Развитие методов фрагментации молекулярных ионов в масс-спектрометрии

Цыбин, Юрий Олегович

Развитие методов фрагментации молекулярных ионов в масс-спектрометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Цыбин, Юрий Олегович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2003 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие методов фрагментации молекулярных ионов в масс-спектрометрии»

Автореферат диссертации на тему "Развитие методов фрагментации молекулярных ионов в масс-спектрометрии"

На правах рукописи

Цыбин Юрий Олегович

Развитие методов фрагментации молекулярных ионов в масс-спектрометрии

Специальность 01.04.04. - "Физическая электроника"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2003 год

Диссертация выполнена в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Фотиади Александр Эпаминондович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Гапль Лидия Николаевна

доктор физико-математических наук, профессор Смирнов Александр Сергеевич

Ведущая организация:

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург

Защита состоится 13 ноября 2003 года в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.229.01 в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, II учебный корпус, ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан 10 октября 2003 года. *

Ученый секретарь диссертационного совета профессор

Водоватов И. А.

Общая характеристика работы

АКТУУЬНрргь

Исследование строения и свойств макромолекул является одним из важнейших направлений современной науки. Особое значение приобрели методы анализа белковых макромолекул с использованием тандемной масс-спектрометрии. Основанные на фрагментации молекулярных ионов (МИ) при взаимодействии с фотонами ИК и УФ диапазонов, электронами низких (1-10 эВ) и средних (10 - 100 эВ) энергий, а также на столкновениях с атомами газа и поверхностями мишеней, тандемные методы позволяют получать важную фундаментальную и прикладную

• информацию о структуре частиц, включая положение и типы пост-трансляционных модификаций, способствует определению неизвестных компонентов сложных смесей.

Однако, эффективность используемых методов фрагментации МИ недостаточна для решения ряда современных задач. Методам фрагментации МИ с использованием лазерного излучения, а также столкновительным, свойственны фундаментальные ограничения, типичные для техники медленного нагрева. Происходит селективная фрагментация, теряется информация о положении лабильных групп (посттрансляционных модификаций) в структуре МИ. Метод фрагментации МИ при взаимодействии с низкоэнергетичными электронами, или электронный диссоциативный захват (ЭДЗ), характеризуется большим временем реакции (накопления данных) и низкой воспроизводимостью. Возможности комбинирования различных методов фрагментации, использования их в единой конфигурации не изучались. Отсутствуют данные о значениях потенциалов ионизации МИ. Поэтому задача развития методов фрагментации МИ в масс-спектрометрии является актуальной.

Основными целями диссертации явились:

• развитие ЭДЗ метода фрагментации МИ путем улучшения параметров инжектируемого электронного пучка: увеличение частоты фрагментирующих ионно-электронных взаимодействий, улучшение воспроизводимости;

• определение потенциалов ионизации МИ при повышении степени ионизации МИ электронным ударом;

1'ОС, НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

С.Петербург /г/ 09 ЧюЯлжтРР/ I

• создание метода и выявление возможностей комбинированного фрагментирующего воздействия электронов низких энергий и фотонов ИК диапазона на МИ в газовой фазе и на поверхности твердого тепа в вакууме;

• развитие метода корпускулярной и поверхностной столкновительной фрагментации МИ: выявление особенностей фрагментации при различных параметрах возбуждения МИ.

В соответствии с указанными целями определены основные задачи:

• обоснование требований к устройствам инжекции электронов и фотонов и их реализация для повышения эффективности фрагментации МИ в масс-спектрометре на ионном циклотронном резонансе с преобразованием Фурье (МС ИЦР ПФ) и время-пролетном масс-спектрометре (ВП МС);

• получение с помощью усовершенствованных устройств инжекции в МС ИЦР ПФ основных экспериментальных характеристик процессов взаимодействия МИ с потоком электронов низкой энергии;

• измерение потенциалов ионизации некоторых МИ при повышении степени ионизации МИ с помощью усовершенствованных устройств инжекции электронов в МС ИЦР ПФ;

• выявление характеристик взаимодействия электронов и фотонов с нейтральными и заряженными молекулами в газовой фазе и на поверхности в вакууме;

• проведение теоретического (на основе компьютерного моделирования) и экспериментального анализа столкновительной фрагментации МИ в радиочастотной гексапольной ловушке в элекгроспрей ионном источнике МС ИЦР ПФ;

Научная новизна полученных и представленных в диссертации результатов

работы. В ней впервые:

1. Получена ускоренная, устойчиво воспроизводимая фрагментация МИ при захвате электронов низких энергий в МС ИЦР ПФ. Впервые достигнуто снижение времени фрагментации на несколько порядков, до -1 мс, использованы жидкостная хроматография и капиллярный электрофорез в режиме реального времени в тандемной МС ИЦР ПФ.

2. Выявлена линейная зависимость значений энергий ионизации К протежированных полипептидов от заряда 2 (г=1...5) в диапазоне масс (1.0 - 3.5) кДа вида ИЭ(г)=[9.8+1.12±0.5] (эВ).

3. Реализованы комбинированная ЭДЗ и фотонная фрагментации МИ в МС ИЦР ПФ. Показано, что комбинированные фрагментационные масс-спектры содержат новую информацию о структуре МИ, в том числе о пост-трансляционных модификациях. При комбинированном действии электронов и фотонов выявлены не изученные ранее процессы, с помощью которых осуществлен структурный анализ МИ.

( 4. Теоретически и экспериментально выявлено, что эффективная столкновительная

фрагментация МИ на атомах газа в радиочастотной гексапольной ловушке достигается в режиме увеличенного объемного заряда ионов и радиальной стратификации, в котором ионы с большими значениями отношений масса/заряд испытывают существенное действие поля пространственного заряда. 5. Выявлена импульсная активированная фрагментация МИ на поверхности металлических и полупроводниковых образцов в ВП МС при комбинированном воздействии низкоэнергетичных электронов и лазерного излучения.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием широкого набора различных экспериментальных установок и приборов, тщательной отработкой комплекса различных методик исследования, многократной проверкой получаемых данных, соответствием данным, имеющимся в научно-технической литературе.

Научная значимость диссертационной работы состоит в том, что в ней получили развитие физические представления, относящиеся к энергетическим возбуждениям и структурным преобразованиям МИ при взаимодействии с электронами, фотонами и нейтральными частицами. Развиты новые методические решения, которые существенно расширили возможности исследований фрагментации МИ.

' Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее

^ результаты позволили получить более широкую и подробную научную информацию о

| структуре исследованных МИ. В дальнейшем они нашли непосредственное

применение в масс-спектрометрии макромолекул для проведения структурного анализа отдельных частиц и их смесей. Результаты работы используются также в учебных курсах и в научных исследованиях в СПбГПУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Устойчиво воспроизводимая фрагментация МИ в МС ИЦР ПФ реализуется при инжекции оптимизированного потока электронов низких энергий. При этом время фрагментации снижается до ~1 мс, что обеспечивает использование в тандемной МС ИЦР ПФ жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза в режиме реального времени.

2. Зависимость значений энергий К высоких степеней ионизации протонированных полипептидов от заряда z (z=1...5) в диапазоне масс (1.0 - 3.5) кДа вида K(z)=[9.8+1.1z±0.5] (эВ) имеет линейный характер.

3. Масс-спектры, полученные в режиме совмещения быстрой электронной и фотонной фрагментации МИ в МС ИЦР ПФ, содержат новую информацию о структуре МИ, в том числе о пост-трансляционных модификациях. При комбинированном действии электронов и фотонов возникают специфические процессы фрагментации, с помощью которых осуществляется структурный анализ МИ.

4. Кинетическая энергия МИ, участвующих в столкновительной фрагментации на атомах газа в радиочастотной гексапольной ловушке, существенно возрастает в режиме увеличенного объемного заряда ионов и радиальной стратификации, в котором ионы с большими значениями отношений масса/заряд испытывают существенное действие поля пространственного заряда.

5. Импульсная активированная поверхностная фрагментация МИ осуществляется при инжекции электронов в тонкие металлические и полупроводниковые образцы в ВП МС.

Апробация работы

Материалы диссертации прошли апробацию в виде лекций и докладов на более чем 10 научных конференциях в России и за рубежом, в том числе: 6ая научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования в технических университетах», СПб, СПбГПУ, Июнь 2003; 49ая, 50™ и 51ая ASMS конференции по масс-спеюгрометрии, США - Канада, 2001 - 2003 гг.; Европейская конференция по физике, Страсбург, Франция, Июнь 2001; 15а" Конференция по активации и диссоциации ионов, Санибел, США, Январь 2003; Конференции «Десорбция» 2000 (Франция) и 2002 (США); Конференция по масс-спектрометрии в медицине, биологии и экологии, Москва, Апрель 2002; 15"" международная конференция по взаимодействиям

ионов с поверхностью, Звенигород, Август 2001, 2-й Республиканская конференция по Физической Электронике, Ташкент, 1999.

