En este artículo se introduce el concepto de quiral espectrometría de movilidad de iones (CIMS) y presenta ejemplos demonstrat- ing la separación en fase gaseosa de enantiómeros de una amplia gama de racematos incluidos los productos farmacéuticos, aminoácidos y carbohidratos. CIMS es similar a la tradicional espectrometría de movilidad de iones, donde los iones en fase gaseosa, cuando se somete a un gradiente de potencial, se separan a presión atmosférica debido a diferencias en sus formas y tamaños. Además de tamaño y forma, CIMS separa los iones en función de su interacción estereoespecífica con un gas quiral. A fin de lograr la discriminación quiral por CIMS, un entorno asimétrica fue proporcionado por el gas de dopaje deriva con un reactivo quiral volátil. En este estudio (S) - (+) - 2 se usó butanol como modificador quiral para demostrar separaciones enantioméricas de atenolol, serina, metionina, treonina, metilo r-glucopiranósido, glucosa, lamine penicilamina, valinol, fenilalanina y triptófano desde sus respectivas mezclas racémicas.

Desde el descubrimiento de Louis Pasteur de la "imparcialidad" de las moléculas, el desarrollo de métodos analíticos para la medición de la quiralidad molecular ha sido un foco importante de la química de separación. Medición quiralidad es importante para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo los de la proteómica (y "ómicas" relacionados), farmacología, ciencias de la salud, las ciencias ambientales, la ración espacio exploración y geología. Quiralidad molecular es un componente fundamental de descubrimiento de fármacos, lo necesario para comprender y describir los objetivos biológicos, así como para diseñar agentes farmacéuticos eficaces. Isómeros ópticamente puros a menudo se requieren para producir un efecto terapéutico deseado, reducir un efecto secundario no deseado y eliminar toxicity.1,2 Además de descubrimiento de fármacos, la identificación de el rollo de que los ácidos L y D-aminoácidos en proteínas juegan structure3-6 ha desafiado metodología analítica moderna. modificatio quiral

estructura de la proteína ha sido implicado en la formación de cataratas, 7 el proceso de envejecimiento, 8,9 neurotransmisión, la regulación endocrina,

10 cáncer, 11 enfermedad de Alzheimer, 12,13 y escleral múltiples rosis.14 proporciones enantioméricas también se han utilizado para evaluar la calidad del material de alimentación, 15,16 para determinar la edad de los fósiles y los estratos geológicos, 17,18 y para buscar life.19,20 extraterrestre en la medicina forense, la edad de un individuo en el momento de la muerte puede ser determinada por la relación de enantiomers.21,22 aminoácido

La quiralidad también puede impartir diferencias de aroma en cierta molecules.23

Claramente, la quiralidad es un componente importante de la química de nuestro mundo. Para investigar estos químicos, necesitamos métodos de separación y detección quirales rápidos, versátiles, sensibles y eficientes. La similitud de enantiómeros en sus propiedades químicas y físicas, sin embargo, hace que su separación y detección difícil. Desde 1980 las separaciones quirales se han logrado principalmente por chromatography24 y la electroforesis capilar, mientras que 25 spectroscopy26 resonancia magnética nuclear ha sido útil para la confirmación de la estructura.

La separación de los enantiómeros usando técnicas de cromatografía líquida se basa en la "regla de tres puntos", también conocida como la regla Pirkle, que dice: "el reconocimiento quiral requiere un mínimo de tres

interacciones simultáneas entre la fase estacionaria quiral y por lo menos uno de los enantiómeros, con al menos una de las interacciones de ser estereoquímicamente dependiente. Es decir, al menos una de las interacciones serán ausente o alterado de manera significativa mediante la sustitución de un enantiómero con la otra sin cambio conformacional en cualquier componente. "27,28 En la cromatografía, utilizando una fase estacionaria quiral, el enantiómero que se forma la asociación más estable con el selector quiral será la especie más fuertemente retenidas de la mezcla. Por otra parte, una fase móvil quiral reduce la retención del enantiómero soluto que forma una asociación más fuerte con el selector quiral. El principal problema con técnicas de separación cromatográficas es que la condición óptima de separación es compuesto específico, lo que resulta

