DE102008059779A1 - Radikal-Anionen für Elektronen-Transfer-Dissoziation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Fragmentierung von mehrfach positiv geladenen Biopolymer-Ionen durch Elektronentransfer (ETD = electron transfer dissociation) in Reaktionen mit Radikal-Anionen. Die Erfindung gibt bisher nicht bekannte Klassen von Substanzen an, deren Radikal-Anionen zu Dissoziationen durch Elektronentransfer mit hoher Ausbeute an Fragmentionen führen und die günstige Eigenschaften für ihre Handhabung und für die damit verbundenen analytischen Verfahren haben. So erlaubt es beispielsweise die hohe Flüchtigkeit der Substanzen, sie in ungeheizten Behältern außerhalb des Vakuumsystems zu bewahren, wodurch ein Austausch der Behälter mit verbrauchten Substanzen erleichtert wird. Das niedrige Molekulargewicht erlaubt die Messung auch sehr leichter Fragmentionen bis herunter zu einzelnen endständigen Aminosäuren.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Fragmentierung von mehrfach positiv geladenen Biopolymer-Ionen durch Elektronentransfer (ETD = electron transfer dissociation) in Reaktionen mit Radikal-Anionen.
  • Die Erfindung gibt bisher nicht bekannte Klassen von Substanzen an, deren Radikal-Anionen zu Dissoziationen durch Elektronentransfer mit hoher Ausbeute an Fragmentionen führen und die günstige Eigenschaften für ihre Handhabung und für die damit verbundenen analytischen Verfahren haben. So erlaubt es beispielsweise die hohe Flüchtigkeit der Substanzen, sie in ungeheizten Behältern außerhalb des Vakuumsystems zu bewahren, wodurch ein Austausch der Behälter mit verbrauchten Substanzen erleichtert wird. Das niedrige Molekulargewicht erlaubt die Messung auch sehr leichter Fragmentionen bis herunter zu einzelnen endständigen Aminosäuren.
  • Stand der Technik
  • Die Sequenzen der Grundbausteine von Biopolymeren und deren posttranslationale Modifikationen (PTM) werden heute vorwiegend mit Tandem-Massenspektrometern aufgeklärt. Eine Schlüsseltechnik ist dabei die Fragmentierung der Biopolymer-Ionen. Es gibt dabei die beiden grundverschiedenen Arten der ergodischen und der elektroneninduzierten Fragmentierung, für die jeweils mehrere Verfahren bekannt sind,
  • Im Folgenden werde insbesondere auf Peptide und Proteine als Biopolymere eingegangen. Die elektroneninduzierte Fragmentierung der Peptid- oder Protein-Ionen ist zur ergodischen Fragmentierung komplementär, weil sie erstens an anderen Stellen der Aminosäuren innerhalb der Kette aus Aminosäuren spaltet und zweitens nicht die Seitenketten der posttranslationalen Modifikationen bei der Fragmentierung ablöst, wie das bei der ergodischen Fragmentierung der Fall ist. Durch Vergleich der ergodisch mit den elektroneninduziert gewonnenen Fragmentionenspektren können sowohl die Sequenzen wie auch die Modifikationen abgelesen werden.
  • Das einfachste elektroneninduzierte Verfahren ist die Elektronentransfer-Dissoziation, die als Reaktion von positiven und negativen Ionen bestimmter Arten abläuft. So können bestimmte Arten negativer Reaktant-Ionen verwendet werden, um mehrfach positiv geladene Biopolymerionen, insbesondere Peptid- oder Proteinionen, durch einen Transfer eines Elektrons zu spalten („ETD” = electron transfer dissociation). Die Reaktant-Ionen sind regelmäßig Radikal-Anionen der Form M.–, die leicht Elektronen abgeben. Der Stand der Technik ist im Patent DE 10 2005 004 324 B4 (R. Hartmer und A. Brekenfeld) und in der Offenlegungsschrift US 2005/0199804 A1 (D. F. Hunt et al.) beschrieben. Es werden in beiden Schriften mehrfach geladene positive Peptid- oder Protein-Ionen durch Reaktant-Anionen mit diesem Verfahren fragmentiert.
  • Für das Verfahren der Elektronentransfer-Dissoziation ist die Kenntnis von Ausgangssubstanzen zur Erzeugung geeigneter radikaler Reaktant-Anionen entscheidend. Diese Ausgangssubstanzen müssen in der Lage sein, in besonderen Elektronenanlagerungsionenquellen Elektronen schnell und mit guter Effizienz stabil, aber nur schwach zu binden. Die bisher bekannten ETD-effektiven Ausgangssubstanzen haben niedrige, aber immer noch positive Elektronenaffinitäten in der Gegend von etwa 0,55 ± 0,25 eV. Die somit an diese Ausgangssubstanzen schwach gebundenen Elektronen können durch positiv geladene Ionen leicht abgelöst und auf sich selbst transferiert werden.
  • Die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen Elektronenaffinität und Elektronentransfer sind in dem ausführlichen Übersichtsartikel von P. Kebarle und S, Chowdhury, Chem. Rev. 1987, 7, 513–534, „Electron Affinities and Electron-Transfer Reactions" dargelegt.
