SPEKTROMETRIA MAS SUDER P. BODZOŃ-KUŁAKOWSKA A. SILBERRING J. RED. Księgarnia

Spektrometria mas

Monografia to drugie gruntownie zmienione wydanie książki pt. "Spektrometria mas" (red. Piotr Suder i Jerzy Silberring, Kraków: Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2006). Została przygotowana przez Katedrę Biochemii i Neurobiologii WIMiC AGH i stanowi zwarte opracowanie, ze szczególnym uwzględnieniem biologicznych zastosowań tej metody.

Autorzy przedstawiają wiedzę w sposób przystępny, bez stosowania skomplikowanych równań matematycznych czy teorii, wychodząc z założenia, że najważniejsze dla użytkowników są aspekty praktyczne oraz dobór właściwych technik do rozwiązywania określonych problemów analitycznych i badawczych.

Przedmowa 17

1. Wstęp 19
Jerzy Silberring

2. Krótka historia spektrometrii mas 23
Marek Smoluch, Jerzy Silberring

3. Podstawowe pojęcia 27

4. Aparatura 33
4.1. Metody jonizacji . 33
4.1.1. Jonizacja elektronami. 33
Piotr Suder, Anna Bodzoń-Kułakowska
4.1.1.1 Budowa źródła jonów typu EI 33
4.1.1.2. Wprowadzanie próbki 34
4.1.1.3. Derywatyzacja 35
4.1.1.4. Zasada formowania jonów w źródle typu EI 35
4.1.1.5. Fragmentacja w źródle jonów typu EI 36
4.1.1.6. Podstawy interpretacji widm EI 37
4.1.2. Jonizacja chemiczna. 56
Anna Bodzoń-Kułakowska, Piotr Suder
4.1.2.1. Zasada działania . 56
4.1.2.2. Jony o ładunku ujemnym 59
4.1.2.3. Jonizacja elektronami a jonizacja chemiczna. 60
4.1.3. Techniki jonizacji pod ciśnieniem atmosferycznym (API) 61
4.1.3.1. Jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI) 61
Piotr Suder
4.1.3.2. Electrospray (ESI) 66
Piotr Suder
4.1.3.3. Nanoelectrospray (nanoESI) 80
Piotr Suder
4.1.3.4. Desorption electrospray ionization (DESI) 83
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.1.3.5. Laser ablation electrospray ionization (LAESI) 88
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.1.4. Techniki oparte na jonizacji plazmą niskotemperaturową . 90
Marek Smoluch
4.1.4.1. Direct Analysis in Real Time (DART) 92
4.1.4.2. Flowing Atmospheric Pressure Afterglow (FAPA). 95
4.1.4.3. Dielectric Barrier Discharge Ionization (DBDI). 98
4.1.5. Jonizacja/desorpcja laserowa wspomagana matrycą (MALDI). 101
Przemysław Mielczarek, Agnieszka Kraj, Jerzy Silberring
4.1.5.1. Rola matrycy 103
4.1.5.2. Interpretacja widm uzyskanych za pomocą jonizacji MALDI. 103
4.1.5.3. Jonizacja/desorpcja na porowatym krzemie (DIOS) 105
4.1.5.4. Jonizacja/desorpcja z wykorzystaniem modyfikowanych powierzchni (SELDI) 106
4.1.5.5. Jonizacja/desorpcja laserowa wspomagana nanostrukturami (NALDI). 107
4.1.6. Jonizacja plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP-MS) 108
Małgorzata Iwona Szynkowska, Aleksandra Pawlaczyk
4.1.6.1. Wprowadzenie. 108
4.1.6.2. Optyczna spektrometria emisyjna . 110
4.1.6.3. Plazma . 110
4.1.6.4. Mechanizm powstawania plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP) 112
4.1.6.5. Sposoby obserwacji plazmy . 112
4.1.6.6. Wprowadzanie próbki do plazmy . 113
4.1.6.7. Proces nebulizacji próbki 113
4.1.6.8. Proces wzbudzania plazmą sprzężoną indukcyjnie. 114
4.1.6.9. Pomiar metodą ICP-OES 115
4.1.6.10. Pomiar metodą ICP-MS 116
4.1.6.11. Interferencje 118
4.1.6.12. Granica wykrywalności i precyzja metody. 123
4.1.6.13. Analizatory w spektrometrach ICP-MS 124
4.1.7. Spektrometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu (TOF-SIMS). 126
Małgorzata Iwona Szynkowska, Jacek Rogowski
4.1.7.1. Zasada działania metody TOF-SIMS . 127
