The usefulness of Ion Mobility-Mass Spectrometry for Small Molecules - - PowerPoint PPT Presentation

The usefulness of Ion Mobility-Mass Spectrometry for Small Molecules Analysis

• J. ¡Fara, ¡S. ¡Goscinnyb, ¡L. ¡Jolya,b, ¡R. ¡Touillouxa, ¡J. ¡Echterbillea, ¡L. ¡Quintona ¡, ¡G. ¡Eppea ¡and ¡E. ¡De ¡Pauwa ¡

a ¡Laboratory ¡of ¡Mass ¡Spectrometry, ¡University ¡of ¡Liege, ¡3 ¡allée ¡de ¡la ¡chimie, ¡Bat ¡B6C ¡4000 ¡Liege ¡ b ¡ScienNfic ¡InsNtute ¡of ¡Public ¡Health, ¡PesNcide ¡Unit, ¡JulieRe ¡Wytsman ¡14, ¡BE-­‑1050 ¡Brussels, ¡Belgium ¡

¡

• Breve ¡introducNon ¡to ¡Ion-­‑mobility ¡Spectroscopy ¡
• IMS ¡for ¡small ¡molecules ¡(low ¡molecular ¡weight) ¡

– Metallomics ¡(selenometabolomics ¡– ¡proof ¡of ¡concept) ¡ and ¡de-­‑novo ¡structural ¡assignaNon ¡ – PesNcides ¡screening ¡(S. ¡Goscinny ¡et ¡al.) ¡ – Disulfide ¡bridge ¡assignaNon ¡in ¡oligopepNde ¡for ¡ venomics ¡(proof ¡of ¡concept; ¡J. ¡Echterbille ¡et ¡al.) ¡

• conclusions ¡

Plan

The Drift Tube Ion Mobility Mass Spectrometry

3

Concept of Ion Mobility

Ion Mobility Spectrometry is usually the technique of choice of (bio)macromolecules like proteins and DNA

• G. Gabellica et al., G-quadruplex structure determination
• V. Gabellica et al., J. Am. Chem. Soc., 2007, 129

129: 895-904

• Proteins structures analysis (e.g. prions)

Hilton et al., J. Mass Spectrom, 2010, 21 21 (5): 845-854

Illustration from The Bowers group website: www.bowers.chem.ucsb.edu/theory_analysis/ion-mobility/index.shtml

• DTIMS (previous slide)

Drift-Time Ion Mobility Spectrometry

• AIMS

aspiration ion mobility spectrometry

Zimmermann and coworkers, Sensors and Actuators B, 2007: 428-434

• DMS / FAIMS

Differential-Mobility Spectrometry Field-Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry

Kolakowski and Mester, Analyst, 2007 132: 842-854

• TWIMS (next slide)

Different design of IMS

4

• General principles of Travelling Wave Ion Mobility Spectroscopy:

Ion Mobility Mass Spectrometry

Waters Synapt G2 HDMS

Courtesie ¡of ¡ Waters ¡ 5

!=(​3$/16& )​(​2)/*+ )↑​1⁄2 ​(​.+//./ )↑​ 1⁄2 (​1/Ω )

• K: ion mobility constant

q: charge of ion (Coulomb)

• N: density of buffer gas

k: Boltzmann’s constant

• T: temperature (Kelvin)
• m: mass of gas, M mass of ion → reduced mass ≈ mgas
• Ω: collision cross-section (A²)

m/z 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 % 100 09-05-2011_SEMET 10PPM IM-MS MODE POS HR 36 (3.719) Cm (2:200) 6.49e4

180.9748 178.9755 176.9785 174.9899 198.0030 182.9763 196.0034 193.0002 200.0004

• ESI MS SeMet and reflectron in V optic mode:
• Δm = -2.02 ppm,
• R FWHM ≈ 12 000
• Loss of 17,0282 (NH3?)

(198.0030-180.9748)

• NH3 = 17.0265

– Δm = 98.8 ppm !!!

