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本文介绍了一种使用电喷雾离子淌度质谱,半经验量子计算和能量分辨阈值碰撞诱导解离的实验方案,以测量相关三元金属配合物解离的相对热化学性。
本文介绍了一种实验方案,使用电喷雾离子迁移率质谱(ES-IM-MS)和能量分辨阈值碰撞诱导解离(TCID)来测量带负电荷的[amb+M(II)+NTA]-三元络合物解离成两个产品通道的热化学:[amb+M(II)]+NTA或[NTA+M(II)]- + amb,其中 M = 锌或 Ni 和 NTA 是硝基三乙酸。这些配合物含有一种替代金属结合(amb)七肽,其主要结构为乙酰基-他的1-细胞 2-Gys3-亲4-泰尔5-他的6-细胞7 或乙酰-阿斯普1-细胞2-Gly 3-亲4-泰尔5-他的6-细胞7,其中氨基酸的Aa1,2,6,7 位置是潜在的金属结合位点。通过比较三元配合物及其产物的电子能量及其碰撞截面(CCS)与ES-IM-MS测量的能量和碰撞截面(CCS),从量子化学计算(目前为PM6半经验哈密顿算子)中选择了几何优化的稳态。从PM6频率计算中,三元复合物及其产物的分子参数使用竞争性TCID方法模拟两个产物通道的能量依赖性强度,以确定与解离的0 K焓(ΔH0)相关的反应的阈值能量。使用PM6旋转和振动频率的统计力学热和熵校正提供了解离的298 K焓(ΔH298)。这些方法描述了一种EI-IM-MS例程,该例程可以确定一系列三元金属离子配合物的热化学和平衡常数。
本研究描述了一种使用市售离子淌度质谱仪的新技术,该技术允许测定替代金属结合(amb)三元金属配合物[amb + M(II)+ NTA]解离的相对热化学,其中M = Zn或Ni和NTA = 硝基三乙酸(图1)。这些反应模拟了在固定化金属亲和色谱(IMAC)1,2期间附着在NTA固定化金属上的amb标记的重组蛋白的解离。例如,使用amb A和H的amb七肽标签描述该方法(图2)(从以前的研究3,4,5,6,7,8,9,10,11,12中选择)) 具有锌(II)和Ni(II)结合特性,因此具有作为纯化标签的潜在应用。然而,所描述的过程可用于评估任何有机金属系统中的热化学能量。这些 amb 肽在 Aa1-Aa 2 和 Aa 6-Aa7 位置中具有金属结合位点,这些位点与 NTA 的羧酸盐和胺位点竞争。三个中心amb氨基酸提供间隔物(Gly3),两个臂的铰链(Pro4)和长距离π金属阳离子相互作用(Tyr5)。
[amb+M(II)+NTA]-配合物的整体1−电荷状态由其潜在结合位点的质子化状态决定。由于存在具有2+氧化态的Ni(II)或Zn(II),因此必须有三个去质子化带负电荷位点的网。[原子核+M(II)+NTA]-配合物的分子建模预测,这是两个来自NTA的质子和一个来自安布的质子(即[原子核-H+M(II)+NTA-2H]-)。产品通道包含离子物质和中性物质(即[氮氧化物-3H+甲基(II)]-+安姆或[安姆-3H+甲基(II)--+氮氧化物(3H+甲基)-+氮氧化物")。在手稿中,"-3H"被排除在复合物的名称之外,但读者应该知道-3H是隐含的。该仪器测量两种离子质荷比(m / z)物种的相对强度。ES-IM-MS分析的一个主要属性是,它允许检查特定m / z物种的反应性,如这里和以前的amb研究3,4,5,6,7,8,9,10,11,12所使用的那样。
使用碰撞诱导的解离获取大型配合物的热化学数据是一个具有重要意义的主题13,14。包括动力学方法在内的方法不利于拟合一系列能量的数据,也不考虑多碰撞环境15,16,17,18。在这里,由阿门特劳特,欧文和罗杰斯使用引导离子束串联质谱法开发的阈值CID(TCID)方法应用于19 ,用于利用行波离子导引的新型ES-IM-MS仪器平台。TCID方法允许对三元配合物解离到其两个产物通道中的相对热化学分析,并包括一个阈值定律,该定律描述了反应物(本研究中的三元配合物)和惰性目标气体(在这种情况下为氩气)之间的碰撞能量转移。该方法包括反应物内部能量分布20上的积分,反应物和目标气体21之间的平移能量分布,以及总角动量分布22,23。解离概率和统计赖斯 -拉姆斯伯格-卡塞尔-马库斯 (RRKM) 校正由有限的时间窗口产生的动力学变化,用于观察产物24。对于两个独立的产品渠道,竞争性 TCID 方法允许同时拟合两个相互竞争的产品渠道。配合物的解离是通过轨道过渡态,它具有产物的性质,但由锁定偶极子25保持在一起。将TCID方法并入CRUNCH程序26中,并在此处描述用户界面的操作,以评估三元[amb +M(II)+NTA]- 配合物的两个解离通道的热化学性质。CRUNCH程序可根据开发人员26的要求提供。
