Chemická ionizace za atmosférického tlaku

Ionizační komora pro chemickou ionizaci za atmosférického tlaku

Chemická ionizace za atmosférického tlaku (APCI) je metoda ionizace v hmotnostní spektrometrii, při kterých reagují molekuly v plynné fázi za atmosférického tlaku (105 Pa),[1][2] nejčastěji používaná u vysokoúčinné kapalinové chromatografie (HPLC).[3] APCI patří k měkkým ionizačním metodám a podobá se chemické ionizaci, kde se primární ionty vytváří ve spreji rozpouštědla.[4] Nejvhodnější je APCI při analýze polárních sloučenin a málo polárních tepelně stabilních sloučenin s molekulovými hmotnostmi do 1 500 Da.[5] Použití APCI při HPLC je časté při analýze stopových množství látek jako jsou steroidy, pesticidy a metabolity léčiv.[6]

Stavba přístroje

Přístroj pro ionizaci za atmosférického tlaku

Přístroj pro APCI se obvykle skládá ze tří částí: rozprašovače, který může být zahříván na 350 až 500 °C, ionizační komory a oblasti přenosu iontů, kde je tlak podobný atmosférickému.[5] Roztok obsahující analyt se, buď přímo, nebo pomocí kapalinového chromatografu, vpravuje do rozprašovače rychlostí 0,2 až 2,0 ml/min. Zde prostupuje plynným dusíkem a vytváří drobné kapky. Kombinací zahřívání a toku plynu se takto utvořená mlha přemění na proud plynu, který postupuje do ionizační komory za atmosférického tlaku, molekuly jsou ionizovány v ionizační komoře s napětím 2 až 3 kV vůči protielektrodě.[4] Ionizovaný vzorek následně prochází do oblasti přenosu iontů.

Mechanismus ionizace

Ionizace v plynném skupenství prochází u APCI následujícími fázemi: vzorek v roztoku, páry vzorku a ionty vzorku. Efluent z HPLC se vypaří úplně. Směs par rozpouštědla a vzorku se následně ionizuje interakcemi iontů a molekul.[7] Ionizaci lze provést pozitivním nebo negativním způsobem. Při pozitivním relativní protonové afinity iontů reaktantu a molekul plynného analytu umožňuje jak přenos protonů, tak i interakce iontů reaktantového plynu za vzniku iontů typu [M+H]+.[4] U negativní ionizace se vytváří ionty [M−H]− odtržením protonu nebo ionty [M+X]− zachycením aniontu. Nejvíce prací zabývajících se APCI-MS zkoumalo analýzu pomocí pozitivní ionizace.

U pozitivní ionizace bývá na kapkách rozpouštědla proud 1 až 5 μA, přičemž dochází k excitaci a ionizaci molekul N2 za vzniku N4+*. Odpařená mobilní fáze z kapalinového chromatografu funguje jako reaktantový plyn a zdroj iontů. Pokud je jediným rozpouštědlem v mobilní fázi voda, tak excitované ionty N4+* mohou reagovat s molekulami H2O za vzniku složených iontů H+(H2O)n.[8] Následně jsou molekuly analytu protonovány těmito ionty. Nakonec se částice MH+(H2O)m přesunou mimo zdroj iontů. Odštěpení molekul vody z MH+(H2O)m probíhá za nízkého tlaku v hmotnostním analyzátoru.[2] Molekulové ionty analytu detekované hmotnostním spektrometrem jsou typu [M+H]+. Níže jsou zobrazeny chemické reakce probíhající při ionizaci.

Tvorba primárních a sekundárních reaktantových iontů v dusíkové atmosféře za přítomnosti vody:[9][2]

N2 + e → N2+ + 2e
N2+* + 2N2 → N4+* + N2
N4+ + H2O → H2O+ + 2N2
H2O+ + H2O → H3O+ + OH•
H3O+ + H2O + N2 → H+(H2O)2 + N2
H+(H2O)n−1 + H2O + N2 → H+(H2O)n + N2

Ionizace iontů produktu:[2]

H+(H2O)n + M → MH+(H2O)m + (n−m)H2O

Odštěpování molekul vody v hmotnostním analyzátoru:[2]

MH+(H2O)m → MH+ + mH2O

Pokud mobilní fáze obsahuje rozpouštědlo s vyšší protonovou afinitou, než má voda, pak dochází k přesunům protonů a protonaci rozpouštědla s vyšší protonovou afinitou, například za přítomnosti methanolu se tvoří ionty CH3OH2+(H2O)n(CH3OH)m.[2] K fragmentaci ve zdroji iontů u APCI obvykle nedochází. Pokud jsou pozorovány fragmentované ionty, tak dochází k tepelnému rozkladu při rozprašování a ionizaci produktů tohoto rozkladu.