  • In der oben bereits zitierten Offenlegungsschrift von D. F. Hunt et al. wird dargelegt, dass solche Substanzen in der Gruppe der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (polyaromatic hydrocarbons) zu finden sind. Im Einzelnen werden die Substanzen Anthracen, Naphtalen, Fluoren, Phenanthren, Pyren, Fluoranthen, Chrysen, Triphenylen, Perylen, 2,2'-Biquinolin, Acridin und weitere aufgeführt. Diese Substanzen haben laut NIST-Datenbank (NIST chemistry webbook), soweit verzeichnet, Elektronenaffinitäten (EA) zwischen 0,3 und 0,8 Elektronenvolt. Unter diesen Substanzen werden Fluoranthen (EA = 6,7 eV) und 2,2'-Biquinolin als besonders geeignet für eine saubere Elektronentransfer-Dissoziation mit hoher Ausbeute an Fragmentionen und ohne wesentliche Anteile an Protonentransfer-Reaktionen herausgestellt. Aus den anderen Substanzen (außer Perylen) werden, wie aus Tabelle 1 der zitierten Offenlegungsschrift hervorgeht, aus der Elektronenanlagerungsionenquelle stets auch nichtradikale Anionen der Form (M-1) mitgeliefert, die hier unerwünschte Protonentransfer-Reaktionen erzeugen. Es sind also nicht alle dieser polyzyklischen Aromaten gleich günstig für ETD.
  • Unter einer hohen ETD-Effektivität der Anionen einer Substanz soll hier verstanden werden, dass einerseits eine hohe Ausbeute an Fragmentionen von mehr als 50% der zu dissoziierenden Ionen erzielt wird und andererseits die Anteile von Protonentransfer-Reaktionen unter 30%, vorzugsweise unter 10% liegen. In diesem Sinne sind Fluoranthen und 2,2'-Biquinolin besonders ETD-effektiv.
  • Diese polyzyklischen Aromaten, darunter auch die bisher als sehr ETD-effektiv bekannte Substanz Fluoranthen, haben aber einen sehr niedrigen Dampfdruck in der Größenordnung von 1 Pascal bei 20° Celsius oder sogar weit darunter. In Elektronenanlagerungsionenquellen müssen die Substanzen mit Partialdrucken von etwa 100 bis 1000 Pascal vorliegen; die polyzyklischen Aromaten müssen daher in ihrem Behälter auf 50° bis 250° Celsius geheizt und über geheizte Leitungen einer geheizten Elektronenanlagerungsquelle zugeführt werden. Das erfordert konstruktiv schwierige Maßnahmen, wenn der Substanzbehälter außerhalb des Vakuumsystems angebracht werden soll. Die Schwierigkeiten betreffen insbesondere die Durchführung der geheizten Gasleitung durch die ungeheizte Wand des Vakuumsystems, ohne dass hier eine Kondensationsfalle für den Substanzdampf entsteht.
  • Es wird daher im heutigen Stand der Technik regelmäßig eine weit einfachere Lösung verfolgt. Diese besteht darin, den geheizten Substanzbehälter im Vakuumsystem in der Nähe der Elektronenanlagerungsquelle anzubringen oder sogar den Substanzbehälter durch die Elektronenanlagerungsionenquelle selbst heizen zu lassen, die durch die Glühkathode für die Elektronenemission automatisch genügend geheizt wird. Nachteilig ist dann aber, dass für ein Nachfüllen nicht nur Behälter und Elektronenanlagerungsquelle abgekühlt werden müssen, sondern es muss auch das Vakuumsystem belüftet und geöffnet werden. In der Massenspektrometrie scheut man jedoch das Belüften des Vakuumsystems, weil die Wiederinbetriebnahme eines Massenspektrometers aufwändig und langwierig ist und meist eine erneute Kalibrierung der Massenskala und anderer Einstellungen erfordert. Nachteilig ist auch, dass es konstruktiv schwierig ist, die Substanzzufuhr zur Elektronenanlagerungsquelle in Messpausen oder bei Messungen ohne ETD zu unterbrechen, so dass man meist auf die Möglichkeit zur Unterbrechung verzichtet, was aber einen ständigen Verbrauch der Substanzen und somit häufigeres Auffüllen bedeutet.
  • Neben der Elektronentransfer-Dissoziation können durch andersartige Reaktionen zwischen vielfach positiv geladenen Analyt-Ionen und besonderen Arten negativ geladener Ionen auch die Anzahlen der jeweiligen Ladungen an den positiven Analyt-Ionen vermindert werden („PTR” = Proton transfer reactions, auch „charge stripping” genannt). Dazu sind andersartige, in der Regel nichtradikale Anionen erforderlich, die aber in günstigen Fällen in besonderen, umschaltbaren Elektronenanlagerungsionenquellen aus den gleichen Substanzen gewonnen werden können (Offenlegungsschrift DE 10 2006 049 241 A1 ; R. Hartmer). Durch die Ladungsverminderung können sehr schwere, hoch geladene Analyt-Ionen in weniger hoch geladene Ionen umgewandelt werden, um die Komplexität der Massenspektren aus Gemischen vieler schwerer, verschieden hoch geladener Analyt-Ionen zu vermindern. Im Grenzfall lassen sich die Analyt-Ionen oder die Fragment-Ionen bis herunter zu den einfach geladenen Ionen umwandeln, die dann viel einfacher zu interpretierende Massenspektren ergeben. In einigen Arten von Massenspektrometern wird es überhaupt nur durch diese Ladungsverminderung möglich, die Isotopengruppen aller Ionensignale nach einzelnen ladungsbezogenen Massen m/z aufzulösen, um so, wie jedem Fachmann bekannt, aus dem Abstand der Ionensignale die Anzahl z der Ladungen der Ionen dieser Isotopengruppe und damit ihre physikalische Masse m bestimmen zu können.
