Espectrometria de Mobilidade Iônica

Espectrometria de Mobilidade Iônica (IM-MS) é uma técnica de eletroforese na fase gasosa, a qual permite que analitos sejam separados com base nos seus estados de carga e tamanho/conformações. Estudos em IM-MS iniciaram em

12

Cotter, R.J. Anal. Chem. 1980, 52, 1762-1770.

13

Fenn, J.B.; Mann, M.; Meng, C.K.; Wong, S.F. Science. 1989, 246, 64-71.

14

Hillenkamp, F.; Karas, M.; Beavis, R.C.; Chait, B.T. Anal. Chem. 1991, 63, 1193-1203.

15 _{Shukla, A.K.; Futrell, J.H. Mass Spectrom. Rev. 1993, 12, 211-255.} 16

Hu, Q.; Noll, R.J.; Li, H.; Makarov, A.; Hardman, M.; Cooks, G.R. J. Mass Spectrom. 2005, 40, 430-443.

17

Satoh, T.; Tsuno, H.; Iwanaga, M.; Kammei, Y. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005, 16, 1969-1975.

18 _{Klitzke, C.F.; Corilo, Y.E.; Siek, K.; Binkley, J.; Patrick, J.; Eberlin, M.N. Energy Fuels. 2012, 26, 5787-5794.} 19

Cody, R.B.; Laramée, J.A.; Durst, H.D. Anal. Chem. 2005, 77, 2297-2302.

20

Takáts, Z.; Wiseman, J.M.; Gologan, B.; Cooks, R.G. Science. 2004, 306, 471-473.

21 _{McDonnell, L.A.; Heeren, R.M. Mass Spectrom. Rev. 2007, 26, 606-643.} 22

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meados dos anos 50 por E. W. McDaniel[23]. A mobilidade de um íon é definida

como o quão rapidamente este íon em fase gasosa sob a influência de um campo elétrico se move através de um gás, e isto depende diretamente de dois fatores: a seção de choque de colisão (CCS) e o estado de carga. Pela medida do tempo de

travessia (dT) do íon através de uma distância conhecida é possível determinar

sua CCS com precisão. O acoplamento da mobilidade iônica com a espectrometria de massas deu-se no fim dos anos 60, onde foram realizados

acoplamentos com espectrômetros contendo analisadores do tipo Q[24] e TOF[25].

Tipicamente experimentos de mobilidade iônica são realizados em celas do tipo drift cell (DCIM), que é constituída basicamente de um tubo linear preenchido com hélio onde um campo elétrico fraco leva ao deslocamento dos íons através do tubo. A condição primária deste campo elétrico é que a energia térmica causada pelas colisões do gás deve ser maior que a energia que os íons obtêm desse campo elétrico. Quando isto ocorre, os íons acabam por possuir energia similar às moléculas do gás e consequentemente o processo de difusão passa a ser

dominante[26]. Sob estas condições de baixo campo elétrico, a velocidade do íon

passa a ser regida pelo próprio campo, e esta proporcionalidade é denominada constante de mobilidade (K), que está relacionada diretamente a CCS pela Eq.1:

K =

x (

)

x (

)

x (

)

Onde q é a carga do íon, N é o número da densidade do gás, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura absoluta, m é a massa do gás, M é a massa do íon e Ω é a CCS do íon. Outro parâmetro interessante é o estado de carga do íon que leva a diferentes valores de K, tornando possível separar m/z coincidentes baseado em suas ordens oligoméricas e/ou estados confomacionais. (Figura 1).

23

McDaniel, E.W.; Martin, D.W.; Bames, W.S. Rev. Sci. Instrum. 1962, 33, 2-7.

24

Albritton, D.L.; Miller, T.M.; Martin, D.W.; McDaniel, E.W. Phys. Rev. 1968, 171, 94-102.

25 _{Edelson, D.; Morrison, J.A.; McKnight, L.G.; Sipler, D.P. Phys. Rev. 1967, 164, 71-75.} 26

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Nos últimos anos IM-MS tem ganhado importância como uma ferramenta na análise estrutural e particularmente usada para revelar a conformação de proteínas e complexos proteicos. Logo após o desenvolvimento das técnicas brandas de ionização no início dos anos 90 iniciaram-se os trabalhos com compostos de relevância biológica. Alguns dos trabalhos mais influentes foram

desenvolvidos por M. Bowers[27], M. Jarrold[28], D. Clemmer[29] e R. Hill[30] e suas

investigações levaram a formação de diversos outros grupos voltados a estudos com IM-MS bem como o desenvolvimento de equipamentos comerciais.

Figura 1. IM-MS permite a separação de espécies com m/z coincidentes: Separação de agrômeros e confórmeros por ordem oligomérica e conformacional, respectivamente. Fonte: modificado de Wu

et al[30].