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 3 статьи в журналах (Известия АН - серия физическая, Journal of Mass Spectrometry, European Journal of Mass Spectrometry), 11 публикаций в трудах конференций. Основные публикации по теме диссертации приведены в списке литературы.

Исследования, представленные в диссертации, выполнены в СПбГТУ-СПбГПУ в период приблизительно с 1999 года по настоящее время. Кроме того, циклы измерений проведены в Ангстрем Лаборатории (Университет Уппсала, Швеция).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списков основных публикаций (14 наименований) и цитируемой литературы (129 наименований). Общий объем диссертации - 198 страниц, включая 53 рисунка и таблицы.

Во введении определены: объект исследования - МИ газофазные и адсорбированные на поверхности образцов, и техника эксперимента - время-пролетный м'асс-спектрометр (ВП МС) и масс-спектрометр на ионном циклотронном резонансе с преобразованием Фурье (МС ИЦР ПФ). Обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы. Приведен анализ методов и результатов исследований фрагментации МИ, опубликованных в научно-технической литературе. Показано, что для решения наиболее важных современных задач, таких, как определение структур МИ, типов и положения пост-трансляционных модификаций, требуются новые эффективные методические и технические разработки.

Первая глава содержит описание экспериментальных методов и аппаратуры, используемых в работе. Приведены характеристики методов фрагментации МИ, используемых в МС для изучения структуры молекул, а также параметры экспериментальных установок, изготовленных на основе МС ИЦР ПФ (рисунок 1) и ВП МС двух типов. Основываясь на физической природе взаимодействий МИ, приводящих к структурным превращениям, разработана методика комплексного исследования процессов взаимодействия МИ с электронами низких (1-10 эВ) и средних (10-100 эВ) энергий, лазерным излучением ИК и УФ диапазонов, атомами газов в объеме и на поверхности в вакууме.

Рассмотрены реакции, в результате которых происходят изменения зарядового состояния или структуры МИ. С помощью адаптированных компьютерных программ 81М10Ы и ЕСиЫ разработаны и реализованы устройства инжекции электронов низких энергий в ловушку Пеннинга МС ИЦР ПФ и в ионный источник ВП МС. Выполнен анализ наиболее перспективных методов структурного анализа макромолекул, основанных на взаимодействии МИ с импульсными электронными и лазерными пучками, а также столкновительной фрагментации ионов при накоплении в радиочастотной ионной ловушке, установленной в электроспрей ионном источнике МС ИЦР ПФ.

входа магнит ИЦР ловушку

Рисунок 1. Схематическое изображение экспериментальной установки на основе МС ИЦР ПФ, используемой в работе для изучения реакций МИ с электронами и фотонами.

Разработана методика исследования структурных превращений молекул и МИ на поверхности твердого тела в вакууме, основанная на раздельном и комбинированном действии электронного и лазерного пучков на частицы, взаимодействующие с поверхностью твердого тела.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу процесса взаимодействия МИ с электронами. На основе аналитических расчетов обоснована усовершенствованная система инжекции электронов, необходимая для развития методов фрагментации на основе ЭДЗ в масс-спектрометрии. Обсуждаются результаты экспериментальных исследований взаимодействия МИ, захваченных в

ловушку Пеннинга МС ИЦР ПФ, с электронами, инжектированными с помощью устройств, разработанных на основе теоретического анализа. Использовались два режима получения электронов. В первом режиме средняя энергия инжектируемых электронов в ловушке не превышала нескольких эВ, во втором случае использовались электроны более высоких энергий (10 - 20 эВ и выше). При различных значениях энергии электронов исследовались реакции фрагментации МИ и ионизации электронным ударом.

Получены данные о параметрах взаимодействия МИ с электронами низких энергий: зависимости от энергии электронов, времени облучения электронами, распределения продольных и поперечных скоростей электронов, начальных характеристик ионов. Экспериментально и теоретически изучена связь параметров траекторий ионов в ловушке Пеннинга с эффективностью ЭДЗ фрагментации МИ. Выявлены параметры режима, соответствующего максимальной эффективности реакции ЭДЗ. Полученные данные использовались для определения структур исследуемых макромолекул в диапазоне масс (1 - 29) кДа, а также для определения потенциалов ионизации многозарядных МИ. Развиты методы фрагментации МИ в МС ИЦР ПФ, основанные на взаимодействии МИ с электронами в ловушке Пеннинга МС ИЦР ПФ, в частности, с помощью разработанного устройства инжекции электронов существенно повышен темп реакции фрагментации МИ при захвате электронов низких энергий в МС ИЦР ПФ. Достигнутое снижение времени фрагментации на несколько порядков, до ~1 мс, близко к предельному теоретическому значению при значении сечения фрагментации ~10"12 см2.

На рисунке 2 приведен типичный фрагментационный масс-спектр МИ нейропептида сабстанс Р (substance Р), полученный методом электронного диссоциативного захвата в МС ИЦР ПФ (сумма 16 единичных реализаций). Параметры измерений: длительность импульса инжекции электронов 20 мс, энергия электронов 0.5 эВ. Молекулярные пики соответствуют исходным одно- и двухзарядным ионам, (о* -сю) - однозарядным ионам-фрагментам. Представленная в масс-спектре информация позволяет частично определить первичную структуру молекулы.

В тандемной МС ИЦР ПФ с усовершенствованной системой инжекции электронов использовано комбинирование метода ЭДЗ и разделения смесей

макромолекул в режиме реального времени с помощью жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза.

/М+2Н/"

/м+н/ * [М+2И] *

с4

с,

с„

с,

б00

—I— 700

900 т/г

иЬ. .Il,

1100

1300

Рисунок 2. Тандемный масс-спектр МИ нейропептида сабстанс Р (substance Р) полученный методом ЭДЗ в МС ИЦР ПФ.

Получена линейная зависимость значений энергии ионизации К протонированных полипептидов от заряда т (г=1..,5) в диапазоне масс (1.0 - 3.5) «Да вида К(г)=[9.8+1.12±0.5] (эВ). Сравнением с данными, имеющимися в научно-технической литературе показано, что значения энергии ионизации не зависят от способа получения МИ в газовой фазе. Этот результат может быть использован при разработке методов генерации многозарядных ионов в ионных источниках с лазерной десорбцией/ионизацией, а также в экспериментах по постионизации МИ.

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу процесса столкновительной фрагментации МИ в радиочастотной гексапольной ионной ловушке, установленной в электроспрей ионном источнике в МС ИЦР ПФ. Приводятся результаты вычислений зависимостей кинетических энергий захваченных ионов от обьемного заряда, средней длины свободного пробега, амплитуды радиочастотного напряжения, массы и зарядового состояния ионов. Обнаружено, что средняя кинетическая энергия ионов возрастает при увеличении суммарного объемного заряда, средней длины свободного пробега и заряда иона. Однако, для иона, захваченного в поле кулоновских сил, его масса, а также амплитуда приложенного радиочастотного

напряжения не влияют на среднюю кинетическую энергию. Последнее было подтверждено экспериментально: верхний предел насыщения гексапольной ловушки снижался при уменьшении амплитуды радиочастотного напряжения (рисунок 3).

тем-1210

а*-

г-

300 в

200 В

t.c

Рисунок 3. Экспериментальные зависимости суммарного тока прекурсорных МИ белка инсулин (insulin) от времени накопления в гексапольной ловушке МС ИЦР ПФ с электроспрей' ионизацией при разных амплитудах радиочастотного напряжения.

Полученные результаты рассматриваются в применении к диссоциации МИ при накоплении в мультипольной ионной ловушке электроспрей ионного источника. За счет действия эффекта радиальной стратификации ионов происходит предпочтительное возбуждение ионов с большим отношением масса/заряд. Эффективная столкновительная фрагментация МИ в газовой фазе в радиочастотной гексапольной ловушке в МС ИЦР ПФ достигается в режиме увеличенного объемного заряда ионов. Эти результаты позволили сформировать более полное понимание процесса столкновительной фрагментации МИ при накоплении в гексапольной ловушке МС ИЦР ПФ.

