La espectrometría de movilidad iónica-espectrometría de masas ( IMS-MS ) es un método de química analítica que separa iones en fase gaseosa en función de su interacción con un gas de colisión y sus masas. En el primer paso, los iones se separan según su movilidad a través de un gas tampón en una escala de tiempo de milisegundos utilizando un espectrómetro de movilidad iónica . Luego, los iones separados se introducen en un analizador de masas en un segundo paso donde se pueden determinar sus relaciones masa-carga en una escala de tiempo de microsegundos. [1] La separación efectiva de analitos lograda con este método lo hace ampliamente aplicable en el análisis de muestras complejas como en proteómica y metabolómica.
Earl W. McDaniel ha sido considerado el padre de la espectrometría de masas por movilidad iónica. [1] A principios de los años 1960, acopló una celda de deriva de movilidad iónica de campo bajo a un espectrómetro de masas sectorial. [2]
La combinación de espectrometría de masas de tiempo de vuelo y espectrometría de movilidad iónica fue iniciada en 1963 en Bell Labs . En 1963 McAfee y Edelson publicaron una combinación IMS-TOF. En 1967 McKnight, McAfee y Sipler publicaron una combinación IMS-TOF. Su instrumento incluía un TOF ortogonal. [3] En 1969 Cohen et al. presentaron una patente sobre un sistema IMS-QMS. El QMS en ese momento era una mejora en comparación con el TOFMS, porque el TOFMS tenía sistemas de adquisición de datos electrónicos lentos en ese momento. En 1970, Young, Edelson y Falconer publicaron un IMS-TOF con extracción ortogonal. [4] Parecen haber utilizado el mismo sistema que McKnight et al. en 1967, incorporando ligeras modificaciones. Su trabajo fue posteriormente reproducido en el histórico libro de Mason/McDaniel, considerado la “biblia de IMS” por los expertos en la materia.
En 1996, Guevremont et al. presentaron un póster en la conferencia ASMS sobre IMS-TOF. En 1997, Tanner patentó un cuadrupolo con campos axiales que se puede utilizar como celda de deriva para la separación IMS. También menciona la combinación de estos cuadrupolos con un TOFMS ortogonal. En 1998, Clemmer desarrolló una combinación IMS-TOF, utilizando una configuración IMS-TOF coaxial. [5] En 1999, Clemmer desarrolló un IMS-TOF con un sistema TOF ortogonal. [6] Este trabajo condujo al desarrollo de un instrumento de movilidad iónica-cuadrupolo-CID-TOFMS por Micromass en el Reino Unido y, en última instancia, llevó a Micromass / Waters Corporation a desarrollar el primer instrumento comercial de espectrómetro de masas de movilidad iónica del mundo en 2006. El Synapt, como se lo llama, incorpora un cuadrupolo de premovilidad iónica que permite la selección de iones precursores antes de la separación IMS, mejorando aún más la flexibilidad de las combinaciones de movilidad iónica-espectrometría de masas. En 2013, Agilent Technologies lanzó el primer espectrómetro de masas de movilidad iónica con tubo de deriva comercial llamado 6560 con un tubo de deriva de 80 cm. Los embudos de iones se utilizan para mejorar la eficiencia de transmisión de iones. Por lo tanto, el diseño mejoró en gran medida la sensibilidad de la movilidad iónica y permitió la comercialización. [7]
Una variación de IMS-MS es la espectrometría de masas por movilidad iónica diferencial (DIMS-MS), en la que los iones de la fase gaseosa se separan en función de su movilidad iónica en intensidades variables de campos eléctricos. [8] Gary Glish y el Grupo Glish están desarrollando actualmente este método analítico . [8]
El IMS-MS es una combinación de un espectrómetro de movilidad iónica [9] y un espectrómetro de masas , como lo analiza la profesora Claire E. Eyers y sus colegas en una revisión reciente. [7]
La primera etapa del instrumento es una fuente de iones donde las muestras se convierten en iones en fase gaseosa. Se han empleado muchos métodos de ionización similares a los utilizados tradicionalmente para la espectrometría de masas para IM-MS dependiendo del estado físico del analito. [9] Las muestras en fase gaseosa se ionizan típicamente con ionización radiactiva, ionización por descarga de corona y técnicas de fotoionización . La ionización por electrospray es un método común para ionizar muestras en solución. [1] Los analitos en fase sólida se ionizan con ionización por desorción láser asistida por matriz (MALDI) para moléculas de masa grande o ionización por desorción láser (LDI) para moléculas con masas más pequeñas.
Existen distintos tipos de espectrómetros de movilidad iónica y distintos tipos de espectrómetros de masas. En principio, es posible combinar todos los tipos de los primeros con cualquier tipo de los segundos. Sin embargo, en el mundo real, se combinan distintos tipos de movilidad iónica con distintos tipos de espectrómetros de masas para lograr una sensibilidad razonable. A continuación se describen los principales tipos de espectrómetros de movilidad iónica que se han acoplado a un espectrómetro de masas para aplicaciones IM-MS.