• ESI MS SeMet and reflectron in W optic mode :
• Δm SeMet = -2.02 ppm, R FWHM ≈ 25 000

m/z 195.940 195.980 196.020 % 100

196.0034 195.9881

m/z 193.940 193.980 194.020 % 100

194.0048 193.9895

m/z 191.950 192.000 192.050 % 100

191.9891

191.9072

192.0103 192.0255

192.0770

6

• J. ¡Far, ¡G. ¡Mazzucchelli, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡, ¡G. ¡Eppe ¡

Structural assignation of an isobar compound in a L and D,L- SeMet standard by ESI IM MS and MSE

Scan 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 % 100 SeMet 10ppm microESI IM-MS MSe N2 HR_dt_01 TIC 5.11e4

3.71 2.76 4.35 8.80 5.51 10.18 12.19

Structural assignation of an isobar compound in a L or D,L- SeMet standard by ESI IM MS

m/z 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 % 100 09-05-2011_SEMET 10PPM IM-MS MODE POS HR 42 (4.356) 7.85e3

198.0030 196.0034 194.0048 200.0035

m/z 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 % 100 09-05-2011_SEMET 10PPM IM-MS MODE POS HR 38 (3.931) 5.40e3

180.9748 178.9755 176.9785 182.9763 195.9850 193.9895

7

Se N H

3 +

O O H O O H Se

+

N H C H

3

• J. ¡Far, ¡G. ¡Mazzucchelli, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡, ¡G. ¡Eppe ¡

0.00 2.50 5.00 % 100

3.93

7.50 XIC 196

N-2,3-dihydroxypropionyl-selenocystathionine

• Ma

Major jor se sele lenoc nocom

• mpound

pound in the low molecular weight water extract from Se-rich yeast

• [C10H18N2O7Se + H+] m/z : 359.0358
• Present in various batches of commercial Se-rich yeast [Gil-Casal and

coworkers Metallomics (2010)] and Lab-made Se-rich yeast [Rao and coworker Anal. Chem. (2010)]

O H N H SeH

+

O OH OH O N H3

+

OH O Se N H3

+

OH O

m/z: ¡181.9720 ¡ m/z: ¡176.0559 ¡

N H2

+

O OH O H O OH

m/z: ¡88.0399 ¡ m/z: ¡269.9881 ¡

O H N H O O OH OH Se N H3

+

OH O O H N H O OH OH Se N H3

+

OH O O

m/z: ¡359.0358 ¡

Specific ¡fragments ¡

• Metabolic origin or by-product ? (No sulfur analogue describe in the literature)
• Two coeluted isomers, confirmation on the basis of (MS2), MS3 and MS4

data

8

2D-LC purification with of selenometabolites using ICP/MS and ESI ToF MS(/MS) detection

• Purification of m/z: 359 according to Dernovics and coworkers,

(2009) metallomics, with modifications

ESI ¡ToF ¡MS(/MS) ¡

m/z 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 % 100 176.0970 130.0526 84.0459 197.0574 282.2885 229.1525 489.1249 371.1152 511.1140 m/z 350 352 354 356 358 360 362 % 100 353.0215 351.0772 356.0181 360.1632 360.9686 363.0983 359.0439 357.0418 355.0453 354.0903 362.0659

9

S.A.X

2nd LC dimension: Anion Exchange HPLC (PRPX-100) 25 10 to 250mM CH3CO2NH4 pH 5.5 50 75 1 2 3 4 10 20 30 40 50 60 70 signal (cps) x 10+4 Elution time (minutes) Se82 Se78 m/z: ¡661 ¡ m/z: ¡604 ¡ m/z: ¡370 ¡ m/z: ¡313 ¡ and ¡373 ¡ m/z: ¡345 ¡ ??? ¡ To ¡idenNfy ¡ m/z: ¡400 ¡

• J. ¡Far, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡Edwin, ¡R. ¡Lobinski, ¡G. ¡Eppe ¡

50 100 150 200 250 Superdex ¡75 ¡ LxID:400x30mm ¡ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 signal (x 10+5 cps) time (minutes) First LC dimension: Size Exclusion Chromatography

82Se 78Se

ICP Q MS

Preparative S.E.C

Se-rich yeast water extract

100 ¡ 200 ¡ 300 ¡ 400 ¡ 500 ¡ 600 ¡ 700 ¡ 800 ¡ 900 ¡ 1000 ¡ m/z ¡ 0 ¡ 350 ¡ 700 ¡ 741 ¡ Intensity, counts ¡

276.1033 ¡ 130.0378 ¡ 359.0161 ¡ 489.0836 ¡

% 100

359.0412

357.0391 338.9983 332.9796 324.0644 286.9926 247.1014 176.0898 381.0240 383.0237 388.2612 449.6294

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 m/z

3D-­‑LC ¡ESI ¡QToF ¡MS ¡

Dernovics ¡and ¡coworkers, ¡Metallomics ¡(2009) ¡1, ¡317–239 ¡

2D-­‑LC ¡ESI ¡IMS ¡ToF ¡MS ¡

This ¡work ¡

Clean-up of mass spectra by IM-MS:

10

• J. ¡Far, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡Edwin, ¡R. ¡Lobinski, ¡G. ¡Eppe ¡