4.1.7.2. Proces rozpylania powierzchni próbki (ang. sputtering process) 128
4.1.7.3. Jonizacja (powstawanie jonów wtórnych) 129
4.1.7.4. Budowa spektrometru TOF-SIMS 129
4.1.7.5. Możliwości analiz TOF-SIMS 130
4.1.7.6. Przykłady badań metodą TOF-SIMS, interpretacja wyników. 131
4.2. Analizatory 142
4.2.1. Analizator czasu przelotu (TOF) 142
Anna Bodzoń-Kułakowska, Anna Bierczyńska-Krzysik
4.2.1.1. Zasada działania analizatora typu TOF 143
4.2.1.2. Liniowy tryb pracy analizatora TOF 145
4.2.1.3. Rozrzut energii kinetycznej dla jonów o tej samej masie 146
4.2.1.4. Opóźniona ekstrakcja jonów 147
4.2.1.5. Tryb pracy z odbiciem 149
4.2.1.6. Analizator ortogonalny (ang. orthogonal acceleration TOF analyzer). 150
4.2.1.7. Podsumowanie 151
4.2.2. Analizator ruchliwości jonów (IM) 152
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.2.1. Zasada działania analizatora IM 152
4.2.2.2. Drift time IMS. 153
4.2.2.3. FAMIS (ang. high-field assymmetric waveform ion mobility spectrometer) 153
4.2.2.4. TWIG (ang. travelling wave ion guides) . 155
4.2.2.5. Widmo IM 156
4.2.2.6. Zastosowania 157
4.2.3. Analizator kwadrupolowy (Q) . 157
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.3.1. Budowa i zasada działania analizatora kwadrupolowego 157
4.2.3.2. Zachowanie się jonu wewnątrz kwadrupola. 160
4.2.3.3. Zmiany U i V, czyli jak tworzy się widmo. 162
4.2.3.4. Od czego zależą parametry widma?. 162
4.2.3.5. Zastosowania analizatorów kwadrupolowych . 163
4.2.3.6. Kwadrupole, heksapole i oktapole jako elementy ogniskujące
(ang. ion guides). 164
4.2.4. Pułapka jonowa (IT). 165
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.4.1. Budowa i zasada działania pułapki jonowej. 165
4.2.4.2. Jak jony zachowują się w pułapce? 166
4.2.4.3. Analiza jonów. 167
4.2.4.4. Tryb selektywnej destabilizacji jonów (ang. mass selective instability mode). 167
4.2.4.5. Tryb opróżniania pułapki przy częstotliwości rezonansowej (ang. resonant ejection mode) 169
4.2.4.6. Tryb selektywnej destabilizacji jonów z modulacją osiową (ang. axial modulation) 170
4.2.4.7. Tryb rezonansów nieliniowych (ang. nonlinear resonances). 171
4.2.4.8. Liniowa pułapka jonowa 171
4.2.4.9. Zastosowania 172
4.2.5. Analizator cyklotronowy (ICR) . 173
Piotr Stefanowicz, Zbigniew Szewczuk
4.2.5.1. Częstotliwość cyklotronowa. 174
4.2.5.2. Zasada działania spektrometrów mas ICR. 175
4.2.5.3. Wprowadzanie jonów do komory 176
4.2.5.4. Płytki pułapkujące 176
4.2.5.5. Płytki wzbudzające. 176
4.2.5.6. Płytki detekcyjne i transformacja Fouriera. 177
4.2.5.7. Właściwości FT-ICR jako analizatora m/z 180
4.2.6. Analizator typu Orbitrap 182
Piotr Stefanowicz, Zbigniew Szewczuk
4.2.6.1. Zasada działania, historia, podstawy fizyczne 182
4.2.6.2. Budowa i schemat Orbitrapu . 182
4.2.6.3. Ruch ładunków w analizatorze mas 183
4.2.6.4. Właściwości Orbitrapu jako analizatora m/z 184
4.2.6.5. Zastosowania proteomiczne i analityczne Orbitrapu . 185
4.2.7. Spektrometry mas z sektorem magnetycznym i elektrostatycznym (B i E). 186
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.7.1. Zasada działania analizatora magnetycznego (B) 187
4.2.7.2. Sektor elektrostatyczny (E) 189
4.2.7.3. Spektrometry mas z sektorami: elektrostatycznym i magnetycznym . 191
4.3. Detektory jonów 192
Piotr Suder
4.3.1. Powielacz elektronowy 193
4.3.2. Detektor mikrokanalikowy. 193
4.3.3. Detektory typu Medipix/Timepix. 194
4.3.4. Detekcja w analizatorach ICR i Orbitrap. 196

