle oder diagonal (29) durch einen Schlitz zwischen den Polstäben eingeschossen werden. Für stabförmige Ionenleitsysteme, die im Prinzip der linearen Ionenfalle gleichen, aber in der Regel als Hexapol- oder Oktopolsysteme mehr Stäbe besitzen, bietet sich ebenfalls der diagonale Durchschuss der schnellen Neutralteilchen an.
  • Der FAB-Generator hat im Falle der Spektren in den 4, 6 und 8 einen Strahl schneller Heliumatome mit etwa vier Kiloelektronenvolt Energie gebildet. Normalerweise arbeiten handelsübliche FAB-Generatoren mit Beschleunigungsspannungen zwischen vier und acht Kilovolt. Es ist jedoch auch möglich, sie im Bereich von etwa einem bis zu 20 Kilovolt arbeiten zu lassen. Es können in den FAB-Generatoren aber auch andere Sorten von Neutralteilchenstrahlen außer Strahlen aus Heliumatomen erzeugt werden, beispielsweise alle Arten von Edelgasatomstrahlen. Weiterhin lassen sich auch Alkali- oder Halogenatomstrahlen herstellen. Es müssen aber nicht unbedingt Atomstrahlen sein: es können auch Molekülstrahlen hergestellt werden, beispielsweise von den zweimolekularen Gasen Sauerstoff oder Stickstoff.
  • Das Massenspektrum aus 8 wurde aus dreifach protonierten Ionen (M + 3H)3+ erzeugt. Dabei entstehen durch einfachen Elektronentransfer, aber ohne Abspaltung eines Wasserstoffatoms, auch doppelt geladene Radikal-Kationen (M + 3H)2+ in erheblicher Menge. Diese können, wie man aus ETD-Experimenten weiß, durch eine zarte Anregung mit einer resonant eingestrahlten dipolaren Anregungswechselspannung zwischen den beiden Endkappenelektroden durch sachte Stoßfragmentierung weiter zu Fragment-Ionen gespalten werden, die den durch ECD gebildeten Fragment-Ionen gleichen, also der c- und z-Reihe angehören. Dadurch wird die Ausbeute an Fragment-Ionen nochmals gesteigert. Diese Möglichkeit, die hier wegen der Herstellung einer Vergleichbarkeit mit entsprechenden ECD-Spektren in einem ICR-Massenspektrometer nicht angewandt wurde, besteht in einem ICR-Massenspektrometer nicht und stellt einen weiteren Vorteil dieses Verfahrens in Hochfrequenz-Ionenfallen dar. Allerdings entstehen diese Radikal-Kationen im ICR-Massenspektrometer sehr viel weniger.
  • In den 1 oder 2 kann der FAB-Generator (914) aber auch durch einen Generator für einen Strahl von Wasserstoff-Radikalen (Wasserstoff in statu nascendi) ersetzt werden. Es ist nach den oben zitierten Untersuchungen über die Spontan-Fragmentierung der Analyt-Ionen in MALDI-Ionenquellen zu erwarten (wenn es bis heute auch noch nicht sicher erwiesen ist), dass durch die Wasserstoff-Radikale ebenfalls Analyt-Ionen gespalten werden. Aus den genannten Untersuchungen der Vorgänge in ISD (in source decomposition) ist zu schließen, dass dabei nicht nur doppelt oder mehrfach geladene Analyt-Ionen, sondern auch einfach geladene Analyt-Ionen gespalten werden. Wie es in ISD der Fall ist, werden aller Wahrscheinlichkeit nach auch hier c- und z-Fragmente gebildet. Trifft dieses zu, so werden damit auch MALDI-Ionen einer ECD-ähnlichen Fragmentierung zugänglich. MALDI liefert bis heute praktisch nur einfach geladene Ionen, die selbst durch Stöße nur schwierig und nicht zu vollständigen Fragmentreihen zu fragmentieren sind. Die einzige zufriedenstellend informationsreiche Art der Fragmentierung von MALDI-Ionen ist der metastabile Zerfall in der Flugstrecke von Flugzeitmassenspektrometern. Eine erfolgreiche Fragmentierung von MALDI-Ionen mit langen Fragmentreihen (welcher Fragmentierungsart auch immer) wäre von außerordentlich hohem Wert.