en 29 pasos que consumen tiempo y costoso método de desarrollo para cada compuesto. Por ejemplo, más 1000 fases estacionarias quirales están disponibles comercialmente para HPLC, aún no existe un método claro para determinar qué fase proporcionará la mejor separación. En un esfuerzo por eliminar los pasos lentos y tediosos de separación de enantiómeros por cromatografía, los métodos de espectrometría de masas se han desarrollado para la discriminación quiral. La validez del modelo de "tres puntos de interacción" en fase gaseosa ha sido examinado por muchas investigaciones groups.30-32 La reacción de intercambio de "invitado" entre un complejo quiral-selector quiral analito y un compuesto quiral volátil o un gas quiral usando Fourier transformar resonancia de ciclotrón de iones de espectrometría de masas, espectrometría de masas por transformada de Fourier, trampa de iones cuadrupolo espectrometría de masas ha sido investigado. El gas quiral / aquiral se infundió en la resonancia / trampa de iones celular ciclotrón de iones a bajas presiones y la energía de enlace del complejo trimérico de complejo quiral / gas aquiral quiral selector quiral se midió. Ahn et al. estudiado la reacción de intercambio entre huésped de un complejo de ácido amino ciclodextrina y una alquilamina gaseoso y llegó a la conclusión de que el modelo de interacción de tres puntos es de hecho válido en la fase gaseosa. Se sugirió también que la enantioselectividad es óptima cuando dos puntos de atracción y un punto de repulsión están presentes en el complex.33 en fase gaseosa en la actualidad, varios métodos de espectrometría de masas se han desarrollado para la discriminación enantiómero incluyendo la formación de aductos de host-invitado, 34-36 las reacciones ion-molécula, 37,38 disociación inducida por colisión de aductos diastereoméricos, 39,40 cinética de la fase de gas, 41,42 y la reolucion cunetica en fase de solución

Figure 1. Schematic illustrating the three-point “Pirkle Rule” required for chiral recognition. CIMS separation utilizes stereochemically different noncovalent interactions between the enantiomers (1 and

2) and the chiral modifier (3).Sin embargo, estos enfoques a menudo requieren reacciones ion-molécula que se produzca entre el selector quiral y el ión de interés junto con el análisis de datos compleja de los patrones de fragmentación. Lamentablemente, los enfoques de espectrometría de masas para la discriminación quiral aún no son de rutina, y para la mayoría de aplicaciones, la investigación y el desarrollo es todavía en su infancia. Desde the1980s, nuestro grupo ha estado investigando los efectos de los gases de deriva alternativas sobre la separación de iones en fase gaseosa por spectrometry.45 movilidad iónica Para explorar la posibilidad de obtener información de la estructura a partir de mediciones de IMS, Jarrold y Bowers estudiaron el efecto de largo alcance potenciales sobre las mediciones de movilidad de iones en un puro "gas amortiguador" 46,47 Más recientemente, hemos demostrado que las movilidades relativas cambian como una función de la deriva y de gas que las separaciones únicas se pueden lograr mediante la variación de la deriva gas.48,49 Si bien estos las investigaciones demostraron que el uso de diferentes gases de deriva puede cambiar movilidades de iones de iones de analito, no se han realizado estudios para investigar a largo plazo efectos potenciales sobre las movilidades de compuestos quirales. El concepto de quiral espectrometría de movilidad de iones (CIMS) es como sigue. Como se representa esquemáticamente en la Figura 1, CIMS utiliza fuerzas de interacción de largo alcance estereoespecíficos entre los iones del analito quirales (1 y 2) y una molécula neutra quiral (3) (modificador quiral) para lograr la resolución de iones enantioméricos en la fase gaseosa. Al exponer a los iones a un "modificador quiral", selectivos interacciones ion-molécula a través del cual no se pierde la identidad de los analitos y una verdadera separación quiral de los enantiómeros se pueden lograr. Este enfoque difiere significativamente de MS técnicas de diferenciación quirales que se basan en la formación de grupos y la posterior fragmentación de estos grupos. En experimentos preliminares, utilizando la espectrometría de masas de tiempo de vuelo de movilidad de iones presión atmosférica, hemos demostrado débil.