En DTIMS, los iones se desplazan a través de un tubo cuya longitud puede variar de 5 cm a 300 cm utilizando un gradiente de campo eléctrico. Los iones más pequeños viajan más rápido a través del tubo de deriva que los iones con una sección transversal de colisión más grande. Por lo tanto, los iones se separan en función de su tiempo de deriva a través del tubo. [10] La movilidad iónica del tubo de deriva no emplea voltaje de RF que puede calentar los iones, y puede preservar la estructura de los iones. La sección transversal de colisión promediada rotacionalmente (CCS), que es una propiedad física de los iones que refleja la forma de los iones, se puede medir con precisión en la movilidad iónica del tubo de deriva. [11] El poder de resolución es alto (la resolución de CCS puede ser superior a 100). La movilidad iónica del tubo de deriva se utiliza ampliamente para el análisis de estructuras. Por lo general, se combina con un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo (TOF). [7]
También conocida como espectrometría de movilidad iónica de forma de onda asimétrica de campo (FAIMS) o espectrometría de movilidad iónica RF-DC es una técnica en la que los iones se separan mediante la aplicación de una forma de onda asimétrica de alto voltaje en radiofrecuencia (RF) combinada con una forma de onda estática ( DC ) aplicada entre dos electrodos. [12] [13] Dependiendo de la relación entre la movilidad de campo alto y campo bajo del ion, migrará hacia uno u otro electrodo . Solo los iones con movilidad específica pasarán a través del dispositivo. Es bien sabido que el campo de RF alto distorsiona la conformación de los iones, por lo que FAIMS es una técnica de separación sin preservar la estructura de los iones y no se pueden medir los CCS de los iones. [14] Debido a que FAIMS es un selector de masa (se excluyen otros iones), la sensibilidad en el modo de escaneo es mucho menor que la de la movilidad iónica del tubo de deriva (se analizan todos los iones). Por lo tanto, el FAIMS suele estar acoplado a un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo, que también es un instrumento de tipo selección de iones.
En TWIMS, los iones se separan según su movilidad a través de una onda viajera en una celda llena de gas. Se aplican voltajes de radiofrecuencia (RF) y corriente continua (CC) a una serie de electrodos de anillo llamados guía de iones de anillo apilado (SRIG) para confinar los iones y crear una onda viajera. [7] Según la velocidad y la magnitud de la onda viajera, los iones se pueden separar. Los iones más pequeños tienen mayor movilidad a través de la onda debido a menos colisiones con moléculas de gas y salen de la celda más rápido que los iones de menor movilidad (iones más grandes). De manera similar a DTIMS, los valores CCS de iones se pueden calcular con TWIMS utilizando una calibración derivada con estándares conocidos. [15] Un ejemplo comercial de la instrumentación TWIMS-MS es el instrumento Synapt G2-S de Waters Corp.
El instrumento tradicional IM-MS utiliza un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo (TOF) interconectado a un IMS. [1] El TOF-MS tiene muchas ventajas, incluida la alta velocidad de adquisición de datos y una buena sensibilidad. Dado que los datos espectrales de masas se adquieren en una escala de tiempo de microsegundos, se recopilan múltiples espectros de masas para cada espectro IMS (adquirido en una escala de tiempo de milisegundos). El espectrómetro de masas cuadrupolo también se ha acoplado a un IMS, aunque a una velocidad de escaneo más lenta. Otros espectrómetros de masas, incluidos los de trampa de iones, resonancia ciclotrónica iónica por transformada de Fourier (FT-ICR) o espectrómetros de masas del sector magnético, también se han acoplado a diferentes IMS para diversas aplicaciones. [10] Además, los espectrómetros de masas híbridos se han interconectado a más de una celda de movilidad iónica para aplicaciones n- MS m en tándem o IMS . [16]
La técnica IM-MS se puede utilizar para analizar mezclas complejas basadas en diferentes movilidades en un campo eléctrico. La estructura iónica en fase gaseosa se puede estudiar utilizando IM-MS a través de la medición de la CCS y la comparación con la CCS de muestras estándar o la CCS calculada a partir de modelos moleculares. La relación señal-ruido mejora obviamente porque el ruido se puede separar físicamente con la señal en IM-MS. Además, los isómeros se pueden separar si sus formas son diferentes. La capacidad de pico de IM-MS es mucho mayor que la de MS, por lo que se pueden encontrar y analizar más compuestos. Esta característica es muy crítica para el estudio -ómico que requiere analizar tantos compuestos como sea posible en una sola ejecución. [17] Se ha utilizado en la detección de agentes de guerra química, detección de explosivos, en proteómica para el análisis de proteínas, péptidos, moléculas similares a fármacos y nanopartículas. [18] Además, IM-MS se puede utilizar para monitorear intermediarios de reacción isoméricos y sondear su cinética. [19] Recientemente, el FAIMS a microescala se ha integrado con la ionización por electrospray MS y la cromatografía líquida MS para separar rápidamente los iones en milisegundos antes del análisis de masas. El uso de FAIMS a microescala en la ionización por electrospray MS y la cromatografía líquida MS puede mejorar significativamente la capacidad de pico y la relación señal-ruido para una variedad de aplicaciones, incluidas la proteómica y el análisis farmacéutico. [20]
Recientemente, se han utilizado métodos de activación de iones en fase gaseosa para obtener nuevos conocimientos sobre estructuras complejas. El desdoblamiento inducido por colisión (CIU) es una técnica en la que se aumenta la energía interna de un ion mediante colisiones con un gas tampón antes del análisis IM-MS. El desdoblamiento del ion se observa a través de CCS más grandes, y la energía a la que se produce el desdoblamiento corresponde parcialmente a interacciones no covalentes dentro del ion. [21] Esta técnica se ha utilizado para diferenciar enlaces de poliubiquitina [21] y anticuerpos intactos. [22]