طیف‌سنجی جرمی یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که برای کمّی‌سازی مواد شناخته‌شده، شناسایی ترکیبات ناشناخته در یک نمونه و روشن کردن ساختار و ویژگی‌های شیمیایی مولکول‌های مختلف به کار می‌رود. فرایند کامل این روش شامل تبدیل نمونه به یون‌های گازی است که ممکن است با یا بدون تکه‌تکه‌شدن انجام شود و سپس این یون‌ها بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) و فراوانی نسبی‌شان شناسایی می‌شوند.
این تکنیک به‌طور بنیادی اثر انرژی یونیزه‌کننده بر مولکول‌ها را مطالعه می‌کند. این فرآیند وابسته به واکنش‌های شیمیایی در فاز گاز است که در آن مولکول‌های نمونه در هنگام تشکیل گونه‌های یونی و خنثی مصرف می‌شوند.
اصل پایه
یک دستگاه طیف‌سنجی جرمی، یون‌های مختلفی از نمونه مورد بررسی تولید می‌کند و سپس این یون‌ها را طبق نسبت جرم به بار (m/z) جدا کرده و فراوانی نسبی هر نوع یون را ثبت می‌کند.
اولین قدم در تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی جرمی ترکیبات، تولید یون‌های فاز گاز از ترکیب است، که اساساً از طریق یونیزه‌سازی الکترونی انجام می‌شود. این یون مولکولی دچار تکه‌تکه‌شدن می‌شود. هر یون محصول اولیه‌ای که از یون مولکولی به‌دست می‌آید، خود دچار تکه‌تکه‌شدن می‌شود و این روند ادامه می‌یابد. یون‌ها در دستگاه طیف‌سنجی جرمی طبق نسبت جرم به بارشان جدا شده و بر اساس فراوانی‌شان شناسایی می‌شوند. بنابراین، طیف جرمی مولکول تولید می‌شود که نتیجه آن در قالب یک نمودار فراوانی یون‌ها نسبت به نسبت جرم به بار نمایش داده می‌شود. یون‌ها اطلاعاتی راجع به ماهیت و ساختار مولکول پیش‌ساز خود فراهم می‌کنند. در طیف یک ترکیب خالص، اگر یون مولکولی وجود داشته باشد، در بالاترین مقدار m/z ظاهر می‌شود (که معمولاً با یون‌های حاوی ایزوتوپ‌های سنگین‌تر دنبال می‌شود) و جرم مولکولی ترکیب را نشان می‌دهد.
اجزای دستگاه طیف‌سنجی جرمی
این دستگاه شامل سه بخش اصلی است:
- منبع یون‌سازی: برای تولید یون‌های گازی از ماده مورد بررسی.
- آنالایزر: برای تفکیک یون‌ها به اجزای جرم مشخص خود طبق نسبت جرم به بار.
- سیستم تشخیص: برای شناسایی یون‌ها و ثبت فراوانی نسبی هر یک از گونه‌های یونی تفکیک‌شده.
علاوه بر این، یک سیستم معرفی نمونه برای ورود نمونه‌ها به منبع یون‌سازی ضروری است، در حالی که نیازهای خلاء بالای این تکنیک (~10-6 تا 10-8 میلی‌متر جیوه) حفظ می‌شود؛ و یک کامپیوتر برای کنترل دستگاه، کسب و دستکاری داده‌ها و مقایسه طیف‌ها با پایگاه‌داده‌های مرجع مورد نیاز است.
فرآیندهای انجام‌شده توسط دستگاه طیف‌سنجی جرمی
با توجه به اجزای مذکور، دستگاه طیف‌سنجی جرمی باید همیشه فرآیندهای زیر را انجام دهد:
- تولید یون از نمونه در منبع یون‌سازی.
- جداسازی این یون‌ها طبق نسبت جرم به بارشان در تحلیلگر جرم.
- در نهایت، تکه‌تکه‌کردن یون‌های انتخابی و تحلیل قطعات در تحلیلگر دوم.
- شناسایی یون‌های خارج‌شده از آخرین تحلیلگر و اندازه‌گیری فراوانی آن‌ها با دستگاه تشخیص که یون‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.
- پردازش سیگنال‌های دریافتی از دستگاه تشخیص که به کامپیوتر ارسال می‌شود و کنترل دستگاه با استفاده از بازخورد.
تجزیه و تحلیل بیومولکول‌ها با استفاده از طیف‌سنجی جرمی
طیف‌سنجی جرمی به‌طور فزاینده‌ای در حال تبدیل شدن به یک زمینه ضروری برای تجزیه و تحلیل بیومولکول‌ها است. تا دهه ۱۹۷۰، تنها تکنیک‌های تحلیلی که اطلاعات مشابهی ارائه می‌دادند، روش‌های الکتروفورز، کروماتوگرافی یا اولتراسانتریفیوژ بودند. نتایج آن‌ها به‌طور مطلق نبودند زیرا بر اساس ویژگی‌هایی غیر از وزن مولکولی بودند. بنابراین، تنها امکان دانستن وزن مولکولی دقیق یک ماکرومولکول محاسبه آن بر اساس ساختار شیمیایی آن بود.