Результаты вычислений и экспериментов позволили построить эмпирическую зависимость средней кинетической энергии иона Кореям от заряда ионов z, суммарного пространственного заряда ионов Q (в Кл) и средней длины свободного пробега Д (в мм): (6,7 ± 0,3) ■ Ю10 ■ б + (1,4 ± 1,0) • Ю-3 • Л]. Для типичных условий

эксперимента была определена эмпирическая зависимость значения кинетической

энергии К, ионов, вовлеченных в процесс фрагментации в гексаполе, от заряда иона т. К, = 0,025-2, эВ. Данное значение кинетической энергии сравнимо со значением энергии одиночного фотона ИК диапазона, а также со значением кинетической энергии ионов, вовлеченных в процесс столкновительной фрагментации в ловушке Пеннинга. Это соответствие позволило объяснить идентичность типов фрагментов, получаемых в данных реакциях.

Четвертая глава посвящена анализу взаимодействия МИ и нейтральных ,

молекул с электронами и фотонами в газовой фазе и на поверхности в вакуумном (

объеме масс-спектрометра. Исследовано комбинированное взаимодействие МИ в £

ловушке Пеннинга МС ИЦР ПФ с электронами низких энергий и фотонами ИК диапазона. Рассмотрены различные режимы активации и фрагментации МИ при инжекции пучков электронов и фотонов последовательно или одновременно. Указаны преимущества предложенной системы комбинирования электронного и лазерного излучений. Обнаружены новые реакции образования фрагментов, присущие режиму комбинированного воздействия, что сделало структурный анализ МИ в масс-спектрометрии более информативным. Впервые методами масс-спектрометрии определена, в частности, первичная структура белка дефенсин (defensin НМР-1), содержащего три дисульфидных связи, не поддающихся фрагментации другими известными методами тандемной масс-спектрометрии. Впервые приводятся данные о комбинированном взаимодействии электронов и фотонов с атомами и молекулами, адсорбированными на поверхности в вакууме. Предложен метод получения структурной информации о МИ с помощью комбинированного использования электронного диссоциативного захвата и многофотонной диссоциации; показана принципиальная возможность определения наличия и положения пост-трансляционных модификаций в МИ с помощью совместного использования электронного диссоциативного захвата и многофотонной диссоциации; развит метод ^

предварительного активирования МИ фотонами ИК диапазона или электронами низких энергий, позволивший повысить эффективность реакций электронного ]

диссоциативного захвата и многофотонной диссоциации; осуществлен быстрый анализ «

динамики трехмерной структуры МИ с помощью ускоренной реакции электронного диссоциативного захвата в сочетании с активированием МИ фотонами ИК диапазона.

, Комбинация двух методов фрагментации использована для анализа пост-

I трансляционных модификаций (фосфориляции) в пептидах и белках.

Проведены исследования процессов фрагментации МИ на электропроводящих поверхностях металлов и полупроводников в условиях раздельного или комбинированного воздействия низкоэнергетичных электронов или фотонов УФ диапазона. Выполнено сравнение параметров поверхностной фрагментации частиц с ) фрагментацией МИ в газовой фазе.

В заключении сформулированы основные научные результаты | диссертационной работы.

1 1. Теоретически обоснована возможность развития метода ЭДЗ в МС ИЦР ПФ при

улучшении качества пучка электронов и определены параметры устройства ' инжекции электронов, с помощью которого существенно повышен темп

фрагментации молекулярных ионов при захвате электронов низких энергий в МС | ИЦР ПФ. Достигнутое снижение времени фрагментации на несколько порядков, до

I 1 мс, близкое к предельному теоретическому значению при значении сечения

| фрагментации ~10"12 см2, обеспечивает использование разделения смесей с

| помощью жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза в режиме

I реального времени в тандемной МС ИЦР ПФ. Получены данные о характеристиках

взаимодействия МИ различных типов и начальных состояний с электронами низких энергий: зависимости от энергии электронов, времени облучения электронами, распределения продольных и поперечных скоростей электронов. Выявлены условия эффективной фрагментации МИ, проведены контрольные эксперименты по определению первичной структуры пегттидов и белков в диапазоне масс (1 - 29) кДа. Разработаны и апробированы методы структурного анализа ионов пептидов и ' фрагментов белков, получаемых при разделении биологических смесей и продуктов

гидролиза белков с помощью жидкостной хроматографии и капиллярного I) электрофореза.

2. Получена эмпирическая линейная зависимость значений энергий ионизации К

¡1

1 протонированных полипептидов от заряда г (г=1...5) в интервале (1 - 5) в

диапазоне масс (1.0 - 3.5) кДа вида К(г)=[9.8+1.1г±0.5] (эВ). Этот результат может быть использован при разработке методов генерации многозарядных ионов в

ионных источниках с лазерной десорбцией/ионизацией, а также в экспериментах по пост-ионизации.

3. ЭДЗ и ИК МФД МИ совмещены в газовой фазе, а также на поверхности твердого тела в вакууме. В МС ИЦР ПФ совмещенная фрагментация дала дополнительную информацию о структуре молекул, в том числе о пост-трансляционных модификациях. Расширены возможности структурного анализа МИ с помощью

новых типов реакций, возникающих при комбинированном действии электронов и Ф

фотонов. Показано принципиальное преимущество использования ,

комбинированного действия электронов и фотонов для изучения структурной »

динамики МИ в газовой фазе при повышенном темпе реакции. Импульсная активированная фрагментация МИ на поверхности металлических и полупроводниковых образцов в ВП МС достигнута в режиме инжекции импульсного электронного потока длительностью 10 -100 не.

=г-[-10"4 +(б,7±0,з)-Ю10•2 + (1,4±1,0)-10~3• я], (2 - суммарный пространственный заряд ионов (в Кп), Л - средняя длина свободного пробега (в мм), г - заряд иона) и энергии К, ионов, вовлеченных в процесс фрагментации в гексаполе: К, = 0,025-2, эВ (при типичных экспериментальных параметрах МС ИЦР ПФ).

средства нашли применения в масс-спектрометрии макромолекул, включая анализ сложных смесей макромолекул. Полученные результаты представляются полезными I

для развития физических представлений в смежных областях науки, например, *

биотехнологиях, медицине, технологиях масс-спектрометров и ионных источников.

' Список основных публикаций по теме диссертации

, 1. Фотиади А.Э., Цыбин Ю.О. / Исследование макромолекул методом

диссоциативного взаимодействия с медленными электронами и ИК фотонами в магнитном поле // Сб. Тезисов докладов 7й Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003. С. 131.

J 2. Tsybin Y.O., Palmblad М., HSkansson P. / Large Emitting Area Electron Gun for Electron

Capture Dissociation in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, f // Proceedings of the 49th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics,

Chicago, IL, USA, June 1-5,2001.

3. Tsybin Y.O. HSkansson P. / Ion Physics of Macromolecules: Structural Characterization I by Mass Spectrometry // Proceedings of the European Conference in physics,

Strasbourg, France, June 2001. P. 80 - 81.

4. Budnik B.A., Tsybin Y.O., HSkansson P., Zubarev R.A. / Ionization energies of singly and multiply protonated polypeptides obtained by tandem ionization in Fourier transform mass

! spectrometers H Journal of Mass Spectrometry. 37.2002. P. 1141-1144.

I 5. Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Кравец H.M., Григорьев А.В. / Моделирование движения

I ионов в ловушке масс-спектрометра на циклотронном резонансе // Сб. Тезисов

докладов 7й Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003. С. 123.

6. Tsybin Y.O., Witt М., Weiss G., Baykut G„ HSkansson P. / Development and Application of Combined Infrared Multiphoton and Electron Capture Dissociation with a Hollow

, Electron Beam in Fourier Transform ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry //

( Proceedings of the 51" ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics,

Montreal, Canada, June 8 -12,2003.

7. Tsybin Y.O., Witt M., HSkansson P., Baykut G. / Ion Activation and Diesociation by Combined Low-Energy Electron and Infrared Laser Irradiation // Proceedings of the 15th

/ Sanibel Conference on Ion Activation and Dissociation, Sanibel Island, FL, USA, January

; 2003.

8. McDonnell L.A., Giannakopuios A.E., Tsybin Y.O., HSkansson P., Derrick P.J. / A [ theoretical Investigation of the kinetic energy of ions trapped in a radio-frequency

hexapole ion trap. // European Journal of Mass Spectrometry. 8.2002. P. 181-189.

i t i

I 15

9. Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О, Кравец Н.М., Саргаева Н.П. / Физические основы электродинамической поверхностной генерации ионов // Сб. Тезисов докладов 7й Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003. С. 125.

10. Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Хаканссон П. / Ионная десорбция при инжекции электронов в тонкую металлическую пластину // Материалы международной школы-семинара "Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии", Звенигород, 25-26 апреля 2002 года, С.149.

