质谱研究纳米粒子的串联质谱检测

特里斯坦•Doussineau菲利普Dugourd和鲁道夫·安东尼

43岁的里昂大学LASIM / CNRS bd du 1918年11月11日,法国的f - 69622维勒班。电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

质量是一个关键属性相关的化合物数量的问题,他们的惯性,以及他们的能量。测量质量可以使用规模或一个平衡,两者都依赖于地球的引力。我们今天使用的平衡甚至可以在我们的实验室检测质量下降到10⁷g但这种测量方法变得不低于这一限制。事实上一个分子的质量,例如,非常非常小,测量其引力太小。这种低质量可以通过质谱仪测量使用电场或磁场分离根据其质荷(电离的化合物米/z)的比例。然而,传统质谱(MS)限制了重macro-ions MDa质量高于一个megadalton(1或10^-18年g)。¹超过这个限制,m / z光谱成为无法解决由于高质量离子不肯舍弃可能携带一个分布的指控。此外,大型离子可能不都有完全相同的质量由于样本异质性(即多分散性),剩余的水分子和反离子等吸附物。

一个解决方案来克服这些限制是来衡量的米/z比率和费用(z为每个离子)。这个单一离子质谱使一个质量,构建一份直方图产生真正的质量分布。一种方便的方法来测量单个离子的电荷是使用图像检测。multi-charged离子接近的导电表面的印象一个大小相等,方向相反的形象。特别是,如果离子穿过导电管,如果管足够长,象电荷等于电荷的离子。这种方法在1960年开创了谢尔顿描述用带电的微粒子。²基于图像电流检测的概念,charge-detection质谱(CD-MS)耦合的电喷雾电离(ESI), Benner和同事在1995年推出了重量与质量高于macro-ions megadalton之一。³通过multi-charged离子通过检测管引起的电压成正比的电荷离子,系统的容量成反比。这个感应信号的持续时间等于离子的飞行时间(ToF)通过检测器。通过测量,同时,速度和单个离子,加上测量加速电压,可以计算离子的质量。这允许一个扩展传统质谱的限制对高质量的化合物,作为大的DNA链,展示⁴病毒,^5,6液体滴⁷和macropolymers。^8,9,10

而单级实验女士决定一个分析物的质量,串联女士(MS / MS)可以提供有关它的结构的信息。典型的MS / MS实验涉及的离子质量选择感兴趣的第一阶段女士和激发离子离解和质量分析产生的碎片离子女士在第二阶段。MS / MS被用来阐明各种小到中型的结构分子离子。由于检测的难度较大,离子,使用MS / MS的化合物megadalton (MDa)分子量几乎是一个未知的领域。我们最近实现MS / MS实验单电喷雾离子从MDa分子量化合物,使用两个电荷检测设备(cdd)。⁹本文简要描述了质谱发展纳米粒子的质量和结构的决心。

仪表

我们开发了一个定制的串联充电检测质谱仪(CD-MS / MS)组成的一个电喷雾电离(ESI)来源两个ccd耦合。ESI源产生高度紧张macro-ions引导的质谱仪的离子火车(图1)。离子引导真空阶段室(10⁶mbar)包含两个相同cdd用作串联质谱仪。每个CDD由导电管共线离子束和连接到一个场效应晶体管(JFET)。的天信号,通过一个单一的离子通过检测管,由低噪声放大,电荷灵敏前置放大器,然后形成和分化自建放大器。信号波形数字转换器卡记录。数据转移到一个台式电脑,他们用另外一个用户程序进行了分析。负责执行校准使用测试电容器,允许一个已知数量的电荷脉冲到摄像管。

第一使用CDD单程的模式,允许离子被选择在第二CDD和测量。在单向的模式中,从每一个离子的信号组合产生的样本在电喷雾源测量。电噪音限制在CD-MS电荷测量。均方根(RMS)噪声±150 - 200 e通常是获得,强加一个低质量截止CD-MS约0.8 MDa和负责测量精度约为10 - 15%。除了电荷测量电路,减少噪音的方法,提高了限制单个离子的电荷测量re-measures电荷通过使用cdd的数组或一个静电离子阱。^8,11,12然而,适度负责测量精度主要由高计数率补偿,可以实现离子(1000年代¹)。从每个波形的分析,可以快速确定,知道加速电压,每个离子的质量如何穿过管。

