Low-energy collision induced dissociation (low-energy CID)

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Spectrométrie de masse en tandem

La spectrométrie de masse, au cours des dernières décennies, est devenue une technique importante qui a de nombreuses applications en chimie et en biologie. Initialement, les spectromètres de masse étaient constitués d’un seul étage d’analyseur de masse et la caractérisation structurelle des ions était basée sur la fragmentation des ions moléculaires au cours de leur formation ou à l’intérieur de la source d’ionisation. Le développement de techniques d’ionisation douces telles que l’ionisation par électrospray et la désorption/ionisation laser assistée par matrice a aidé à produire des ions moléculaires intacts, mais en même temps, ces techniques ont minimisé la formation d’ions fragments limitant ainsi l’élucidation structurelle d’ions en utilisant des spectromètres de masse à un seul étage. Par conséquent, la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) est apparue comme un outil crucial pour l’étude structurelle des molécules chimiques et biologiques.
La spectrométrie de masse en tandem est une technique qui implique la sélection d’un ion particulier, à savoir l’ion précurseur, puis son activation, généralement par collision ou absorption de photons, pour le dissocier et produire des ions fragments.64 La MS/MS peut être réalisée à différentes fins telles que la caractérisation structurale des ions ou la mesure de propriétés intrinsèques des ions telles que la mesure d’énergies de liaison ou la combinaison des deux. Lorsque l’activation des ions est réalisée par des collisions simples ou multiples avec un gaz neutre, la technique est appelée dissociation induite par collision (CID) ou anciennement dissociation activée par collision (CAD), et lorsqu’un matériau solide est utilisé pour l’activation ionique, la technique est appelée dissociation induite par collision sur surface (SID). Lors des collisions, une partie de l’énergie cinétique de l’ion est convertie en énergie interne pouvant conduire à la dissociation et formation d’ions fragments.
La MS/MS a d’abord été réalisée en tandem dans l’espace, ce qui implique d’agencer les analyseurs comme les quadripôles, les secteurs, le temps de vol, puis d’effectuer séquentiellement des analyses primaires et secondaires dans les analyseurs couplés. L’instrument triple quadripôle, le spectromètre de masse en tandem dans l’espace le plus largement utilisé, est représenté sur la Figure 4. Il est constitué d’un premier quadripôle fonctionnant à la fois avec des potentiels continus DC et alternatifs RF (requis pour la sélection de masse), une cellule de collision fonctionnant uniquement avec la tension RF où a lieu l’activation et la dissociation des ions, et enfin un troisième quadripôle similaire au premier utilisé pour l’analyse de masse des ions qui proviennent des étapes précédentes.
D’autres instruments en tandem ont été développés dans lesquels l’isolement et la fragmentation des ions sont effectués consécutivement dans le même espace. A partir de ce type d’instrument, on peut citer les pièges ioniques quadripolaires et les spectromètres de masse à résonance cyclotronique ionique (ICR).
Figure 4- Spectromètre de masse quadripolaire triple comme exemple d’instrument tandem-dans-l’espace (Quattro LC, Waters, Manchester, UK).
Ces instruments permettent la sélection des ions précurseurs d’intérêt par éjection des autres. Ensuite, ces ions isolés peuvent être stockés, excités et dissociés pendant une période de temps sélectionnée. La période de temps entre la formation des ions et leur transmission au détecteur est généralement courte, et par conséquent, le taux de dissociation doit être suffisamment rapide pour permettre l’observation des ions fragments. Parfois, la vitesse de dissociation est lente, et des fragments se forment au cours de leur transmission, dans ce cas, les ions sont enregistrés comme des ions métastables. Dans le cas des pièges à ions (cellule ICR et pièges à ions quadripolaires), le temps disponible pour la dissociation des ions est plus long, et ils peuvent être utilisés pour étudier les processus de fragmentation lente.
Au cours de la fragmentation, divers phénomènes tels que l’isomérisation et/ou le réarrangement des ions précurseurs et la dissociation consécutive des ions fragments en fragments plus petits peuvent se produire. Pour les molécules organiques complexes, différents canaux réactionnels concurrents peuvent exister.65 Pour étudier de tels systèmes, il faut disposer d’informations précises sur le contenu énergétique interne de l’ion précurseur et également sur la fenêtre temporelle du spectromètre de masse. La MS/MS permet l’exploration des processus mentionnés ci-dessus et c’est pourquoi c’est un outil puissant pour étudier la cinétique et les mécanismes de réactions de dissociation à l’intérieur du spectromètre de masse.