11.Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Кравец Н.М. / Десорбция ионов при воздействии импульсов поверхностного тока на металлические и полупроводниковые образцы в вакууме И Известия АН, Серия физическая, 66,2002. С.1203-1206.

12. Цыбин Ю.О., Кравец Н.М., Цыбин Ю.О. / Исследование десорбции ионов при воздействии импульсов тока сквозь металлические и полупроводниковые фольги в вакууме // Материалы пятнадцатой международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" - ВИП- 2001, Москва, 2001, Т.1, С.520-522.

13. Tsybin O.Y., Tsybin Y.O., Santacruz С., Sargaeva N., HSkansson P. / Desorption/ionization by backside electron beam injection into metal or semiconductor targets with and without front side laser irradiation // Proceedings of the 51й ASMS Conference on Mass Spectrometry, Montreal, Canada, June 8- 12,2003.

14. Цыбин Ю.О. Цыбин О.Ю. / Физические процессы транспортировки электронов и ионов при электромагнитном возбуждении поверхности металлов и полупроводников И Тезисы докладов 2-й Республиканской конференции по Физической Электронике. Ташкент, 3-5 ноября 1999 года, С. 125.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в печать £>¥, Объем в п.л. ■/. Тираж усо. Заказ

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе КЫ-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-04

£<ао?-/)

» 16 254

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Цыбин, Юрий Олегович

Введение.

Методы исследований и аппаратура.

1.1 Масс-спектрометр на ионном циклотронном резонансе.

1.1.1 Источник макромолекулярных ионов.

1.1.2 Система транспортировки ионов.

1.1.3 Ионная ловушка Пеннинга. Регистрация ионов.

1.1.4 Система инжекции электронов.

1.1.5 Система одновременной инжекции электронов и фотонов.

1.1.6 Моделирование движения ионов и электронов.

1.2 Время-пролетные масс-спектрометры.

1.3 Методы структурного анализа макромолекул.

1.3.1 Структура фрагментов макромолекул.

1.3.2 Столкновительная фрагментация макромолекулярных ионов.

1.3.3 Фрагментация макромолекулярных ионов при захвате фотонов.

1.3.4 Фрагментация макромолекулярных ионов при захвате электронов.

1.4 Метод определения энергии ионизации макромолекулярных ионов.

1.5 Экспериментальные приборы.

1.6 Выводы.

2. Взаимодействие макромолекулярных ионов с электронами.

2.1 Повышение скорости реакции фрагментации при захвате электронов низких энергий.

2.2 Анализ процессов инжекции низкоэнергетичных электронов в ионную ловушку.

2.3 Определение потенциалов ионизации макромолекулярных ионов.

2.4 Анализ влияния параметров траектории иона на эффективность фрагментации.

2.5 Выводы.

3. Исследование столкновительной фрагментации макромолекулярных ионов в радиочастотной ионной ловушке.

3.1. Столкновительный режим без учета объемного заряда.

3.2. Зависимость кинетической энергии и радиального положения макромолекулярных ионов от объемного заряда и средней длины свободного пробега.

3.3. Зависимость кинетической энергии и радиального положения макромолекулярных ионов от массы, заряда и амплитуды радиочастотного напряжения.

3.4. Экспериментальное наблюдение процесса накопления макромолекулярных ионов в гексапольной ловушке.

3.5. Выводы.

4 Комбинированное воздействие электронов и фотонов на состояние макромолекулярных ионов.

4.1. Комбинирование методов фрагментации макромолекулярных ионов в газовой фазе.

4.2. Особенности фрагментации активированных макромолекулярных ионов в газовой фазе.

4.3. Совместное действие электронов и фотонов на молекулярные ионы на поверхности в вакууме.

4.4. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Развитие методов фрагментации молекулярных ионов в масс-спектрометрии"

Исследование макромолекул является одним из важнейших направлений современной науки [1-3]. Особый интерес представляет изучение белковых макромолекул или белков, играющих ключевую роль в жизнедеятельности человека. Исследования белков методами масс-спектрометрии получили интенсивное развитие в результате ряда открытий 1980-х годов в области мягкой ионизации крупных молекул -электроспрей ионизации (или, что более соответствует сущности механизма образования ионов, «экстракции ионов при атмосферном давлении») [4,5] и лазерной десорбции/ионизации [6]. Возможность получения ионов макромолекул в газовой фазе ускорила развитие техники масс-спектрометрии. Были значительно улучшены аналитические возможности масс-спектрометров, что позволило дополнить фундаментальные исследования прикладными. Успехи аналитического приборостроения, ионной физики, химической физики, физической электроники и информатики открыли новые пути развития современной медицины, биологии, экологии и других наук.

Однако, для выяснения функциональных особенностей белков и их роли в жизнедеятельности организма человека информации только о молекулярном весе, определяемом масс-спектрометрией, недостаточно.

Необходимы сведения о структуре макромолекул, включая положение и типы пост-трансляционных модификаций [7-9]. Особое значение в последние годы приобрели методы структурного анализа макромолекул с использованием тандемной, или многоступенчатой во времени или пространстве, масс-спектрометрии [10-15]. Основанные на фрагментации макромолекулярных ионов (МИ), они позволяют получать важную фундаментальную и прикладную информацию. В совокупности с информацией о молекулярном весе МИ полная, или частичная, информация о первичной структуре МИ позволяет определение неизвестных белков используя компьютерный поиск в базах данных белков [3]. Освоены и используются три типа основных реакций, приводящих к фрагментации МИ [16]:

- столкновительная на атомах газа, остаточного или напускаемого в вакуумный объем, а также на поверхностях мишеней [17-20];

- взаимодействие с электронами низких (1-10 эВ) и средних (10-100 эВ) энергий [21-24];

- взаимодействие с фотонами ИК и УФ диапазонов [25-27].

Тандемная масс-спектрометрия на основе столкновительной фрагментации получила наибольшее распространение во время-пролетной масс-спектрометрии (ВП МС, [11,12]). Основными факторами явились простота и распространенность данного типа масс-анализаторов в сочетании с возможностью анализа МИ в широком диапазоне масс. В рамках данной работы эти качества ВП МС были использованы для развития метода столкновительной фрагментации МИ на поверхности твердого тела в вакууме. Однако, применение тандемной масс-спектрометрии для анализа белковых макромолекул с массами более 10 кДа потребовало использования масс-анализаторов с высокой разрешающей способностью. В настоящее время наиболее высокие характеристики измерений (разрешение по массам, точность определения масс, чувствительность и т.д.) обеспечивает масс-спектрометр на ионном циклотронном резонансе с преобразованием Фурье (МС ИЦР ПФ, [28-30]). Уникальность МС ИЦР ПФ для тандемной масс-спектрометрии состоит в возможности проведения и исследования газофазных реакций взаимодействия МИ с электронами и фотонами. В целях развития методов структурного анализа МИ используемый в данной работе МС ИЦР ПФ был модифицирован для обеспечения требуемых режимов ионно-электронных и ионно-фотонных взаимодействий в соответствии с целями и задачами работы.

Методы фрагментации МИ с использованием лазерного излучения и столкновений с атомами газов широко применяются в МС ИЦР ПФ для изучения структур белковых макромолекул, однако им свойственны фундаментальные ограничения, типичные для методов медленного нагрева [18]. Происходит селективная фрагментация, теряется информация о положении лабильных групп (пост-трансляционных модификаций) в структуре МИ. Недостаточно изучены реакции фрагментации при столкновениях МИ с атомами газа в радиочастотных полях, что сдерживает применение столкновительной фрагментации в МС ИЦР ПФ [31].

Метод фрагментации МИ при взаимодействии с низкоэнергетичными электронами, или электронный диссоциативный захват (ЭДЗ) характеризуется большим временем реакции и низкой воспроизводимостью [32]. Отсутствие данных о значениях потенциалов ионизации препятствует совершенствованию метода. Обозначенные проблемы метода ЭДЗ связаны, возможно, с недостаточным качеством потока низкоэнергетичных электронов, высоким разбросом электронов по энергиям, низкой плотностью потока электронов, малым перекрытием ионного и электронного облаков в ионной ловушке МС ИЦР ПФ. На основе аналитических расчетов сделан вывод о том, что для развития методов фрагментации на основе ЭДЗ в масс-спектрометрии целесообразно усовершенствовать систему инжекции электронов, повысить качество потока инжектируемых электронов, выявить возможности комбинирования различных методов фрагментации, использования их в единой конфигурации, а также осуществить поиск новых типов реакций фрагментации МИ.

