اصول و مفاهیم کروماتوگرافی مایع – طیف‌سنج جرمی – بخش دوم

کروماتوگرافی مایع – طیف‌سنج جرمی برای بسیاری از کاربردها از توسعه ترکیبات دارویی گرفته تا آنالیزهای محیط زیستی، روش مناسبی است. توانایی شناسایی گستره وسیعی از ترکیبات، این روش را برای دانشمندان در بسیاری از زمینه‌ها به یک روش عمومی و متداول تبدیل ساخته است. زمینه‌های کاربرد LC-MS بسیار متنوع است که دستگاه‌ها و روش‌های بسیار زیادی را شامل می‌شود. ارائه لیست کاملی از کاربردهای LC-MS عملا غیرممکن است. انعطاف‌پذیری این روش، استفاده از آن را در زمینه‌های بسیاری جذاب و کارآمد ساخته است. برخی از کاربردهای جالب توجه این روش در مقاله حاضر فهرست شده‌است.

9-نتیجه‌گیری

یون‌هایی که از تجزیه‌گرهای جرمی عبور می‌کنند باید آشکارسازی شده و به پیام‌های مفید تبدیل شوند به همین دلیل آشکارسازها یکی از مهمترین بخش‌های طیف‌سنج‌های جرمی محسوب می‌شوند. از معروف‌ترین این آشکارسازها می‌توان به افزاینده الکترونی اشاره کرد. سطح داخلی این آشکارسازها با ماده‌ای پوشش داده شده که در اثر برخورد یون‌ها با آن، الکترون آزاد می‌کند و الکترون‌های آزاد شده در اثر برخورد با سطح داخلی آشکارساز الکترون‌های بیشتری آزاد می‌کنند، همچنین وجود یک اختلاف پتایسل این امر را تسهیل می‌کند و موجب تقویت پیام حاصل از یک یون خواهد شد [1]. نمایی از یک افزاینده الکترون در شکل (1) نشان داده شده‌است.

MS/MS ترکیبی از دو یا بیش از دو آزمایش طیف‌سنج جرمی متوالی را نشان می‌دهد که هدف از این طیف‌سنجی‌های متوالی، به‌دست آوردن اطلاعات ساختاری با استفاده از شکستن یون‌های فیلتر شده حاصل از طیف‌سنجی اول و یا افزایش حساسیت و انتخاب‌پذیری در آنالیزهای کمی با انتخاب یون آنالیت خاص و شکست‌های خاص حاصل از آن است. آنالیزهای MS/MS به‌وسیله جفت بستن چندین تجزیه‌گر جرمی (از یک نوع و یا متفاوت) و انجام شکست‌های پیاپی یون‌های به دام افتاده انجام می‌شود، MSⁿ مخففی است برای تولید یون‌های متعدد و فیلتر کردن آنها با تجزیه‌گر جرمی که اغلب با قرار دادن ترکیبی از کوادراپل‌ها ایجاد می‌شوند؛ به‌طور مثال، در MS/MS آنالیز به این صورت انجام می‌گیرد که یون‌های فیلتر شده ناشی از کوادراپل اول قبل از ورود به فیلتر جرمی ثانویه (کوادراپل سوم) در کوادراپل دوم که فقط محفظه‌ای برای شکستن یون‌هاست و فیلتر جرمی در آن صورت نمی‌گیرد، با استفاده از یک گاز بی‌اثر شکسته می‌شوند و یون‌های ناشی از این شکست برای آنالیز جرمی وارد کوادراپل سوم می‌شوند. روندهای شکست یون‌های تولیدی و آنالیز یون‌های حاصل از شکست به‌صورت متوالی می‌تواند دنبال شود و یک MSⁿ را تولید کند [2]. از تجزیه‌گرهای جرمی مختلف می‌توان به‌صورت ترکیبی و یا با هم استفاده نمود که عبارتند از کوادراپل و زمان پرواز، البته یکی از پرکاربردترین آنها در طیف‌سنجی‌های متوالی، استفاده از تجزیه‌گر جرمی کوادراپل به‌صورت متوالی است که با توجه به چگونگی فیلتراسیون و عملکرد این کوادراپل‌ها انواع متعددی از سیستم‌های پایش یون به وجود می‌آیند که می‌توانند حساسیت و انتخاب‌پذیری آنالیزها را ارتقاء دهند که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد. نمایی از یک سیستم MS/MS در تصویر (2) نشان داده شده‌است.