  • Für die Erzeugung der beiden Sorten von Anionen, sowohl der Radikal-Anionen für eine Elektronentransfer-Dissoziation wie auch der nichtradikalen Anionen für eine Ladungsverminderung, kann unter günstigen Umständen dieselbe Elektronenanlagerungsionenquelle verwendet werden. Diese ist weitgehend identisch mit üblichen Ionenquellen für negative chemische Ionisierung (NCI), wird aber mit einem besonderen Gas betrieben, mit dem die eingeschossenen Elektronen schnell thermalisiert werden. Als Thermalisierungsgas wird häufig Methan verwendet. Dabei werden bei Elektronenbeschuss auch Wasserstoff-Radikale geliefert. Wie in der zitierten Offenlegungsschrift DE 10 2006 049 241 A1 dargelegt, genügt es, wenn die Ausgangssubstanz dafür geeignet ist, die Spannung zum Extrahieren der Anionen zu verändern, um die eine oder andere Art von Anionen zu liefern.
  • Die Reaktionen zur Elektronentransfer-Dissoziation wie auch zur Ladungsverminderung finden überwiegend in Reaktionszellen statt, in denen sowohl positive wie auch negative Ionen gespeichert werden können. Auch Reaktionen in Ionenleitsystemen sind bekannt. Die Reaktionszellen sind regelmäßig mit einem Dämpfungsgas befüllt, in dem die Ionenbewegungen thermalisiert werden. Reaktionszellen können beispielsweise zweidimensionale Hochfrequenz-Ionenfallen mit besonderen Pseudopotentialschwellen an den Enden, aber auch dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfallen sein. Es sind Geräte mit beiden Sorten von Reaktionszellen auf dem Markt und dem einschlägigen Fachmann bekannt. Die positiven Analyt-Ionen und die negativen Reaktant-Ionen werden in der Regel zeitlich nacheinander in die Ionenfallen eingebracht und dort gemischt. Die Reaktionen laufen dann ohne weiteres Zutun ab.
  • Es kann allerdings in einigen Fällen vorkommen, dass die Fragmentierung nicht vollständig abläuft, weil die durch Dissoziation gebildeten Fragmentionen assoziiert bleiben. Es ist aber gleichfalls bekannt, dass man in diesen Fällen die assoziierten Fragmentionen durch leichte Anregung ihrer sekularen Schwingungen zu Stößen mit dem Dämpfungsgas bringen kann, wobei sich die Assoziationen auflösen.
  • Quadrupolare Hochfrequenz-Ionenfallen können auch selbst als Massenanalysatoren für die entstehenden Produkt-Ionen verwendet werden. Sie müssen dann eine hyperbolische Form der Elektroden sehr genau einhalten, um eine präzis resonante Anregung insbesondere für einen gut nach Massen aufgelösten Auswurf der Ionen für ihre Messung zu ermöglichen. Die Messung der massensequentiell ausgeworfenen Ionen ergibt ein Massenspektrum. Die genaue Form der Elektroden ist notwendig, um durch ein gut harmonisches Pseudopotentialfeld die Anregungsfrequenzen der zu Schwingungen angeregten Ionen während einer resonanten Anregung konstant und unabhängig von der Schwingungsamplitude zu halten. Die Formgebung der Elektroden muss daher im Inneren ein sehr gut geformtes Quadrupolfeld erzeugen.
  • In einigen Quadrupol-Massenspektrometern ist das Quadrupolfeld aber auch gezielt mit geringen Anteilen an höheren Multipolfeldern überlagert. Solche willkürlich erzeugten Abweichungen vom reinen Quadrupolfeld können einerseits nicht-lineare, sehr starke und scharfe Resonanzbedingungen einführen und andererseits die Ionen während eines fortlaufenden Massenscans in Resonanz halten.
  • In dreidimensionalen Ionenfallen mischen sich die Ionen während des Einführens von selbst. In zweidimensionalen Ionenfallen verfährt man manchmal etwas anders. Sollen in solchen linearen Ionenfallen Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen herbeigeführt werden, so werden die Wolken mit den positiven Analyt-Ionen und den negativen Reaktant-Ionen zunächst in getrennten Abschnitten gesammelt, die Vorfilter und Nachfilter genannt werden, und dann durch eine besondere Schaltung der Achsenpotentiale einer Durchmischung im Mittelteil der linearen Ionenfalle zugeführt. Dieses Verfahren ist in der oben bereits zitierten Offenlegungsschrift US 2005/0199804 A1 (D. F. Hunt et al.) sehr detailliert dargelegt.
  • Die Hochfrequenz-Ionenfallen haben stets eine scharfe Speicherschwelle für leichte Ionen. Ionen unterhalb einer ladungsbezogenen Schwellenmasse können nicht gespeichert werden. Die Schwellenmasse ist proportional zur Hochfrequenzamplitude, sie kann durch Veränderung der Hochfrequenzspannung verändert werden. Dieses Phänomen verhindert die Speicherung leichter Fragmentionen nach ihrem Entstehen durch die Fragmentierungsreaktion. Andererseits kann dieses Phänomen verwendet werden, um nach genügender Reaktionszeit durch kurzzeitige Erhöhung der Hochfrequenzspannung überschüssige Reaktant-Ionen sehr schnell in Bruchteilen von Millisekunden auszuwerfen, wenn diese leicht genug sind. Dieses Verfahren ist günstiger als ein Auswurf durch resonante Anregung, da letzteres Verfahren länger dauert, weil immer eine ganze Isotopengruppe ausgeworfen werden muss, was eine Lücke in das Massenspektrum reißt.