Известны исследования фрагментирующих взаимодействий МИ с поверхностью твердого тела (как вакуумно чистой, так и покрытой слоями молекул [20]), но имеющихся данных недостаточно для прикладного использования реакций фрагментации данного типа. Это обуславливается тем, что фундаментальные физические процессы взаимодействия МИ с поверхностью твердого тела сложны и многообразны (например, [33, 34] и др.). Реализация различных сценариев преобразования состояния частиц на поверхности позволяет осуществить десорбцию, ионизацию, нейтрализацию, фрагментацию и, возможно, другие виды реакций. Современный арсенал возможных методов десорбции и ионизации на поверхности включает термодесорбцию [35], переходы в сильном электрическом поле [36-38], лазерные [39-41], бомбардировку быстрыми и медленными частицами [42], ионизацию на нагретых поверхностях [43-45], электродинамическое возбуждение [46, 47]. Перечисленные примеры поверхностных реакций основаны на диссипации подводимой энергии в ансамбле адсорбированных частиц, находящихся в прекурсорной или латеральной стадии. Поверхности металлических образцов имеют распределенную сеть дефектов, концентрация которых достигает 107-101° см"2, размер шероховатостей в среднем составляет 0.1 мкм [48]. Эффективность взаимодействия электронов проводимости с поверхностью пропорциональна «коэффициенту дефектности», который характеризуется степенью заполнения поверхности локальными дефектами, в том числе адсорбированными частицами [49]. Совместное действие горячих электронов (передача энергии активирующего электрического импульса в электронную подсистему) и возбужденных фононов (акустической волны) должно выражаться в возрастании интенсивности процессов преобразования состояния ионов на поверхности [50].

Основные факторы формирования потока десорбируемых ионов [46, 47]:

• роль горячих электронов: а) образование отрицательных ионов (электронный захват на поверхности, в т.ч. диссоциативный); б) десорбция нейтралов; в) туннельная нейтрализация десорбируемых положительных ионов;

• роль акустической волны: г) ударно-волновой механизм десорбции; д) неупругие ионизационные столкновения атомов (ионов) подложки с адсорбатом.

Электродинамическое активирование поверхности представляется перспективным способом фрагментации молекулярных ионов, взаимодействующих с горячими электронами и акустическими фононами.

Проведенный анализ литературных данных позволяет заключить, что, несмотря на широкое применение, эффективность известных методов фрагментации МИ недостаточна для решения многих современных задач. В связи с ростом сложности изучаемых объектов, требованием уменьшения количества анализируемого материала, увеличения содержания примесей в исследуемых пробах, требуется дальнейшее развитие методов тандемной масс-спектрометрии: увеличение темпов реакции, повышение чувствительности и воспроизводимости методов. В физической электронике XX века накоплен значительный опыт изучения процессов ионно-элекгронных, ионно-фотонных, и ионно-молекулярных взаимодействий относящихся, однако, преимущественно к атомам и небольшим молекулам [51]. Современные исследования макромолекул находятся в начальной стадии, имеющихся данных недостаточно. Сказанное выше обуславливает важность и актуальность исследований, направленных на разработку или усовершенствование методов, позволяющих повысить информативность исследований строения и свойств макромолекул.

Основными целями диссертации явились:

• определение потенциалов ионизации МИ при повышении степени ионизации МИ электронным ударом;

8 соответствии с указанными целями определены основные задачи:

• проведение теоретического (на основе компьютерного моделирования) и экспериментального анализа столкновительной фрагментации МИ в радиочастотной гексапольной ловушке в электроспрей ионном источнике МС ИЦР ПФ;

Научная новизна полученных и представленных в диссертации результатов работы. В ней впервые:

1 мс, использованы жидкостная хроматография и капиллярный электрофорез в режиме реального времени в тандемной МС ИЦР ПФ [А1-АЗ].

2. Выявлена линейная зависимость значений энергий ионизации ИЭ протонированных полипептидов от заряда z (z=1.5) в диапазоне масс (1.0 - 3.5) кДа вида H3(z)=[9.8+1.1z±0.5] (эВ) [А4].

3. Совмещены быстрая электронная и фотонная фрагментации МИ в МС ИЦР ПФ. Показано, что комбинированные фрагментационные масс-спектры содержат новую информацию о структуре МИ, в том числе о пост-трансляционных модификациях. При комбинированном действии электронов и фотонов выявлены не изученные ранее процессы, с помощью которых осуществлен структурный анализ МИ [А5-А7].

4. Теоретически и экспериментально выявлено, что эффективная столкновительная фрагментация МИ на атомах газа в радиочастотной гексапольной ловушке достигается в режиме увеличенного объемного заряда ионов и радиальной стратификации, в котором ионы с большими значениями отношений масса/заряд испытывают существенное действие поля пространственного заряда [А8].

5. Выявлена импульсная активированная фрагментация МИ на поверхности металлических и полупроводниковых образцов в ВП МС при комбинированном воздействии низкоэнергетичных электронов и лазерного излучения [А9-А14].

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволили получить более широкую и подробную научную информацию о структуре исследованных МИ. В дальнейшем они нашли непосредственное применение в масс-спекгрометрии макромолекул для проведения структурного анализа отдельных частиц и их смесей [52-58]. Указанные результаты используются также в учебных курсах и в научных исследованиях в СПбГПУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Ускоренная, устойчиво воспроизводимая фрагментация МИ реализуется при инжекции оптимизированного потока электронов низких энергий в МС ИЦР ПФ. При этом время фрагментации снижается на несколько порядков, вплоть до -1 мс, что обеспечивает использование в тандемной МС ИЦР ПФ жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза в режиме реального времени.

2. Зависимость значений энергий К высоких степеней ионизации протонированных полипептидов от заряда z (z=1.5) в диапазоне масс (1.0 - 3.5) кДа вида K(z)=[9.8+1.1 z±0.5] (эВ) имеет линейный характер.

Апробация работы

Материалы диссертации прошли апробацию в виде лекций и докладов на более чем 10 научных конференциях в России и за рубежом, в том числе: 6ая научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования в технических университетах», СПб, СПбГПУ, Июнь 2003; 49ая, 50ая и 51ая ASMS конференции по масс-спектрометрии, США -Канада, 2001 - 2003 гг.; Европейская конференция по физике, Страсбург, Франция, Июнь 2001; 15ая Конференция по активации и диссоциации ионов, Санибел, США, Январь 2003; Конференции «Десорбция» 2000 (Франция) и 2002 (США); Конференция по масс-спектрометрии в медицине, биологии и экологии, Москва, Апрель 2002; 15ая международная конференция по взаимодействиям ионов с поверхностью, Звенигород, Август 2001.

Публикации

Структура диссертации

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

Выводы и заключение

Результаты, полученные в данной диссертации, в целом обеспечили развитие основных методов фрагментации макромолекулярных ионов (МИ) в масс-спектрометрии и имеют значительные перспективы научно-технического развития.

1. С помощью разработанного устройства инжекции электронов существенно повышен темп реакции фрагментации макромолекулярных ионов при захвате электронов низких энергий в МС ИЦР ПФ. Достигнутое снижение времени фрагментации на несколько порядков, до 1 мс, близкое к предельному теоретическому значению при значении сечения фрагментации ~10'12 см2, обеспечивает использование разделения смесей с помощью жидкостной хроматографии или капиллярного электрофореза в режиме реального времени в тандемной МС ИЦР ПФ. Получены данные о характеристиках взаимодействия МИ различных типов и начальных состояний с электронами низких энергий: зависимости от энергии электронов, времени облучения электронами, распределения продольных и поперечных скоростей электронов. Выявлены условия эффективной фрагментации МИ, проведены контрольные эксперименты по определению первичной структуры пептидов и белков в диапазоне масс (1 - 29) кДа. Разработаны и апробированы методы структурного анализа ионов пептидов и фрагментов белков, получаемых при разделении биологических смесей и продуктов гидролиза белков с помощью жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза.

2. Получена эмпирическая зависимость значений энергий ионизации ИЭ протонированных полипептидов от зарядового состояния z (z=1.5) в диапазоне масс (1.0 - 3.5) кДа вида H3(z)=[9.8+1.1z±0.5] (эВ). Этот результат может быть использован при разработке методов генерации многозарядных ионов в ионных источниках с лазерной десорбцией/ионизацией, а также в экспериментах по пост-ионизации.