Důležitým rozdílem oproti chemické ionizaci je to, že elektrony sloužící k primární ionizaci se neuvolňují ze zahřívaného vlákna, protože to za atmosférického tlaku nelze použít; namísto toho ionizace probíhá pomocí výbojů nebo β− zářičů, což jsou zdroje elektronů použitelné i za přítomnosti žíravých a nebo oxidujících plynů.[4]

Historie

První zdroj iontů založený na chemické ionizaci za atmosférického tlaku byl vyroben v 70. letech 20. století na Baylor College of Medicine v Houstonu.[10]

Původním zdrojem elektronů sloužících k ionizaci byl tenký plech z 63Ni. V roce 1975 byl použit výbojový zdroj elektronů, který měl širší rozmezí dynamické odpovědi.[11] APCI s výbojovou elektrodou se stalo základem současných APCI přístrojů.[9]

APCI bylo použito u GC/MS[10] a LC/MS[12] také v roce 1975. Analyty z LC se odpařují a ionizují v zahřívané komoře. Tato metoda se vyznačuje velkou citlivostí a jednoduchými hmotnostními spektry.[12] Později se spojení APCI a LC/MS stalo často používanou metodou,[3] obzvláště ve vývoji léčiv. Citlivost APCI ve spojení s citlivostí a specificitou LC/MS a LC-MS/MS z ní učinila hlavní způsob analýzy léčiv a jejich metabolitů.[13]

Srovnání s jinými metodami

Ionizace za atmosférického tlaku má vysokou účinnost v důsledku vysoké četnosti srážek. APCI také výrazně omezuje tepelný rozklad analytů, protože zde dochází k rychlé desolvataci a odpaření již na začátku ionizačního procesu,[4] což obvykle vede k menší míře fragmentace než u mnoha jiných metod chemická ionizace za atmosférického tlaku tak patří mezi měkké metody ionizace.[14]

Další výhodou je možnost vysokých průtoků podobně jako u HPLC (0,2 až 2,0 ml/min), často aniž by docházelo k nevyužití většího množství vzorku. APCI také lze provést s pozměněným ESI zdrojem.[15] Ionizace probíhá v plynném skupenství na rozdíl od ESI, kde se ionizuje kapalina. APCI je možné použít s nepolárními rozpouštědly v mobilní fázi namísto polárních, protože rozpouštědlo a zkoumané molekuly se mění na plyn před vstupem do ionizační jehly. Protože se tato metoda provádí v plynné fázi, tak není třeba použít zvláštní podmínky, jako jsou rozpouštědla, elektrická vodivost a pH. APCI je univerzálnějším způsobem ionizace u LC/MS a lépe využitelná u kapalinové chromatografie s obrácenými fázemi než ESI.[14]

Použití

Chemická ionizace za atmosférického tlaku je vhodnou metodou u tepelně stabilních analytů s molekulovou hmotností do 1 500 Da a střední až vysokou polaritou. Její využití zahrnuje analýzu léčiv, lipidů, pesticidů a řady organických sloučenin, nelze ji však použít na analýzu biopolymerů, organokovových sloučenin, iontových sloučenin a dalších nestabilních látek.[16]

Odkazy

Související články

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Atmospheric-pressure chemical ionization na anglické Wikipedii.

