Химическая ионизация при атмосферном давлении - Atmospheric-pressure chemical ionization

Поперечное сечение камеры химической ионизации атмосферного давления

Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) является ионизационный метод используется в масс-спектрометрии который использует газофазные ионно-молекулярные реакции при атмосферном давлении (105 Па),[1][2] обычно в сочетании с высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ).[3] APCI - это метод мягкой ионизации, аналогичный химическая ионизация где первичные ионы образуются при распылении растворителя.[4] В основном APCI используется для полярных и относительно менее полярных термически стабильных соединений с молекулярной массой менее 1500 Да.[5] Применение APCI с ВЭЖХ приобрело большую популярность при обнаружении следовых количеств, таких как стероиды, пестициды, а также в фармакологии для определения метаболитов лекарственных средств.[6]

Структура инструмента

Интерфейс химической ионизации атмосферного давления

Типичный APCI обычно состоит из трех основных частей: зонд небулайзера который может быть нагрет до 350-500 ° C, область ионизации с коронный разряд игла и область переноса ионов при промежуточном давлении.[5] Анализируемое вещество в растворе вводится через зонд прямого впуска или жидкостная хроматография (ЖХ) элюируют в пневматический распылитель со скоростью потока 0,2–2,0 мл / мин. В нагретом распылителе аналит течет коаксиально с распылителем N2 газ с образованием тумана из мелких капель. Благодаря сочетанию воздействия тепла и потока газа образовавшийся туман превращается в поток газа. Как только газовый поток попадает в область ионизации при атмосферном давлении, молекулы ионизируются в коронном разряде, потенциал которого на 2-3 кВ отличается от выходного противоэлектрода.[4] Затем ионы пробы проходят через небольшой скиммер с отверстиями в зону переноса ионов. Ионы могут транспортироваться через дополнительный скиммер или ионно-фокусирующие линзы в масс-анализатор для последующего анализа массы.

Механизм ионизации

Ионизация в газовой фазе с помощью APCI происходит в следующей последовательности: образец в растворе, пар образца и ионы образца. Выходящий из ВЭЖХ поток полностью испаряется. Затем смесь растворителя и паров образца ионизируется ионно-молекулярной реакцией.[7]

Ионизация может осуществляться в режиме положительной или отрицательной ионизации. В положительном режиме относительное сродство к протонам ионов-реагентов и молекул газообразного аналита позволяет либо перенос протона, либо аддукцию ионов газа-реагента с образованием ионов [M + H]+ молекулярных видов.[4] В отрицательном режиме [M − H]− ионы образуются либо путем отрыва протона, либо [M + X]− ионы производятся анионным присоединением. Большая часть работ по анализу APCI-MS проводилась в положительном режиме.

В положительном режиме, когда разрядный ток коронного разряда составляет 1-5 мкА на распыляемом растворителе, Н2 молекулы газа возбуждаются и ионизируются, производя N4+*. Испаренная подвижная фаза ЖК действует как ионизирующий газ и ионы-реагенты. Если вода является единственным растворителем в испаренной подвижной фазе, возбужденные молекулярные ионы азота N4+* реагировал бы с H2Молекулы O для образования кластерных ионов воды H+(ЧАС2O)п.[8] Затем молекулы аналита M протонируются кластерными ионами воды. Наконец, продукты ионизации MH+(ЧАС2O)м перенос из ионного источника атмосферного давления. Декластеризация (удаление молекул воды из протонированной молекулы аналита) MH+(ЧАС2O)м происходит в высоком вакууме масс-анализатора.[2] Ионы молекул аналита, обнаруженные с помощью МС, представляют собой [M + H]+. Ниже показаны химические реакции процесса ионизации.

Образование первичных и вторичных ионов реагента в атмосфере азота в присутствии воды:[9][2]

N2 + е → N2+ + 2e
N2+* + 2N2 → N4+* + N2
N4+ + H2O → H2О+ + 2N2
ЧАС2О+ + H2O → H3О+ + ОН•
ЧАС3О+ + H2O + N2 → H+(ЧАС2O)2 + N2
ЧАС+(ЧАС2O)п-1 + H2O + N2 → H+(ЧАС2O)п + N2

Ионизация продуктовых ионов:[2]

ЧАС+(ЧАС2O)п + M → MH+(ЧАС2O)м + (н-м) H2О

Декластеринг в высоком вакууме масс-анализатора:[2]

MH+(ЧАС2O)м → MH+ + мГн2О

Если подвижная фаза содержит растворители с более высоким сродством к протонам, чем вода, происходят реакции переноса протона, которые приводят к протонированию растворителя с более высоким сродством к протонам. Например, когда присутствует метанольный растворитель, ионами кластерного растворителя будут CH3ОЙ2+(ЧАС2O)п(CH3ОЙ)м.[2] Внутри источника APCI обычно не происходит фрагментации. Если наблюдается фрагментарный ион образца, это означает, что на поверхности раздела нагретого распылителя произошла термическая деградация, за которой следует ионизация продуктов разложения.