در این نوع پایش، تمامی m/zهای موجود در نمونه مورد پایش قرار می‌گیرند. کوادراپل اول تمامی m/zهای موجود در نمونه را تفکیک می‌کند و دو کوادراپل دیگر فقط محل عبور محسوب می‌شوند (شکل 3) [3].

در این روش از پایش که برای شناسایی یک یون خاص با m/z خاص به کار می‌رود، کوادراپل اول روی یک ولتاژ خاص برای عبور دادن یک یون خاص تنظیم می‌شود و بقیه یون‌ها در اثر برخورد با الکترودها حذف می‌شوند؛ کوادراپل دوم و سوم فقط محل عبور هستند (شکل 4).

در این نوع از پایش، یون‌های حاصل از شکست یک یون خاص مورد بررسی قرار می‌گیرند، به این صورت که کوادراپل اول فقط یون خاص ما را عبور داده و در کوادراپل دوم با استفاده از یک گاز بی‌اثر مانند نیتروژن، این یون شکسته می‌شود؛ کوادراپل سوم به‌صورت پایش کامل عمل کرده و کلیه جرم‌های حاصل از شکست یون اولیه را تفکیک می‌کند (شکل 5).

در این نوع از پایش، شکست‌های خاص ترکیبات، اساس شناسایی آنها قرار می‌گیرند. کوادراپل اول برای یون مورد نظر ما تنظیم شده که به‌صورت نظارت یک یون مشخص SIM عمل می‌کند، در کوادراپل دوم یون مورد نظر، با استفاده از نیتروژن شکسته می‌شود و در کوادراپل سوم شکست شاخص حاصل از آن را عبور داده و بقیه یون‌های حاصل از شکست حذف می‌شوند (شکل 6).

انعطاف‌پذیری LC-MS منجر به جذابیت در بسیاری از زمینه‌ها می‌شود. روش مذکور از زمینه محیط زیستی گرفته تا دارویی کاربرد دارد و توانایی آن در شناسایی گستره وسیعی از ترکیبات، منجر به حساسیت و ویژگی بالا می‌شود که آن را در بسیاری از زمینه‌ها به یک روش عمومی تبدیل ساخته است. از آنجا که این کاربردها بسیار متنوع هستند در ادامه به فهرستی از آنها اشاره خواهد شد [5و6].

یکی از اساسی‌ترین کاربردهای LC-MS، تعیین وزن مولکولی است. اطلاعات مربوط به وزن مولکولی برای تعیین ماهیت ترکیبات بسیار کلیدی هستند. شکل (7) طیف دو پپتید را نشان می‌دهد که نسبت جرم به بار آنها تنها m/z 1 با هم متفاوت است. تنها تفاوت در انتهای کربن است که در یکی ترئونین و در دیگری ترئونین آمید است. پیک‌های مربوط به قطعات کوچک‌تر در هر دو طیف مشابه هستند که نشان می‌دهد بخش بزرگی از دو پپتید بسیار شبیه هم هستند. اما قطعات بزرگتر حاوی پپتید‌های متمایز کننده هستند.

پروتئین سبز فلوئورسنت پروتئینی با 238 آمینو اسید و 27000 دالتون است. این پروتئین زمانی که در معرض نور ماورای بنفش قرار می‌گیرد رنگ سبزی از خود ساطع می‌کند. در هنگام یونیزاسیون الکترواسپری، GFP چند بار به‌دست می‌آید و همین باعث می‌شود بتوان آن را با طیف‌سنج جرمی که گستره محدودی از جرم به بار را نشان می‌دهد، آنالیز کرد. در این گونه موارد واپیچیدگی طیف جرمی برای تعیین وزن مولکولی پروتئین انجام می‌شود. بخش بالایی شکل (8) طیف جرمی، پایش کامل طیف GFP را نشان می‌دهد. الگوی پیک‌های طیف جرمی از ویژگی‌های یک آنالیت دارای بار چند گانه است. هر پیک، نشانگر مولکولی با تعداد بارهای مختلف است. بخش پایینی، طیف واپیچیده شده‌ای است که توسط سیستم داده برای آنالیتی با یک تک بار ایجاد شده‌است.

یکی دیگر از کاربردهای LC-MS به دست آوردن اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی است و این علاوه بر اطلاعاتی است که در مورد وزن مولکولی و یا ماهیت در مقایسه با یک ترکیب شناخته شده به‌دست می‌آید.