3. Электронная и фотонная фрагментации МИ совмещены в газовой фазе, а также на поверхности твердого тела в вакууме. В МС ИЦР ПФ совмещенная фрагментация дала дополнительную информацию о структуре молекул, в том числе о пост-трансляционных модификациях. Расширены возможности структурного анализа МИ с помощью новых типов реакций, возникающих при комбинированном действии электронов и фотонов. Показано принципиальное преимущество использования комбинированного действия электронов и фотонов для изучения структурной динамики МИ в газовой фазе при повышенном темпе реакции. Импульсная активированная фрагментация МИ на поверхности металлических и полупроводниковых образцов в ВП МС достигнута в режиме инжекции импульсного электронного потока длительностью (10 - 100) не.

4. Эффективная столкновительная фрагментация МИ в газовой фазе в радиочастотной гексапольной ловушке в МС ИЦР ПФ получена в режиме увеличенного объемного заряда ионов и радиальной стратификации, в котором ионы с большими значениями отношений масса/заряд испытывают более сильное действие поля пространственного заряда. Построены эмпирические зависимости средней кинетической энергии иона в гексаполе: Ксредн = z • [-10^ + (6,7 ± 0,3)-Ю10 • Q + (1,4± 1,0)• Ю-3 • Я], (z - зарядовое состояние МИ, Q - суммарный пространственный заряд ионов (в Кл), Я - средняя длина свободного пробега (в мм)) и энергии Ki ионов, вовлеченных в процесс фрагментации в гексаполе: К{ = 0,025-z, эВ для типичных условий эксперимента.

Развитые в данной работе методы фрагментации МИ при взаимодействии с электронами, фотонами и атомами позволяют осуществлять более эффективный структурный анализ макромолекул в масс-спектрометрии. Разработанные технические средства нашли применения в масс-спектрометрии макромолекул, а также при анализе сложных смесей макромолекул. Полученные результаты представляются полезными для развития физических представлений в смежных областях науки, например, биотехнологии, медицине, технологии масс-спектрометров и ионных источников.

Основные публикации по теме диссертации

А1. Фотиади А.Э., Цыбин Ю.О. / Исследование макромолекул методом диссоциативного взаимодействия с медленными электронами и ИК фотонами в магнитном поле // Сб. Тезисов докладов 7й Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003. С. 131.

А2. Tsybin Y.O., Palmblad М., Hakansson P. / Large Emitting Area Electron Gun for Electron Capture Dissociation in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry. // Proceedings of the 49th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Chicago, IL, USA, June 1-5, 2001.

A3. Tsybin Y.O. Hakansson P. / Ion Physics of Macromolecules: Structural Characterization by Mass Spectrometry // Proceedings of the European Conference in physics, Strasbourg, France, June 2001. P. 80-81.

A4. Budnik B.A., Tsybin Y.O., Hakansson P., Zubarev R.A. / Ionization energies of singly and multiply protonated polypeptides obtained by tandem ionization in Fourier transform mass spectrometers // Journal of Mass Spectrometry. 37. 2002. P. 1141-1144.

A5. Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Кравец H.M., Григорьев А.В. / Моделирование движения ионов в ловушке масс-спектрометра на циклотронном резонансе // Сб. Тезисов докладов 7й Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003. С. 123.

А6. Tsybin Y.O., Witt М., Weiss G., Baykut G., Hakansson P. / Development and Application of Combined Infrared Multiphoton and Electron Capture Dissociation with a Hollow Electron Beam in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry // Proceedings of the 51st ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Montreal, Canada, June 8-12, 2003.

A7. Tsybin Y.O., Witt M., Hakansson P., Baykut G. / Ion Activation and Dissociation by Combined Low-Energy Electron and Infrared Laser Irradiation // Proceedings of the 15th Sanibel Conference on Ion Activation and Dissociation, Sanibel Island, FL, USA, January 2003.

A8. McDonnell L.A., Giannakopulos A.E., Tsybin Y.O., Hakansson P., Derrick P.J. / A theoretical investigation of the kinetic energy of ions trapped in a radio-frequency hexapole ion trap. // European Journal of Mass Spectrometry. 8. 2002. P. 181-189.

A9. Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О, Кравец Н.М., Саргаева Н.П. / Физические основы электродинамической поверхностной генерации ионов // Сб. Тезисов докладов 7й Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003. С. 125.

АЮ. Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Хаканссон П. / Ионная десорбция при инжекции электронов в тонкую металлическую пластину // Материалы международной школы-семинара "Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии", Звенигород, 25-26 апреля 2002 года, С.149.

А11. Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Кравец Н.М. / Десорбция ионов при воздействии импульсов поверхностного тока на металлические и полупроводниковые образцы в вакууме // Известия AM, Серия физическая, 66. 2002. С.1203-1206.

А12. Цыбин Ю.О., Кравец Н.М., Цыбин Ю.О. / Исследование десорбции ионов при воздействии импульсов тока сквозь металлические и полупроводниковые фольги в вакууме // Материалы пятнадцатой международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" - ВИП- 2001, Москва, 2001, Т. 1, С.520-522.

А13. Tsybin O.Y., Tsybin Y.O., Santacruz С., Sargaeva N., Hakansson P. / Desorption/ionization by backside electron beam injection into metal or semiconductor targets with and without front side laser irradiation //

Proceedings of the 51st ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Montreal, Canada, June 8-12, 2003. A14. Цыбин Ю.О. Цыбин О.Ю. / Физические процессы транспортировки электронов и ионов при электромагнитном возбуждении поверхности металлов и полупроводников // Тезисы докладов 2-й Республиканской конференции по Физической Электронике. Ташкент, 3-5 ноября 1999 года, С. 125.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Цыбин, Юрий Олегович, Санкт-Петербург

1. McLafferty F.W., Fridriksson Е.К., Horn D.M., Lewis M.A., Zubarev R.A. / Biomolecule mass spectrometry И Science. 284. 1999. P. 1289 1290.

2. Aebersold R., Goodlett D.R. / Mass spectrometry in proteomics // Chem. Rev. 101. 2001. P. 269-295.

3. McLuckey S.A., Wells J.M. / Mass spectrometry at the advent of the 21st century//Chem. Rev. 101. 2001. P. 571 -606.

4. Александров М.Л., Галль Л.Н., Краснов B.H., Николаев В.И., Павленко В.А., Шкуров В.А. // Доклады Академии Наук СССР. 277. 1984. С. 379-383.

5. Галль Л.Н., Краснов Н.В., Куснер Ю.С., Николаев В.И., Приходько В.Г., Симонова Г.В. / Электрогидродинамический ввод жидких веществ в масс-спектрометр// ЖТФ. 54. 1984. С. 1559-1571.

6. Hillenkamp F., Karas М. / Matrix-assisted laser desorption/ionization, an experience // Int. J. Mass Spectrom. 200. 2000. P. 71 77.

7. Rappsilber J., Mann M. / What does it mean to identify a protein in proteomics? // Trends Biochem. Sci. 27. 2002. P. 74-76.

8. Финкельштейн A.B., Птицын О.Б. / Физика белка // Москва, Книжный дом «Университет», 2002.

9. Mann M., Jensen O.N. / Proteomic analysis of post-translational modifications // Nature Biotechnol. 21. 2003. P. 255 261.

10. McLafferty F.W. / Tandem mass spectrometry of complex biological mixtures // Int. J. Mass Spectrom. 212. 2001. P. 81 87.

11. Reid G.E., McLuckey S.A. / "Top down" protein characterization via tandem mass spectrometry // J. Mass Spectrom. 37. 2002. P. 663 675.

12. Kelleher N.L., Lin H.Y., Valaskovic G.A., Aaserud D.J., Fridriksson E.K., McLafferty F.W. / Top down versus bottom up protein characterization by tandem high-resolution mass spectrometry // J. Am. Chem. Soc. 121. 1999. P. 806-812.

13. Stephenson J.L., McLuckey S.A., Reid G.E., Wells J.M., Bundy J.L. / Ion/ion chemistry as a top-down approach for protein analysis // Cur. Opinion Biotechnol. 13. 2002. P. 57 64.

14. Сысоев A.A. / Введение в масс-спектрометрию // M.: Мир. 1986. С. 245.

15. Hoffmann Е., Stroobant V. / Mass spectrometry: principles and applications // John wilet & Sons Ltd, Chichester, England, 2002. P. 407.

16. McLuckey S.A. / Principles of collisional activation in analytical mass spectrometry//J. Am. Soc. Mass Spectrom. 3. 1992. P. 599-614.

17. McLuckey S.A., Goeringer D.E. / Slow heating methods in tandem mass spectrometry//J. Mass Spectrom. 32. 1997. P. 461 -474.