  • Wasserstoff-Radikale (H) lassen sich aus Wasserstoff (H2) durch thermische Dissoziation herstellen, aber auch durch ein Mikrowellenplasma. Generatoren für die Bildung von Strahlen aus Wasserstoff-Radikalen sind kommerziell erhältlich. Sie werden in der Fabrikation elektronischer Bauelemente zur Reinigung von Wafern und Chipoberflächen verwendet, wobei sie Verunreinigungen zersetzen und Oxide reduzieren.
  • Das hier geschilderte Verfahren zur Fragmentierung mit Strahlen von hoch angeregten oder radikalen Neutralteilchen kann für alle Peptide eines Gemischs, beispielsweise eines Gemischs der Verdaupeptide eines Proteins, wiederholt und auch mit den Ergebnissen aus der Stoßfragmentierung CID verglichen werden. Es ergibt sich so eine sehr sichere Identifizierung des Proteins. Die Fragmentierungen sind sanft; sie spalten keine Modifikationsgruppen ab. Es können sogar Unterschiede des untersuchten Proteins zu solchen aus Proteinsequenzdatenbanken sicher festgestellt werden. Die Unterschiede können mutativer Art oder Modifizierungen des ursprünglich in einer Zelle an Hand eines DNA-Codes hergestellten Proteins sein.
  • Die durch die Erfindung ermöglichte Fragmentierung durch angeregte oder radikale Neutralteilchen hat einen weiteren Vorteil, der nicht auf den ersten Blick ersichtlich ist: Durch die Fragmentierung bei niedriger Hochfrequenzspannung können alle Tochter-Ionen bis zu kleinen Massen herunter gespeichert werden, weil die Schwellenmasse jetzt sehr niedrig liegt. Eine Ionenfalle kann nur Ionen über der Schwellenmasse speichern, die Schwellenmasse ist der Hochfrequenzspannung proportional. Die Speicherung kleiner Tochter-Ionen war bisher nicht möglich, da für Stoßfragmentierung CID mit einer Mindesthochfrequenzspannung gearbeitet werden musste, weil sonst die Stoßenergie zu klein wurde und eine Fragmentierung oft nicht möglich war. Erst durch sehr kleine Hochfrequenzspannungen kann das ganze Aminosäuren-Fragmentspektrum der c-Brüche ab der ersten Aminosäure aufgenommen werden. Beispiel: Ein großes, doppelt geladenes Peptid mit 20 Aminosäuren hat ein Molekulargewicht von etwa 2400 atomaren Masseneinheiten und eine spezifische Masse von m/z = 1200 Masseneinheiten pro Elementarladung. Normalerweise können Tochter-Ionen durch Stoßfragmentierung nur etwa ab einer Schwellenmasse von 400 Masseneinheiten pro Elementarladung (entspricht etwa drei bis vier Aminosäuren) gespeichert werden, jetzt ist aber durch Wahl einer sehr kleinen Hochfrequenzspannung eine Speicherung ab 80 Masseneinheiten pro Elementarladung möglich, so dass auch die kleinste, endständige Aminosäure noch erfasst werden kann.
  • Die Erfindung lässt sich aber nicht nur in Ionenfallenrriassenspektrometern ausnutzen; sie kann vielmehr für fast alle Arten von Massenspektrometern verwendet werden. Eine besonders interessante Art von Massenspektrometer für diesen Zweck ist das Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF), wie es als Prinzip in 10 dargestellt ist.