5. Metody połączone 198
5.1. Chromatografia gazowa w połączeniu ze spektrometrią mas (GC-MS). 198
Anna Drabik, Agnieszka Kraj
5.1.1. Podstawy chromatografii gazowej . 198
5.1.2. Modyfikacje chemiczne (derywatyzacja). 202
5.1.3. Dwuwymiarowa chromatografia gazowa. 205
5.2. Chromatografia cieczowa w połączeniu ze spektrometrią mas (LC-MS). 207
5.2.1. Podstawy chromatografii cieczowej. 207
5.2.2. Detekcja w chromatografii cieczowej 209
5.2.3. Rodzaje kolumn chromatograficznych. 211
5.2.3.1. Chromatografia w układzie odwróconych faz (ang. reversed phase, RP) 214
5.2.3.2. Chromatografia w normalnym układzie faz (ang. normal phase, NP) 215
5.2.3.3. Chromatografia jonowymienna (ang. strong cation exchange SCX, weak cation exchange WCX, weak anion exchange WAX i strong anion exchange SAX) . 216
5.2.3.4. Chromatografia par jonowych (ang. ion pair chromatography, IPC) 217
5.2.3.5. Chromatografia powinowactwa (ang. affinity chromatography, AC) 218
5.2.3.6. Sączenie molekularne (ang. size exclusion chromatography, SEC) 219
5.2.3.7. Chromatografia chiralna (ang. chiral chromatography) . 219
5.2.3.8. Kolumny monolityczne (ang. monolithic columns) 220
5.2.3.9. Chromatografia oddziaływań hydrofilowych (ang. hydrophilic interaction liquid chromatography, HILIC). 220
5.2.3.10. Ultrawysokosprawna chromatografia cieczowa (ang. ultra high performance liquid chromatography, UHPLC) 220
5.2.3.11. Wielowymiarowa chromatografia cieczowa (ang. multi-dimensional liquid chromatography, coupled-column chromatography) 221
5.3. Elektroforeza kapilarna w połączeniu ze spektrometrią mas (CE-MS). 222
Przemysław Mielczarek, Jerzy Silberring
5.3.1. Podstawy teoretyczne 222
5.3.2. Rodzaje technik elektroforetycznych 224
5.3.3. Elektroforeza kapilarna połączona z jonizacją typu electrospray . 225
5.3.3.1. Połączenie z przepływem osłonowym (ang. sheath flow interface) 225
5.3.3.2. Połączenie bez przepływu cieczy osłonowej (ang. sheathless interface). 226
5.3.3.3. Połączenie z kontaktem w cieczy (ang. liquid junction interface) 227
5.3.4. Jonizacja laserowa wspomagana matrycą w połączeniu z elektroforezą kapilarną . 228
5.3.4.1. Off-line CE-MALDI-TOF . 228
5.3.4.2. Direct CE-MALDI-TOF 229
5.3.4.3. Bezpośrednie połączenie CE-MALDI-TOF (ang. on-line CE-MALDI-TOF) 230
5.3.5. Podsumowanie 230

6. Metody obrazowania powierzchni 232
Anna Bodzoń-Kułakowska
6.1. Techniki analityczne. 234
6.1.1. SIMS 234
6.1.2. MALDI-IMS . 234
6.1.3. DESI 236
6.2. Analiza skrawków tkanek za pomocą technik MSI . 236
6.3. Analiza pojedynczych komórek i hodowli komórkowych za pomocą technik MSI. 238
6.4. Przykłady analiz z użyciem technik MSI 239
6.5. Łączenie różnych technik obrazowania 241
6.6. Podsumowanie 242

7. Tandemowa spektrometria mas. 244
Piotr Suder, Marek Noga
7.1. Zasada działania 244
7.2. Strategie eksperymentów MS/MS 246
7.2.1. Fragmentacja rozdzielona w przestrzeni 246
7.2.2. Fragmentacja rozdzielona w czasie 247
7.2.3. Fragmentacja wielokrotna 248
7.3. Techniki fragmentacji 249
7.3.1. Dysocjacja zderzeniowa (CID) 250
7.3.2. Wysokoenergetyczna dysocjacja zderzeniowa (HCD) 250
7.3.3. Technika PQD 251
7.3.4. Rozpad z wychwytem elektronu (ECD) 252
7.3.5. Rozpad z przeniesieniem elektronu (ETD) 252
7.3.6. Rozpad z oderwaniem elektronu (EDD) 254
7.3.7. Rozpad anionów z przeniesieniem elektronu (NETD) 254
7.3.8. Fotodysocjacja wywołana promieniowaniem podczerwonym (IRMPD) 255
7.3.9. Fotodysocjacja wywołana energią termiczną (BIRD) . 255
7.3.10. Rozpad jonów metastabilnych . 255
7.3.11. Dysocjacja indukowana kolizją z powierzchnią (SID) 256
7.3.12. Rozpad indukowany odległym ładunkiem. 256
7.3.13. Fragmentacja wspomagana chemicznie (CAF) . 257
7.3.14. Reakcja przeniesienia protonu (PTR) jako technika towarzysząca fragmentacji ETD. 257
7.4. Praktyczne aspekty fragmentacji w typowych spektrometrach masowych 258
7.4.1. Fragmentacja w źródle jonów 258
7.4.2. Fragmentacja w potrójnym kwadrupolu 259
7.4.3. Pułapki jonów. 262
7.4.4. Analizatory czasu przelotu. 264
7.4.5. Połączone analizatory czasu przelotu (tzw. TOF-TOF). 265
7.4.6. Instrumenty hybrydowe . 266
7.4.7. Instrumenty z analizatorem typu Orbitrap . 267
7.5. Zastosowania w naukach biologicznych. 267
7.6. Fragmentacja typu SWATH 270