Figura 2. fotografía y el diagrama esquemático de la presión electropulverización de iones del espectrómetro de masas de ionización de movilidad atmosférica. La célula IMS se dividió en una región desolvatación (7,5 cm) y una región de deriva (25 cm) por una puerta de iones Bradbury-Nielsen, que se utiliza para los paquetes de impulsos de iones en la región de deriva con un ancho de pulso de 0,1 ms. El Q-MS fue operado en el modo de control de iones única para monitorear las distribuciones del tiempo de llegada de los iones en serie seleccionado.

interacciones en fase gaseosa, lo que podría dar lugar a factores ambientales tions.50 separación de enantiómeros, específicamente, la temperatura y la composición del gas de deriva, fueron variadas. Los valores de movilidad reducida (KO) de dos enantiómeros, L y D-anfetamina, obtenido a concentraciones variables modificadores quirales ((R) - y (S) -2-butanol), indican la ocurrencia de un cambio preferencial en la movilidad entre el dos enantiómeros. En este trabajo se demuestra la primera separación de fase gaseosa y la resolución de enantiómeros mediante espectrometría de movilidad de iones cado.

SECCIÓN EXPERIMENTAL Químicos. Los enantiómeros (R) / (S) -atenolol, D / L-serina, D / L metionina, D / L-treonina, D / L-penicilamina, D / L-valinol, D / L-fenilalanina, y D / L-triptófano se adquirieron de Sigma-Aldrich Chemical Co. Inc. (Milwaukee, WI) y fueron clasificados como de grado reactivo ACS con g98% de pureza. D / ranoside L-metil-R

glucopy- fue cedida gentilmente por el Dr. Brad A. Bendiak de Biología Celular y Desarrollo, Universidad de Colorado Health Sciences Center. Modificadores quirales ((S) - (+) - 2-butanol y (R) - (-) - 2-butanol) con una pureza enantiomérica del 99% también se adquirieron de Sigma-Aldrich Chemical Co. De movilidad de iones Espectrómetro de Masas (IMMS). Los experimentos se llevaron a cabo en un espectrómetro de iones presión atmosférica movilidad en interfaz con un agujero de alfiler 40-m a un espectrómetro de masas de cuadrupolo. Una fotografía y un dibujo esquemático del instrumento se muestran en la Figura 2 Esta IMMS se construyó en la Universidad del Estado de Washington (Pullman, WA) y operado en el modo de iones positivos. Publicaciones anteriores de nuestro documento grupo de investigación de la descripción detallada y esquemas de este IMMS.51,52 Un breve recorrido por el instrumento se proporciona a continuación.El IMS se divide en dos regiones, la región de desolvatación (7,5 cm de longitud) y la región de deriva (25,05 cm de longitud), que se separaron por una puerta de iones de estilo Nielsen Bradbury. Los iones se pulsaron en la región de deriva con una anchura de 0,1 ms. Ambas regiones consistieron alternando espaciadores de alúmina y anillos de acero inoxidable con resistencias de alta temperatura que conectan los anillos de acero inoxidable (resistencias 500-k para la región desolvation, resistencias de 1 mW para la región de deriva). La temperatura de la región de deriva, la región de desolvatación, y el gas de deriva se mantuvo a 200 C, la puerta de iones se llevó a cabo a una tensión de 10,8 kV (campo eléctrico (E)) 432 V / cm, la densidad de número (N)) 1,43 × 1019, E / N) 3,02 Townsend), y el instrumento se hizo funcionar a la atmosférica presión (694-705 Torr en Pullman, WA). A contrario precalentados gas que fluyen deriva de nitrógeno a una velocidad de flujo de aproximadamente 1 L / min fue introducido al final de la región de deriva. El IMS se interconecta a un modelo 150-QC ABB Extrel (Pittsburgh, PA) (rango de m / z de 0 a 4000 amu) cuadrípolos MS a través de una interfaz del agujero de alfiler de 40 micras. La señal de salida del multiplicador fue amplificado por un amplificador 427 Keithley modelo (Keithley Instruments, Cleveland, OH). La señal amplificada se envía entonces a sea el sistema de adquisición de datos de MS o sistema de adquisición de IMS. Software Merlin (ABB

