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. ¡Far a , ¡S. ¡Goscinny b , ¡L. ¡Joly a,b , ¡R. ¡Touilloux a , ¡J. ¡Echterbille a , ¡L. ¡Quinton a ¡, ¡G. ¡Eppe a ¡and ¡E. ¡De ¡Pauw a ¡ 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 ¡ ¡

Plan • 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 ¡

Concept of Ion Mobility The Drift Tube Ion Mobility Mass Spectrometry Illustration from The Bowers group website: www.bowers.chem.ucsb.edu/theory_analysis/ion-mobility/index.shtml 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 3

Different design of IMS • 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) 4

Ion Mobility Mass Spectrometry • General principles of Travelling Wave Ion Mobility Spectroscopy: ! = (​ 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) • Waters Synapt G2 HDMS m: mass of gas, M mass of ion → reduced mass ≈ m gas • Ω : collision cross-section (A ² ) • Courtesie ¡of ¡ Waters ¡ 5

Structural assignation of an isobar compound in a L and D,L- SeMet standard by ESI IM MS and MS E • ESI MS SeMet and reflectron in V optic mode: 09-05-2011_SEMET 10PPM IM-MS MODE POS HR 36 (3.719) Cm (2:200) Δ m = -2.02 ppm, • 180.9748 6.49e4 100 R FWHM ≈ 12 000 • Loss of 17,0282 (NH 3 ?) • 178.9755 % 198.0030 (198.0030-180.9748) 176.9785 182.9763 196.0034 200.0004 NH3 = 17.0265 • 174.9899 193.0002 0 m/z 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 – Δ m = 98.8 ppm !!! • ESI MS SeMet and reflectron in W optic mode : Δ m SeMet = -2.02 ppm, R FWHM ≈ 25 000 • 191.9891 194.0048 196.0034 100 100 100 192.0103 % % % 193.9895 195.9881 192.0255 191.9072 192.0770 0 0 0 m/z m/z m/z 193.940 193.980 194.020 195.940 195.980 196.020 191.950 192.000 192.050 J. ¡Far, ¡G. ¡Mazzucchelli, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡, ¡G. ¡Eppe ¡ 6

Structural assignation of an isobar compound in a L or D,L- SeMet standard by ESI IM MS 09-05-2011_SEMET 10PPM IM-MS MODE POS HR 42 (4.356) SeMet 10ppm microESI IM-MS MSe N2 HR_dt_01 198.0030 7.85e3 3.71 100 O TIC 100 + 5.11e4 N H 3 H O 196.0034 Se % 194.0048 200.0035 % 0 m/z 4.35 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 09-05-2011_SEMET 10PPM IM-MS MODE POS HR 38 (3.931) 180.9748 5.40e3 100 2.76 8.80 10.18 5.51 12.19 O 0 Scan O H 178.9755 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 % + Se N H 100 182.9763 176.9785 H C XIC 196 3 195.9850 193.9895 0 m/z 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 % 3.93 0.00 2.50 5.00 7.50 J. ¡Far, ¡G. ¡Mazzucchelli, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡, ¡G. ¡Eppe ¡ 7

N -2,3-dihydroxypropionyl-selenocystathionine Ma Major jor se sele lenoc nocom ompound pound in the low molecular weight water extract from • Se-rich yeast [C 10 H 18 N 2 O 7 Se + 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)] Metabolic origin or by-product ? (No sulfur analogue describe in the literature) • • Two coeluted isomers, confirmation on the basis of (MS 2 ), MS 3 and MS 4 data O OH O OH H H N N H O H O O OH m/z : ¡359.0358 ¡ O OH Se Se O O + H 3 N + H 3 N OH OH Specific ¡fragments ¡ Se O OH H O OH H 2 N + H O O N + H O H 3 N O + O OH H 3 N OH O OH OH + SeH m/z : ¡181.9720 ¡ m/z : ¡176.0559 ¡ m/z : ¡88.0399 ¡ m/z : ¡269.9881 ¡ 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 First LC dimension: Size Exclusion Chromatography Se-rich yeast water extract 9 signal (x 10 +5 cps) Superdex ¡75 ¡ 8 LxID:400x30mm ¡ 7 82 Se 6 78 Se Preparative S.E.C 5 4 3 2 ICP Q MS 1 S.A.X 0 50 100 150 200 250 time (minutes) m/z: ¡345 ¡ m/z: ¡313 ¡ m/z: ¡604 ¡ and ¡373 ¡ ??? ¡ m/z: ¡661 ¡ m/z: ¡400 ¡ m/z: ¡370 ¡ ESI ¡ToF ¡MS(/MS) ¡ 2 nd LC dimension: Anion Exchange HPLC (PRPX-100) To ¡idenNfy ¡ 4 10 to 250mM CH 3 CO 2 NH 4 signal (cps) x 10 +4 359.0439 3 100 75 Se 78 357.0418 Se 82 pH 5.5 176.0970 2 50 360.1632 100 360.9686 353.0215 355.0453 363.0983 356.0181 25 % 1 354.0903 362.0659 351.0772 0 10 20 30 40 50 60 70 Elution time (minutes) % 197.0574 130.0526 0 m/z 350 352 354 356 358 360 362 282.2885 229.1525 489.1249 84.0459 511.1140 371.1152 J. ¡Far, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡Edwin, ¡R. ¡Lobinski, ¡G. ¡Eppe ¡ 0 m/z 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 9