Après des décennies d’études dans le domaine de la spectrométrie de masse en tandem, le CID est devenu une technique de routine essentielle dans tous les instruments disponibles dans le commerce. Au cours des expériences CID, initialement en appliquant un champ électrique et/ou magnétique, l’énergie de translation des ions augmente. Ensuite, par des collisions inélastiques avec un gaz neutre, une fraction de l’énergie cinétique de l’ion est transférée dans ses modes internes. Cette énergie interne est répartie entre tous les degrés de liberté de l’ion et les ions deviennent activés, ce qui entraîne une fragmentation ultérieure des ions précurseurs activés en fragments.
Pour expliquer le transfert de l’énergie cinétique en l’énergie interne, il est plus pratique d’utiliser l’énergie dans le cadre du centre de masse (c.m.) plutôt que de l’énergie dans le laboratoire (laboratoire), car seule une partie de l’énergie laboratoire est transférée lors du choc. Dans le cadre du laboratoire, les deux particules en collision (ions et neutres) sont caractérisées par leur propre position et leur propre vitesse, mais dans le cadre de comparaison, l’ensemble du système est considéré comme un tout dont le moment est toujours nul. Par conséquent, où Ec.m. est l’énergie dans le cadre du centre de masse, Elab est l’énergie dans le cadre de laboratoire, mgas dans la masse du gaz neutre, et mion, est celle de l’ion précurseur. D’après l’équation 1, il est évident que la quantité d’énergie cinétique maximale transférable dans le processus CID dépend de la masse des partenaires de la collision. Plus la masse du gaz cible est grande, plus l’Ec.m. est élevée, ce qui signifie une conversion plus efficace de l’énergie cinétique en énergie interne en utilisant des gaz cibles plus lourds. D’autre part, pour les ions précurseurs plus grands (mion élevé), l’énergie du centre de masse est faible, ce qui signifie moins d’énergie interne disponible pour la dissociation des gros ions.
Généralement, deux types de collisions existent : élastique et inélastique. Dans une collision élastique, l’énergie interne de l’un ou l’autre des partenaires de collision ne changera pas. Ceci n’est généralement vrai que lorsque les deux espèces en collision sont des atomes et que la collision n’est pas accompagnée d’un changement d’énergie électronique des partenaires. Dans le procédé CID, l’un des partenaires de collision est habituellement un ion polyatomique, et le second est un gaz cible atomique ou diatomique. Dans cette situation, les collisions s’accompagnent du changement d’énergie interne de l’espèce. Ce type de collision est appelé collision inélastique. La quantité d’énergie cinétique qui est transférée en l’énergie interne est appelée endothermicité de collision (q), qui est minimale pour la collision élastique (q = 0), et maximale pour les collisions complètement inélastiques. Dans cette dernière condition, qmax est égal à l’énergie au centre de masse initiale.
Dans la technique CID, la fragmentation de l’ion précurseur peut se produire lorsque la quantité d’énergie déposée sur l’ion est plus grande que son seuil (critique) d’énergie pour la dissociation. Cependant, dans la plupart des cas, l’énergie déposée doit être beaucoup plus élevée que l’énergie du seuil afin d’observer la fragmentation. Cette énergie supplémentaire est appelée déplacement cinétique et dépend de divers paramètres tels que l’énergie critique nécessaire pour casser la liaison, l’entropie de l’état de transition, le temps disponible pour la décomposition et la taille des ions.
Pour avoir une meilleure idée du déplacement cinétique, il sera expliqué pour une simple réaction de dissociation de liaison  où M est la molécule précurseur, M+ est l’ion précurseur, F+ est l’ion fragment, N est le fragment neutre, EI est l’énergie d’ionisation de l’ion précurseur et D est son énergie de dissociation. Selon l’équation 2, l’énergie d’apparition de l’ion fragment (Eapp) est la somme de l’énergie d’ionisation de M et de l’énergie de dissociation de M+. Par conséquent, l’énergie de liaison ionique est donnée par: ( + − ) = ( +) − ( ) (3)
Dans les premières études de l’énergétique de fragmentation ionique à l’intérieur du spectromètre de masse, il a été observé que même si un ion a suffisamment d’énergie pour se dissocier, il peut ne pas avoir suffisamment de temps pour se décomposer dans la fenêtre temporelle disponible du spectromètre de masse. Ce problème est plus prononcé pour les molécules de grandes tailles possédant de nombreux degrés de liberté vibrationnels qui rendent leur dissociation encore plus lente. Dans cette condition, une quantité supplémentaire d’énergie (déplacement cinétique) doit être déposée sur l’ion pour voir la fragmentation à un taux détectable, et par conséquent, l’équation 3 n’est plus valide. Par conséquent, il faudra estimer ce déplacement cinétique afin de mesurer avec précision l’énergie de dissociation de la liaison.
Le mécanisme de fragmentation dans le processus CID sera expliqué en détail au Chapitre 1. Ionisation par électronébulisation