8. Wysokorozdzielcza spektrometria mas. 273
Zbigniew Szewczuk, Piotr Stefanowicz
8.1. Zastosowania 274

9. Analiza wielowymiarowego zbioru danych uzyskanego na podstawie widm masowych 281
Aleksandra Pawlaczyk, Paulina Chęsy, Małgorzata Iwona Szynkowska, Andrzej Parczewski
9.1. Metody chemometryczne pomocne przy wizualizacji podobieństwa między próbkami 281
9.2. Zastosowanie wybranych metod chemometrycznych na przykładzie analizy porównawczej aerozoli do nosa pochodzących od różnych producentów . 283
9.2.1 Opis badanych próbek 283
9.2.2. Metodyka badań. 284
9.2.3. Interpretacja uzyskanych wyników 284
9.2.4. Wnioski i podsumowanie. 288

10. Przykłady zastosowań spektrometrii mas. 291
10.1. Proteomika . 291
Anna Drabik, Tomasz Dyląg, Joanna Ner-Kluza
10.1.1. Strategia top-down. 292
10.1.2. Strategia bottom-up . 293
10.1.3. Strategia shotgun 293
10.1.4. Podstawy sekwencjonowania peptydów . 293
10.1.5. Sekwencjonowanie de novo 295
10.1.6. Analiza ilościowa w proteomice . 296
10.1.6.1. Odczynniki iTRAQ . 297
10.1.6.2. ICAT 299
10.1.6.3. SILAC . 301
10.1.6.4. SILAM 303
10.1.6.5. MCAT . 303
10.1.6.6. Techniki label-free 304
10.2. Spektrometria mas jako narzędzie stosowane w kryminalistyce i w przeciwdziałaniu terroryzmowi . 305
Anna Drabik, Piotr Suder
10.3. Ochrona środowiska. 312
Piotr Suder
10.4. Metabolomika 317
Grzegorz Schroeder, Piotr Młynarz, Michał Ciborowski
10.4.1. Biomarkery chorób 318
10.4.2. Metabolom mikroorganizmów 322
10.4.3. Żywnościomika . 323
10.5. Badania kosmosu . 325
Anna Drabik, Piotr Suder
10.5.1. Badania eksploracyjne. 325
10.5.2. Monitoring warunków życia 327
10.6. Datowanie izotopowe. 328
Anna Drabik, Piotr Suder
10.7. Miniaturyzacja w spektrometrii mas 330
Marek Smoluch

11. Internetowe bazy danych 334
11.1. Literaturowe bazy danych 334
11.2. Czasopisma naukowe. 335
11.3. Bioinformatyczne bazy danych 336
11.3.1. Białkowe bazy danych. 336
11.3.2. Bazy struktur i funkcji białek 337
11.3.3. Inne bazy danych. 337
11.3.4. Narzędzia bioinformatyczne 337

12. Dodatki. 339
12.1. Jednostki ciśnienia . 339
12.2. Najczęściej występujące fragmenty w jonizacji elektronami (EI). 339
12.3. Produkty autolizy trypsyny 343
12.4. Enzymy stosowane w analizie białek 344
12.5. Masy cząsteczkowe i struktury reszt aminokwasowych występujących w białkach . 345
12.6. Masy cząsteczkowe i struktury reszt aminokwasów niebiałkowych. 347
12.7. Masy wybranych monosacharydów i ich pochodnych 349
12.8. Analiza próbki zanieczyszczonej keratynami 350

Wykaz skrótów 353
Indeks rzeczowy 357

362 strony, B5, oprawa miękka

Po otrzymaniu zamówienia poinformujemy,
czy wybrany tytuł polskojęzyczny lub anglojęzyczny jest aktualnie na półce księgarni.