Clean-up of mass spectra by IM-MS: 276.1033 ¡ 741 ¡ 700 ¡ 130.0378 ¡ 3D-­‑LC ¡ESI ¡QToF ¡MS ¡ Dernovics ¡and ¡coworkers, ¡Metallomics ¡(2009) ¡ 1 , ¡317–239 ¡ Intensity, counts ¡ 359.0161 ¡ 350 ¡ 489.0836 ¡ 0 ¡ m/z ¡ 100 ¡ 200 ¡ 300 ¡ 400 ¡ 500 ¡ 600 ¡ 700 ¡ 800 ¡ 900 ¡ 1000 ¡ 359.0412 100 2D-­‑LC ¡ESI ¡IMS ¡ToF ¡MS ¡ This ¡work ¡ 381.0240 357.0391 % 338.9983 332.9796 324.0644 383.0237 286.9926 388.2612 449.6294 247.1014 176.0898 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 m/z J. ¡Far, ¡E. ¡De ¡Pauw ¡Edwin, ¡R. ¡Lobinski, ¡G. ¡Eppe ¡ 10

Separation of N -2,3-DiHydroxyPropionyl-SelenoCystathionine by ESI IM-MS and estimation of isomer ratio Se Sele lection tion of of m/z m/z : 3 : 357 a and 3 nd 359 on qua on quad, d, the then IMS a IMS and MS nd MS spe spectr tra 100 100 cps 157 cps 358.0454 359.2792 Dernovics ¡and ¡Lobinski, ¡Anal. ¡ 100 100 359.0472 Chem, ¡(2008) ¡ 80 : ¡3975-­‑3984 ¡ 400 XIC ¡IMS ¡ 359.0472 m/z: ¡176,0 % % 350 360.2827 357.0120 m/z: ¡269,9 359.2626 358.3516 300 360.0089 357.3095 250 % 0 0 m/z m/z 356 357 358 359 360 356 357 358 359 360 200 SEC/SAX/HILIC-­‑ ESI ¡FT ¡Orbitrap ¡ 150 MS ¡ 100 ¡ ≈ 12% ¡ 50 0 0 Scan 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 266 135.9715 MS/MS 359 bin 138 MS/MS 359 bin 82 176.0601 152 100 100 164.9348 181.9741 133.9702 % 176.0543 269.9900 255.0025 % 269.9879 358.0413 249.0403 181.9741 248.9506 Noisy 56.0494 168.0262 327.2386 118.9706 359.0430 296.8937 103.0424 357.0492 70.0642 260.2022 129.1065 84.0826 280.0170 222.0497 0 m/z 0 m/z 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 181.9741 711 100 MS/MS 359 bin 80-140 359.0347 Conf onfirm irmation tion % 179.9684 357.0410 expe xperim riments nts in in 271.0183 56.0494 269.9900 132.0592 183.9908 pr prog ogress ss 158.0457 339.1695 88.0369 297.2027 11 0 m/z 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

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 4 representative construction of the design groups of pesticides is done with 15 runs • 5 parameters 3,40 – IMS T-Wave velocity (m.s -1 ) – IMS T-Wave Height (V) Carbamate – Gas Pressure (mbar) 2,40 Dri4 ¡Time ¡(ms) Nitrogen ¡pesNcide – Helium Cell Pressure (mbar) Organophosphate – Biais (V) Pyrethroid 1,40 3 responses • – Intensity (cps, aera) 0,40 – Resolution 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 m/z – Relative drift time (ms) S. Goscinny, L. Joly, E. De Pauw, V. Hanot and G. Eppe 13