ریشه جینسنگ یک گیاه درمانی در طب سنتی چین است که حاوی تعداد زیادی از ساپونین‌های فعال بیولوژیکی است که جینسنویید نامیده می‌شوند. از آنجا که بیشتر جینسنوییدها حاوی زنجیره‌های الیگوساکاریدی متعددی هستند که در موقعیت‌های مختلف مولکول اتصال یافته‌اند، تعیین ساختار چنین ترکیباتی بسیار پیچیده است. آنالیز طیف جرمی در یک طیف‌سنج جرمی تله یونی این امکان را فراهم می‌آورد که مراحل متعدد جداسازی یون‌ها و قطعه قطعه شدن انجام شود. این قطعه قطعه شدن مرحله به مرحله، اجازه تشکیل مسیرهای قطعه قطعه شدن مجزا و منحصر به فرد را می‌دهد که اطلاعات ساختاری بسیار ارزشمندی فراهم می‌آورند.
شکل (9) طیف جرمی پایش کامل جینسنویید Rb1 را نشان می‌دهد. مهم‌ترین جنبه طیف، یونی است که سدیم به آن افزوده شده [M+Na]⁺ که در m/z1131.7  دیده می‌شود [4].
MS/MS مربوط به m/z 1131.7 یک یون در m/z 789.7 مربوط به شکست یک پیوند ساده گلیکوزیدی است (شکل 10). جداسازی و قطعه قطعه شدن‌های m/z 789.7 (شکل 11) دو محصول به‌دست می‌دهد: یک یون با فراوانی بیشتر در m/z 365.1 که مربوط به از دست دادن یک زنجیره الیگوساکاریدی (-Glc 2-Glc) است و یون دیگر با فراوانی کم‌‌تر در m/z 627.5 مربوط به از دست دادن یک قند داکسی هگزوز است.

اطلاعات موجود در طیف جرمی این اجازه را می‌دهد که برخی ترکیبات را اگر چه از لحاظ کروماتوگرافی از هم تفکیک نشده‌اند ولی از هم جدایشان نمود. در این مثال یک سری از بنزودیازپین‌ها از طریق هر دو آشکارسازهای UV و MS آنالیز شدند. کروماتوگرام UV نمی‌تواند برای کمی‌سازی به کار گرفته شود اما یون کروماتوگرام حاصل از MS را می‌توان بدین منظور به کار برد.
اطلاعات طیف جرمی تایید بیشتری را برای شناخت ماهیت ترکیب‌ها ارائه می‌دهند. کلر به دلیل فراوانی نسبی دو ایزوتوپ خود الگوی منحصر به فرد خود را دارد. در شکل (12)، طیف تریازولوم نشان‌گر آن است که این ترکیب دو اتم کلر دارد و طیف دیازپام نشان می‌دهد که این ترکیب یک اتم کلر دارد.

توانایی طیف‌سنج جرمی تله یونی آن را به ابزاری مناسب برای آنالیز ساختاری ترکیبات پیچیده مبدل می‌سازد. روش‌های جمع‌آوری داده هوشمند، کارایی و سودمندی تله یونی را افزایش می‌دهد و امکان شناسایی متابولیت‌هایی که مقدار آنها اندک است را در فراوانی‌های پایین با یک بار آنالیز فراهم می‌سازد.
مثال دیگر در مورد انکوباسیون بایل اسید داکسی کولیک اسید با میکروزوم‌های کبد موش صحرایی برای شبیه‌سازی یک دارو است. از روش جمع‌آوری داده هوشمند برای انتخاب فراوان‌ترین یون‌ها در هر اسکن جرمی استفاده شد. این یون‌ها به‌صورت خودکار قطعه قطعه شده و محصولات با اسکن کامل تهیه شدند.
شکل (13-الف) کروماتوگرام پیک‌های اصلی را نشان می‌دهد. شکل (13-ب) کروماتوگرام یون‌های استخراج شده در m/z 407 که مربوط به متابولیت با کم‌ترین درصد است (کولیک اسید با زمان شویش 9 دقیقه و 41 ثانیه) را نشان می‌دهد. طیف پایش کامل MS/MS (شکل 13-ج) از یون با m/z 407 ماهیت ترکیب را تایید می‌کند.
زمان قابل توجهی در این روش ذخیره می‌شود، چرا که محصول MS/MS به‌صورت خودکار در همان زمانی که طیف پایش کامل MS ثبت شد به‌دست می‌آید.