  • Die mehrfach positiv geladenen Analyt-Ionen erzeugt man in der Regel in Elektrosprüh-Ionenquellen. Dabei entstehen automatisch Ionen, die pro etwa 700 Dalton Masse der Analytmoleküle im Mittel etwa eine Ladung tragen, wobei die Anzahl der Ladungen aber breit streut. Für Analytmoleküle einer physikalischen Masse von etwa 10 000 Dalton erzeugt man Ionen einer breiten Verteilung der Ladungsstufen, die von etwa siebenfach bis etwa 20fach geladen reichen. Für diese Ionengemische ist es zweckmäßig, vor, während oder nach der Elektronentransfer-Dissoziation durch Reaktionen mit geeigneten negativen nichtradikalen Reaktant-Ionen eine Ladungsminderung durch PTR durchzuführen. Es ist daher günstig, wenn die dafür notwendigen nichtradikalen Reaktant-Ionen in der gleichen Elektronenanlagerungsionenquelle, vorzugsweise auch aus derselben Ausgangssubstanz, hergestellt werden können.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, Ausgangssubstanzen mit hoher ETD-Effizienz zu finden, insbesondere solche Substanzen, die bei normaler Umgebungstemperatur einen genügend hohen Dampfdruck besitzen, um aus einem Behälter außerhalb des Vakuumsystems zugeführt werden zu können. Günstig ist des weiteren ein niedriges Molekulargewicht und die Eigenschaft, auch aus der Elektronenanlagerungsionenquelle selektierbare nichtradikale Anionen für eine Ladungsverminderung der Biopolymerionen oder ihrer Fragmentionen liefern zu können.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung besteht darin, Ausgangssubstanzen aus der Substanzklasse der Aliphaten mit Elektronenaffinitäten zwischen 0,3 und 0,8 Elektronenvolt zu verwenden. Es gibt in umfangreichen Tabellenwerken nur wenige Substanzen mit bekannter Elektronenaffinität, die diesen Bedingungen genügen. Durch Substitutionen mit Elektronen anziehenden oder Elektronen abstoßenden Gruppen können aber auch aus solchen Aliphaten, die zunächst nicht diesen Bedingungen genügen, häufig Ausgangssubstanzen mit geeigneten Elektronenaffinitäten und solcher Stabilität hergestellt werden, dass aus ihnen ETD-effektive Radikal-Anionen gebildet werden können. Die aliphatischen Kohlenwasserstoffe oder ihre Substitute haben meist weit höhere Dampfdrucke als die polyzyklischen Aromaten.
  • Als Beispiel einer besonders günstigen Ausgangssubstanz aus dieser Substanzklasse wird hier das unsubstituierte 1-3-5-7-Cyclooctatetraen ([8]Annulen; C8H8; 1) vorgestellt. Dieses monozyklische Polyen gilt als nichtaromatisch und ist somit definitionsgemäß ein Aliphat. Es bietet neben einer hohen Ausbeute an ETD-Fragmentionen als weitere Vorteile einen mäßig hohen Dampfdruck von etwa 1000 Pascal bei 20° Celsius und ein relativ niedriges Molekulargewicht von 104 Dalton. 1-3-5-7-Cyclooctatetraen ist eine chemisch stabile, goldgelbe Flüssigkeit mit einem Schmelzpunkt bei 0° Celsius und einem Siedepunkt bei etwa 140° Celsius. Die Substanz lässt sich in Massenspektrometern in Behältern außerhalb des Vakuumsystems bei Raumtemperatur halten. Durchströmt das Thermalisierungsgas für die Elektronenanlagerungsionenquelle, beispielsweise Methan, den Gasraum dieses Behälters über dem Flüssigkeitsspiegel, so nimmt es genügend Substanzdampf zur Elektronenanlagerungsionenquelle mit, so dass dort aus diesem Substanzdampf ausreichend Radikal-Anionen für die Elektronentransfer-Dissoziation gebildet werden können. Das niedrige Molekulargewicht von 104 Dalton ist günstig, um in der Reaktionszelle nach masseninstabilem Auswurf der nicht verbrauchten Reaktant-Anionen auch Fragmentionen mit niedriger Masse zu sehen, die aus zwei, zum Teil sogar aus nur einer Aminosäure bestehen. So können beispielsweise die ehemals endständigen C1-Fragmentionen von 13 der 20 Aminosäuren detektiert werden.
  • Andererseits lassen sich aus 1-3-5-7-Cyclooctatetraen in einer geeigneten Elektronenanlagerungsionenquelle auch nichtradikale Anionen der Masse 99 Dalton erzeugen, die für eine Ladungsverminderung genutzt werden können.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • 1 zeigt die Struktur des 1-3-5-7-Cyclooctatetraens ([8]Annulen).
  • 2 stellt ein Schema eines Ionenfallenmassenspektrometers für die Durchführung von ETD dar, mit einer Elektrosprüh-Ionenquelle (1, 2) zur Erzeugung der mehrfach positiv geladenen Analytionen, einer Elektronenanlagerungsionenquelle (8) für die Erzeugung der negativ geladenen Reaktant-Ionen (Radikal-Anionen) und Endkappenelektroden (11, 13) und Ringelektrode (12) einer 3D-Ionenfalle, die als Reaktionszelle für die ETD dient. Das Ionenleitsystem (9), hier als Multipol-Stabsystem ausgeführt, kann sowohl positive wie auch negative Ionen zur Ionenfalle leiten. Nach dem Stand der Technik befindet sich die Ausgangssubstanz zur Herstellung der Radikal-Anionen in einem beheizten Behälter (18) nahe an der Ionenquelle (8); die Verwendung von leichtflüchtigen Ausgangssubstanzen nach dieser Erfindung ermöglicht es aber, den Substanzbehälter (19), der von Methangas aus einem Vorratsbehälter (20) durchströmt wird, ungeheizt außerhalb des Vakuumsystems zu montieren.