  1. ↑ D. I. Carroll; I. Dzidic; R. Stillwell; M. G. Horning; E. C. Horning. Subpicogram detection system for gas phase analysis based upon atmospheric pressure ionization (API) mass spectrometry. Analytical Chemistry. 1974, s. 706–710. ISSN 0003-2700. DOI 10.1021/ac60342a009. 
  2. ↑ a b c d e f Wilfried Niessen. Liquid Chromatography Mass spectrometry. [s.l.]: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2006. Dostupné online. ISBN 978-0585138503. S. 249–250. 
  3. ↑ a b Bruce A. Thomson. Atmospheric pressure ionization and liquid chromatography/mass spectrometry—together at last. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 1998-03-01, s. 187–193. ISSN 1044-0305. DOI 10.1016/S1044-0305(97)00285-7. 
  4. ↑ a b c d e Edmond de Hoffmann; Vincent Stroobant. Mass Spectrometry: Principles and Applications. [s.l.]: Wiley, 2007-10-22. Dostupné online. ISBN 978-0-470-51213-5. 
  5. ↑ a b Chhabil Dass. Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry. [s.l.]: John Wiley & Sons, Inc., 2007. Dostupné online. ISBN 978-0-471-68229-5. S. 47. 
  6. ↑ A. P. Bruins. Mass spectrometry with ion sources operating at atmospheric pressure. Mass Spectrometry Reviews. 1991, s. 53–77. ISSN 0277-7037. DOI 10.1002/mas.1280100104. Bibcode 1991MSRv...10...53B. 
  7. ↑ A. P. Bruins. ATMOSPHERIC-PRESSURE-IONIZATION MASS-SPECTROMETRY .2. APPLICATIONS IN PHARMACY, BIOCHEMISTRY AND GENERAL-CHEMISTRY. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 1994-01-01. Dostupné online. ISSN 0165-9936. DOI 10.1002/mas.1280100104. Bibcode 1991MSRv...10...53B. 
  8. ↑ Gates, Paul. University of Bristol, Department of Chemistry, "Atmospheric Pressure Chemical Ionization." Last modified 2004. Accessed November 22, 2013. Archived copy [online]. [cit. 2013-12-06]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2013-11-26. .
  9. ↑ a b William Craig Byrdwell. Atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry for analysis of lipids. Lipids. 2001-04-01, s. 327–346. ISSN 0024-4201. DOI 10.1007/s11745-001-0725-5. PMID 11383683. 
  10. ↑ a b E. C. Horning; M. G. Horning; D. I. Carroll; I. Dzidic; R. N. Stillwell. New picogram detection system based on a mass spectrometer with an external ionization source at atmospheric pressure. Analytical Chemistry. 1973-05-01, s. 936–943. ISSN 0003-2700. DOI 10.1021/ac60328a035. 
  11. ↑ D. I. Carroll; I. Dzidic; R. N. Stillwell; K. D. Haegele; E. C. Horning. Atmospheric pressure ionization mass spectrometry. Corona discharge ion source for use in a liquid chromatograph-mass spectrometer-computer analytical system. Analytical Chemistry. 1975-12-01, s. 2369–2373. ISSN 0003-2700. DOI 10.1021/ac60364a031. 
  12. ↑ a b E. C. Horning; D. I. Carroll; I. Dzidic; K. D. Haegele; M. G. Horning; R. N. Stillwell. Atmospheric pressure ionization (API) mass spectrometry. Solvent-mediated ionization of samples introduced in solution and in a liquid chromatograph effluent stream. Journal of Chromatographic Science. 1974-11-01, s. 725–729. ISSN 0021-9665. DOI 10.1093/chromsci/12.11.725. 
  13. ↑ Lester C. E. Taylor; Robert L. Johnson; Roberto Raso. Open access atmospheric pressure chemical ionization Mass spectrometry for routine sample analysis. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 1995-05-01, s. 387–393. ISSN 1044-0305. DOI 10.1016/1044-0305(94)00124-1. PMID 24214220. 
  14. ↑ a b Vladimir G. Zaikin; John M. Halket. Derivatization in Mass Spectrometry—8. Soft Ionization Mass Spectrometry of Small Molecules. European Journal of Mass Spectrometry. 2017, s. 79–115. ISSN 1469-0667. DOI 10.1255/ejms.798. PMID 16723751. 
  15. ↑ Michal Holčapek; Robert Jirásko; Miroslav Lísa. Recent developments in liquid chromatography–mass spectrometry and related techniques. Journal of Chromatography A. 2012, s. 3–15. ISSN 0021-9673. DOI 10.1016/j.chroma.2012.08.072. PMID 22959775. 
  16. ↑ Michal Holčapek; Robert Jirásko; Miroslav Lísa. Basic rules for the interpretation of atmospheric pressure ionization mass spectra of small molecules. Journal of Chromatography A. 2010-06-18, s. 3908–3921. DOI 10.1016/j.chroma.2010.02.049. PMID 20303090.