Ionenmobiliteitsspectrometrie
Ionenmobiliteitsspectrometrie, kortweg IMS, is een analytische techniek om chemische componenten te scheiden en te identificiëren op basis van hun migratiesnelheid als ion in gasfase. Het grote voordeel van IMS is de snelheid waarmee metingen verricht kunnen worden. Een scheikundige stof kan gedecteerd worden in luttele seconden. Ionenmobiliteitsspectrometers zijn er in alle vormen en maten en worden gebruikt in een veelheid van sectoren, bijvoorbeeld in de analyselabo's van de farmaceutische industrie, door veiligheidsinstanties (zoals de veiligheidsdienst van een luchthaven) en in de geneeskunde.
Werking
Een ionenmobiliteitsspectrometer bestaat grofweg uit drie delen: het ionisatiegedeelte, de drijftunnel en het analysegedeelte.
Ionisatie
Vooraleer een stof geanalyseerd kan worden, moet ze geïoniseerd worden. Ionen kunnen bekomen worden door onder meer corona ontlading, elektrospray ionizatie (ESI), en matrix-geassisteerde laser desorptie/ionisatie (MALDI). De stof is na deze stap opgesplitst in ladingdragende bouwblokken of ionen.
Drijftunnel
De ionen worden op geijkte tijdstippen toegestaan in het volgende deel van het apparaat, de drijftunnel. Dit gebeurt een fractie van seconde per keer. In de drijftunnel krijgen de ionen te maken met twee drijfveren: een trekkend elektrisch veld en een tegenwerkend draaggas. De snelheid waarmee het ion de andere kant van de tunnel bereikt hangt af van zijn ionenmobiliteit. De ionenmobiliteit is afhankelijk van de lading, het gewicht en de grootte en vorm van het betreffende ion. Het tijdstip waarop verschillende ionen de tunnel verlaten verschilt dus van ion tot ion. Om een voorbeeld te geven: hoe groter het ion, des te meer botsingen met draaggasmoleculen het te verduren zal krijgen en des te langer het duurt vooraleer het de tunnel kan verlaten.
Analyse
Aan het einde van de tunnel staat een detector die de ionen waarneemt. Zo kan het tijdstip of de "time-of-flight" opgemeten worden en vergeleken met bekende waarden van standaardoplossingen. Deze techniek wordt TOFIMS genoemd of "time-of-flight ionenmobiliteitsspectrometrie". Naast het opmeten van de time-of-flight kunnen nog andere technieken aan het apparaat gekoppeld zijn. Andere analysetechnieken die aan IMS gekoppeld kunnen worden zijn massaspectroscopie of chromatografie.
Toepassingen
De grootste troef van ionenmobiliteitsspectrometrie is de snelheid waarin molecules gescheiden kunnen worden - meestal binnen tientallen milliseconden. Verder hebben de relatief hoge gevoeligheid, het zeer compacte ontwerp en het makkelijk gebruik er ervoor gezorgd dat IMS als commercieel product gemakkelijk kan worden ingezet bij routine controles op explosieven, drugs en chemische wapens. De belangerijkste fabrikanten van IMS-screeningapparaten die op luchthavens worden gebruikt, zijn Morpho en Smiths Detection. Smiths kocht Morpho Detection in 2017, maar moest juridisch afstand doen van de 'opsporing and detectie' tak van het bedrijf [1]. Deze werd midden 2017 verkocht aan Rapiscan Systems. De producten staan vermeld onder ETD Itemisers.