注: 图 1 显示了该协议的概述。
1. 试剂的制备
2. 储备溶液的制备
3. 电喷雾离子淌度质谱 (ES-IM-MS) 碰撞诱导解离 (CID) 分析
4. 断续器碰撞截面分析
5. 分析静电放电
6. 分析确定碰撞横截面(CCS)的平均到达时间
7. 计算方法
8. 紧缩建模
竞争性碰撞诱导的 A 和 H 的 [amb+M(II)+NTA]-三元配合物解离为 [amb+M(II)]-+ NTA 或 [NTA+M(II)]-- + amb,如图 3 所示。AMB 显示为 A 或 H,M = 锌或镍。[A+锌(II)+NTA]-三元配合物(图3A)表现出约0.7 eV碰撞能(CE)的明显阈值以产生[A + Zn(II)]-,以及约0.9 eV以产生[NTA + Zn(II)]-。[A+镍(II)+NTA]-络合物(图3B)的解离对于[NTA+镍(II)]-和[A+Ni(II)]-产物表现出相似的阈值(~1.1 eV),[NTA+Ni(II)]-的相对强度增加到90%,而[A+Ni(II)]-的强度不超过18%。对于[H+Zn(II)+NTA]-三元配合物(图3C),主要产物是[H+Zn(II)]-从约0.6 eV的阈值上升到约85%的相对强度,在能量高于1.0 eV时,[NTA+锌(II)]-上升到约30%。还有一个来自[H-H2O + Zn(II)]-的水分损失通道。对于[H+ Ni(II)+ NTA]-(图3D),[H + Ni(II)]-从约0.9 eV的阈值上升到约40%的相对强度,而[NTA + Ni(II)]-从〜1.0eV上升到约80%。图中包括CE,其中三元复合物解离了50%。Ni(II)三元配合物需要比Zn(II)三元配合物高0.31-0.37 eV的CE才能解离50%。这表明Ni(II)配合物更稳定,需要更高的CE才能解离,使用TCID技术进一步研究了这一点。
图 4 显示了竞争性 TCID 方法,该方法允许同时拟合两个竞争的产品通道。
[安博+明(二)+新界] → [安博+明(二)]- + 新界 (1)
[安博+米(二)+新三] → [新台币+二)]- + 安博 (2)
势能面(PES)说明了通电三元络合物解离到竞争的产物通道中,并显示了用于模拟[ambH + Zn(II)+ NTA]-解离的PM6几何优化物质。PES中包括三元复合物的状态密度和乘积的状态总和。0 K阈值能量 E1 和 E2等于反应1和2的0 K焓变化。
图5显示了本研究中使用的其他三种几何优化三元配合物的结构。这些物种是根据它们预测的电子和零点能量以及它们与IM-MS测量的碰撞横截面(CCSHe)的一致性来选择的。表1显示三元配合物LJ CCSHe和实验IM-MS CCS He之间存在一致性,因为它们在相互不确定性中一致。[amb+M(II)] 和 amb 的构象基于我们之前的 DFT 建模3,4,5,6 的发现。这些PM6构象的分子参数用于三元配合物的能量分辨解离的TCID建模,包括它们的ロ振动频率,用于计算它们的密度和状态之和。
图6显示了与能量分辨产品强度拟合的卷积紧缩TCID阈值。卷积拟合包括 [amb+M(II)+NTA]- + Ar 反应物的可用能量和角动量分布。未卷积拟合(未显示)预测了三元络合物解离的焓(ΔH0)的0 K变化,表2显示了反应1和2的ΔH0和ΔH298(kJ / mol)。对于Zn(II)三元配合物的解离, A和H在反应1中均表现出ΔH0, 反应2分别比ΔH0低31 kJ/mol和15 kJ/mol, 表明A和H的Zn(II)亲和力均大于NTA.[A+Ni(II)+NTA]-三元配合物在反应1和反应2中分别表现出ΔH0 = 146和148 kJ/mol,表明A和NTA对Ni(II)具有相似的亲和力。然而,[H+Ni(II)+NTA]-的解离表明,反应1的Δ H 0比反应2的ΔH0低36 kJ/mol,表明H具有比NTA更大的Ni(II)亲和力。总体而言,[涤+镍(II)+NTA]-配合物表现出比其[amb+锌(II)+NTA]-对应物更高的解离焓,但解离为[NTA+镍(II)]-的A除外。表3显示了吉布斯自由能(ΔG298)的缔合和相反反应的形成常数(K):
