Cos’è la spettrometria di massa?

Tutti gli spettrometri di massa hanno tre componenti principali: una sorgente ionica, un analizzatore di massa e un rivelatore di ioni. I campioni vengono caricati nello spettrometro di massa in forma liquida, gassosa o essiccata e vengono poi vaporizzati e ionizzati dalla sorgente ionica. Esistono variazioni di questi componenti in ogni tipo di spettrometro di massa, che offrono una vasta gamma di opzioni per testare le diverse proprietà fisiche dei campioni e la raccolta dei dati.

Tratteremo le basi della spettrometria di massa, con particolare attenzione alla storia, alla tecnica e alle numerose applicazioni.

Introduzione alla spettrometria di massa delle proteine

Sviluppata 100 anni fa, la spettrometria di massa è stata originariamente utilizzata per misurare i pesi atomici degli elementi e l'abbondanza naturale di specifici isotopi. La spettrometria di massa è stata utilizzata per la prima volta nelle scienze biologiche, al fine di tracciare gli isotopi dell'onda attraverso i sistemi biologici.

Nel 1998, il fisico tedesco Wilhelm Wien gettò le basi della spettroscopia di massa scoprendo che le particelle cariche potevano essere deviate da un campo magnetico. Questo è stato successivamente applicato da J.J. Thomson nella creazione dello spettrografo a parabola (la prima versione di uno spettrometro di massa).
Negli anni successivi, la spettrometria di massa è stata utilizzata per il sequenziamento di oligonucleotidi e peptidi, nonché per l'analisi delle strutture nucleotidiche.
Le apparecchiature di spettrometria di massa di oggi sono integrate con sistemi informatici per generare dati. Lo spettro di massa è il grafico ottenuto dall'esecuzione della spettrometria di massa, che descrive in dettaglio la relazione tra il rapporto massa/carica e il segnale degli ioni.

Lo sviluppo di metodi di ionizzazione delle macromolecole, come la ionizzazione elettrospray(ESI)e la ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI), è stato monumentale per lo studio della struttura delle proteine mediante la spettrometria di massa.

Come funziona la spettrometria di massa

Il problema della spettrometria di massa risiede nella seconda legge del moto di Newton. Utilizzando questa proprietà della materia, la spettrometria di massa traccia ioni di massa variabile su uno spettro di massa.

Dalla legge si può dedurre quanto la massa sia rilevante per l'inerzia e l'accelerazione di un composto. Gli ioni con diversi rapporti massa/carica vengono quindi deviati con angoli diversi in un campo elettrico o magnetico.

La storia dei flussi di lavoro proteomici

La spettrometria di massa si è rivelata incredibilmente utile nella proteomica, ovvero lo studio di tutte le proteine presenti in un sistema biologico (per esempio, cellule, tessuti, organismi) durante specifici eventi biologici. Questo perché la spettrometria di massa offre dati sulle quantità, le funzioni, il piegamento e le interazioni delle proteine.

La proteomica è un campo di studio impegnativo, poiché la natura dinamica dell'espressione delle proteine è molto complessa. Inoltre, la maggior parte delle proteine subisce una qualche forma di modificazione post-traslazionale (PTM) che comporta ulteriori sfide negli studi genomici e proteomici.

Negli ultimi 15 anni, la spettrometria di massa è stata fondamentale per il progresso della proteomica.

Panoramica delle tecniche di spettrometria di massa

Quando le molecole ricevono una carica, lo spettrometro di massa permette agli ioni di accelerare in tutto il sistema. Gli ioni incontrano campi elettrici o magnetici (o una combinazione dei due) attraverso gli analizzatori di massa. In questo modo i percorsi dei singoli ioni vengono deviati in base alla loro specifica m/z.

Gli analizzatori di massa includono:

• Tempo di volo (TOF)
• Trappole orbitali
• Quadrupoli e trappole ioniche

Ognuno di essi ha le proprie caratteristiche. Gli analizzatori di massa possono essere utilizzati in due modi: per separare tutti gli analiti per l'analisi, o per essere utilizzati come un filtro che devia solo ioni specifici verso il rilevatore.

Una volta che gli ioni sono stati deviati con successo attraverso gli analizzatori di massa, entrano in contatto con il rilevatore di ioni. Il rilevatore emette una cascata di elettroni quando ogni ione colpisce la piastra del rivelatore, con conseguente amplificazione di ogni colpo di ione. Questo migliora la sensibilità di rilevamento.

Questi processi vengono eseguiti sotto vuoto spinto (da 10-6 a 10-8 torr), che rimuove i contaminanti dalle molecole di gas, nonché gli ioni neutri e non campione. Rimuovendo i contaminanti, è possibile ridurre il rischio di collisione di queste molecole con gli ioni del campione, che potrebbero alterare il loro percorso e produrre prodotti di reazione non specifici.