Scan 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 % 100 m/z 356 357 358 359 360 % 100 100 cps 358.0454 357.0120 359.0472 359.2626 360.0089 % 100 157 cps 359.2792 359.0472 358.3516 357.3095 360.2827 356 357 358 359 360 m/z

¡≈ 12% ¡

Se Sele lection tion of

• f m/z

m/z: 3 : 357 a and 3 nd 359 on qua

• n quad,

d, the then IMS a IMS and MS nd MS spe spectr tra

Separation of N-2,3-DiHydroxyPropionyl-SelenoCystathionine by ESI IM-MS and estimation of isomer ratio

m/z 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 % 100 266 135.9715 133.9702 84.0826 129.1065 164.9348 181.9741 359.0430 260.2022 222.0497 357.0492 280.0170 MS/MS 359 bin 138 269.9879 Noisy m/z % 100 152 176.0601 118.9706 56.0494 103.0424 70.0642 168.0262 255.0025 249.0403 181.9741 248.9506 269.9900 358.0413 327.2386 296.8937 MS/MS 359 bin 82 176.0543 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 m/z 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 % 100 711 181.9741 179.9684 56.0494 158.0457 132.0592 88.0369 359.0347 357.0410 271.0183 269.9900 183.9908 339.1695 297.2027 MS/MS 359 bin 80-140

Conf

• nfirm

irmation tion expe xperim riments nts in in pr prog

• gress

ss

50 100 150 200 250 300 350 400 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

XIC ¡IMS ¡ m/z: ¡176,0 m/z: ¡269,9 Dernovics ¡and ¡Lobinski, ¡Anal. ¡ Chem, ¡(2008) ¡80: ¡3975-­‑3984 ¡ SEC/SAX/HILIC-­‑ ESI ¡FT ¡Orbitrap ¡ MS ¡

11

Ion Mobility Mass Spectrometry for pesticides screening

• Pesticides are rich in diversity:

– chemical structure, – solubility, volatility, – Persistence in organisms and environment

• in number: More than 1200 molecules

– around 740 are allowed to be used in the EU – around 500 compounds sought/sample

• LC based separation is the major used analytical

method

• Pesticides screening: Multiresidues methods are

mandatory

• S. Goscinny, L. Joly, E. De Pauw,
• V. Hanot and G. Eppe

12

Plackett-Burman design

• 5 parameters

– IMS T-Wave velocity (m.s-1) – IMS T-Wave Height (V) – Gas Pressure (mbar) – Helium Cell Pressure (mbar) – Biais (V)

• 3 responses

– Intensity (cps, aera) – Resolution – Relative drift time (ms) construction of the design is done with 15 runs 4 representative groups of pesticides

0,40 1,40 2,40 3,40 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 Dri4 ¡Time ¡(ms) m/z Carbamate Nitrogen ¡pesNcide Organophosphate Pyrethroid

• S. Goscinny, L. Joly, E. De Pauw,
• V. Hanot and G. Eppe

13

IM-MS analyses of pesticides: spectrum clean-up

• Pesticides screening:

– solubility, volatility: LC retention time – chemical structure: m/z in MS – Discrimination using drift time of isobar and coeluted compounds

m/z 200 400 600 800 1000 % 100 709.4479 687.4252 207.1463 134.0958 347.0227 349.2007 473.3018 615.7142 709.9487 710.4498 711.9188 719.9089 720.9063 m/z 200 400 600 800 1000 % 100 207.1563 195.1463 208.1770 233.0323 235.0322 261.1438

• S. Goscinny, L. Joly, E. De Pauw, V.

Hanot and G. Eppe Water / Methanol extraction RP-UPLC ESI MS screening of Diuron RT: 6.38 min [M+H]+: 233.0248 MS IMS

14

Discrimination of co-eluted molecules by IM-MS during pesticides screening

• S. Goscinny, L. Joly, E. De Pauw,
• V. Hanot and G. Eppe

Pesticide: m/z drift time (ms) Quinalphos [M+H]+: 299.0619 3,81 Quinalphos [M+Na]+:321.0439 4,97 Phenthoate [M+H]+: 321.0384 4,22

N N O P O C H

3

S O C H

3

P O S O C H

3

C H

3

S O O H

3

C

Quinalphos ¡ Phenthoate ¡

15

• But…
• SS bonds imply low fragmentation ratio

during MS/MS (CID) experiments è Sequencing L

• Disulfide bonds assignment is very complex

and time-consuming!!!