18. Little D.P., Speir J.P., Senko M.W., O'Connor P.B., McLafferty F.W. / Collisional activation of large multiply charged ions using Fourier transform mass spectrometry//Anal. Chem. 66. 1994. P. 2801 2808.

19. Chorush R.A., Little D.P., Beu S.C., Wood T.D., McLafferty F.W. / Surface-induced dissociation of multiply-protonated proteins // Anal. Chem. 67. 1995. P. 1042 1046.

20. Zubarev R.A., Horn D.M., Fridriksson E.K., Kelleher N.L., Kruger N.A., Lewis M.A., Carpenter B.K., McLafferty F.W. / Electron capture dissociation for structural characterization of multiply charged protein cations //Anal. Chem. 72. 2000. P. 563 573.

21. Zubarev R.A., Haselmann K.F., Budnik B.A., Kjeldsen F., Jensen F. / Towards an understanding of the mechanism of electron-capture dissociation: a historical perspective and modern ideas // Eur. J. Mass Spectrom. 8. 2002. P. 337 349.

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

23. Kjeldsen F., Haselmann K.F., Budnik B.A., Jensen F., Zubarev R.A. / Dissociative capture of hot (3-13 eV) electrons by polypeptide polycations: an efficient process accompanied by secondary fragmentation//Chem. Phys. Let. 356. 2002. P. 201-210.

24. Guan Z., Kelleher N.L., O'Connor P.B., Aaserud D.J., Little D.P., McLafferty F.W. / 193 nm photodissociation of larger multiply-charged biomolecules // Int. J. Mass Spectrom. Ion Process. 157/158. 1996. P. 357 364.

25. Little D.P., Speir J.P., Senko M.W., O'Connor P.B., McLafferty F.W. / Infrared multiphoton dissociation of large multiply charged ions for biomolecule sequencing //Anal. Chem. 66. 1994. P. 2809 2815.

26. Dunbar R.C., McMahon T.B. / Activation of unimolecular reactions by ambient blackbody radiation // Science. 279. 1998. P. 194 -197.

27. Marshall A.G., Hendrickson C.L., Jackson G.S. / Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer // Mass Spectrom. Rev. 17. 1998. P. 1 -35.

28. Amster I.J. / Fourier transform mass spectrometry // J. Mass Spectrom. 31. 1996. P. 1325-1337.

29. Smith R.D. / Evolution of ESI-mass spectrometry and Fourier transform ion cyclotron resonance for proteomics and other biological applications // Int. J. Mass Spectrom. 200. 2000. P. 509-544.

30. Hakansson K.p Axelsson J., Palmblad M., Hakansson P. / Mechanistic studies of multipole storage assisted dissociation / J. Am. Soc. Mass Spectrom. 11.2000. P. 210-217.

31. Axelsson J., Palmblad M., Hakansson K., Hakansson P. / Electron capture dissociation of substance P using a commercially available Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer // Rapid. Commun. Mass Spectrom. 13. 1999. P. 474-477.

32. Юрасова B.E. / Взаимодействие ионов с поверхностью // Избранные труды.-М.: 1999.-640 С.

33. Машкова Е.С., Молчанов В.А. / Применение рассеяния ионов для анализа твердых тел // М.: Энергоатомиздат, 1995. -176 С.

34. Агеев В.Н., Бурмистрова О.П., Кузнецов Ю.А. / Десорбция, стимулированная электронными возбуждениями // УФН. 158. 1989. С. 389 397.

35. Месяц Г.А. / Эмиссионная сильноточная электроника // Новосибирск, 1984. 234 С.

36. Месяц Г.А. / Эктоны // Екатеринбург: УИФ Наука. 1993 1994.-Т.1-3.

37. Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. / Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах // УФН. 139. 1983. С. 265-302.

38. Hanley L., Kornienko О., Ada Е.Т., Fuoco Е., Trevor J.L. / Surface Mass-Spectrometry of Molecular Species // J. Mass Spectrom. 34. 1999. P. 705-723.

39. Лазнева Э.Ф. / Лазерная десорбция // ред. Коноров П.П. ЛГУ. 1990. 200 С.

40. Григоров Л.Н. / Лазерно-десорбционная масс-спектрометрия в исследовании поверхностных реакций синтеза низко- и высокомолекулярных соединений // Масс-спектрометрия и химическая кинетика. Ред. Тальрозе В.Л., М.: Наука. 1985. С. 180191.

41. Толстиков Г.А. / Физические основы масс спектрометрии (методы ионизации //Уфа. 1985 г.

42. Зандберг Э.Я., Ионов Н.И. / Поверхностная ионизация // М.:Наука. 1969. 381 С.

43. Зандберг Э.Я. / Поверхностные методы ионизации в масс-спектрометрии // М.: Наука. 1986. 132 С.

44. Назаров Э.Г, Расулев У.Х. / Нестационарные процессы поверхностной ионизации // Ташкент. "ФАН". 1991. 200 С.

45. Тиранов Б.Л., Толкачев В.Б., Цыбин О.Ю. / Пороговые условия эмиссии частиц с поверхности металла при воздействии СВЧ скин-тока // 7-я Всес. Конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Харьков, 26-28 сентября 1989. С. 273.

46. Мишин М.В., Цыбин О.Ю. / Десорбция ионов с металлической поверхности при воздействии импульса скин-тока // Письма в ЖТФ.т 22. 1996. С. 21-24.

47. Гантмахер В.Ф., Левинсон М.Б. / Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках// М.: "Наука". 1984. С. 270.

48. Физические величины. Справочник. // Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: "Энергоатомиздат". 1991. 1232 С.

49. Paimblad M., Tsybin Y.O., Ramstrom M., Bergquist J., Hakansson P. / Liquid chromatography and electron-capture dissociation in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry // Rapid Commun. Mass Spectrom. 16. 2002. P. 988-992.

50. Haselmann K.F., Budnik B.A., Kjeldsen F., Nielsen M.L., Olsen J.V., • Zubarev R.A. / Electronic excitation gives informative fragmentation ofpolypeptide cations and anions// Eur. J. Mass Spectrom. 8. 2002. P. 117121.

51. Leymarie N., Costello C.E., O'Connor P.B. / Electron capture dissociation initiates a free radical reaction cascade // J. Am. Chem. Soc. 125. 2003. P. 8949-8958.

52. Palmblad M., Hakansson K., Hakansson P., Feng X., Cooper H.J., Giannakopulos A.E., Green P.S., Derrick P.J. / 9.4 T Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer: description and performance // Eur. Mass. Spectrom. 6. 2000. P. 267-275.

53. Hakansson P. / An introduction to the time-of-flight technique // Braz. J. Phys. 29. 1999. P. 422-427.

54. Piyadasa C.K.G., Hakansson P., Ariyaratne T.R. / A high resolving power multiple reflection matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometer// Rapid Commun. Mass Spectrom. 13. 1999. P. 620624.

55. Samskog J., Wetterhall M., Jacobsson S., Markides K.E. / Optimization of capillary electrophoresis conditions for coupling to a mass spectrometer via a sheathless interface // J. Mass Spectrom. 35. 2000. P. 919 924.

56. Gaskell S.J. / Electrospray: principles and practice // J. Mass Spectrom. 32. 1997. P. 677-688.

57. Constantopoulos T.L., Jackson G.S., Enke C.G. / Challenges in achieving a fundamental model for ESI // Analytica Chimica Acta. 406. 2000 P. 3752.

58. Dreisewerd K. / The desorption process in MALDI // Chem. Rev. 103. 2003. P. 395-425.

59. Karas M., Kruger R. / Ion formation in MALDI: the cluster ionization mechanism//Chem. Rev. 103. 2003. P. 427-439.

60. Knochenmuss R., Zenobi R. / MALDI ionization: the role of in-plume processes // Chem. Rev. 103. 2003. P. 441-452.

61. Marshall A.G., Hendrickson C.L. / Fourier transform ion cyclotron resonance detection: principles and experimental configurations // Int. J. Mass Spectrom. 215. 2002. P. 59-75.

62. Cortenraad R., Denier van der Gon A.W., Brongersma H.H., Gartner G., Manenschijn A. / Surface analysis of thermionic dispenser cathodes // Applied Surface Science. 191. 2002. P. 153 165.

63. Dahl D.A. / SIMION for the personal computer in reflection // Int. J. Mass Spectrom. 200. 2000. P. 3-25.

64. Herrmannsfeldt W.B. / EGUN electron and ion trajectory simulation program // SLAC report. 331. 1988. P. UC28.

65. Kelly P.C., Horlick G. / Practital considerations for digitizing analog signals//Anal. Chem. 45. 1973. P. 518-527.

66. Rakov V.S., Futrell J.H., Denisov E.V., Nikolaev E.N. / Instrumentation of kinetic-energy resolved surface-induced dissociation in Fourier transform mass spectrometry // Eur. J. Mass Spectrom. 6. 2000. 299 317.