[安布+姆(二)]- + 新界 → [安布+姆(二)+新界]- (3)
[新唐人协会- + 安布 → [安布+姆(二)+新塔]- (4)
表3 表明, 在所有情况下, Ni(II)三元配合物的形成都比Zn(II)配合物更具能动性, 并且表现出更大的地层常数 K .反应4(即,amb标签与NTA金属离子络合物的关联)特别令人感兴趣,因为它表示amb标记的重组蛋白与IMAC柱内NTA固定的金属离子结合。反应4为[amb A+Ni(II)+NTA]的形成表现出最自发的ΔG298 = 53.1 kJ/mol和最高的形成常数 K = 2.01 x 109。
图 1:ES-IM-MS TCID 方法的概述,请单击此处查看此图的大图。
图2:amb A和H肽的主要结构。 颜色突出显示了潜在的金属结合位点。 请点击此处查看此图的大图。
图 3:质心、能量分辨 (eV) 阈值碰撞引起的 [amb+M(II)+NTA] 的解离。图中显示了积离子 [原子核酸根离子]质量中心碰撞能量,其中[amb + M(II)+ NTA]-三元复合物有50%的解离,包括在图中。请点击此处查看此图的大图。
图 4:能量分辨 TCID 方法的模型。[氮气 H+锌(II)+氮杂氩]-+氩气之间的碰撞导致与[安布H+锌(II)]-+氮氧化物+锌(II)-+氩气产物的解离。阈值能量 E1 和 E2 分别等于反应的 0 K 解离焓 → (Δ H(II)-→请点击此处查看此图的大图。
图 5:PM6 几何优化的三元 [amb+M(II)+NTA] - A 和 H 的复合物。 在实验数据的TCID建模中使用的构象。这些顺恒者是通过比较它们的PM6电子能量以及它们的LJ碰撞横截面(CCSHe)与IM-MS测量的CCSHe的比较来从其他候选结构中选择的。 请点击此处查看此图的大图。
图 6:能量分辨、碰撞诱导的 [amb+M(II)+NTA] 的解离。 对于物种 A 和 H,显示了 [amb+M(II)]- 和 [NTA+M(II)]- 的乘积离子与卷曲的紧缩阈值拟合。显示的能量 (eV) 值是反应 [amb+M(II)+NTA]- → [amb+M(II)]- + NTA 或 [amb+M(II)+NTA]- → [NTA+M(II)]- + amb 在 0 K 处解离 的焓。
图 7:CRUNCH 文本输入文件的格式。 该文件包含作为质心碰撞能量的函数形成的产物离子的平均相对强度及其标准偏差。 请点击此处查看此图的大图。
安布 | [氮+锌(II)+氮氧化物]- | [安布+镍(II)+新界]- | ||
下午6点 | 到期日 | 下午6点 | 到期日 | |
一个 | 214±2 | 214 | 219±2 | 218 |
H | 211±5 | 216 | 212±3 | 215 |
一个 ES-IM-MS CCS测量 的不确定度为 ±4 Å2。 |
表 1:[amb+M(II)+NTA] 的 PM6 一致性的 LJ 碰撞横截面比较。将PM6一致性的理论横截面与用ES-IM-MS测量的实验CCS进行比较。
[氮+锌(II)+氮氧化物]- → | [安布+镍(II)+新界]- → | |||||||
[安布+锌(二)]- + 新界 | [氮氧化物+锌(二)]- + 安布 | [安布+尼(二)]- + 新界 | [新烟气+镍(二)]- + 安布 | |||||
安布 | ΔH0 | ΔH298 | ΔH0 | ΔH298 | ΔH0 | ΔH298 | ΔH0 | ΔH298 |
一个 | 118 | 127 | 149 | 182 | 146 | 171 | 148 | 154 |
H | 96.4 | 92.3 | 111 | 115 | 125 | 140 | 161 | 216 |
