ZÁKLADY INTERPRETACE HMOTNOSTNÍCH SPEKTER

Význam tématu

Interpretace hmotnostních spekter představuje základní krok při spektrometrické charakterizaci organických sloučenin a biopolymerů. Umožňuje potvrdit sumární vzorec, odhalit strukturální podrobnosti, detekovat izomery či nestabilní deriváty. Díky rychlému rozvoji hmotnostně spektrometrických technik a vysokému rozlišení se tato metoda stala nedílnou součástí farmaceutického vývoje, analýzy přírodních produktů, environmentální chemie i biochemie.

Cíle a přehled studie / článku

Autoři předkládají systematický návod k interpretaci základních hmotnostních spekter získaných elektronovou ionizací (EI) nízkomolekulových organických látek a ke čtení produktových MS/MS spekter peptidů. Článek shrnuje klíčová pravidla fragmentace, využití izotopové obálky, přístup per analogiam a de novo strategie pro biopolymery s omezeným počtem stavebních jednotek. Cílem je nabídnout ucelený výklad usnadňující správnou strukturální interpretaci.

Použitá metodika a instrumentace

Popisované přístupy vycházejí z experimentů s elektronovou ionizací (EI) a plynovou chromatografií spojenou s hmotnostní spektrometrií (GC–MS). K měření izotopových obálek byly diskutovány vysoko-rozlišující analyzátory (FT-ICR MS) využívající techniky SORI-CID, IRMPD, ECD nebo ETD pro produktové MS/MS spektra biopolymerů. Zmíněna je nutnost přesné kalibrace, optimalizace parametrů ionizace a volby vhodného analyzátoru podle povahy vzorku.

Hlavní výsledky a diskuse

Popis fragmentačních mechanismů zdůrazňuje sigma-štěpení, alfa- a beta-fragmentaci, retro-Diels-Alder, McLaffertyho přesmyk či orthoefekty. Nitrogenové pravidlo pomáhá ověřit sumární vzorec, ekvivalent dvojných vazeb (rdb) naznačuje stupně nasycení. Analýza izotopových obálek C, Cl, Br, S a jemné izotopové struktury usnadňuje odhad elementárního složení. Metoda per analogiam využívá srovnání se známým standardem. De novo interpretace MS/MS peptidů zahrnuje identifikaci iminiových iontů, zvlášť bi a yi sérií, doplněnou derivatizacemi N- či C-konců. Bioinformatické nástroje (MassBank, ReSpect, GNPS, MyCompoundID, CycloBranch) podporují dereplikaci i sekvenování bez předchozích genomických dat.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé ověření molekulové hmotnosti a sumárního vzorce.
• Identifikace funkčních skupin a izomerů v organických syntézách i přírodních extraktech.
• De novo sekvenování peptidů, sacharidů a dalších biopolymerů.
• Podpora dereplikace známých metabolitů a přirozená selekce nových struktur.
• Integrace s dalšími metodami (NMR, rentgenka, kvantově-chemické výpočty).

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další prohlubování propojení hmotnostní spektrometrie s umělou inteligencí, strojovým učením a rozsáhlými spektrálními databázemi. Rozvoj rychlých vysoce-rozlišujících zobrazovacích technik (MSI) a hybridních instrumentů (orbitrap + TOF) přinese detailnější prostorové a strukturní informace. Další potenciál vidíme v integraci multi-omic přístupů (metabolomika, proteomika, glykomika) a vylepšené analýze nestabilních či nízce zastoupených látek.

Závěr

Správná interpretace hmotnostních spekter vyžaduje kombinaci sociochemické zkušenosti, detailní znalosti fragmentačních mechanismů, analýzy izotopových obálek a podpory bioinformatických nástrojů. Volba vhodného ionizačního zdroje a analyzátoru, stejně jako výměna dat mezi experimentem a in silico předpověďmi, zaručí spolehlivou strukturální charakterizaci.

Reference

1. Hamming M. C., Foster N. G.: Interpretation of Mass Spectra of Organic Compounds. Academic Press, New York 1972.
2. Zinkevich I. G., Ioffe B. V.: Interpretation of Mass Spectra of Organic Compounds. Khimiya, Leningrad 1986.
3. McLafferty F. W., Turecek F.: Interpretation of Mass Spectra. Univ. Science Books, Mill Valley 1993.
4. McLafferty F. W.: Org. Mass Spectrom. 15, 114 (1980).
5. Turecek F., Hanus V.: Mass Spectrometry Reviews 3, 85 (1984).
6. Nibbering N. M. M.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 15, 956 (2004).
7. Schwarz H.: Topics in Current Chemistry, Vol. 73, Springer, Berlin 1978.
8. Splitter J. S., Turecek F.: Applications of Mass Spectrometry to Organic Sterochemistry. Wiley, NJ, USA 1995.
9. Turecek F.: Collect. Czech. Chem. Commun. 52, 1928 (1987).
10. Beavis R. C.: Anal. Chem. 65, 496 (1993).
11. Holčapek M., Jirásko R., Lísa M.: J. Chromatogr. A 1217, 3908 (2010).
12. Chu I. K. et al.: Int. J. Mass Spectrom. 390, 24 (2015).
13. Grimme S.: J. Chem. Theory Comp. 15, 2847 (2019).
14. Domon B., Costello C. E.: Glycoconj. J. 5, 397 (1988).
15. Kind T., Fiehn O.: BMC Bioinf. 8, 20 (2007).
16. Horai H. et al.: J. Mass Spectrom. 45, 703 (2010).
17. Sawada Y. et al.: Phytochemistry 82, 38 (2012).
18. Bouslimani A., Sanchez L. M., Garg N., Dorrestein P. C.: Nat. Prod. Rep. 31, 718 (2014).
19. Huan T., Tang C., Li R., Shi Y., Lin G., Li L.: Anal. Chem. 87, 10619 (2015).
20. Allard P.-M. et al.: Anal. Chem. 88, 3317 (2016).
21. Novák J., Lemr K., Schug K. A., Havlíček V.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 26, 1780 (2015).