67. Preisler J., Ping H., Rejtar Т., Moskovets E., Karger B.L. / Capillary Array Electrophoresis-MALDI Mass Spectrometry Using a Vacuum Deposition Interface//Anal. Chem. 74. 2002. P. 17-25.

68. Dass C. / Principles and practice of biological mass spectrometry // Wiley-interscience. 2001. P. 378.

69. Roepstorff P., Fohlman J. / Nomenclature of peptide fragmentation // Biomed. Mass Spectrom. 11. 1984. P. 601-602.

70. Biemann K. / Contributions of mass-spectrometry to peptide and protein structure // Biomed. Environ. Mass Spectrom. 16. 1988. P. 99 111.

71. Zubarev R.A., Nielsen M.L., Budnik B.A. / Tandem ionization mass spectrometry of biomolecules // Eur. J. Mass Spectrom. 6. 2000. P. 235 -240.

72. Atkins P.W. / Physical chemistry // 6th edition. Oxford university press. 1999. P. 998.

73. Zubarev R.A. / Reactions of polypeptide ions with electrons in the gas phase // Mass Spectrom. Rev. 22. 2003. P. 57-77.

74. Budnik B.A., Zubarev R.A. / MH2+center dot ion production from protonated polypeptides by electron impact: observation and determination of ionization energies and a cross-section // Chem. Phys. Let. 316. 2000. P. 19-23.

75. Budnik B.A., Haselmann K.F., Zubarev R.A. / Electron detachment dissociation of peptide di-anions: an electron-hole recombination phenomenon // Chem. Phys. Let. 342. 2001. P. 299 302.

76. Horn D.M., Zubarev R.A., McLafferty F.W. / Automated de novo sequencing of proteins by tandem high-resolution mass spectrometry // PNAS. 19. 2000. P. 10313-10317.

77. Hakansson К., Emmett M.R., Hendrickson C.L., Marshall A.G. / High-sensitivity electron capture dissociation tandem FTICR mass spectrometry of microelectrosprayed peptides //Anal. Chem. 73. 2001. P. 3605-3610.

78. Kelleher N.L., Zubarev R.A., Bush K., Furie В., Furie B.C., McLafferty F.W., Walsh C.T. / Localization of labile posttranslational modifications by electron capture dissociation: the case of к-carboxyglutamic acid // Anal. Chem. 71. 1999. P. 4250-4253.

79. Mirgorodskaya E., Roepstorff P., Zubarev R.A. / Localization of o-glycosylation sites in peptides by electron capture dissociation in a Fourier transform mass spectrometer//Anal. Chem. 71. 1999. P. 4431 -4436.

80. Stensballe A., Jensen O.N., Olsen J.V., Haselmann K.F., Zubarev R.A. / Electron capture dissociation of singly and multiply phosphorylated peptides // Rapid. Commun. Mass Spectrom. 14. 2000. P. 1793 1800.

81. Shi S.D.H., Hemling M.E., Carr S.A., Horn D.M., Lindh I., McLafferty F.W. / Phosphopeptide/phosphoprotein mapping by electron capture dissociation mass spectrometry //Anai. Chem. 73. 2001. P. 19 22.

82. Sze S.K., Ge Y., Oh H., McLafferty F.W. / Top-down mass spectrometry of a 29-kDa protein for characterization of any posttranslational modification to within one residue // PNAS. 99. 2002. P. 1774-1779.

83. Tomer K.B. / Separations combined with mass spectrometry // Chem. Rev. 101. 2001. P. 297-328.

84. Gorshkov M.V., Guan S.H., Marshall A.G. / Dynamic ion trapping for Fourier transform ion-cyclotron resonance mass spectrometry -simultaneous positive-ion and negative-ion detection // Rapid. Commun. Mass Spectrom. 6. 1992. P. 166 172.

85. Nielsen M.L., Budnik B.A., Haselmann K.F., Zubarev R.A. / Tandem MALDI/EI ionization for tandem Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry of polypeptides / Int. J. Mass Spectrom. 226. 2003. P. 181 -187.

86. Berkowitz J. / The quantum yield of ionization // Phys. Essays. 13. 2000. P. 248.

87. Sannes-Lowery K.A., Hofstadler S.A. / Characterization of multipole storage assisted dissociation: Implications for electrospray ionization mass spectrometry characterization of biomolecules // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 11. 2000. P. 1-9.

88. Tolmachev A.V., Udseth H.R., Smith R.D. / Radial stratification of ions as a function of mass to charge ratio in collisional cooling radio frequency multipoles used as ion guides or ion traps // Rapid Commun. Mass Spectrom. 14. 2000. P. 1907-1913.

89. Tolmachev A.V., Udseth H.R., Smith R.D. / Charge capacity limitations of radio frequency ion guides in their use for improved ion accumulation and trapping in mass spectrometry //Anal. Chem. 72. 2000. P. 970-978.

90. Szabo I. / New ion-optical devices utilizing oscillatory electric fields. 1. Principle of operation and analytical theory of multipole devices with two-dimensional electric-fields // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 73. 1986. 197-235.

91. Hagg C., Szabo I. / New ion-optical devices utilizing oscillatory electric fields. 2. Stability of ion motion in a two-dimensional hexapole field // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 73. 1986. 237-275.

92. Gerlich D. / State-selected and state-to-state ion-molecule reaction dynamics. Part 1. Experiment. // Advances in Chemical Physics. Editors Ng C.-Y. and Baer M. Wiley, New York, USA. vol. 82. 1992. p. 1-176.

93. Hakansson K., Hudgins R.R., Marshall A.G. / Electron capture dissociation and infrared multiphoton dissociation of oligodeoxynucleotide dications //J. Am. Soc. Mass Spectrom. 14. 2003. P. 23-41.

94. Schnaible V., Wefing S., Resemann A., Suckau D., Bucker A., Wolf-Kummeth S., Hoffmann D. / Screening for disulfide bonds in proteins by MALDI in-source decay and LIFT-TOF/TOF-MS // Anal. Chem. 74. 2002. P. 4980-4988.

95. Horn D.M., Ge Y., McLafferty F.W. / Activated ion electron capture dissociation for mass spectral sequencing of larger (42 kDa) proteins // Anal. Chem. 72. 2000. P. 4778-4784.

96. Breuker K„ Oh H„ Horn D.M., Cerda B.A., McLafferty F.W. / Detailed unfolding and folding of gaseous ubiquitin ions characterized by electron capture dissociation // J. Am. Chem. Soc. 124. 2002. P. 6407 6420.

97. Horn D.M., Breuker K„ Frank A.J., McLafferty F.W. / Kinetic intermediates in the folding of gaseous protein ions characterized by electron capture dissociation mass spectrometry // J. Am. Chem. Soc. 123. 2001. P. 9792-9799.

98. Blomqvist M., Bergquist J., Westman A., Hakansson K., Hakansson P., Fredman P., Ekman R. / Identification of defensins in human lymphocyte nuclei // Eur. J. Biochem. 263. 1999. P. 312 318.

99. Gusev V.E., Wright O.B. / Ultrafast nonequilibrium dynamics of electrons in metals // Phys. Rev. B. 57. 1998. P. 2878 -2888.

100. Гинзбург В.Л., Шабанский В.П. / Кинетическая температура электронов в металлах и аномальная электронная эмиссия // Доклады АН СССР. 100. 1955. С. 445 448.

101. Brandbyge М., Hedegard P., Heinz T.F., Misewich J.A., Newns D.M. / Electronically driven adsorbate excitation mechanism in femtosecond-pulse laser desorption // Phys. Rev. B. 52. 1995. P. 6042 6056.

102. Misewich J.A., Heinz T.F., Newns D.M. / Desorption induced by multiple electronic transitions // Phys. Rev. Let. 68. 1992. P. 3737 3740.

103. Список использованных аббревиатур:вп мс Время-пролетная масс-спектрометрияжк Жикдостная хроматография

104. ИКМФД Инфракрасная многофотонная диссоциация

105. ИЦР Ионный циклотронный резонансиэ Ионизационная энергиякэ Капиллярный электрофорез

106. МАЛДИ Матричная лазерная десорбция/ионизациями Макромолекул я рные ионымс Масс-спектрометрия1. ПФ Преобразование Фурье

107. ЭДЗ Электронный диссоциативный захватэп Экспериментальный приборэси Электроспрей ионизация

108. ЭУ Экспериментальная установка