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A combined approach for the analysis of biomolecules using IR-MALDI ion mobility spectrometry and molecular dynamics simulations of peptide ions in the gas phase

Kombinierter Einsatz von IR-MALDI Ionenmobilitätsspektrometrie und Simulationen der Molekulardynamik von Peptidionen in der Gasphase zur Analyse von Biomolekülen

  • The aim of this doctoral thesis was to establish a technique for the analysis of biomolecules with infrared matrix-assisted laser dispersion (IR-MALDI) ion mobility (IM) spectrometry. The main components of the work were the characterization of the IR-MALDI process, the development and characterization of different ion mobility spectrometers, the use of IR-MALDI-IM spectrometry as a robust, standalone spectrometer and the development of a collision cross-section estimation approach for peptides based on molecular dynamics and thermodynamic reweighting. First, the IR-MALDI source was studied with atmospheric pressure ion mobility spectrometry and shadowgraphy. It consisted of a metal capillary, at the tip of which a self-renewing droplet of analyte solution was met by an IR laser beam. A relationship between peak shape, ion desolvation, diffusion and extraction pulse delay time (pulse delay) was established. First order desolvation kinetics were observed and related to peak broadening by diffusion, both influenced by the pulse delay.The aim of this doctoral thesis was to establish a technique for the analysis of biomolecules with infrared matrix-assisted laser dispersion (IR-MALDI) ion mobility (IM) spectrometry. The main components of the work were the characterization of the IR-MALDI process, the development and characterization of different ion mobility spectrometers, the use of IR-MALDI-IM spectrometry as a robust, standalone spectrometer and the development of a collision cross-section estimation approach for peptides based on molecular dynamics and thermodynamic reweighting. First, the IR-MALDI source was studied with atmospheric pressure ion mobility spectrometry and shadowgraphy. It consisted of a metal capillary, at the tip of which a self-renewing droplet of analyte solution was met by an IR laser beam. A relationship between peak shape, ion desolvation, diffusion and extraction pulse delay time (pulse delay) was established. First order desolvation kinetics were observed and related to peak broadening by diffusion, both influenced by the pulse delay. The transport mechanisms in IR-MALDI were then studied by relating different laser impact positions on the droplet surface to the corresponding ion mobility spectra. Two different transport mechanisms were determined: phase explosion due to the laser pulse and electrical transport due to delayed ion extraction. The velocity of the ions stemming from the phase explosion was then measured by ion mobility and shadowgraphy at different time scales and distances from the source capillary, showing an initially very high but rapidly decaying velocity. Finally, the anatomy of the dispersion plume was observed in detail with shadowgraphy and general conclusions over the process were drawn. Understanding the IR-MALDI process enabled the optimization of the different IM spectrometers at atmospheric and reduced pressure (AP and RP, respectively). At reduced pressure, both an AP and an RP IR-MALDI source were used. The influence of the pulsed ion extraction parameters (pulse delay, width and amplitude) on peak shape, resolution and area was systematically studied in both AP and RP IM spectrometers and discussed in the context of the IR-MALDI process. Under RP conditions, the influence of the closing field and of the pressure was also examined for both AP and RP sources. For the AP ionization RP IM spectrometer, the influence of the inlet field (IF) in the source region was also examined. All of these studies led to the determination of the optimal analytical parameters as well as to a better understanding of the initial ion cloud anatomy. The analytical performance of the spectrometer was then studied. Limits of detection (LOD) and linear ranges were determined under static and pulsed ion injection conditions and interpreted in the context of the IR-MALDI mechanism. Applications in the separation of simple mixtures were also illustrated, demonstrating good isomer separation capabilities and the advantages of singly charged peaks. The possibility to couple high performance liquid chromatography (HPLC) to IR-MALDI-IM spectrometry was also demonstrated. Finally, the reduced pressure spectrometer was used to study the effect of high reduced field strength on the mobility of polyatomic ions in polyatomic gases. The last focus point was on the study of peptide ions. A dataset obtained with electrospray IM spectrometry was characterized and used for the calibration of a collision cross-section (CCS) determination method based on molecular dynamics (MD) simulations at high temperature. Instead of producing candidate structures which are evaluated one by one, this semi-automated method uses the simulation as a whole to determine a single average collision cross-section value by reweighting the CCS of a few representative structures. The method was compared to the intrinsic size parameter (ISP) method and to experimental results. Additional MD data obtained from the simulations was also used to further analyze the peptides and understand the experimental results, an advantage with regard to the ISP method. Finally, the CCS of peptide ions analyzed by IR-MALDI were also evaluated with both ISP and MD methods and the results compared to experiment, resulting in a first validation of the MD method. Thus, this thesis brings together the soft ionization technique that is IR-MALDI, which produces mostly singly charged peaks, with ion mobility spectrometry, which can distinguish between isomers, and a collision cross-section determination method which also provides structural information on the analyte at hand.