Le développement de l’ionisation par électronébulisation (souvent appelée ionisation électrospray ou ESI)3–5 et de la désorption/ionisation laser assistée par matrice6,7 (MALDI) a initié une profonde révolution dans le domaine de la spectrométrie de masse car ces techniques d’ionisation douces ont permis d’étudier une grande variété de molécules chimiques mais surtout biologiques. Avec la technique MALDI, les ions en phase gazeuse sont formés en dirigeant une impulsion laser sur les analytes incorporés dans une matrice solide. Avec la technique ESI, les ions en phase gazeuse sont directement formés à partir de la solution en appliquant une haute tension. L’un des principaux avantages de l’ESI par rapport au MALDI est la possibilité de le coupler avec la chromatographie liquide et l’électrophorèse capillaire, ce qui permet la séparation en ligne de mélanges complexes avant l’analyse.
Les bases du fonctionnement de l’ESI sont les suivantes: la solution diluée d’analyte est introduite avec un faible débit dans un capillaire métallique à l’aide d’une pompe à seringue. Une tension électrique élevée est appliquée entre le capillaire métallique et l’entrée du spectromètre de masse, généralement entre 2 et 5 kV. Cela conduit le liquide à la pointe du capillaire à faire saillie et à former un cône de Taylor à partir duquel de petites gouttelettes contenant une quantité excessive de charges sont émises (Figure 5). Ces gouttelettes se déplacent vers l’entrée du spectromètre de masse et, en cours de route, produisent les ions de l’analyte. Pour faciliter le processus de pulvérisation, un gaz de nébulisation est habituellement introduit coaxialement à la solution d’échantillon. De plus, un gaz chauffé est également utilisé pour aider à la désolvatation des gouttelettes chargées.
En travaillant en mode ions positifs, les gouttelettes contiennent principalement un grand nombre de protons qui peuvent être générés à l’intérieur du capillaire métallique (qui agit comme une cellule électrochimique) par exemple par oxydation de l’eau. En plus du proton, l’ion ammonium et les métaux alcalins (principalement Na+) sont d’autres ions qui peuvent exister à l’intérieur des gouttelettes chargées. En mode ions négatifs, la principale source d’ions en excès est la réduction électrochimique. Alors que les gouttelettes volent du cône de Taylor vers l’entrée du spectromètre de masse, leur volume diminue en raison de l’évaporation du solvant, mais leur charge reste constante. En conséquence, leur densité de charges augmente jusqu’à l’arrivée de la limite dite de Rayleigh dans laquelle la tension superficielle est équilibrée avec la répulsion coulombienne. À cette limite, la charge moyenne sur chaque gouttelette, QRayleigh est donnée par: où R est le rayon de la gouttelette, γ est la tension de surface et ε0 est la permittivité du vide. Dans la limite de Rayleigh, les gouttelettes deviennent instables et subissent une fission pour produire des gouttelettes descendantes plus petites. Ce processus d’évaporation/fission du solvant sera répété pour produire les ions d’analyte qui seront analysés par le spectromètre de masse.
Trois mécanismes différents ont été proposés pour la production d’ions à partir des gouttelettes chargées: le modèle d’évaporation ionique (IEM), le modèle de résidu chargé (CRM) et le modèle d’éjection de chaîne (CEM). Mais avant d’entrer plus en détail dans les mécanismes, il faut d’abord répondre à cette question: où est la position des charges sur les gouttelettes? En fait, dans tous les mécanismes mentionnés ci-dessus pour l’ESI dont il sera question plus loin, on considère que les ions sont situés à la surface des gouttelettes en se basant sur la loi de Gauss.67 Cependant, ceci n’est pas conforme à la tendance des ions tels que les cations de métaux alcalins pour la solvatation. Konermann et ses collaborateurs ont tenté d’expliquer cette incohérence en effectuant des simulations de dynamique moléculaire (MD) sur des nano-gouttelettes d’eau contenant du Na+ près de la limite de Rayleigh.68,69
Les simulations MD ont montré que pour une meilleure solvatation, les porteurs de charge préfèrent prendre position à l’intérieure des gouttelettes (Figure 6). Cependant, même dans ces conditions, la charge nette est située à la surface des gouttelettes. Cela peut s’expliquer par la propriété dipolaire des molécules d’eau et la façon dont elles interagissent avec les ions.
Comme cela est représenté sur la Figure 7A, l’orientation et l’agencement de deux dipôles en contact avec un porteur de charge conduit au transfert de charge de la position r1 à la position r2, même si cette charge est partiellement neutralisée par les dipôles. Le même processus se produit dans les nano-gouttelettes. Comme le montre la Figure 7B, Na+ est situé à l’intérieur des gouttelettes, mais il induit une polarisation et une disposition des molécules d’eau de telle manière telle que sa charge est projetée sur la surface de la gouttelette.