Gli spettrometri di massa sono collegati a software basati su computer che misurano le oscillazioni e le frequenze degli ioni. Ciò viene fatto utilizzando il rilevamento della corrente dell'immagine. Il programma rileva gli ioni e li organizza in base ai valori m/z e all'abbondanza relativa.

Utilizzando banche dati consolidate, questi ioni possono essere abbinati e identificati sulla base del valore m/z.

Quattro parti principali della spettrometria di massa

Sistema di ingresso

Uno dei maggiori progressi nella tecnologia della spettrometria di massa si è verificato con l'implementazione del sistema di ingresso. Nel 1960 A. James e A. Martin interfacciarono per la prima volta la gas-cromatografia (GC) con uno spettrometro di massa. Ciò è stato fatto utilizzando un'iniezione su colonna impacchettata.

Questo sistema è stato successivamente migliorato quando lo scienziato medico svedese Einar Stenhagen ha brevettato una colonna impacchettata ad alto flusso con un separatore a getto e una colonna capillare di grande diametro (530-750 µm) collegata alla camera a vuoto dello spettrometro di massa. Questo avanzamento ha modificato la portata del campione nella camera ionica. Questo sviluppo avrebbe posto le basi per rendere la MS uno strumento così efficace per la chimica analitica.

Ionizzazione

Durante l'elaborazione di un campione in spettrometria di massa, il campione viene bombardato da elettroni. Questi elettroni si muovono tra il catodo e l'anodo. Quando il campione passa attraverso il flusso di elettroni, gli elettroni ad alta energia li eliminano dal campione e formano ioni.

Deflettore

La deflessione avviene quando gli ioni interagiscono con un campo magnetico. Il campo devia gli ioni in base alla loro carica e massa. Se uno ione è pesante o ha due o più cariche positive, viene deviato meno. Se invece uno ione è leggero o ha una sola carica positiva, viene deviato maggiormente.

Rilevatore di ioni

Il rilevatore di ioni svolge un ruolo fondamentale nel processo di analisi. Gli ioni con carica e massa corrette passano al rilevatore, dove viene analizzato il rapporto tra massa e carica.

Applicazioni della spettrometria di massa delle proteine

Le applicazioni della spettrometria di massa sono numerose e comprendono usi sia qualitativi che quantitativi. La spettrometria di massa è più comunemente utilizzata nei laboratori di analisi per lo studio delle proprietà fisiche, chimiche o biologiche dei composti.

Ulteriori applicazioni della spettrometria di massa:

• identificazione di composti sconosciuti
• Determinazione della composizione isotopica degli elementi in una molecola
• Determinazione della struttura di un composto in base alla frammentazione
• Quantificazione della quantità di un composto in un campione
• Comprensione dei fondamenti della chimica ionica in fase gassosa

Ciò rende la spettrometria di massa uno strumento ideale per la scoperta di farmaci, i test clinici, la genomica, la geologia e gli studi ambientali su alimenti e terreni. Uno degli usi più diffusi della spettrometria di massa è il processo di datazione al carbonio utilizzato dai geologi e da altri settori rilevanti.

Controllo di qualità tramite spettrometro di massa

La rilevazione degli ioni è essenziale per la scienza, in quanto fornisce una metodologia accurata per comprendere la composizione di un dato campione, che può essere applicata direttamente alla salute e alla sicurezza pubblica.

Molte aziende stabiliscono protocolli di analisi durante lo sviluppo del prodotto e il processo di produzione per mantenere gli standard di qualità. La possibilità di avere questa visione in ogni fase necessaria della produzione può aiutare a determinare problemi di contaminazione, errori nella chimica di processo o altre anomalie che possono rappresentare un rischio per i consumatori.

Alcuni contaminanti presenti nei prodotti biofarmaceutici potrebbero scatenare risposte immunogeniche nei pazienti, rendendo fondamentale l'individuazione e l'eliminazione di eventuali adulteranti presenti in un prodotto.

La cromatografia liquida MS (LC-MS) è in grado di rilevare i peptidi con un'incredibile sensibilità (a livello atomico), promettendo una formulazione accurata dei prodotti, il monitoraggio della stabilità e l'identificazione delle impurità.

Questo livello di accuratezza è spesso attribuito alla tecnica western blotting come l'ELISA, che richiede una tecnica di trattamento degli anticorpi. Tuttavia, quando non è disponibile un anticorpo compatibile, la spettrometria di massa può fornire risultati altamente accurati senza l'uso di reagenti anticorpali.

Conclusioni:
la spettrometria di massa è una tecnica analitica ottimale per innumerevoli applicazioni, che abbraccia diversi campi della scienza. Avantor offre una conoscenza approfondita della tecnologia che sta alla base della spettrometria di massa, per supportare tutte le tue esigenze di laboratorio e di produzione.