Extrel, Pittsburgh, PA) se utilizó para todos los análisis espectrales de masa y el control de espectrómetro de masas. Para la compuerta y la adquisición de datos IMS, los controles electrónicos se construyeron en la Universidad Estatal de Washington. El software de adquisición de datos y control de la puerta IMS empleado fue basa-Labview (National Instruments, Austin, TX) y fue desarrollado en la Universidad Estatal de Washington. Espectros de movilidad de iones se obtuvieron de dos maneras: control de iones totales o monitoreo de iones selectivo de masas (SIM). En el primer caso, el IMS fue cerrada continuamente y la MS se hizo funcionar en el modo de sólo rf con la tensión de CC apagado. En el modo de SIM, el cuadrupolo se hizo funcionar con la tensión de CC a permitir que los iones con m / z específica pasen a través del MS. Introducción de muestras quirales y Drift Gas modificador. Para los resultados presentados, se utilizó ionización por electrospray (ESI) como la fuente de ionización ESI con una solución de 47,5% de metanol + 47.5% de agua + ácido acético al 5%. Las soluciones estándar de los enantiómeros individuales y las mezclas racémicas se prepararon en una solución ESI. La proporción de mezcla de la muestra a la solución ESI era 100 partes por millón (ppm). El disolvente ESI con o sin los analitos se bombeó por una KD Científico (New Hope, Pensilvania) de la bomba 210 de jeringa a una velocidad de flujo de 3 l / min en un 20 cm de largo, 50 -m interno capilar de sílice de diámetro. Este capilar era entonces conectado a un 15 cm de largo, 50 m-interior capilar de sílice de diámetro a través de una unión de acero inoxidable. El otro extremo de la 15-cm capilar se centra ~ 5 mm desde la pantalla de destino de la IMS. La pantalla de destino estaba hecho de una malla de acero inoxidable de 2 mm con un agujero en el centro de la radio de 0,5 cm. Un alto voltaje positivo de 15,00 kV se aplicó en la unión de acero para generar iones cargados positivamente en la electrospray. Nitrógeno calentado se utilizó como gas de deriva y (S) - (+) - 2-butanol (FW 74,12, punto de ebullición 99-100 C) o (R) - (-) - 2-butanol (FW 74,12, pb 97-100 C) se utilizó como el modificador de la deriva de gas quiral. Los modificadores quirales se infundieron por una bomba de jeringa 210 KD Científico a través de una 30 cm de largo, diámetro de 50-m-interior capilar de sílice en

Figura 3. Superpuesta espectros de iones movilidad de mezclas racémicas en gas deriva de nitrógeno. La figura muestra que las mezclas racémicas de enantiómeros con la deriva misma movilidad en nitrógeno puro como gas de deriva. Mezclas representados en los espectros de arriba son los de valinol, treonina, penicilamina, triptófano, metilo RD-glucopiranósido, y atenolol. Cada enantiómero estaba presente en la solución electrospray en una relación de mezcla de 100 ppm. Las muestras se introdujeron en IMS desde el electrospray a una velocidad de 3 l / min. Los experimentos se repitieron tres veces por separado, y la desviación estándar promedio de la medición del tiempo de deriva fue de 0,04 ms.

la línea de gas de deriva de nitrógeno usando un cruce, 5 cm antes de la entrada de gas de deriva en el IMS, como se muestra esquemáticamente en la Figura 2.

