Quantitative Mass Spectrometry of Oligosaccharide Ethers – A Comprehensive Study of Mass Discrimination Effects

Schleicher, Sarah

doi:10.24355/dbbs.084-202312301052-0

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Quantitative Mass Spectrometry of Oligosaccharide Ethers – A Comprehensive Study of Mass Discrimination Effects

English
German

Cellulose ethers are widely used as additives for food, cosmetics, pharmaceutical products and building materials to influence physicochemical and rheological properties. These depend, among other things, on the chemistry of the substituent, the degree of substitution, and the distribution of substituents in the glucosyl unit, and along and over the polymer chains. The latter is determined by ESI‑MS analysis of oligosaccharide profiles. A correct quantification of all compounds of an oligosaccharide fraction is required to draw a representative conclusion. The basic prerequisite for this is that both discrimination effects during ionization and mass discrimination effects along the MS analysis pathway, consisting of ion transfer, mass analysis and detection, are excluded. Prior to analysis, the free OH‑groups of cellulose ethers are permethylated, using CD₃I as an internal isotope label to determine the methyl pattern, and, for the first time in this work, ¹³CH₃I. To avoid unspecific Na⁺‑complexation, the charge can also be fixed by reductive amination. So far, only limited plausible and overall consistent profiles have been obtained for hydroxyethyl (methyl) cellulose (HEMC) and hydroxypropyl (methyl) cellulose by ESI‑IT‑MS. The accuracy and precision was not independently verifiable for any derivative typ. Also for methylated glucans, a study of model compounds had raised the suspicion of mass discrimination effects.

Using binary mixtures of representative model compounds for MC (methyl cellulose) and HE(M)C, defined by a reference analysis (HPLC‑UV), the influence of the voltage settings of the individual components of an ESI‑IT‑MS on the relative quantifiability of mass spectra was systematically investigated. With respect to ion transfer, the voltage at the exit of the transfer capillary was found to be critical for ions with m/z<600 (nozzle‑skimmer collision induced dissociation). The voltages of the octopoles should be set to allow a non‑selective transport over a wide m/z‑range. The particularly critical storage of analytes in the ion trap could be controlled after determining the m/z‑dependent interaction of octopole and ion trap voltage settings on ion intensity. Ion suppressions during ionization could be excluded. Based on these findings, it was possible to establish appropriate measurement methods for MC, HEMC and HEC, allowing a correct and robust quantification of oligosaccharide profiles. Minor bias due to a small separation of CH₃/CD₃ isotopologs in LC‑MS analysis showed that ¹³CH₃ label provided the most robust results in determining the methyl distribution of cellulose ethers.

Celluloseether sind weit verbreitete Additive für Lebensmittel, Kosmetika, pharmazeutische Produkte und Baumaterialien, um die physikochemischen und rheologischen Eigenschaften zu beeinflussen. Diese hängen u.a. von der Chemie des Substituenten, dem Substitutionsgrad sowie der Verteilung der Substituenten in der Glucosyleinheit wie auch entlang und über den Polymerketten ab. Letztere wird mittels der ESI-MS-Analyse von Oligosaccharidprofilen gewonnen. Eine repräsentative Aussage erfordert die korrekte Quantifizierung der relativen Beiträge aller Komponenten einer Oligosaccharidfraktion. Dies setzt voraus, dass sowohl Diskriminierungseffekte während der Ionisierung als auch Massendiskriminierungseffekte entlang des MS Analysenweges, bestehend aus Ionentransfer, Massenanalyse und -detektion, ausgeschlossen werden. Vor der Analyse werden die freien OH-Gruppen der Celluloseether permethyliert, wobei zur Ermittlung des Methylmusters CD₃I als interne Isotopenmarkierung eingesetzt wird und in dieser Arbeit erstmalig ¹³CH₃I. Zur Vermeidung unspezifischer Na⁺-Komplexierung kann die Ladung auch durch reduktive Aminierung fixiert werden. Mittels ESI‑IT‑MS waren für Hydroxyethyl(methyl)cellulosen (HEMC) und Hydroxypropyl(methyl)cellulosen (HPMC) bisher nur begrenzt plausible und insgesamt stimmige Profile erzielt worden. Die Richtigkeit und Genauigkeit war für keinen Derivattyp unabhängig überprüfbar. Auch für methylierte Glucane gab es Hinweise auf Massendiskriminierungseffekte in Rahmen einer Studie mit Modellsubstanzen.

Anhand von mittels Referenzanalytik (HPLC‑UV) definierten binären Gemischen repräsentativer Modellsubstanzen für MC (Methylcellulose) und HE(M)C wurde systematisch der Einfluss der Spannungen der einzelnen Bauteile eines ESI‑IT‑MS auf die relative Quantifizierbarkeit der Massenspektren untersucht. Hinsichtlich des Ionentransfers erwies sich die Spannung am Ausgang der Transferkapillare für Ionen mit m/z <600 als kritisch (nozzle-skimmer collision induced dissociation). Die Spannungen der Octopole sind für einen unselektiven Transport über einen weiten m/z-Bereich auszulegen. Die besonders kritische Speicherung der Analyten in der Ionenfalle konnte nach Ermittlung des m/z-abhängigen Zusammenwirkens von Octopol- und Ion trap-Spannung auf die Ionenintensität kontrolliert werden. Ionensuppressionen während der Ionisierung konnten ausgeschlossen werden. Basierend auf das so gewonnene vertiefte Verständnis konnten geeignete Messverfahren für MC, HEMC und HEC erarbeitet werden, die eine korrekte und robuste Quantifizierung von Oligosaccharidprofilen erlauben. Geringe Fehler infolge einer Antrennung von CH₃/CD₃-Isotopologen bei der LC-MS-Analyse zeigten, dass die ¹³CH₃-Markierung die robustesten Ergebnisse bei der Bestimmung der Methylverteilungen in Celluloseethern liefert.