Modèle d’évaporation d’ions (IEM)

Selon le mécanisme IEM proposé en premier par Iribarne et Thomson,70,71 lors du processus d’évaporation/fission des solvants lorsque les rayons des gouttelettes deviennent inférieurs à 10 nm, au lieu de la fission de Coulomb, les gouttelettes commencent à émettre les ions d’analyte. En fait, en raison du champ électrique élevé produit par des gouttelettes chargées dont les rayons sont proches du rayon de Rayleigh, les ions solvatés sont éjectés de la surface des gouttelettes (Figure 8a). La constante de vitesse d’éjection (k éjection) des ions basée sur la théorie de l’état de transition est donnée par: −∆ ∗ = ( ) (5) ℎ où kB est la constante de Boltzmann, h est la constante de Planck, T est la température et G* est l’énergie libre d’activation. En extrayant l’équation 5, deux forces opposées sur l’ionéjecté ont été considérées : 1) la répulsion coulombienne entre l’ion s’évaporant et les autres ions restants sur la gouttelette, et 2) l’attraction coulombienne entre l’ion et les molécules de solvant polarisées sur la gouttelette. Lorsque ces deux forces opposées sont égales, l’état de transition est atteint. Des simulations MD sur des gouttelettes de mélange eau/méthanol contenant des ions NH4+ ont montré que par rapport aux gouttelettes purement aqueuses, la présence de méthanol augmente la vitesse d’éjection des ions et l’évaporation du solvant due à la tension superficielle inférieure à celle de l’eau.72
Les ions éjectés de la surface de la gouttelette forment une petite grappe composée de quelques molécules de solvant qui à l’aide d’un gaz de fond s’évaporeront pendant le vol vers le spectromètre de masse.
Le mécanisme d’électropulvérisation des ions de faible poids moléculaire est supposé être réalisé par le biais du modèle d’évaporation ionique.70