شناسایی سریع پروتئین با LC/MS/MS مویینه و جستجو در بانک اطلاعاتی
روش‌های متداول شناسایی پروتئین به‌صورت عموم نیاز به جداسازی تک تک پروتئین‌ها با استفاده از ژل الکتروفورز دو‌بعدی دارند. تلفیق LC/MS/MS مویینه و روش جمع‌آوری داده هوشمند، کارایی و جستجو در بانک اطلاعاتی براساس درصد احتمال، امکان شناسایی سریع بیش از صد پروتئین را در یک آنالیز فراهم می‌آورد. در این مثال LC مویینه و طیف‌سنج جرمی تله یونی برای جمع‌آوری داده از یک مخلوط حاوی پنج پروتئین مختلف که هر کدام pmol/ml 1 غلظت دارند (شکل 14) مورد استفاده قرار گرفت. تمام داده‌های MS و MS/MS در یک تک آنالیز به‌دست آمد.

شناسایی پروتئین با استفاده از نرم‌افزار MASCOT داده‌های MS/MS را با کمک بانک داده پردازش می‌کند. شکل (15) همخوانی خوبی میان طیف MS/MS یونی که بیشترین فراوانی را دارد (m/z 807.2) (در زمان بازداری 17.55 دقیقه در کروماتوگرام اصلی) و سری‌های یون-y پیش‌بینی شده مربوط به یک تریپتیک پپتید پروتئین انسانی (یکی از پروتئین‌های موجود در مخلوط) نشان می‌دهد.

تشخیص با حساسیت بالای تریمیپرامین و تیوریدازین
برای اغلب ترکیبات، آشکارساز جرمی بسیار حساس‌تر از سایر آشکارسازهای LC است. تریمیپرامین یک داروی ضدافسردگی سه حلقه‌ای است که خواص آرام‌بخش دارد. تیوریدازین هم یک آرام‌بخش است. شکل (16) این ترکیبات را در ادرار نشان می‌دهد و مقدار آنها هم به حدی است که با آشکارساز UV قابل شناسایی نیست. برای رسیدن به بیشترین حساسیت، از یک طیف‌سنج جرمی چهار قطبی و آنالیز با مونیتور کردن یون‌های منتخب انجام شد.

شناسایی آفلاتوکسین در غذا
آفلاتوکسین‌ها متابولیت‌های سمی هستند که به‌وسیله قارچ‌ها در مواد غذایی تولید می‌شوند. شکل (17) یون کروماتوگرام کلی مخلوط چهار آفلاتوکسین را نشان می‌دهد. اگر چه ساختار آنها بسیار به هم شبیه است ولی هر آفلاتوکسینی را می‌توان به‌طور جداگانه از روی طیف جرمی آن شناسایی کرد (شکل 18).

با نگاهی کلی به کاربران دستگاه، بر حسب چگونگی استفاده از LC-MS می‌توان آنها را به سه گروه کلی تقسیم نمود [7و8]:

کاربرانی که عمده اطلاعاتی که از طیف‌سنج جرمی می‌خواهند اطلاعات جرمی است (وزن مولکولی و یا قطعات حاصل از شکست مولکول). جنبه‌های کمی در این گونه موارد اهمیت کمی دارد و یا به‌طور کلی بی‌اهمیت است. به‌صورت عمده این کاربران تمایل دارند سنتز ترکیبات آلی را مونیتور و یا تایید نمایند، با استفاده از جمع‌آوری ترکیباتی که از ستون خارج می‌شوند، بررسی می‌کنند که آیا پیک کروماتوگرام یک متابولیت است و یا محصول حاصل از تخریب یک ترکیب مادر است و یا وزن مولکولی و اطلاعات ساختاری ترکیب را مشخص کنند.

کاربرانی که هدف عمده آنها آشکارسازی گزینشی و بسیار حساس است. این کاربران مولکول ویژه‌ای را هدف قرار می‌دهند. جنبه‌های کمی اهمیت زیادی دارد و اطلاعات جرمی در درجه دوم اهمیت قرار دارد.

کاربرانی که مولکول‌های خاصی را مورد هدف قرار می‌دهند و تعیین کمی و تعیین ماهیت ترکیبات، مورد نظر آنهاست. وزن مولکولی و حضور قطعات خاصی که فراوانی آنها از اهمیت زیادی برخوردار است در این حالت ارزیابی می‌شود.