In de farmaceutische industrie wordt IMS gebruikt bij reinigings controles, waarbij geoordeeld wordt of een reactievat kan worden gebruikt voor een volgende batch farmaceutisch producten. IMS is vele malen sneller en nauwkeuriger dan de eerder gebruikte HPLC- en totale organische koolstofmethoden . IMS wordt ook gebruikt bij de kwalitet controle; met name de controle van de samenstelling, dosis en de afwezigheid van mogelijke contaminanten in geproduceerde geneesmiddelen. [2]
In fundamenteel onderzoek wordt ionenmobiliteit een steeds breder ingezette techniek voor de analyse van biologische materialen, met name in proteomica, metabolomics en glycomics . In proteomica, kan IM-MS gecombineerd met MALDI ionisatie gebruikt worden om snel en met hoge resolutie eiwitten en/of eiwit fragmenten te scheiden. [3] Botsingsdoorsneden (CCS) zijn oppervlaktes van 2D projecties van de molecule of eiwit. De gerapporteerde CCS-waarden zijn het gemiddelde over alle rotaties die de molecule maakt tijdens zijn vlucht door de drijftunnel. De CCS-waarden geven inzicht in de globale vorm en hoe deze veranderd tijdens de vlucht, voornamelijk belangrijk voor eiwitten. In proteomica worden deze CCS-waarden verder gebruikt om inzicht te krijgen in de stabiliteit van eiwitten en multi-eiwitcomplexen via Collision-induced dissociation (CID)-experimenten. In metabolomics en glycomics worden de CCS-waarden, mits gekoppeld aan een MS instrument, gebruikt om verschillende isomeren van eenzelfde molecule te onderscheiden. [4] Het toevoegen van CCS-waarden van glycanen en hun fragmenten aan databases vergroot de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de structurele identificatie. [5] Naast de empirische bepaling kunnen CCS-waarden ook computationeel berekend worden, mits de 3D-structuur van de molecule gekend is. Huidige CCS-algoritmen maken berekeningen in enkele ms mogelijk, dit maakt hen krachtige hulpmiddelen in combinatie met andere predictie computer modellen zoals AlphaFold en/of moleculair-dynamische simulaties. [6]
Buiten laboratoriumdoeleinden heeft IMS veelal toepassing gevonden als opsporings toepassing voor gevaarlijke stoffen. Wereldwijd zijn er meer dan 10.000 IMS-apparaten in gebruik op luchthavens, en het Amerikaanse leger heeft er zelfs meer dan 50.000. [7] [8] In industriële context word het gebruikt bij de onderhouds controles van bepaalde apparatuur, voor het bepalen van emissiegehaltes, zoals de hoeveelheid zoutzuur en waterstoffluoride en bij het opsporen van schadelijke stoffen in de lucht. [9]
- ↑ (en) Justice Department Requires Divestiture of Morpho's Explosive Trace Detection Business Before Smiths Acquisition. www.justice.gov (30 maart 2017). Geraadpleegd op 17 oktober 2021.
- ↑ O'Donnell, Ryan M. (2008). Pharmaceutical applications of ion mobility spectrometry. Trends in Analytical Chemistry 27 (1): 44–53. DOI: 10.1016/j.trac.2007.10.014.
- ↑ McLean, J.A. (2005). Ion mobility–mass spectrometry: a new paradigm for proteomics. International Journal of Mass Spectrometry 240 (3): 301–315. DOI: 10.1016/j.ijms.2004.10.003.
- ↑ (en) Cumeras, R. (2015). Review on Ion Mobility Spectrometry. Part 1: current instrumentation. The Analyst 140 (5): 1376–1390. ISSN: 0003-2654. PMID 25465076. PMC 4331213. DOI: 10.1039/C4AN01100G.
- ↑ Aizpurua-Olaizola, O. (2018). Mass spectrometry for glycan biomarker discovery. TrAC Trends in Analytical Chemistry 100: 7–14. DOI: 10.1016/j.trac.2017.12.015.
- ↑ (en) Marklund, Erik G. (7 april 2015). Collision Cross Sections for Structural Proteomics. Structure 23 (4): 791–799. ISSN: 0969-2126. PMID 25800554. DOI: 10.1016/j.str.2015.02.010.
- ↑ Zolotov, Yu. A. (2006). Ion Mobility Spectrometry. Journal of Analytical Chemistry 61 (6). DOI: 10.1134/s1061934806060013.
- ↑ Eiceman, G. A. (November 2004). Peer Reviewed: Ion Mobility Spectrometers in National Defense. Analytical Chemistry 76 (21): 390 A–397 A. ISSN: 0003-2700. PMID 15551477. DOI: 10.1021/ac041665c.
- ↑ Räsänen, Riikka-Marjaana (2008). Determination of gas phase triacetone triperoxide with aspiration ion mobility spectrometry and gas chromatography–mass spectrometry. Analytica Chimica Acta 623 (1): 59–65. PMID 18611458. DOI: 10.1016/j.aca.2008.05.076.