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EAD Talk | 声音专栏1期:结构解析利器- EAD研发、原理及特点(1)

来源:SCIEX      分类:行业标准 2024-04-03 17:30:10 12阅读次数


Hey,大家好,我是您的质谱应用专家刘婷,20年的一线应用经验,让我深感到质谱应用信息共享的重要性。无论是质谱前沿技术,还是常用技术的深入应用,都希望在我的这个专栏中能和大家分享。“婷视角,看分析”希望拓宽您的视野,进入美妙的的质谱应用世界。


请戴上耳机聆听婷声音


本期内容我们将聚焦新产品新技术,带大家了解“结构解析利器—EAD电子活化解离技术,electron activated dissociation)”。我们将通过声音推文+文献解读的方式,让大家更好地理解该技术及其应用场景。


文章结构


  • EAD技术的发展之路:CID的互补性、ECD/EIEIO的兼容性;

  • ZenoTOF 7600的推出:EAD实际工作兼顾ECD,HotECD和EIEIO模式;

  • ZenoTOF 7600 硬件上如何实现EAD和CID功能;

  • 本期内容总结。


本期内容概要


对于液质联用(LC-MS/MS)系统,其传统的CID(碰撞诱导解离,collision-induced dissociation)技术,有时我们也叫它CAD(碰撞活化解离,collision activated dissociation)技术,我们并不陌生。实验中,CID技术经常被用于大多数化合物的定量分析和结构鉴定工作。虽然业界标准化的CID技术提供了有价值的MS/MS信息,但仅仅使用CID技术并不能完全解决同分异构体、蛋白翻译后修饰、小分子精细结构鉴定等难题。这时候就需要一种不同于CID碎裂原理,互补于CID碎片信息,且对大、小分子具有通用性的碎裂技术来解决这些难题。因此EAD技术就登上了科学家的研发舞台。


首先,EAD与CID的互补性在于其碎裂原理的不同1。CID技术是基于气体介导的碎裂技术,通过控制气体的流量和运动速度,也就是CAD气量和CE(碎裂能量,Collision Energy)这两个参数,气体与化合物分子碰撞而发生碎裂;EAD技术则是基于电子介导的碎裂技术,通过控制电子束的密度和运动能量,对应仪器上Current Beam和Kenetic Energy (KE)这两个参数,是电子与化合物分子结合而诱导其碎裂。正因为EAD与CID的碎裂原理不同,其碎片也有所不同,所以业内公认两者在MS/MS信息上具有互补性2


让科学家选择EAD技术的第二个原因就是EAD对大、小分子的通用性。基于电子介导的碎裂技术主要有三种:

早在1979年,EIEIO(有机物离子电子碰撞激发碎裂,Electron impact excitation of ions from organics)技术第一次被报道应用于单电荷分子的碎裂(Cody and Freiser, 1979)3

1998年,ECD(电子捕获解离,electron capture dissociation)技术使用极低的电子能量,第一次被报道应用于多电荷蛋白的碎裂(Zubarev, Kelleher, & McLafferty, 1998)4

2004年,ETD(电子转移解离, electron transfer dissociation)技术被报道使用能提供低电子能量的阴离子,将电子转移到多电荷蛋白进行碎裂5


ETD和ECD技术都可应用于多电荷大分子的碎裂,但不同的是ETD不能应用于单电荷离子,而ECD技术因为使用自由电子和化合物发生反应,更容易控制自由电子的运动能量,当运动能量(KE)提高到10eV或以上时,其碎裂模式就变成了EIEIO模式,可使用高能电子进行单电荷离子的碎裂6。如果能在商品化设备上自由设定电子束的密度和运动能量,就可以实现ECD/EIEIO模式的自由切换,即可实现多电荷大分子的碎裂,也可实现单电荷小分子的碎裂,科学家将这种电子束密度和运动能量可调的碎裂模式称为EAD技术。

2021年成功将ZenoTOF 7600 高分辨质谱系统推向市场。基于CID技术和EAD技术的互补性,ZenoTOF 7600不仅包含了这两种碎裂技术,而且因为其EAD的电子束密度和运动能量可调,实现了多电荷大分子和单电荷小分子的碎裂通用性7


在EAD的实际工作中,当运动能量KE<5eV时,主要为ECD模式,可解决多肽的氨基酸异构体鉴定(如:亮氨酸、异亮氨酸鉴定等);当5eV=10eV时,为EIEIO模式,应用于单电荷小分子的碎裂(图1)。可以想象,EAD的通用性为后期ZenoTOF 7600在多种应用场景的成功埋下了伏笔。


图1. 通过调整电子束运动能量KE,EAD技术在一台仪器上实现ECD,HotECD和EIEIO碎裂模式,从而实现对多电荷大分子和单电荷小分子的碎裂应用.