  • 3 zeigt das Spektrum der negativen Ionen der Substanz Cyclooctatetraen mit dem Radikal-Anion bei der Masse 104 Da, das hier bei weitem überwiegt und zur Durchführung der Elektronentransfer-Dissoziation dient. Daneben ist hier ein schwaches Signal bei der Masse 99 Da zu sehen, das von einem nichtradikalen Anion gebildet wird. Es kann durch Umsteuerung der Elektronenanlagerungsquelle bevorzugt extrahiert und so für Ladungsverminderungen verwendet werden.
  • 4 zeigt ein Massenspektrum der positiv geladenen Fragmentionen, die durch ETD mit Cyclooctatetraen-Radikal-Anionen aus dreifach geladenen Ionen des Peptids „Substanz P” (Molekulargewicht 1347,66 Da) hergestellt wurden.
  • 5 gibt zum Vergleich ein Massenspektrum der durch Radikal-Anionen von Fluoranthen erzeugten Fragmentionen der dreifach geladenen Ionen von Substanz P wieder. Der Vergleich zeigt, dass die Effektivität beider Ausgangssubstanzen ähnlich groß ist. Es werden die gleichen Fragmentionen gebildet. Die leichten Variationen der Intensitäten sind normal für Spektren, die aus einer einzigen Füllung der Reaktionszelle gewonnen werden.
  • Beste Ausführungsformen
  • Die Erfindung besteht darin, Aliphate mit Elektronenaffinitäten zwischen 0,3 und 0,8 Elektronenvolt zur Herstellung der Radikalanionen für die Elektronentransfer-Dissoziation zu verwenden.
  • Die Elektronenaffinität ist diejenige Energie, die man aufwenden muss, um das Elektron aus dem Radikal-Anion wieder zu entfernen, also die Bindungsenergie des zugefügten Elektrons. Diese Bindungsenergie darf nicht zu klein sein, da sonst einerseits die Substanz kaum Elektronen aufnimmt und andererseits die Anionen nach Aufnahme eines Elektrons auch leicht das Elektron wieder verlieren. Die Bindungsenergie darf aber auch nicht zu groß sein, da sonst die positiven Biopolymer-Ionen das Elektron nicht abtrennend an sich ziehen können, also nicht den Elektronentransfer bewirken können.
  • Der Begriff „alphatisch” ist in der organischen Chemie als „nichtaromatisch” definiert. In der sehr umfänglichen NIST-Datenbank für organische Substanzen (webbook.nist.gov) sind allerdings in der Tabelle der Substanzen mit bekannten Elektronenaffinitäten im Bereich von EA = 0,3 bis 0,8 eV unter weit mehr als 200 Einträgen (unter denen sich aber viele Substanz-Anionen oder Radikale befinden) nur wenige solcher Aliphate verzeichnet, wohingegen fast alle polyzyklischen Aromaten aus der oben zitierten Offenlegungsschrift US 2005/0199804 A1 (D. F. Hunt et al.) dort zu finden sind. Beschränkt man sich auf die aliphatischen Substanzen ohne metallische Heteroatome mit Molekulargewichten zwischen 80 und 200 Dalton, so sind in diesem Bereich dort nur folgende sechs Substanzen zu finden:
    Trichlorethen (m = 131,39 Da; EA = 0,400 eV);
    1,1,1,3,3,3-Hexafluor-2-Propanon (m = 166,02 Da; EA = 0,442 eV);
    Tetrafluorfuran-2,5-dion (Perfluor-Bernsteinsäure-Anhydrid, m = 172,03 Da; EA = 0,500 eV);
    1,3,5,7-Cyclooctatetraen (m = 104,15 Da, EA = 0,550 eV);
    Tetrachlorethen (m = 165,83 Da; EA = 0,64 eV);
    2,3-Butadion (m = 86,09 Da; EA = 0,69 eV).
  • Da es gelegentlich günstig ist, sehr schwere Radikal-Anionen zu verwenden, soll hier noch das C84-Fulleren aufgeführt werden, das ein Molekulargewicht von m = 1008,9 Da und eine Elektronenaffinität von EA = 0,41 eV hat.
  • Nicht alle diese Substanzen liefern jedoch geeignete Radikal-Anionen für die Elektronentransfer-Dissoziation. So zerfällt beispielsweise das Tetrafluorofuran-2,5-dion nach der Aufnahme eines Elektrons in der Elektronenanlagerungsionenquelle in ein stabileres Anion, das sich nicht mehr zur Abgabe von Elektronen eignet.
  • Aus grundsätzlichen Erwägungen scheinen Substanzen mit Doppelbindungen, insbesondere Polyene, besonders günstige Ausgangssubstanzen zu sein. Polyene sind organische Verbindungen, die zwei oder mehrere Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthalten. Je nach Anzahl der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen im Molekül unterscheidet man bei Polyenen zwischen Dienen (mit zwei), Trienen (mit drei), Tetraenen (mit vier), Pentaenen (mit fünf Doppelbindungen) usw..