توسعه روش‌های یونیزه‌سازی دسرپشن بر اساس انتشار یون‌های از پیش موجود مانند پلاسما دسرپشن (PD)، بمباران سریع اتم‌ها (FAB) یا دسرپشن لیزری (LD) امکان استفاده از طیف‌سنجی جرمی را برای تجزیه و تحلیل بیومولکول‌های پیچیده فراهم کرد.
تجزیه و تحلیل گلیکان‌ها
الیگوساکاریدها مولکول‌هایی هستند که از ترکیب چندین مونوساکارید تشکیل می‌شوند که از طریق پیوندهای گلیکوزیدی به هم متصل شده‌اند. تعیین ساختار کامل الیگوساکاریدها پیچیده‌تر از پروتئین‌ها یا الیگونوکلئوتیدها است. این فرایند شامل تعیین اجزای اضافی به دلیل ماهیت ایزومریک مونوساکاریدها و ظرفیت آن‌ها برای تشکیل الیگوساکاریدهای خطی یا شاخه‌ای است.
پیشرفت‌ها در گلیکوبیولوژی شامل مطالعه جامع ساختار، بیوسنتز و زیست‌شناسی قندها و ساکاریدها است. طیف‌سنجی جرمی به‌عنوان یک تکنولوژی تسهیل‌کننده در زمینه گلیکومیکس و گلیکوبیولوژی در حال ظهور است.
تجزیه و تحلیل لیپیدها
لیپیدها از کلاس‌های مختلفی از مولکول‌ها تشکیل شده‌اند که در حلال‌های آلی محلول هستند. لیپیدومیکس، که بخشی از متابولومیکس است، تجزیه و تحلیل دقیق و توصیف جهانی ساختار و عملکرد لیپیدها (لیپیدوم) در یک سیستم زنده است.
برای تجزیه و تحلیل لیپیدها، روش‌های جدیدی برای آنالیز مبتنی بر طیف‌سنجی جرمی توسعه یافته است. رایج‌ترین روش‌ها شامل استفاده از منابع یونیزه‌سازی الکتروپاششی (ESI) و آنالیزگرهای چهارگانه سه‌گانه است. استفاده از طیف‌سنجی جرمی، امکان تعیین وزن مولکولی، ترکیب عنصر، موقعیت شاخه‌ها و طبیعت جایگزین‌ها در ساختار لیپید را فراهم می‌کند.
تجزیه و تحلیل پروتئین‌ها و پپتیدها
پروتئین‌ها و پپتیدها پلی‌مراهایی خطی هستند که از ترکیب ۲۰ آمینواسید با پیوندهای پپتیدی ساخته شده‌اند. پروتئین‌ها چندین تغییر پس از ترجمه را تجربه می‌کنند که دامنه عملکرد آن‌ها را از طریق این تغییرات گسترش می‌دهد.
اصطلاح پروتئومیکس به تجزیه و تحلیل محتوای کامل پروتئین‌ها در یک سیستم زنده اطلاق می‌شود که شامل پروتئین‌های تغییر یافته کو-ترجمه‌ای و پس از ترجمه و همچنین واریانت‌های اسپلیس شده است. طیف‌سنجی جرمی اکنون به یک تکنیک حیاتی برای تقریباً تمام آزمایش‌های پروتئومیکس تبدیل شده است.
تجزیه و تحلیل اولیگونوکلئوتیدها
اولیگونوکلئوتیدها (DNA یا RNA)، پلی‌مراهایی خطی از نوکلئوتیدها هستند که از یک پایه نیتروژنی، یک قند ریبوز و یک گروه فسفات تشکیل شده‌اند. اولیگونوکلئوتیدها ممکن است چندین تغییر کووالانسی طبیعی یا غیرطبیعی را تجربه کنند. طیف‌سنجی جرمی نقش مهمی در شناسایی این تغییرات و تعیین ساختار و موقعیت آن‌ها در اولیگونوکلئوتید دارد.
نرم‌افزارهای تحلیل داده‌های طیف‌سنجی جرمی
SimGlycan® ساختار گلیکان‌ها و گلیکوپپتیدها را از داده‌های MS/MS که توسط طیف‌سنجی جرمی به دست آمده است، پیش‌بینی می‌کند و مطالعات گلیکوزیلاسیون و تغییرات پس از ترجمه را تسهیل می‌کند.
SimLipid یک ابزار نوآورانه برای توصیف ساختاری لیپیدهای ناشناخته با استفاده از داده‌های MS/MS است که امکان تحلیل و پروفایل کردن لیپیدها را فراهم می‌آورد.