第二个CDD作为封闭的静电离子阱,Benner提出的。¹²导电管周围是两个离子镜子之前(图2中,顶部)和离子门。在选择离子米/z和z第一个CDD的同步和离子门。一旦选择离子进入第二个CDD,它可以被困数几十毫秒。在平行实验进展,我们进行SIMION离子轨迹模拟。选择离子可以被困两离子间的镜子如果正确应用电压的电极离子镜子(图2中,底部)。事实上,这些模拟也帮助我们更好地理解初始动力学能量和速度的影响方向角的捕获效率。在捕获时间,连续波有限公司₂激光以同步的方式用于照射被困离子通过一个奈米窗口。

分子量的测定纳米颗粒

如前所述,在单次的模式中,每一个电喷雾离子穿过探测器可以测量。在此基础上,合成线性MDa的质量分布(从1 MDa - 7 MDa)聚(环氧乙烷)是准确确定。⁹获得的平均摩尔质量是在良好的协议与由供应商和我们能够提供一个多分散性指数。我们的第二个进行比较研究两亲性嵌段共聚物自组装nano-objects大小从78纳米到143纳米根据透射电子显微镜(TEM)。¹⁰它首先表明我们可以挑战极限的质谱几MDa gigadalton (GDa)。质量分布精确直方图允许,对于每个胶束样品,测定体重平均摩尔质量(M_w),平均摩尔质量(M_n)以及多分散性指数(M_w/ M_n按照IUPAC)定义。电喷雾源的多功能性“大象飞”¹³让我们研究一个大型面板nano-objects黄金和二氧化硅纳米颗粒等。为例,图3显示了质量分布获得nano-objects由两亲性嵌段共聚物自组装形成通过RAFT-mediated激进的乳液聚合¹⁴柠檬酸和胶态悬浮体的金纳米粒子由减少。¹⁵

MDa离子捕获和红外多光子离解的单身

选定一个macro-ion质量和电荷可以困在第二CDD在几十毫秒,对应几个数以百计的振荡。这生成一个电动小波探测器。第一个好处是,我们可以re-measure电荷和飞行时间多次改善离子震荡的陷阱z和米/zCD-MS测量精度的因素可以达到25 ~。在储存期间,单离子可以辐照有限公司₂激光。的有限公司₂激光提供低能红外光子。Macro-ions可以有效加热由多个吸收红外光子(红外多光子离解(IRMPD)实验)。¹⁶困单离子辐照时,剧烈的变化在捕获时间和最终形态小波的观测。一个例子为λ噬菌体的DNA记录离子摩尔质量(约31 MDa)如图4所示。我们观察一个诱导时间,几乎没有修改负责发生,然后,突然,宽松的离子不断指控在小于1毫秒。不再检测到之前,总电荷离子的减少了~ 70 e在每个往返。这对应于一个电荷损失率约1 e /微秒。常规费用损失作为时间的函数观察λ噬菌体离子是基地的支持连续亏损伴随着双链的逐渐拉开。

结论

CD-MS和CD-MS /女士,在单次的工作和多路模式,分别提供独特的化合物的摩尔质量从MDa数据GDa。特别是,摩尔质量分布的测定各种nano-objects已经证明这关键的描述可能延伸到所谓的“nanoworld”。静电离子阱的实现大大提高了质量测量的精度,并允许一个大型macro-ions分离动力学研究。特别是IRMPD被发现是一种很有前途的工具,研究单分子的离解的大型macroions在单一离子水平。

确认

我们感激ANR金融支持这项工作(ANR - 08 -上海步浪- 0110 - 01和ANR - 11 - pdoc - 032 - 01)。作者要感谢Xavier Dagany,基督教的键盘,米歇尔•Kerleroux雅克·马克•Barbaire Maurelli和弗兰克Bertorelle无价的技术援助与Cong-Yu包和马里昂Santacreu (MSc。学生)对这项工作的贡献。我们也感谢伯纳黛特Charleux,弗兰克张D 'Agosto和文静(法国里昂大学)在胶束纳米粒子富有成效的合作。

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