Тандемная масс-спектрометрия (МС/МС) основана на последовательном
использовании двух и более стадий масс-анализов, разделённых процессами
диссоциации ионов. Ключевая идея метода заключается в возможности не
только измерять массово-зарядное отношение молекулярных ионов, но и
целенаправленно исследовать их фрагментацию, что обеспечивает получение
структурной информации о соединении.
Процесс можно условно разделить на три этапа:
- Выделение ионов-предшественников – выбор
определённого иона из смеси по его m/z.
- Индуцированная фрагментация – столкновение
выбранного иона с молекулами газа или воздействие другим источником
энергии, приводящее к образованию характерных фрагментов.
- Анализ ионов-продуктов – регистрация спектра
фрагментов, отражающих строение исходной молекулы.
Таким образом, тандемная масс-спектрометрия сочетает селективность
первого анализа с информативностью последующего фрагментного
спектра.
Методы индукции диссоциации
Фрагментация в тандемной масс-спектрометрии достигается различными
методами, каждый из которых по-разному воздействует на
ион-предшественник:
- Коллизионно-индуцированная диссоциация (CID) –
наиболее распространённый метод. Ионы сталкиваются с молекулами
инертного газа (аргон, азот, гелий), в результате чего происходит
передача энергии и разрыв химических связей.
- Фотодиссоциация (PD) – возбуждение ионов под
действием ультрафиолетового или инфракрасного излучения. Используется
для исследования хромофорных ионов и биомолекул.
- Электронно-индуцированная диссоциация (EID) –
воздействие электронным пучком на ион, что приводит к специфическим
путям разложения.
- Электрон-захватная диссоциация (ECD) и
электрон-передающая диссоциация (ETD) –
специализированные методы для протеомики, позволяющие сохранять
лабильные посттрансляционные модификации.
- Поверхностно-индуцированная диссоциация (SID) –
столкновение иона с твёрдой поверхностью, что обеспечивает
высокоэнергетический режим фрагментации.
Выбор метода зависит от исследуемого объекта, типа масс-анализатора и
целей анализа.
Типы масс-анализаторов в
МС/МС
Тандемная масс-спектрометрия реализуется в различных схемах
соединения масс-анализаторов:
- Квадруполь–квадруполь (QqQ) – классическая система
тройного квадруполя. Первый квадруполь выделяет ион-предшественник,
второй служит ячейкой коллизионной диссоциации, третий анализирует
ионы-продукты. Широко используется в количественном анализе.
- Квадруполь–времяпролётный анализатор (Q-TOF) –
сочетание селективности квадруполя с высоким разрешением и скоростью
регистрации TOF-анализатора. Особенно эффективен в структурных
исследованиях и протеомике.
- Ионная ловушка (IT-MS) – позволяет осуществлять
последовательные стадии МС^n, где число этапов фрагментации превышает
два. Это расширяет возможности детального изучения структуры сложных
молекул.
- FT-ICR и Orbitrap – анализаторы сверхвысокого
разрешения, применяемые в сочетании с тандемной стратегией для
исследования сложных биологических и природных смесей.
Основные режимы сканирования
Тандемная масс-спектрометрия обладает гибкостью благодаря различным
стратегиям регистрации:
- Product ion scan – регистрация спектра всех
продуктов распада выбранного иона-предшественника. Используется для
структурного анализа.
- Precursor ion scan – поиск всех
ионов-предшественников, которые дают конкретный фрагмент. Применяется
для обнаружения соединений с общими структурными элементами.
- Neutral loss scan – выявление ионов, теряющих одну
и ту же нейтральную частицу. Важен для анализа классов соединений с
характерными потерями.
- Selected reaction monitoring (SRM) и
multiple reaction monitoring (MRM) – регистрация строго
определённых переходов предшественник → продукт. Это обеспечивает
исключительную чувствительность и селективность при количественном
анализе, например, в фармакокинетике.
Области применения
Тандемная масс-спектрометрия используется в широком спектре научных и
прикладных задач:
- Биоаналитика и протеомика – идентификация белков,
определение последовательности пептидов, изучение посттрансляционных
модификаций.
- Фармакология и медицина – количественное
определение лекарственных веществ и их метаболитов в биологических
жидкостях, терапевтический мониторинг.
- Экологический контроль – обнаружение пестицидов,
загрязнителей и следовых количеств токсикантов.
- Криминалистика – идентификация наркотических и
взрывчатых веществ.
- Химия природных соединений – структурная
характеристика сложных органических молекул, включая алкалоиды, липиды,
углеводы.
Преимущества и ограничения
метода
Преимущества тандемной масс-спектрометрии заключаются в высокой
селективности, чувствительности и способности к детальному структурному
анализу. Метод обеспечивает одновременное решение качественных и
количественных задач. Однако существуют и ограничения: необходимость
дорогостоящего оборудования, сложность интерпретации спектров,
зависимость от выбора условий фрагментации.