Resultados y discusión Ion espectros de movilidad de los enantiómeros individuales y sus mezclas racémicas se adquirieron mediante la recopilación de los espectros IMS mientras opera el espectrómetro de masas en el único modo de monitoreo de iones ing. En este modo de operación, los iones de sólo una m / z (masa-carga ratio) valor se les permitió atravesar el analizador de masas. La separación de enantiómeros por IMS se logró cuando se observaron dos picos de IMS para un valor de m / z y los tiempos de deriva de los picos corresponde a los tiempos de deriva de los enantiómeros individuales. La Figura 3 muestra los espectros de IMS superpuesta de mezclas racémicas de valinol, treonina, penicilamina, triptófano, metilo RD-glucopiranósido, y atenolol con nitrógeno como gas de deriva. Con sólo nitrógeno como gas de deriva (sin modificador quiral añadido), la separación de los enantiómeros no se observó desde los tiempos de deriva de los enantiómeros individuales y la mezcla racémica para cada

analito eran idénticas dentro de una desviación estándar máxima de 0,05 ms. Para determinar la cantidad de modificador quiral necesaria en el gas de deriva para conseguir la separación quiral, los tiempos de llegada (tiempos de deriva) de los enantiómeros de la metionina en una mezcla racémica se monitorizaron como una función del modificador quiral relación de mezcla en el gas inerte de deriva. Modificadores quirales ((S) - (+) - 2-butanol y (R) - (-) - 2-butanol) fueron dopados en la corriente de gas de deriva de uno en uno. En nitrógeno puro, los tiempos de deriva de los enantiómeros de metionina fueron idénticos a 21,52 (0,04 ms (S) -. (+) - 2-butanol o (R) - (-) - 2-butanol se introdujo en la línea de gas de deriva de nitrógeno en incrementos de 1 l / h. A 1 l / h de la inyección de butanol líquido en el gas deriva de nitrógeno era equivalente a una proporción de mezcla 0,22 ppm de volumen a volumen en el gas de deriva de nitrógeno, asumiendo la volatilización completa y mezclar con el gas deriva de nitrógeno. La variación del tiempo de desplazamiento de los enantiómeros de metionina con la tasa de introducción modificador de (S) - (+) - 2-butanol o (R) - (-) - 2-butanol se muestra en la Figura 4.

Figura 4 Efecto de la quiralidad y la tasa del modificador de flujo en los tiempos de llegada de los enantiómeros de metionina. La figura muestra el retraso en la movilidad de los enantiómeros de metionina con una concentración creciente de cualquiera de (S) - (+) - 2-butanol o (R) - (-) - 2-butanol como los modificadores quirales en la deriva de gas nitrógeno. Mejor separación de enantiómeros se observó con (S) - (+) - 2-butanol como modificador quiral (factor de separación de 1,01) en comparación con (R) - (-) - 2-butanol (factor de separación de 1.006). El orden de elución de los enantiómeros de metionina se invirtió para los dos modificadores. Velocidad de flujo óptima del modificador quiral fue ~ 45 l / h, lo que correspondía a ~ 10 ppm modificador quiral en el gas de la deriva de nitrógeno. Cada