Devido ao seu potencial, a técnica de IM adiciona uma nova dimensão na separação de compostos com grande aplicabilidade em misturas complexas. Diversos grupos de pesquisa e empresas investiram em melhorias no acoplamento com MS, redução do ciclo de trabalho além do aumento da resolução

27

Wyttenbach, T.; Witt, M.; Bowers, M.T. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3458-3464.

28

Hudgins, R.R.; Ratner, M.A.; Jarrold, M.F. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 12974-12975.

29 _{Liu, Y.S.; Clemmer, D.E. Anal. Chem. 1997, 69, 2504-2509.} 30

Wu, C.; Siems, W.F.; Asbury, G.R.; Hill, H.H. Anal. Chem. 1998, 70, 4929-4938. Separação de íons

por ordem oligomérica (agrômeros)

Seperação de íons por conformação (conformeros isobáricos) p u lso d e ío n s m/z co inci d en tes Separação de íons por estado de agregação

Separação de íons por conformação (conformeros isóbaros)

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de separação. Como consequência destes investimentos em IM-MS uma configuração instrumental diferente denominada Traveling Wave (TWIM) foi

disponibilizada em equipamentos comerciais, sendo a única até então[31].

Diferentemente de celas de mobilidade tradicionais onde um baixo campo elétrico é aplicado continuamente na cela, em TWIM um alto campo de voltagens de radio frequência (RF) são aplicadas nos segmentos da cela levando ao aprisionamento de pacotes de íons em vales de potencial. Pulsos de voltagem de corrente direta (DC) são aplicados de modo a sobrepor o potencial RF fazendo com que os íons viagem através da cela preenchida com gás descrevendo um movimento

ondulatório[32] (Figura 2).

Figura 2. Movimento de íons na cela de TWIM sob influência de um campo de RF. Fonte: modificado de www.waters.com.

Instrumentalmente a cela de TWIM é composta por um guia de íons RF

composto por eletrodos anelares empilhados (SRIG)[33] em posição perpendicular

ao feixe de íons. A estes eletrodos adjacentes do SRIG são aplicadas voltagens RF defasadas de 90°, gerando uma barreira radial de potencial (Figura 3). Tais características permitem a separação por mobilidade iônica.

31 _{Pringle, S.D.; Giles, K.; Wildgoose, J.L.; Williams, J.P.; Slade, S.E.; Thalassinos, K.; Bateman, R.H.;}

BowersM.T.; Scrivens, J.H. Int. J. Mass Spectrom. 2007, 261, 1-12.

32

Shvartsburg, A.A.; Smith, R.D. Anal. Chem. 2008, 80, 9689-9699.

33 _{Giles, K.; Pringle, S. D.; Worthington, K. R.; Little, D.; Wildgoose, J. L.; Bateman, R. H. Rapid Comm. Mass} Spectrom. 2004. 18, 2401-2414.

íons

_sentido

6 Figura 3. (A) Esquema do SRIG. (B) Deformação do campo causado pela RF. (C) Anéis defasados em 90°. Fonte: modificado de www.waters.com.

TWIM foi incorporado inicialmente ao instrumento SynaptTM HDMS,

fabricado pela Waters (Manchester, UK), cuja geometria é apresentada na Figura 4. Este instrumento possui geometria Q-TOF, porém com uma seção de TWIM entre os dois analisadores. Esta seção compreende três celas consecutivas (TriWave). A primeira denominada trap tem como função aprisionar os íons vindos do quadrupolo e em intervalos regulares injeta-los na cela de TWIM. A terceira cela transfer é utilizada para guiar os íons ao TOF, mantendo a separação da

mobilidade[33]. Pelo fato da cela de mobilidade do tipo TWIM operar de maneira

totalmente diferente dos instrumentos com celas DC, a relação entre a CCS e o dT

de um íon não é a mesma que a observada em DCIM, e uma relação matemática direta ainda não foi determinada. Dessa maneira, medidas de CCS em instrumentos com celas TWIM são atualmente realizadas mediante calibração com íons de CCS conhecida, um método que fornece valores experimentais de CCS

em concordância com valores teóricos, sendo também bastante reprodutíveis[34].

34 _{Scarff, C. A.; Thalassinos, K.; Hilton, G. R.; Scrivens, J. H. Rapid Comm. Mass Spectrom. 2008. 22, 3297-}

3304. Circuitos elétricos Entrada de gás Placa lateral Abertura T-Wave Eletrodos anelares Saída T-Wave RF (+) RF (–) (A) (B) (C)

7 Figura 4. Representação esquemática do instrumento SynaptTM HDMS da Waters. Fonte: modificado de www.waters.com.

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Capítulo 1. Estudos de mobilidade iônica e fragmentação na fase

gasosa em proteômica estrutural: Uso de agentes de ligação cruzada