讲到这里,大家肯定有个疑问,ZenoTOF 7600的硬件是如何实现CID和EAD功能的呢?简单来讲,ZenoTOF 7600的设计是在Q1和Q2之间加入EAD Cell(EAD碰撞池),在EAD碰撞池的上、下两端各有一根电阻丝,产生电子束, 该电子束的电子密度可以通过Current Beam这个参数设定;当Q1选择母离子,进入EAD碰撞池时,可以通过KE这个参数,通过调控电场使电阻丝所产生的电子束获得不同的运动能量,然后和化合物反应引发碎裂(图2)。


图2. EAD与Q2的硬件图片与结构简图,简图中展示了EAD的工作原理和ZenoTrap的富集工作.


当使用EAD碎裂模式时,母离子在EAD碰撞池碎裂后,Q2仅仅起离子传输的作用,将EAD碎片传输到TOF进行检测或者ZenoTrap进行富集;当使用CID模式时,EAD仅仅将Q1选择的母离子传输进Q2,进行CID碎裂,此时EAD碰撞池并不产生电子束。基于这样的硬件设计,ZenoTOF 7600成功地兼顾了CID和EAD两种碎裂方式。


但这也面临着一个问题,就是EAD的碎裂效率远远低于CID,导致碎片丰度偏低,使用7600的Zeno Trap富集功能,就大大提高了EAD碎片丰度7,为EAD技术在复杂基质样本中的成功应用埋下了基础。


了解了EAD技术的研发背景和ZenoTOF 7600中EAD的工作原理, 我们来做一下总结:


1

CID碎裂技术和EAD技术,因为碎裂原理不同,MS/MS信息具有很大互补性;


2

EAD技术通过调整电子束密度和运动能量,保证通用性,实现了ECD,HotECD,EIEIO碎裂,对多电荷大分子和单电荷小分子均可进行碎裂;


3

ZenoTOF 7600兼顾CID和EAD两种碎裂模式,更多应用场景被打开。


本期的主要内容,就到这里了。下期内容,我将用具体例子带大家了解在大分子和小分子应用上,EAD碎片信息和CID碎片信息的不同。谢谢大家的收听,我们下期再见。


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1. Yulin Qi and Dietrich A. Volmer. Electron-Based Fragmentation Methods In Mass Spectrometry: An Overview [J]. Mass Spectrometry Reviews, 2015, 9999, 1–12.

2. Parisa Bayat, Denis Lesage, and Richard B. Cole. Tutorial: Ion Activation In Tandem Mass Spectrometry Using Ultra-High Resolution Instrumentation [J]. Mass Spectrometry Reviews, 2020, 00, 1–23.

3. R. B. Cody, B. S. Freiser. Electron impact excitation of ions from organics: An alternative to collision induced dissociation. Anal. Chem. 51: 547–551, 1979.

4. R. A. Zubarev, N. L. Kelleher, F. W. McLafferty. Electron capture dissociation of multiply charged protein cations. A nonergodic process. J. Am. Chem. Soc. 120: 3265–3266, 1998.

5. J. E. P. Syka, J. J. Coon, M. J. Schroeder, J. Shabanowitz, D. F. Hunt. Peptide and protein sequence analysis by electron transfer dissociation mass spectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101: 9528–9533, 2004.

6. Takashi Bab, et al. Development of a Branched Radio-Frequency Ion Trap for Electron Based Dissociation and Related Applications. Mass Spectrometry. Vol.6 (2017), A0058

7. Takashi Bab, et al. Dissociation of Biomolecules by an Intense Low-Energy Electron Beam in a High Sensitivity Time-of-Flight Mass Spectrometer. J Am Soc Mass Spectrom 2021 Aug 4;32(8):1964-1975


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