Cytotoxin-­‑1 ¡from ¡Naja ¡oxiana ¡venom-­‑ ¡~7KDa ¡/ ¡5 ¡SS ¡ Conotoxin ¡MVIIA ¡from ¡Conus ¡magus ¡-­‑ ¡~3KDa ¡/ ¡3 ¡SS ¡

IMS for peptides structure elucidation in venomics field

• These bonds fulfill multiple functions :
• Provide the toxin proper conformation to

bind to the targeted receptor

• Reduce the immunogenicity
• Provide a high stability in time
• Toxins have many disulfide brigdes and are

highly structured

• J. Echterbille, L. Quinton, E. De Pauw

Poster 15

16

Drift time (ms) Intensity (a.u.)

Mix of native, partially reduced and reduced forms of a 2 disulfide bridge-containing peptide Four contributions to the arrival time distribution Mobility separation Nano-ESI infusion CID in the Transfer module Recording of a total CID spectrum Extraction

• f CID

spectrum Sequencing of each toxin’s form

Methodology: IMS for peptides structure elucidation in venomics field

17

• J. Echterbille, L. Quinton, E. De Pauw

Poster 15

Fragmentation spectrum of the semi-reduced forms (arrival time : 5.371 & 5.735 ms) ¡

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 % 100 x7.5 x5 136.05 299.15 186.11 506.28 362.16 326.65 691.41 609.85 724.43 555.28

G R C C H P A C G K Y Y S C

SH SH S S

iY [MH-Y]2+ [MH-Y-Y]2+ YY-28 PA YS-28 [MH-P]2+ [MH-Y-Y-S]2+ b2 ¡ y12

2+ ¡

(b6-­‑1)2+ ¡ (b7-­‑1)2+ ¡ [MH-K-Y-Y]2+ y11

2+ ¡

[MH3]3+ (y9-­‑1)2+ ¡ [MH3-H2O]3+ [MH3-H2O]3+ 566.32 m/z 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 % 100 515.62 136.05 121.01 466.26 437.23 413.69 191.04 163.03 208.06 299.15 712.94 669.40 587.84 555.28 614.74

G R C C H P A C G K Y Y S C

S S SH SH

b10 ¡ b9 ¡ b12

2+ ¡

b11

2+ ¡

b13

3+ ¡

b8

2+ ¡

b2 ¡

b10

2+ ¡

b9

2+ ¡

b8

¡

b13

2+ ¡

[MH-P]2+

(y11-­‑1)2+ ¡ y9-­‑1 ¡ y1

¡

y2

¡

y3

¡

y6

¡

y7-­‑1 ¡ y8-­‑1 ¡ b5-­‑1 ¡ (b6-­‑1)2+ ¡ (b7-­‑1)2+ ¡

[MH3]3+ iY YY-28 YS-28 [MH3-H2O]3+ [MH3-28]3+ b5-­‑1 ¡ Time (ms) 5.00 6.00 7.00 % 100 5.35 6.104 5.735 4.00

18

Fragmentation spectrum of the semi-reduced form (arrival time : 6.104 ms) ¡

m/z 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 % 100 515.62 136.05 265.12 279.12 461.25 299.15 363.18 557.30 529.29 691.41 609.85

G R C C H P A C G K Y Y S C

SH S SH S

[MH-Y]2+

b5 ¡

[MH3]3+ iY

y9 ¡ y8 ¡ y7 ¡ y11

2+ ¡

b6

2+ ¡

a7

2+ ¡

a5

2+ ¡

b5

2+ ¡

YY-28

y12

2+ ¡

[MH-K-Y-Y]

b7

2+ ¡

[MH-Y-Y-S]2+

a5

¡

[MH-Y-Y]2+ 820.50 891.56 988.65

b2 ¡ b4 ¡

[MH3-H2O]3+ [MH3-28]3+ Time (ms) 5.00 6.00 7.00 % 100 5.35 6.104 5.735 4.00

19

See poster #15 (J. Echterbille et al.) for a new potential application to prevent the reoxidation

• Ion Mobility is a valuable tool for small molecules

analyses because of:

– Spectra cleaning of trace residues (addition of a new orthogonal separation of ion, removing the matrix background) – Provide a new potential identification criterion for screening and identification for analytical purposes: the drift time – Get deeper insight into structural information compare to “regular” MS

• Instrument can offer additional potentialities that are

under investigations to propose new strategies with IM- MS

Conclusions and perspectives

20

Thank you for your attention

Acknowledgments: I would like to thanks:

– The respective authors for providing figures (pesticide, venomics) – Romain Touilloux for his work during the pesticide screening project by IMS – Members of the LSM lab for valuable discussions – ANALIS SA/NV for my current financial support – The organizers to give us the opportunity to present these works