Основное отличие от химической ионизации состоит в том, что электроны, необходимые для первичной ионизации, не производятся нагретой нитью накала, так как нагретую нить нельзя использовать в условиях атмосферного давления. Вместо этого ионизация должна происходить с использованием либо коронного разряда, либо эмиттеров β-частиц, которые являются источниками электронов, способными справляться с присутствием коррозионных или окисляющих газов.[4]

История

Первый источник ионизации атмосферного давления был разработан Хорнингом, Кэрроллом и их сотрудниками в 1970-х годах в Медицинском колледже Бейлора (Хьюстон, Техас).[10] Первоначально, 63Фольга Ni использовалась как источник электронов для проведения ионизации. Позднее, в 1975 году, был разработан электрод коронного разряда, имевший больший динамический диапазон.[11] APCI с электродом коронного разряда стал образцом для современных коммерчески доступных интерфейсов APCI.[9]

APCI был применен к ГХ / МС[10] и ЖХ / МС[12] также группой Хорнинга в 1975 году. Аналит в элюате ЖХ испарился и ионизировался в нагретом блоке. Благодаря этому приложению были получены высокая чувствительность и простые масс-спектры.[12] В последующие десятилетия связь APCI с ЖХ / МС стала известной и привлекла большое внимание.[3] Внедрение APCI и LC-MS резко расширило роль масс-спектрометрии в фармацевтической промышленности в области разработки лекарств. Чувствительность APCI в сочетании с чувствительностью и специфичностью ЖХ / МС и жидкостной хроматографии-тандемной масс-спектрометрии (ЖХ-МС / МС) делает его методом выбора для количественной оценки лекарств и их метаболитов.[13]

Преимущества

Ионизация подложки очень эффективна, так как она происходит при атмосферном давлении и, следовательно, имеет высокую частоту столкновений. Кроме того, APCI значительно снижает термическое разложение аналита из-за быстрой десольватации и испарения капель на начальных стадиях ионизации.[4] Эта комбинация факторов обычно приводит к образованию ионов молекулярных частиц с меньшим количеством фрагментаций, чем многие другие методы ионизации, что делает его методом мягкой ионизации.[14]

Еще одно преимущество использования APCI по сравнению с другими методами ионизации заключается в том, что он позволяет напрямую использовать высокие скорости потока, типичные для ВЭЖХ со стандартным отверстием (0,2–2,0 мл / мин), часто без отвода большей части объема в отходы. Кроме того, APCI часто можно выполнить в модифицированном ESI источник.[15] Ионизация происходит в газовой фазе, в отличие от ESI, где ионизация происходит в жидкой фазе. Потенциальным преимуществом APCI является то, что можно использовать неполярный растворитель в качестве раствора подвижной фазы вместо полярного растворителя, потому что растворитель и представляющие интерес молекулы преобразуются в газообразное состояние до достижения иглы коронного разряда. Поскольку APCI включает в себя газовую химию, нет необходимости использовать специальные условия, такие как растворители, проводимость, pH для ЖХ. APCI оказался более универсальным интерфейсом ЖХ / МС и более совместим с обращенно-фазовой ЖХ, чем ESI.[14]