表 2:TCID 分析的热化学结果。 能量依赖性反应 [amb+M(II)+NTA]- → [amb+M(II)]- + NTA 或 [amb+M(II)+NTA]- → [NTA+M(II)]- + amb,显示了从未卷积的 TCID 模型拟合得出的 0 K 解离焓 (ΔH0),以及使用 PM6 旋转和振动频率的统计力学热校正的 298 K 解离焓 (ΔH298)。值以千焦/摩尔为单位。
[安布+锌(二)]- + 新界→ | [氮氧化物+锌(二)]- + 安布→ | [安布+尼(二)]- + 新→ | [新烟气+镍(二)]- + 安布→ | |||||
[氮+锌(II)+氮氧化物]- | [氮+锌(II)+氮氧化物]- | [安布+镍(II)+新界]- | [安布+镍(II)+新界]- | |||||
安布 | ΔG298 | K | ΔG298 | K | ΔG298 | K | ΔG298 | K |
一个 | -34.0 | 约9.05 x 105 | -21.8 | 约6.59 x 103 | -45.7 | 约1.01 x 108 | -53.1 | 约2.01 x 109 |
H | -29.3 | 约1.36 x 105 | -30.2 | 约1.95 x 105 | -47.0 | 约1.71 x 108 | -31.1 | 约2.81 x 105 |
表3:吉布斯自由缔合能(ΔG298)和平衡形成常数(K)。ΔG298 和 K 在 298 K 下用于反向反应 [安布+米(II)]- + 氮氧化物→ [安布+米(二)+新烟气]-和 [安博+米(二)]-和 [安塔+米(二)]-安→源自 ΔH298 和使用 PM6 旋转频率和振动频率的统计力学熵计算。ΔG298 的数值以千焦/摩尔为单位。
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关键步骤
ES-IM-MS 阈值碰撞诱导解离 (TCID) 分析。 TCID在氩气存在下使用转移T波电池作为碰撞池。在解离之前,前体离子在通过离子迁移率(IM)电池时通过与氮气的低能碰撞而热化。这导致比使用陷阱作为碰撞池6,40所实现的更可重复的能量分辨TCID。解离前[amb+M(II)+NTA]- 的热化也允许使用298 K温度表征三元配合物的可用内能。转移单元中的解离也意味着三元络合物及其产物离子在检测器上具有相同的平均到达时间,这对于识别仅在转移细胞中发生的三元复合物的解离非常有用。可能发生解离的其他区域是ES源(采样锥保持在25 V以避免这种情况)或IM单元的入口处。在这些区域中,由三元配合物解离产生的产物离子与转移单元中产生的产物离子具有不同的漂移时间,因为产物离子与IM单元中的三元复合物分离。这些产品离子被排除在分析之外。在该协议中,仅使用前体和共对准的产物离子的集成到达时间分布来确定其强度。陷阱偏置设置是控制注入IM电池的电压,该电压有助于IM电池入口处的CID。陷阱偏置设置为14 V,将背景解离保持在最低限度,同时不会过度影响整体强度。先前的研究41 确定亮氨酸脑啡肽二聚体的有效温度(上限)在IM细胞入口处为449 K。然而,当二聚体通过IM电池时,有效温度迅速下降。这里研究的amb复合物的到达时间表现出高斯分布,表明它们在通过IM细胞时被热化。
断续器碰撞截面分析。 CCS漂移时间是通过与氮气碰撞的实验发现的。这些值使用已知标准的校准曲线转换为氦气衍生的CCS漂移时间。这一点至关重要,因为用于测量PM6符合性CCS的程序需要更常用的氦气标准。
技术的修改和故障排除
紧缩输入文本文件格式。 适用于 CRUNCH 程序的输入文本文件如图 7 所示。从上到下的顺序标题是文件位置和CRUNCH的版本;日期;能量数量;不包括第一能量列的数据序列数;源文件;前体复合物的质量;氩气质量;实验温度;创建日期;x数据指定为−1(质心碰撞能量);和离子束的半最大值处的全宽(FWHM)。对于每个 TCID 实验,必须修改这些值。离子束的FWHM能量扩散和能量零点应通过延迟电位分析(RPA)来确定,通过低电压扫描CE并监测总离子电流。然而,在当前研究中IM的工作条件下,当传输CE设置为其最低值时,离子电流信号仅减少了约50%。离子束能量零点和FWHM只能在通过降低出口IM透镜的额外延迟时才能测量。在后一种情况下,RPA曲线导数的FWHM在实验室框架中给出了1.5 V的典型离子能量扩散,在质心框架13中给出了0.035 eV的典型离子能量扩散。