Modèle de résidu chargé (CRM)

Ce mécanisme a été proposé par Dole et al. en 196873 pour expliquer la formation d’ions de masse moléculaire élevée à partir des gouttelettes très fines et fortement chargées formées par fission (comme expliqué ci-dessus). Selon le modèle CRM, la répétition du processus d’évaporation/fission du solvant (pendant le temps de vol des gouttelettes entre le cône de Taylor et le spectromètre de masse) conduit finalement à la formation de quelques gouttelettes contenant du solvant, des charges ioniques et une seule macro-molécule. Une nouvelle évaporation du solvant à partir de ces gouttelettes conduit à la génération d’ions analytes dont la charge provient de la charge de la gouttelette (Figure 8b). Diverses études ESI-MS sur les protéines ont montré que leurs ions dans la source d’électronébulisation sont formés à l’aide de CRM.74,75

Modèle d’éjection de chaîne (CEM)

Le modèle CRM, expliqué dans la section précédente, est principalement applicable aux protéines à structure globulaire compacte dans lesquelles les parties hydrophobes sont repliées à l’intérieure de la molécule et où les parties polaires sont situées à l’extérieur. Ces conformations sont dominantes dans les solutions aqueuses neutres. Dans des conditions où les protéines sont dépliées, par exemple dans des solutions acides, les études MD montrent que leur ionisation se produit avec un mécanisme différent qui est appelé modèle d’éjection de chaîne (Figure 8C).68,76,77 La protéine dépliée a une structure désordonnée et étendue, ainsi toute la protéine est exposée au solvant. Dans le processus d’électronébulisation, et après un processus répété d’évaporation/fission de solvant, lorsque de fines gouttelettes sont formées, les chaînes dépliées se déplacent à la surface de la gouttelette. Ensuite, de façon similaire à ce qui se passe dans le modèle IEM, la chaîne protéique est progressivement éjectée de la gouttelette.
Le modèle CEM n’est pas limité aux protéines dépliées et il est également applicable aux chaînes polymères non polaires 1) désordonnées, 2) partiellement hydrophobes et 3) ayant la capacité de se lier à un grand nombre de charges ioniques.76,78

Table of contents :

Introduction générale
Chimie hôte-invité
Hémicryptophanes
Spectrométrie de masse en tandem
Ionisation par électronébulisation
Préface
Chapter 1: Fundamentals of unimolecular ion dissociation
Lindemann mechanism
Hinshelwood theory
RRK theory
Transition state theory
The RRKM/QET theory
Chapter 2: A general introduction to the utilized fragmentation techniques
Blackbody infrared radiative dissociation (BIRD)
Low-energy collision induced dissociation (low-energy CID)
Higher-energy collision dissociation (HCD)
Chapter 3: Low-energy CID, CID and HCD mass spectrometry for structural elucidation of saccharides and clarification of their dissolution mechanism in DMAc/LiCl
Introduction
Experimental section
Results and discussion
Conclusion
Chapter 4: Investigation of hemicryptophane host-guest binding energies using high-pressure collision induced dissociation in combination with RRKM modeling
Introduction
Experimental Section
Modeling Detail
Results and Discussion
Conclusion
Chapter 5: Investigating binding energies of host-guest complexes in the gas-phase using low-energy collision induced dissociation
Introduction
Methodology Background
Experimental section
Results and discussion
Conclusion
Chapter 6: Investigating binding energies of host-guest complexes using higher-energy collision dissociation in the gas-phase
Introduction
Experimental section
Modeling detail
Results and discussion
Conclusion
Chapter 7: Dissociation energetics of lithium-cationized -cyclodextrin and maltoheptaose studied by low-energy collision induced dissociation
Introduction
Experimental section
Results and discussion
Conclusion
General conclusion
References
List of Figures
List of Tables
Curriculum Vitae

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