  • Monozyklische Polyene, die nach der Hückel-Regel statt der 4n + 2π-Elektronen der Aromaten im Ring nur 4n π-Eiektronen besitzen (mit n = 0, 1, 2, 3...), gehören zu den sogenannten „Antiaromaten”. Sie sind keine Aromaten, wie auch NMR-Untersuchungen zeigen, und gehören somit zu den Aliphaten. Antiaromaten besitzen nach der Hückel-Näherung ungünstige Energieniveaus. Dadurch sind sie instabiler als die aromatischen Verbindungen.
  • In Ergänzung zu den angegeben Substanzen aus der NIST-Tabelle können auch weitere Aliphaten hergestellt werden, indem man aliphatische Kohlenwasserstoffe durch Substitutionen mit entsprechenden Gruppen in ihrer Elektronenaffinität verändert. Für die Veränderung der Elektronenaffinität durch geeignete Substituenten können Heteroatome wie Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel die Kohlenstoffatome ersetzen, oder auch chemische Gruppen statt der Wasserstoffatome eingesetzt werden. Elektronen anziehende Gruppen, wie beispielsweise die Cyano-Gruppe (sie ergeben Nitrile), die Nitro-Gruppe oder die Halogene wie Fluor, Chlor oder Brom, erhöhen die Elektronenaffinität. Elektronen drückende Gruppen dagegen, wie beispielsweise die Nitrite oder auch Äthergruppen (ergeben O-Alkyle), erniedrigen die Elektronenaffinität.
  • Als Beispiel werde hier das Isoamylnitrit (C5H11NO2) vorgestellt, das als aliphatisches Ester der salpetrigen Säure mit einem Molekulargewicht von m = 117,15 Da hergestellt wurde. Die Verwendung als Ausgangssubstanz für die ETD ergab allerdings, dass sich in der Elektronenanlagerungsionenquelle als Zerfallsprodukt ein Anion der Masse m = 85 Da bildete. Dieses konnte zwar Elektronentransfer-Dissoziation erzeugen; die Effektivität lag allerdings nicht im wünschenswerten Bereich.
  • Als außerordentlich erfolgreiches Beispiel aus der Substanzklasse der aliphatischen Polyene werde hier das unsubstituierte 1-3-5-7-Cyclooctatetraen (COT) vorgestellt, das neben einer hohen Fragmentionenausbeute bei ETD auch sonst günstige Eigenschaften aufweist. Cyclooctatetraen mit vier Doppelbindungen im Achterring (siehe 1) ist eine goldgelbe Flüssigkeit mit etwa 1000 Pascal Dampfdruck bei 20° Celsius. Es ist nicht giftiger als viele andere Chemikalien, die in einschlägigen Laboratorien benutzt werden, und daher leicht handhabbar. Cyclooctatetraen besitzt 8π-Elektronen, gehört also zu den Antiaromaten. Es liegt nicht planar vor, so dass die Doppelbindungen nicht konjugiert sind (wie auch NMR-Untersuchungen zeigen); auch aus diesem Grunde gehört es nicht zu den Aromaten, ist also ein Aliphat. Die Elektronenaffinität beträgt 0,55 eV. Es liefert Radikal-Anionen der Masse 104 Dalton, die bei Elektronentransfer-Dissoziation hervorragende Ausbeuten an Fragmentionen zeigen. Alle Wasserstoffatome sind „vinylisch” und somit besonders stark an das Kohlenstoffatom gebunden, was nichts anderes bedeutet, als dass das Radikalanion von COT recht stabil ist.
  • Die 3 und 4 zeigen die Massenspektren der Radikal-Anionen von 1-3-5-7-Cyclooctatetraen und die hiermit gewonnenen Dissoziationsprodukte von Substanz P. In 5 sind die mit Radikal-Anionen von Fluoranthen gewonnenen Dissoziationsprodukte der Substanz P zum Vergleich wiedergegeben. Man sieht, dass die ETD-Effektivität der Radikal-Anionen beider Ausgangssubstanzen ähnlich ist und dass exakt die gleichen Fragmentionensorten gebildet werden. Die leichten Unterschiede der Intensitäten liegen im normalen Variationsbereich für Einzelspektren.
  • Auch einige durch Alkyle substituierte Formen des 1-3-5-7-Cyclooctatetraen (Alkyl = Methyl, Ethyl, Propyl, Isobutyl) sowie einige Formen des Cyclooctatetraen mit Heteroatomen sind für die Herstellung von ETD-Reaktantionen geeignet.
  • Es soll hier nicht unerwähnt bleiben, dass auch in der oben zitierten Offenlegungsschrift US 2005/0199804 A1 (D. F. Hunt et al.) über Untersuchungen zur Verwendung der Anionen von nichtaromatischen Substanzen für ETD berichtet wurde. So wurden Perfluortributylamin, Schwefelhexafluorid und Perfluor-1,3-Dimethylcyclohexan untersucht. Die Anionen dieser Substanzen bewirkten dabei erwartungsgemäß eine Elektronentransfer-Dissoziation, aber nur in sehr geringer Menge, während die gleichzeitig ablaufenden Protonentransfer-Reaktionen ganz vorherrschend waren, so dass diese Substanzen keine hohe ETD-Effizienz besitzen. Somit legen diese Untersuchungen die hier dargestellte Erfindung nicht nahe, sondern weisen genau in die entgegen gesetzte Richtung, wie auch die Konzentration der weiteren Arbeiten in der Arbeitsgruppe um D. F. Hunt auf polyzyklische Aromaten zeigen.