压力行与碰撞池内的压力有关,但此处不使用。碰撞池中氩气的压力可以变化,TCID数据可以在三个压力下测量,以推断出单个碰撞条件。然而,本研究仅使用了一种压力,并且该压力导致多次碰撞。为单次碰撞开发新平台是一个正在进行的研究领域。质量与强度在下面的列中的两个产物离子有关。停留可以保留为默认值。这五列是质心碰撞能量(指定为−1);质量为898.30 u的物质的离子强度平均值;物质离子强度的标准偏差为898.30 u;质量为253.53 u的物质的离子强度平均值;和物质离子强度的标准偏差253.53 u。
分子建模
最初通过使用从先前研究9,10,11,12,13中得出的模型来缩小符合者的数量。CRUNCH拟合需要仔细筛选反应物,活化分子和过渡态,以获得准确的阈值能量。以前的研究9,10,11,12,13已经包括对[amb + M(II)]符合性的广泛筛选,以获得具有此处CRUNCH建模中使用的参数的结构。仅使用具有反式肽键的复合物,因为只有它们与IM-MS测量的CCSHe10一致。B3LYP和PM6分子建模方法都预测了最低能量[amb + M(II)]-构象,其表现出Aa 1-Cys 2-Cys 7和羧酸盐末端配位Zn(II)或Ni(II)10,11,12,13。熟悉已知模型的行为可以更有效地确定 [amb+M(II)+NTA] 的新符合性。为了帮助确定符合性,由于PM6方法定位了较低能量的一致性,因此将它们过滤掉并系统地重新评估,直到最可行,最低能量的一致性仍然存在。
紧缩建模
观察解离的时间窗口。 在这项研究中,使用了从转移池开始到TOF分析仪末端的50 μs时间窗口,其中放置了多通道板检测器。使用转移池中的活化和TOF质量分析仪入口之间的实验时间窗口可能更好,因为如果活化的离子在其在反射子TOF中解离,则这种亚稳态衰变将在不同的m / z下测量。然而,在这项研究中,在质谱中观察到的产物离子都可以识别为图3所示的未修饰的m / z物质。这表明亚稳衰变不是问题。进一步的研究可以通过检查具有高阈值的已知反应并使用50 μs时间窗口和RRKM建模检查是否获得正确的阈值能量来研究这一点。
振动频率的比例因子。 使用了NIST推荐的PM6(1.062)振动频率的比例因子。这些对于拟合[A+锌(II)+氮氧化物]-、[A+镍(II)+NTA]-和[H+锌(II)+NTA]-数据 是令人满意的。对于较高能量通道在熵上优于较低能量通道的某些情况,可能需要额外缩放第二个通道的频率。一种方法是将频率缩放到900 cm−1 以下(因为这些是最不准确的),以松动频率并使TS在熵上更受青睐。
参数优化。 使用" 是 "选项将 任何参数保持在当前值 有助于成功拟合数据。对于第一次拟合,保持 E0(2),并通过优化 CONST、E0(1) 和 N 变量将模型 TCID 拟合到数据。找到良好的拟合后, 参数 选项和 将任何参数保持在当前值 可用于保存 CONST、E0(1) 和 N,同时允许 E0(2) 优化数据。最后,一旦 E0(2) 被优化,在 参数 选项中,应允许所有四个参数 CONST、E0(1)、E0(2) 和 N 对数据进行优化。
用于将所选 TCID 模型拟合到实验数据的能量范围。 用于拟合实验数据的能量范围应再现尽可能多的实验强度数据,同时保持阈值区域的良好拟合。首先可以将TCID模型拟合到实验数据阈值处的小能量范围。人们可以选择一种起始能量,该能量在强度阈值上升行为之前表现出背景强度。一旦TCID拟合优化到实验数据范围,范围应增加0.1 eV,并且应再次优化拟合。应重复此过程以拟合尽可能多的数据范围,同时保持阈值区域的拟合。
热化学分析。 应将 T 端 H 和 S 三角 选项的热化学结果与一系列不同的能量范围拟合数据进行比较,以估计 TCID 模型拟合的标准差。要比较的拟合应包括较小的范围,这些范围与具有较大范围的较小范围(包括较高能量)很好地拟合。
