Improvements for High Resolution Analysis on a Modified Tribrid Mass Spectrometer

Význam tématu

Analytická kapacita FTMS a zejména Orbitrap technologií je klíčová pro precizní charakterizaci biomolekul, lipidů a metabolitů. Omezení vyplývající z iontových interakcí, kolizí s neutrálním plynem a nedokonalého tvaru orbitrapu snižují rozlišení, signál a přesnost měření. Zlepšení vakuového prostředí a optimalizace elektród přináší zásadní vylepšení citlivosti, rozlišení a odolnosti vůči šumovým jevům.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo modifikovat Orbitrap Fusion Tribrid hmotnostní spektrometr ve dvou klíčových bodech:

• redesign vakuového systému pro snížení průniku plynů do analyzátoru (C-trap a Orbitrap komora),
• precizní sladění elektród orbitrapu podle ideálního profilu pro minimalizaci peak coalescence (souznění blízkých iontových mračen).

Studie prezentuje následné porovnání výkonu původního a modifikovaného přístroje na standardních kalibračních směsích, intact proteinech, lipidech a biologických vzorcích pro metabolomiku.

Použitá metodika a instrumentace

Protokol zahrnoval:

• Orbitrap Fusion Tribrid MS po úpravách vakuového systému (přídavné vývěvy z 80 na 290 l/s, odstranění materiálu omezujícího vedení plynu),
• optimalizované elektródy Orbitrap analyzátoru
• infuze standardních směsí (n-butylamin, MRFA peptid, Ultramark) a intact proteinů (myoglobin, karboanhydráza II),
• lipidomika: infuze L-α-fosfatidylcholinů z vaječného PC,
• metabolomika: LC/MS analýza moči po dávce lansoprazolu (Hypersep C18 SPE extrakce, Dionex Ultimate 3000, gradient 5–95 % ACN, průtok 400 µL/min).

Hlavní výsledky a diskuse

Bylo prokázáno:

• 30–50% zrychlení úbytku tranzientu (+32 charge state ovoce karbonické anhydrázy) při nižším tlaku plynů v modifikované komoře,
• porovnání S/N pro intact proteiny ukázalo podobnou citlivost při extrémně nízkém tlaku a výrazné zlepšení S/N nad 1 mtorr,
• koalescence špiček u standardního peptidu MRFA se posunula k vyšší toleranci, počet izolovaných izotopů se zvýšil o 36 % při 240k rozlišení,
• separace sousedních špiček v lipidomice (PC 16:0/18:1 vs. 2x13C/18O izotop PC 16:0/18:2) byla možná při 500k rozlišení u prototypu, kde u původního systému docházelo ke koalescenci,
• v metabolomice bylo možné rozeznat glukuronidový metabolit lansoprazolu od původní molekuly s rozlišením ~760k.

Přínosy a praktické využití metody

Díky vylepšenému vakuovému vedení a přesnému sladění elektród přístroj:

• umožňuje vysoce izotopické rozlišení (>500 000 při m/z 200) i u středně těžkých proteinů,
• zvyšuje odolnost vůči koalescenci iontových mračen, což zlepšuje kvantitativní přesnost,
• rozšiřuje využití pro top-down proteomiku, lipidomiku a vysoce rozlišenou metabolomiku farmakokinetiky.

Budoucí trendy a možnosti využití

Vývoj se dále orientuje na:

• podpora ultra vysokého rozlišení až do 1 000 000 pro detailní mapování proteoform,
• integrace s rychlými chromatografickými systémy pro výrazné zkrácení analýz,
• aplikace v klinické metabolomice pro biomarker screening a personalizovanou medicínu,
• použití AI-řízené optimalizace provozních parametrů pro automatické udržení špičkového výkonu.

Závěr

Modifikace vakuového systému a Orbitrap elektród vedou k významnému zlepšení kvality dat: rychlejší útlum tranzientu, vyšší poměr signál/šum, lepší izotopické rozlišení a odolnost proti koalescenci. Tyto úpravy rozšiřují možnosti využití Orbitrap Fusion MS v náročných aplikacích proteomiky, lipidomiky i farmakometabolomiky.

Reference

• A. Makarov, E. Denisov. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2009, 20, 1486–1495.
• D. W. Mitchell, R. D. Smith. Phys. Rev. A 1995, 52(4), 4366.
• A. Kharchenko et al. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2012, 23, 977–987.
• A. Makarov et al. Crowd Control of ions in Orbitrap mass spectrometry, ASMS 2012.