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Arbeit war die Zusammenführung der schonende Ionisationsquelle Infrared Matrix-Assisted Laser Dispersion Ionization (IR-MALDI), der Isomer-diskriminierende Ionenmobilitätsspektrometrie und einer neuartigen, auf Molecular Dynamics (MD) Simulationen basierte Berechnungsmethode für Stoßquerschnitte. Der erste Schritt war die Charakterisierung des Flüssigkeitsdispersionsphänomens in IR-MALDI: Zwei verschiedenen Ionentransportmechanismen wurden nachgewiesen und weiter studiert. Die Beziehung zwischen Peakform, Diffusion, Desolvatation und Ionen Extraktionspuls wurde beschrieben. Die Geschwindigkeit der Ionen, die aus dem Dispersionsphänomen stammen, wurde durch Ionenmobilitätsspektrometrie und Shadowgraphie untersucht. Shadowgraphie hat ebenfalls das Verhalten des Dispersionsphänomens erläutert. Eine hohe, schnell abklingende initielle Geschwindigkeit wurde beobachtet. Das Verständnis des IR-MALDI Verfahrens ermöglichte die Optimierung der verschiedenen Ionenmobilität (IM) Spektrometer zum analytischen Zweck. EineDas Ziel dieser Arbeit war die Zusammenführung der schonende Ionisationsquelle Infrared Matrix-Assisted Laser Dispersion Ionization (IR-MALDI), der Isomer-diskriminierende Ionenmobilitätsspektrometrie und einer neuartigen, auf Molecular Dynamics (MD) Simulationen basierte Berechnungsmethode für Stoßquerschnitte. Der erste Schritt war die Charakterisierung des Flüssigkeitsdispersionsphänomens in IR-MALDI: Zwei verschiedenen Ionentransportmechanismen wurden nachgewiesen und weiter studiert. Die Beziehung zwischen Peakform, Diffusion, Desolvatation und Ionen Extraktionspuls wurde beschrieben. Die Geschwindigkeit der Ionen, die aus dem Dispersionsphänomen stammen, wurde durch Ionenmobilitätsspektrometrie und Shadowgraphie untersucht. Shadowgraphie hat ebenfalls das Verhalten des Dispersionsphänomens erläutert. Eine hohe, schnell abklingende initielle Geschwindigkeit wurde beobachtet. Das Verständnis des IR-MALDI Verfahrens ermöglichte die Optimierung der verschiedenen Ionenmobilität (IM) Spektrometer zum analytischen Zweck. Eine Atmosphärendruck- und zwei Niederdruckvariante von IM Spektrometern wurden mit gepulster Ionenextraktion genutzt. Die Pulsparameter (Pulsverzögerung, ‑breite, -höhe) und verschiedene elektrische Felder an unterschiedlichen Stellen der Spektrometer wurden systematisch variiert. Deren Einfluss auf die Peakauflösung und -fläche wurde untersucht und im Rahmen des IR-MALDI Verfahrens erklärt. Das Verständnis der Anatomie der Anfangsionenwolke wurde ebenfalls durch diese Experimente vertieft. Die analytische Leistungsfähigkeit eines IM-Spektrometers wurde dann untersucht. Nachweisgrenzen und lineare Bereiche wurden bestimmt und in Zusammenhang mit dem IR-MALDI Verfahren interpretiert. Anhand der Trennung von Isomeren und einfachen Mischungen wurde die Anwendung dieser Technik demonstriert und ihre Vorteile, die Detektion einfachgeladener Ionen und die Möglichkeit der HPLC-Kopplung (High Performance Liquid Chromatography), aufgezeigt. Mit dem Niederdruckspektrometer wurde der Einfluss hoher reduzierter Feldstärken auf die Ionenmobilität von polyatomische Ionen in polyatomische Gasen untersucht. Der letzte Schwerpunkt war die Charakterisierung von Peptidionen. Die Peptiden wurden mit Elektrospray (ESI) IM-Spektrometrie vermessen. Der hieraus erhaltene Datensatz diente zur Etablierung einer Stoßquerschnitt Berechnungsmethode mittels MD. Anstatt verschiedener Kandidat-Strukturen und deren Stoßquerschnitte, ergibt diese neuartige semi-automatisierte Methode einen einzigen, gemittelten Stoßquerschnitt. Die MD Methode wurde dann mit einer anderen, einfacheren Methode und mit den experimentellen Ergebnissen von ESI und IR-MALDI-IM Spektrometrie verglichen. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen Ladungszustands- und Stoßquerschnittsdifferenzen zwischen den Peptiden untersucht. Weitere Strukturelle Informationen konnten aus den Simulationen extrahiert, und zur Charakterisierung der Peptiden verwendet werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:José Andrés Villatoro LealORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419723
Referee:Hans-Gerd Löhmmansröben, Marcus WeberGND, Bernd AbelORCiD
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2018/12/17
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/11/05
Release Date:2018/12/17
Tag:Flüssigkeitszerstäubung; IR-MALDI; Ionenmobilitätsspektrometrie; Molekulardynamik; Peptiden; Shadowgraphie; Stoßquerschnitt
Collision cross-section; IR-MALDI; Ion mobility spectrometry; Liquid dispersion; Molecular dynamics; Peptides; Shadowgraphy
Pagenumber:133
RVK - Regensburg Classification:VE 8607, VG 8707
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
CCS Classification:I. Computing Methodologies / I.6 SIMULATION AND MODELING (G.3) / I.6.3 Applications
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
PACS Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 82.00.00 Physical chemistry and chemical physics; Electronic structure theory of atoms and molecules, see 31.15.-p; Electronic structure theory of condensed matter, see section 71; Electronic structure theory for biomolecules, see 87.10.-e; Electronic structure of / 82.90.+j Other topics in physical chemistry and chemical physics (restricted to new topics in section 82)
Peer Review:Nicht referiert
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