作者没有利益冲突需要披露。
本材料基于美国国家科学基金会在1764436,NSF REU计划(CHE-1659852),NSF仪器支持(MRI-0821247),物理和天文学成功奖学金(PASS)NSF项目(1643567),韦尔奇基金会(T-0014)以及能源部(TX-W-20090427-0004-50)和L3通信的计算资源下支持的工作。作者感谢肯特·欧文(内华达大学里诺分校)和彼得·阿门特劳特(犹他大学)分享CRUNCH计划,并就PBA的安装提供建议。作者感谢加州大学圣巴巴拉分校的迈克尔·鲍尔小组分享西格玛计划。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetonitrile HPLC-grade | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A998SK-4 | |
Alternative metal binding (amb) peptides | PepmicCo (www.pepmic.com) | designed peptides were synthized by order | |
Ammonium acetate (ultrapure) | VWR | 97061-014 | |
Ammonium hydroxide (trace metal grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A512-P500 | |
Driftscope 2.1 software program | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
Gaussian 09 | Gaussian | Electronic Structure Modeling Software | |
GaussView | Gaussian | Graphical Interface to Visualize Computations | |
Glacial acetic acid (Optima grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A465-250 | |
Ion-scaled Lennard-Jones (LJ) method | Sigma | Michael T. Bowers’ group of University of California at Santa Barbara | |
MassLynx 4.1 | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
Microcentrifuge Tubes | VWR | 87003-294 | 1.7 mL, polypropylene |
Microcentrifuge Tubes | VWR | 87003-298 | 2.0 mL, polypropylene |
Ni(II) nitrate hexahydrate (99% purity) | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | A15540 | |
Poly-DL-alanine | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | P9003-25MG | |
Waters Synapt G1 HDMS | Waters (www.waters.com) | quadrupole - ion mobility- time-of-flight mass spectrometer | |
Zn(II) nitrate hexahydrate (99%+ purity) | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 12313 |
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