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Die Magie der Massenspektrometrie: Wie können durch Kollisionen aktivierte Molekülfragmentierungen verborgene Strukturen enthüllen?
In der Welt der Massenspektrometrie sind die Möglichkeiten endlos, insbesondere durch kollisionsaktivierte Molekülfragmentierung (CID). Mithilfe dieser Technologie können Wissenschaftler tief in die Struktur und Eigenschaften von Molekülen eindringen und durch die Fragmente eines Moleküls hindurchsehen, um dessen unter der Oberfläche verborgene Komplexität freizulegen. Bei der CID-Technologie werden in erster Linie Ionen beschleunigt und mit neutralen Gasen kollidiert, was zu Energieveränderungen innerhalb der Moleküle und schließlich zum Zerfall der Moleküle führt.
„Durch kollisionsaktivierte Reaktionen können wir nicht nur die Anwesenheit eines Moleküls bestätigen, sondern auch seine mögliche Struktur erraten.“
Grundprinzipien der Kollisionsaktivierung
Bei der kollisionsaktivierten Fragmentierung werden ausgewählte Ionen auf einen hohen Energiezustand beschleunigt, so dass bei der Kollision mit neutralen Molekülen ein Teil ihrer Energie in innere Energie umgewandelt wird, was zum Aufbrechen von Bindungen und zur Erzeugung kleiner Fragmente führt. Diese Fragmente können dann mittels Massenspektrometrie weiter analysiert werden, um die Geheimnisse der Molekülstruktur zu entschlüsseln.
Niedrigenergie- und Hochenergie-CID
Die Niederenergie-CID wird hauptsächlich bei Energien unterhalb von 1 Kiloelektronenvolt (1 keV) durchgeführt. Sie ist zwar hocheffizient bei der Erzeugung molekularer Fragmente, die Art der beobachteten Fragmentierung wird jedoch stark von der kinetischen Energie der Ionen beeinflusst. Wenn die kinetische Energie der Ionen sehr gering ist, kommt es bei den meisten Segmenten zu Strukturumstrukturierungen, während mit steigender kinetischer Energie der Ionen die Wahrscheinlichkeit eines direkten Bindungsbruchs zunimmt.
Im Vergleich zur CID mit niedriger Energie verwendet die CID mit hoher Energie Ionen mit kinetischen Energien, die typischerweise im Bereich von 1 keV bis 20 keV liegen. Mit dieser Methode können einige Fragmente erzeugt werden, die durch CID bei niedriger Energie nicht beobachtet werden können, wie z. B. die ladungsferne Fragmentierung, die in Molekülen mit Kohlenwasserstoffstrukturen auftritt.
Triple-Quadrupol-Massenspektrometer
Ein Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer besteht aus drei Quadrupolen. Der erste Quadrupol (Q1) fungiert als Massenfilter, der Ionen selektiv durchlässt und sie zum zweiten Quadrupol (Q2) beschleunigt. Q2 fungiert als Kollisionszelle. In einer Hochdruckumgebung kollidieren die ausgewählten Ionen mit neutralem Gas und es kommt zur CID. Die erzeugten Fragmente werden dann zur Massenanalyse in Q3 beschleunigt, deren Ergebnisse zur Gewinnung detaillierter Informationen über die Molekülstruktur verwendet werden können.
Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz
In einem Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer werden Partikel in einer ICR-Zelle gefangen und ihre kinetische Energie durch Anlegen eines gepulsten elektrischen Felds bei ihrer Resonanzfrequenz erhöht. Während dieses Prozesses wird ein kurzer Stoß Kollisionsgas eingeführt, um Kollisionen zwischen angeregten Ionen und neutralen Molekülen zu fördern und so die gewünschten Fragmente zu erzeugen. Darüber hinaus kann durch kontinuierliche nichtresonante Bestrahlung eine abwechselnde Anregung und Abregung erreicht werden, wodurch Mehrfachkollisionen der Ionen bei niedrigen Kollisionsenergien möglich werden.
Hochenergetischer Kollisionsbruch
Die hochenergetische Kollisionsfragmentierung (HCD) ist eine CID-Technik, die speziell für Orbitrap-Massenspektrometer entwickelt wurde. Seine Besonderheit besteht darin, dass die Fragmentierung außerhalb der Einfangkammer stattfindet und dieser Prozess nicht durch die Massengrenze der Resonanzanregung begrenzt wird, sodass er sich sehr gut für eine quantitative Analyse auf Basis der Isotopenmarkierung eignet. Trotz des Namens „Hochenergie-Kollision“ liegt die Kollisionsenergie von HCD typischerweise unter 100 eV.
Bruchmechanismus
Beim CID-Prozess wird der Fragmentierungsmechanismus in homolytische und heterolytische Fragmentierung unterteilt. Die durch homolytische Fraktur entstehenden Fragmente behalten ihre ursprünglichen Bindungselektronen, während bei heterolytischer Fraktur die Bindungselektronen zusammen mit einem Fragment wandern. Genauer gesagt handelt es sich bei der Remote-Ladungsspaltung um einen Prozess zur Spaltung kovalenter Bindungen, der in der Gasphase stattfindet, wenn die gespaltene Bindung nicht in der Nähe der Ladungsstelle liegt.
Zukünftige Diskussionen
Die Entwicklung der Massenspektrometrie-Technologie könnte noch nie dagewesene Möglichkeiten mit sich bringen, insbesondere das Potenzial zur Identifizierung und Analyse komplexer Molekülstrukturen. Durch Fortschritte bei Kollisionsaktivierungstechniken werden wir in der Lage sein, weitere molekulare Geheimnisse zu lüften und so eine neue Forschungsrunde in der Chemie und Biologie einzuleiten. Haben Sie mit Blick auf die Zukunft schon einmal darüber nachgedacht, wie eine präzisere Strukturanalyse unser wissenschaftliches Verständnis verändern wird?
