Decomposizione di ioni precursore mediante collisione in condizioni iso-energetiche: aspetti teorici e applicazioni proof-of-principle nelle tecnologie di analisi “omica”

La decomposizione di ioni precursore poliatomici condotta per collisione a energia variabile su gas-bersaglio stazionario in un quadrupolo a sola radiofrequenza (q2) rappresenta la tecnica sperimentale di maggiore utilità nelle applicazioni strutturali e analitiche della spettrometria di massa. La funzione empirica che rappresenta la variazione della resa/intensità di ogni specifico frammento ionico al variare dell’energia di collisione (curva di breakdown) fornisce indicazioni utili sia nelle applicazioni analitiche della spettrometria di massa tandem (valore del potenziale di collisione corrispondente alla massima resa di uno specifico frammento), sia nell’estrazione di informazioni termodinamiche, quale l’energia di soglia per la decomposizione, per lo studio degli ioni gassosi isolati. La massima conversione dell’energia traslazionale dello ione in energia interna vibrazionale che può causare la decomposizione dello ione (ECM) è definita, per ciascun valore della caduta di potenziale della cella di collisione (q2) rispetto al quadrupolo iniettore (Q1) e in relazione alla massa del gas-bersaglio (mTAR) e dello ione precursore (mPRE), dalla nota relazione: ECM(eV) = DV(q2-Q1) * mTAR/(mTAR+mPRE) (Eq. 1). Ne consegue che, per depositare la medesima quantità di energia interna (ECM) su ioni precursore di massa crescente, è necessario incrementare progressivamente, e in modo non-lineare, l’entità della caduta di potenziale (q2-Q1). Il riarrangiamento algebrico dell’Eq. 1 consente di linearizzare la funzione, e di calcolare il valore della caduta di potenziale (q2-Q1) necessaria per attivare al medesimo livello di energia interna, o effettiva, precursori ionici con valori diversi e crescenti di m/z. La possibilità che contemplano alcuni software per la gestione dei parametri operativi degli spettrometri di massa a triplo quadrupolo di modulare il potenziale inter-quadrupolo nel corso della scansione dell’asse m/z consente di far sperimentare a precursori ionici con differente m/z il medesimo valore di energia effettiva di collisione. In particolare, per sistemi organici micro-eterogenei, quali la maggior parte delle bio-molecole strutturali, le specie ioniche molecolari vanno incontro a una varietà limitata di vie di frammentazione principali, la cui energia critica lungo la coordinata di reazione rimane apprezzabilmente costante al variare della complessità o dimensione molecolare dello ione precursore. Questa modalità innovativa di impiego dello spettrometro di massa a triplo quadrupolo consente, specialmente se accoppiata alle scansioni degli ioni precursore e delle perdite neutre, di far avvenire una specifica via di frammentazione essenzialmente con la medesima efficienza frazionaria, indipendentemente dalla massa molecolare del precursore. Per verificare la pratica implementazione dei principi sopra esposti alla messa a punto di metodi di analisi multicomponente, quali quelli che trovano applicazione nella caratterizzazione “omica” di campioni biologici, sono state studiate mediante spettroscopia collisionale le vie principali di frammentazione di alcune classi di piccole molecole di interesse biologico, e sulla base dei valori di energia di frammentazione ottenuti per una serie di composti omologhi o analoghi di sostanze organiche di interesse biologico, sono stati predetti i valori di potenziale di collisione ottimali per la misura di altri termini della serie. Per verificare l’essenziale costanza del valore di energia critica, per ciascun termine, assunto come riferimento, è stato misurato il valore di DVmax nella curva di breakdown, e tale valore è stato ricalcolato per altri composti analoghi o omologhi, e confrontato con quello sperimentalmente ottenuto.Tra i sistemi esaminati vi sono nucleosidi glicosilati, tioeteri della serie mercapturica, lipidi della serie ceramidica, amminoacidi naturali derivatizzati con cromofori per l’analisi HPLC (v. esempio). Nei casi esaminati la variabilità del risultato del calcolo si mantiene inferiore all’ampiezza “naturale” del massimo della curva di breakdown della corrispondente transizione (ordinariamente dell’ordine di 3-6 DV), e costituisce quindi una stima del valore di massimo utilizzabile per l’ottimizzazione del parametro strumentale anche in assenza di standard di riferimento.