  • Eine günstige Ausführungsform eines Ionenfallenmassenspektrometers nach dieser Erfindung und zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 schematisch wiedergegeben. Es wird hier eine Elektrosprüh-Ionenquelle (1) mit einer Sprühkapillare (2) außerhalb des Massenspektrometers zur Ionisierung der Biopolymere verwendet. Es werde hier angenommen, dass eine Mischung von Verdaupeptiden eines größeren Proteins untersucht werden soll. Die Ionen werden in üblicher Weise durch eine Einlasskapillare (3) und einen Abstreifer (4) mit den Ionenleitsystemen (5) und (9) durch die Druckstufen (15), (16), (17) zur 3D-Ionenfalle mit Endkappenelektroden (11 und 13) und Ringelektrode (12) geführt und dort in üblicher Weise eingefangen. Die Ionenleitsysteme (5) und (9) bestehen aus parallelen Stabpaaren, an denen alternierend die Phasen einer Hochfrequenzspannung liegen. Sie können als Quadrupol-, als Hexapol- oder als Oktopol-Stabsystem ausgeführt sein.
  • Ein erstes Massenspektrum, das durch resonante Anregung der Ionen mit massenselektivem Auswurf und einer Messung der ausgeworfenen Ionen im Ionendetektor (14) gewonnen wird, gibt eine Übersicht über die Verdaupeptide, da in der Elektrosprüh-Ionenquelle praktisch nur Molekülionen und keine Fragmentionen gebildet werden, wenn auch in verschiedenen Ladungsstufen. Sollen jetzt ein oder mehrere Peptide auf ihre Sequenz aus Aminosäuren hin untersucht werden, so isoliert man beispielsweise mit üblichen Mitteln die dreifach geladenen Ionen dieses Peptids; das heißt, man überfüllt zunächst die Ionenfalle und wirft dann alle Ionen aus der Ionenfalle aus, die nicht dreifach geladene Ionen dieses Peptids sind. Die dreifache Ladung erkennt man am Abstand der Isotopenlinien voneinander, die für dreifach geladene Ionen genau 1/3 atomare Masseneinheiten beträgt. Stehen dreifach geladene Ionen nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung, so können auch Ionen einer anderen Ladungsstufe verwendet werden.
  • Diese nunmehr isolierten mehrfach geladenen Ionen werden durch eine kurze Wartezeit von einigen Millisekunden durch das immer vorhandene Stoßgas in das Zentrum der Falle hinein abgebremst. Sodann werden die negativ geladenen Ionen hinzugefügt. Diese Ionen werden hier in einer gesonderten Ionenquelle (8) für negative chemische Ionisierung (Elektronenanlagerungsionenquelle) erzeugt und über ein kleines Ionenleitsystem (7) zu einer Ionenweiche geführt, wo sie in das Ionenleitsystem (9) zur Ionenfalle (11, 12, 13) eingefädelt werden. Ionenleitsysteme dieser Art können sowohl positive, wie auch negative Ionen weiterleiten. Die Ionenweiche besteht in der hier gezeigten Ausführung einfach aus einer Lochblende (6), an die geeignete Gleichspannungspotentiale angelegt werden können, und aus einer Verkürzung eines oder zweier Stäbe des stabförmigen Ionenleitsystems (9). Besonders günstig für diese sehr einfache Art einer Ionenweiche ist es, wenn ein Oktopolsystem als Ionenleitsystem verwendet wird; günstig ist dann eine Verkürzung zweier Polstäbe. Diese Ionenweiche kann die Ionen der Elektrosprüh-Ionenquelle (1, 2) bei geeigneten Spannungen an der Lochblende (6) ungehindert durchlassen; mit anderen Spannungen werden die negativen Ionen aus der Ionenquelle (8) in das Ionenleitsystem (9) hinein reflektiert. Über dieses Ionenleitsystem (9) gelangen sie zur Ionenfalle und werden dort in üblicher Weise durch eine Einschussoptik (10) eingespeichert. Sie reagieren dabei sofort (innerhalb weniger Millisekunden) mit den positiven Ionen.
  • Nach bisheriger Technik war es notwendig, die Substanzen zur Herstellung der Radikal-Anionen wegen ihres niedrigen Dampfdrucks in einem auf 50° bis 250° Celsius heizbaren Behälter (18) zu halten, der nahe zur gleichfalls geheizten Elektronenanlagerungsionenquelle (8) angebracht war. Dabei wurde meist auf jedes Ventil verzichtet, so dass ein Absperren des Substanzbehälters nicht möglich war. Wie schon im einleitenden Teil dargelegt, ist diese Anordnung nachteilig, weil sich dadurch die Substanzen schnell verbrauchen und für jedes Nachfüllen der Substanz das Vakuumsystem des Massenspektrometers belüftet werden muss. Durch die Erfindung, Substanzen höheren Dampfdrucks für ETD verwenden zu können, kann die Substanz, beispielsweise das Cyclooctatetraen, jetzt in einem Behälter (19) außerhalb des massenspektrometrischen Vakuumsystems gehalten werden. Das Nachfüllen wird jetzt sehr einfach. Außerdem kann der Behälter (19) bei Raumtemperatur gehalten werden. Es entfallt somit die Schwierigkeit, eine geheizte Gasleitung durch die ungeheizten Wände des Vakuumsystems führen zu müssen. Dieser Behälter (19) kann beispielsweise direkt vom Methan aus einem Vorratsbehälter (20) durchspült werden, das für die Elektronenanlagerungsionenquelle als Thermalisierungsgas gebraucht wird. Das Methan nimmt dabei genügend Substanz für die Erzeugung der Radikal-Anionen mit. Die Gasleitung kann dabei auch leicht durch ein Ventil (21) verschließbar gehalten werden. Dadurch kann die Zufuhr der Substanz und auch des Thermalisierungsgases bei Bedarf unterbrochen werden. Es können durch mehrere Behälter und mehrere Ventile auch mehrere Ausgangssubstanzen umschaltbar verwendet werden.
