Ein gewaltiger Fortschritt in der Spektrometrie

Studienergebnisse können zu genaueren medizinischen, biologischen und chemischen Tests führen

21.01.2021 - Japan

Massenspektrometer (MS) sind zu unverzichtbaren Werkzeugen in Chemie- und Biologielabors geworden. Die Fähigkeit, die chemischen Komponenten in einer Probe schnell zu identifizieren, ermöglicht es ihnen, an einer Vielzahl von Experimenten teilzunehmen, einschließlich der Radiokohlenstoffdatierung, der Proteinanalyse und der Überwachung des Arzneimittelstoffwechsels.

Kanazawa University

Eine Darstellung des Ladungsreduktionsprozesses, der als Vorbehandlungsprozess der Massenspektrometrie, MS (oder Ionenmobilitätsspektrometrie, IMS) verwendet wird. Um die Genauigkeit des Spektrums zu erhöhen, werden überschüssige Ladungen auf dem Molekül-Ion (in dieser Abbildung PEG) durch Kollision mit einem Anion im Gas entfernt.

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Eine Skizze des entwickelten Berechnungsmodells (Kontinuum - Molekulardynamiksimulation Hybridmethode). In diesem Modell wird die Relativbewegung bei ausreichendem Abstand zwischen den Ionen durch Diffusionsgleichungen (Kontinuum) beschrieben, während innerhalb eines bestimmten Abstands (gestrichelte Linie) Molekulardynamiksimulationen (MD) zur Berechnung der Trajektorie verwendet werden. Um die Berechnungskosten zu erhöhen, führen wir MD-Simulationen durch, bei denen die Gasmoleküle nur um die Zielionen angeordnet sind.

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(a) Der Rekombinations- (Kollisions-) Ratenkoeffizient von PEG-Ionen mit unterschiedlicher Anzahl von Ladungen. Dieser Kollisionsratenkoeffizient zeigte eine gute Übereinstimmung mit der experimentell gemessenen Ladungsreduktionsrate. (b) Translationsgeschwindigkeitsverteilung des NO2-Ions bei der Kollision. Wir erwarten, dass die kinetische Energie verwendet werden kann, um die Möglichkeit einer kollisionsinduzierten Reaktion zu bewerten.

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MS-Instrumente arbeiten, indem sie den Analytmolekülen eine elektrische Ladung geben und sie durch einen Bereich des Raums mit einem gleichmäßigen elektrischen Feld schießen, das ihre Flugbahn zu einem Kreis krümmt. Der Radius des Kreises, der vom Verhältnis der Masse des Moleküls zu seiner Ladung abhängt, wird erfasst und mit bekannten Proben verglichen. Da die Methode nur dieses Verhältnis und nicht die Masse selbst messen kann, können überschüssige Ladungen zu ungenauen oder mehrdeutigen Ergebnissen führen.

Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung der Kanazawa Universität eine leistungsstarke Molekulardynamiksimulation verwendet, um die Auswirkungen von überschüssigen Ladungen auf die mit einem MS getesteten Moleküle besser zu verstehen. Sie modellierten den Effekt der Zugabe von Molekülen mit entgegengesetzter Ladung, um die überschüssige Ladung zu neutralisieren. In diesem Fall kann die positive Ladung auf Polyethylenglykol (PEG) durch Kollision mit negativ geladenen NO2-Ionen reduziert werden.

Dies wird jedoch dadurch erschwert, dass die Wahrscheinlichkeit einer Kollision von der Menge der Ladung abhängt, die überhaupt vorhanden ist. "Geladene Polymere können aufgrund der elektrostatischen Streckung ladungszustandsabhängige Strukturen annehmen", sagt Erstautor Tomoya Tamadate. Zum Beispiel nimmt PEG bei geringer Überschussladung eine kompakte Form an. Wenn die Ladung jedoch zunimmt, führt die gegenseitige Abstoßung zwischen den positiven Ladungen dazu, dass es sich gerade ausrichtet.

Um die Berechnungen zu beschleunigen, nutzte das Team die Methode der Kontinuumsapproximation", die erst dann mit der Simulation aller Atome des NO2-Moleküls begann, wenn es sich nahe genug an das PEG annäherte.

"Der Erfolg dieses Projekts zeigt, dass hybride Kontinuum-Molekulardynamik-Simulationen allgemeiner eingesetzt werden können, um kollisionsgetriebene Reaktionen zu untersuchen - Moleküle, die verschiedene Konformationen annehmen können", sagt Seniorautor Takafumi Seto. Die Ergebnisse können zu effektiveren Methoden zur Kontrolle der überschüssigen Ladung in Probenmolekülen führen, was genauere Ergebnisse ermöglicht.

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