  • Wie in 10 schematisch dargestellt, kann dieses Spektrometer (wie viele andere Spektrometer auch) nicht nur mit einer Elektrosprüh-Ionenquelle verwendet werden, sondern auch mit einer MALDI-Ionenquelle. Die auf dem Probenträger (1) aufgebrachten Proben werden dabei mit gepulsten Lichtstrahlen (2) über einen Spiegel (3) aus einem Pulslaser (4) bestrahlt. Die im Desorptionsplasma entstehenden Analyt-Ionen werden durch einen Ionentrichter (5) aufgefangen und durch einen Blendenstapel (6) einem Quadrupol-Filter (7) zur Filterung der ausgewählten Sorte von Eltern-Ionen zugeführt. Die so selektierten Eltern-Ionen werden durch einen weiteren Blendenstapel (8) in die Fragmentierungskammer (10) eingebracht, wo sie aus einem Generator (9) für die Herstellung von Wasserstoff-Radikalen mit diesen Radikalen bestrahlt und so zu Fragmentierungs-Reaktionen gebracht werden. Die Fragment-Ionen können durch einen weiteren Blendenstapel (11) in den Pulser (12) des Flugzeitmassenspektrometers eingefädelt werden. Im Pulser werden Abschnitte diesen eingefädelten Ionenstroms vertikal abgelenkt und über einen Reflektor (13) dem Ionendetektor (14) zugeführt. Das Massenspektrometer wird mit den Pumpen (15), (16) und (17) auf die erforderlichen Restdrucke evakuiert.
  • Ein solches Flugzeitmassenspektrometer hat besondere Vorteile, die in hoher Massenauflösung und hoher Massengenauigkeit, in hohem dynamischen Messbereich und in einer stabilen Massenskalierung bestehen. Es eignet sich daher in besonderem Maße für die erfindungsgemäßen neuen Fragmentierungsarten.
  • Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Fragmentierungsarten werden durch weitere Aufklärung der beteiligten Prozesse sichtbar werden. So erscheint es durchaus möglich, mit anderen Energien der Neutralteilchen oder anderen Arten von Neutralteilchen zu weiteren orthogonalen Fragmentierungsprozessen zu gelangen, beispielsweise solche, die wie oben geschildert zu a- und x-Brüchen führen. Diese und andere Fragmentierungsmechanismen sollen vom Erfindungsgedanken mit umfasst sein.

Claims (16)

  1. Verfahren für die Fragmentierung von Analyt-Ionen in der Gasphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyt-Ionen in Reaktionen mit angeregten oder radikalen Neutralteilchen fragmentiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyt-Ionen in elektromagnetischen Feldern eingesperrt sind und mit den Neutralteilchen bestrahlt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den elektromagnetischen Feldern um die Felder einer magnetischen Ionenfalle, einer linearen Hochfrequenz-Ionenfalle, einer dreidimensionalen Hochfrequenz-Ionenfalle oder um ein Ionenleitsystem handelt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Neutralteilchen in einer Kammer befinden und mit den Analyt-Ionen bestrahlt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Analyt-Ionen nur um ausgewählte Ionen einer Substanz und einer Ladungsstufe handelt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutralteilchen angeregt sind und aus einem üblichen FAB-Generator stammen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die angeregten Neutralteilchen kinetische Energien zwischen einem und zwanzig Kiloelektronenvolt besitzen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Neutralteilchen Edelgasatome, Alkaliatome oder Halogenatome verwendet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Neutralteilchen Heliumatome verwendet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutralteilchen Radikale sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutralteilchen Radikale des Wasserstoffs sind und aus einem üblichen Generator für Wasserstoff-Radikale stammen.
  12. Massenspektrometer für die Aufnahme von Fragment-Ionenspektren einer Analytsubstanz, mindestens enthaltend a) eine Anordnung elektromagnetischer Felder als Speicher für Analyt-Ionen, und b) einen Generator für die Erzeugung eines Strahls angeregter oder radikaler Neutralteilchen, der zeitweise in den Speicher eingeschossen werden kann.
  13. Massenspektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einrichtung zur Alleinstellung einer Sorte von Ionen der Analytsubstanzen besitzt.
  14. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Generator für die Erzeugung des Strahls von Neutralteilchen um einen FAB-Generator handelt, der angeregte Neutralteilchen liefert.
  15. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Generator für die Erzeugung des Strahls von Neutralteilchen um einen Generator für die Herstellung eines Strahls von Wasserstoff-Radikalen handelt
  16. Massenspektrometer für die Aufnahme von Fragment-Ionenspektren einer Analytsubstanz, mindestens enthaltend a) einen Generator für die Erzeugung angeregter oder radikaler Neutralteilchen, b) eine Kammer zur Aufnahme der angeregten oder radikalen Neutralteilchen, und c) einen Generator für die Erzeugung eines Strahls von Analyt-Ionen, der mindestens zeitweise in die Kammer eingeschossen werden kann.
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