  • Beim Prozess der Elektronentransfer-Dissoziation bleiben manchmal die gebildeten Fragmentionen assoziiert und bilden nicht sehr stabile Radikal-Kationen, die aber nicht sofort zerfallen. Es ist daher günstig, eine schwache dipolare Anregungswechselspannung für eine resonante Anregung dieser Radikal-Kationen an die beiden Endkappen (11, 13) der Ionenfalle zu legen. Die Frequenz für diese Anregungswechselspannung kann aus der bekannten Masse dieser Radikal-Kationen und ihrer bekannten Ladung berechnet werden. Diese Anregungsspannung bewirkt, dass diese Radikal-Kationen rasch zerfallen, wozu nur relativ schwache Stöße notwendig sind, und wodurch die Ausbeute der gewünschten Fragmentionensorten erhöht wird.
  • Die in der Elektronenanlagerungsionenquelle aus dem Cyclooctatetraen erzeugten nichtradikalen Anionen der Masse m = 99 Da können erfolgreich für eine Ladungsverminderung durch Protonentransfer-Reaktionen eingesetzt werden. Leider ließen sie sich in ersten Versuchen nicht völlig sauber von den Radikal-Anionen getrennt aus der Ionenquelle extrahieren. Da aber aus Gründen der Zeitersparnis meist Ladungsverminderung und Elektronentransfer-Dissoziation gleichzeitig ausgeführt werden, können auch die nicht sauber getrennten Ionenarten gut eingesetzt werden. Das Verhältnis beider Ionenarten lässt sich durch die Extraktionsspannung an der Ionenquelle in weiten Grenzen einstellen.
  • Es ist wahrscheinlich, dass sich die Extraktionsbedingungen aus der Ionenquelle für die nichtradikalen Anionen durch konstruktive Änderungen noch verbessern lassen. Es ist aber durch das erfindungsgemäße Anbringen des Substanzbehälters bei Umgebungstemperatur außerhalb des Vakuumsystems mit einem Ventil in der Gasleitung auch leicht möglich, durch weitere Behälter und weitere Ventile weitere Substanzen ähnlichen Dampfdrucks in die Elektronenanlagerungsionenquelle einzuführen, von denen beispielsweise eine allein der Herstellung nichtradikaler Anionen dienen kann, wenn eine saubere Protonentransfer-Reaktion ohne gleichzeitig stattfindendes ETD benötigt wird.
  • Der einschlägige Fachmann kann in Kenntnis darüber, dass auch Substanzen mit niedrigem Dampfdruck oder niedrigem Molekulargewicht als Ausgangssubstanzen für die Herstellung von Radikal-Anionen für ETD verwendet werden können, weitere Maßnahmen treffen, die eine Handhabung des Massenspektrometers oder eine Durchführung der Analysenverfahren erleichtern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - et al. wird dargelegt [0008]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung von Radikal-Anionen für die Elektronentransfer-Dissoziation von Biopolymeren in Massenspektrometern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aliphat mit einer Elektronenaffinität zwischen 0,3 und 0,8 Elektronenvolt als Ausgangssubstanz verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aliphat mit Doppelbindungen als Ausgangssubstanz verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 1-3-5-7-Cyclooctatetraen als Ausgangssubstanz verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radikal-Anionen der Ausgangssubstanz in einer Elektronenanlagerungsionenquelle hergestellt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der gleichen Ausgangssubstanz, aus der die Radikal-Anionen für die Elektronentransfer-Dissoziation hergestellt werden, auch nicht radikale Anionen für eine Ladungsverminderung hergestellt werden.
  6. Massenspektrometer mit einer vakuuminternen Elektronenanlagerungsionenquelle zur Herstellung von Radikal-Anionen für eine Elektronentransfer-Dissoziation von Biopolymeren, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Behälter für die Ausgangssubstanz zur Herstellung der Radikal-Anionen außerhalb des Vakuumsystems befindet.
  7. Massenspektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Behälter auf Umgebungstemperatur befindet.
  8. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasleitung vorhanden ist, die Thermalisierungsgas für die Elektronenanlagerungsionenquelle zunächst durch den Behälter führt, wodurch Dampf der Ausgangssubstanz zur Elektronenanlagerungsionenquelle transportiert wird.
  9. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Behälter und Elektronenanlagerungsionenquelle ein Ventil befindet.
  10. Massenspektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Behälter und mehrere Ventile für mehrere Ausgangssubstanzen vorhanden sind.
  11. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenanlagerungsionenquelle vorhanden ist, die auch nichtradikale Anionen für eine Ladungsverminderung durch Protonentransfer-Reaktionen liefern kann.
  12. Massenspektrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenanlagerungsionenquelle vorhanden ist, die nichtradikale Anionen aus der gleichen Ausgangssubstanz erzeugen kann, die für die Radikal-Anionen für die Elektronentransfer-Dissoziation verwendet wird.
  13. Massenspektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Behälter eine Ausgangssubstanz für die Herstellung nichtradikaler Anionen für eine Ladungsverminderung enthält.
  14. Verfahren für die Elektronentransfer-Dissoziation in Massenspektrometern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aliphat mit einer Elektronenaffinität zwischen 0,3 und 0,8 Elektronenvolt als Ausgangssubstanz zur Herstellung der dazu benötigten Radikal-Anionen verwendet wird.
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