experimento se repitió tres veces, y la desviación estándar de los tiempos de llegada variarse ~ 2%. Estas barras de error son demasiado pequeños para ser vistos en la figura.Los experimentos se repitieron tres veces por separado, y la desviación estándar promedio de la medición del tiempo de deriva fue de 0,04 ms. A la tasa de introducción modificador quiral de 5 l / h (aproximadamente 1 ppm), el tiempo de desplazamiento de los enantiómeros de metionina cambió a 22,12 ms con (S) - (+) - butanol y 21,66 ms con (R) - (-) - 2-butanol, pero no hay separación en los picos se observó. Se observó un único pico IMS para el racemato hasta una tasa de introducción modificador quiral de 25 l / h (~ 5 ppm). Con los aumentos posteriores en la concentración de modificador quiral, los enantiómeros comenzaron a separarse. El factor de separación máxima entre los dos enantiómeros fue de 1,01, con un caudal de 45 l / h (~ 10 ppm) (S) - (+) - 2-butanol (factor de separación, R-valor) TD2 / TD1; TD2 es el tiempo de desplazamiento del ion deriva más largo y TD1 es el tiempo de desplazamiento del ion deriva más corto). En este tipo de flujo, los tiempos de deriva fueron 23,83 (0,03 ms para D-metionina y 23,59 (0,04 ms para L-metionina Con el aumento de relación de mezcla de (S) -. (+) - 2-butanol en el gas inerte de deriva, la ion disminuyó la velocidad de la metionina, lo que sugiere un aumento de las interacciones de iones modificadores-quiral sin embargo, no se observó ningún cambio significativo en el factor de separación más allá de la tasa de introducción de 45μL / h (S) -. (+) -. 2 butanol experimentos paramétricos más detalladas, acoplado con el modelado de los potenciales de interacción y frecuencias de colisión, será necesario para entender por qué el tiempo de desplazamiento no continuó para desplazar linealmente con el aumento de la concentración de dopante. Un cambio más pequeño en el tiempo de deriva se observó con (R) - (-) - 2-butanol como modificador quiral con factor de separación máxima de 1.006 entre los enantiómeros con tiempos de deriva de 22,49 (0,04 ms para D-metionina y 22,63 (0,03 ms para la L-metionina Como era de esperar, con (R) -. (-) - 2-butanol, el orden de elución de L-metionina y D-metionina se invirtió con L-metionina a la deriva más de D-metionina las identidades de los isómeros. se hicieron midiendo el tiempo de deriva de cada enantiómero bajo idénticas

Figure 5. Gas-phase separation of atenolol enantiomers. The upper graph shows the superimposed spectrum of (S)- and (R)-atenolol obtained after introduction 10 ppm (S)-(+)-2-butanol as the chiral modifier in the inert nitrogen drift gas. The bottom graph demonstrates the separation of the enantiomers from their racemic mixture. An average standard deviation of 0.05 ms in drift times was measured from three separate ion mobility measurements.

condiciones experimentales y un modificador de velocidad de introducción de 45 l / h (~ 10 ppm). Ion separación movilidad también era posible para una variedad de racematos. Separación de CIMS (R) - y (S) enantiómeros -atenolol de su mezcla racémica se ilustra en la Figura 5 Atenolol es de una clase de medicamentos llamados betabloqueantes prescribe principalmente solo o en combinación con otros medicamentos para tratar la presión arterial alta, para bajar el ritmo cardíaco, para prevenir la angina de pecho, y para reducir el riesgo de ataques cardíacos recurrentes. Deriva tiempos de (S) - y (R) -atenolol se midió 24,61 (0,04 y 25,04 (0,05 ms, respectivamente, cuando se analizan individualmente enantiómeros (S) -. Y (R) -atenolol tenía la deriva tiempos de 24,66 (0,04 y 25,06 (0,05 ms, respectivamente, cuando una mezcla racémica de atenolol se separó por CIMS. La separación de enantiómeros de triptófano por CIMS se demuestra en la Figura 6. Los espectros superior en la Figura 6 muestran los tiempos de deriva de L y D-triptófano (23,28 (0,04 y 23,66 (0,04 ms, respectivamente), cuando se analizaron individualmente. La espectro inferior de la Figura 6 muestra la separación de los enantiómeros de una mezcla de L-y D-triptófano con tiempos de

deriva de 23,22 (0,05 y 23,58 (0,05 ms, respectivamente. La Figura 7 ilustra la separación CIMS de aductos de sodio de D-y L-metilo enantiómeros R-glucopiranósido. El gráfico superior muestra los espectros superpuestos de D-y L-metilo enantiómeros Noside-R glucopyra- analizado individualmente y obtuvo después de la introducción de (S) - (+) - 2-butanol como modificador quiral en el gas inerte de deriva. Se observaron aductos de sodio de D-y L-metil-R glucopyra- Noside a un valor m / z de 217 amu y la deriva tiempos de 25,24 (0,06 y 25,76 (0,05 ms, respectivamente. Con tiempos de deriva de 25,33 (0,08 y 25,87 (0,07 ms, respectivamente, la separación de