Заявление

APCI подходит для термостабильных образцов с молекулярной массой от низкой до средней (менее 1500 Да) и от средней до высокой полярности. Область применения APCI - анализ лекарств, неполярных липидов, природных соединений, пестицидов и различных органических соединений, но ограничивается анализом биополимеров, металлоорганических соединений, ионных соединений и других лабильных аналитов.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кэрролл, Д. И .; Dzidic, I .; Стиллвелл, Р. Н .; Хорнинг, М. Г .; Хорнинг, Э. К. (1974). «Система обнаружения субпикограмм для газофазного анализа на основе масс-спектрометрии с ионизацией атмосферного давления (API)». Аналитическая химия. 46 (6): 706–710. Дои:10.1021 / ac60342a009. ISSN  0003-2700.
  2. ^ а б c d е ж Ниссен, Вильфрид (2006). Жидкостная хроматография Масс-спектрометрия. 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33478: CRC Press, Taylor and Francis Group. С. 249–250. ISBN  978-0585138503.CS1 maint: location (связь)
  3. ^ а б Томсон, Брюс А. (1998-03-01). «Ионизация при атмосферном давлении и жидкостная хроматография / масс-спектрометрия - наконец вместе». Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 9 (3): 187–193. Дои:10.1016 / S1044-0305 (97) 00285-7. ISSN  1044-0305.
  4. ^ а б c d е Эдмон де Хоффманн; Винсент Строобант (22 октября 2007 г.). Масс-спектрометрия: принципы и применение. Вайли. ISBN  978-0-470-51213-5.
  5. ^ а б Дасс, Чхабил (2007). Основы современной масс-спектрометрии. John Wiley & Sons, Inc. стр. 47. ISBN  978-0-471-68229-5.
  6. ^ Брюинз, А. П. (1991). «Масс-спектрометрия с ионными источниками, работающими при атмосферном давлении». Обзоры масс-спектрометрии. 10 (1): 53–77. Bibcode:1991MSRv ... 10 ... 53B. Дои:10.1002 / mas.1280100104. ISSN  0277-7037.
  7. ^ А.П. БРУИНС (1 января 1994 г.). "МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ-ИОНИЗАЦИИ .2. ПРИМЕНЕНИЕ В ФАРМАЦИИ, БИОХИМИИ И ОБЩЕЙ ХИМИИ". Тенденции TrAC в аналитической химии. 13 (2). ISSN  0165-9936.
  8. ^ Гейтс, Пол. Бристольский университет, химический факультет, «Химическая ионизация при атмосферном давлении». Последнее изменение в 2004 г. Проверено 22 ноября 2013 г. «Архивная копия». Архивировано из оригинал в 2013-11-26. Получено 2013-12-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь).
  9. ^ а б Бердвелл, Уильям Крейг (2001-04-01). «Химическая ионизационная масс-спектрометрия атмосферного давления для анализа липидов». Липиды. 36 (4): 327–346. Дои:10.1007 / s11745-001-0725-5. ISSN  0024-4201. PMID  11383683.
  10. ^ а б Хорнинг, Э. С .; Хорнинг, М. Г .; Кэрролл, Д. И .; Dzidic, I .; Стиллвелл, Р. Н. (1973-05-01). «Новая система детектирования пикограмм на основе масс-спектрометра с внешним источником ионизации при атмосферном давлении». Аналитическая химия. 45 (6): 936–943. Дои:10.1021 / ac60328a035. ISSN  0003-2700.
  11. ^ Кэрролл, Д. И .; Dzidic, I .; Стиллвелл, Р. Н .; Haegele, K. D .; Хорнинг, Э. К. (1975-12-01). «Ионизационная масс-спектрометрия при атмосферном давлении. Источник ионов коронного разряда для использования в аналитической системе жидкостного хроматографа-масс-спектрометра-компьютера». Аналитическая химия. 47 (14): 2369–2373. Дои:10.1021 / ac60364a031. ISSN  0003-2700.
  12. ^ а б Хорнинг, Э. С .; Кэрролл, Д. И .; Dzidic, I .; Haegele, K. D .; Хорнинг, М. Г .; Стиллвелл, Р. Н. (1974-11-01). «Масс-спектрометрия с ионизацией при атмосферном давлении (API). Ионизация с использованием растворителя образцов, вводимых в раствор и в выходящий поток жидкостного хроматографа». Журнал хроматографической науки. 12 (11): 725–729. Дои:10.1093 / chromsci / 12.11.725. ISSN  0021-9665. PMID  4424244.
  13. ^ Тейлор, Лестер С. Э .; Джонсон, Роберт Л .; Расо, Роберто (1995-05-01). «Открытый доступ к масс-спектрометрии с химической ионизацией при атмосферном давлении для рутинного анализа проб». Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 6 (5): 387–393. Дои:10.1016/1044-0305(94)00124-1. ISSN  1044-0305. PMID  24214220.
  14. ^ а б Заикин, Владимир Г .; Халкет, Джон М. (2017). «Дериватизация в масс-спектрометрии - 8. Масс-спектрометрия с мягкой ионизацией малых молекул». Европейский журнал масс-спектрометрии. 12 (2): 79–115. Дои:10.1255 / ejms.798. ISSN  1469-0667. PMID  16723751.
  15. ^ Хольчапек, Михал; Йираско, Роберт; Лиса, Мирослав (2012). «Последние разработки в области жидкостной хроматографии – масс-спектрометрии и связанных с ней методов». Журнал хроматографии А. 1259: 3–15. Дои:10.1016 / j.chroma.2012.08.072. ISSN  0021-9673. PMID  22959775.
  16. ^ Хольчапек, Михал; Йираско, Роберт; Лиса, Мирослав (18.06.2010). «Основные правила интерпретации масс-спектров ионизации малых молекул при атмосферном давлении». Журнал хроматографии А. Масс-спектрометрия: инновации и применение. Часть VI. 1217 (25): 3908–3921. Дои:10.1016 / j.chroma.2010.02.049. PMID  20303090.