Ionizace elektrosprejem - Electrospray ionization

Elektrospray (nanoSpray) ionizační zdroj

Electrospray ionization ( ESI ) je technika používaná v hmotnostní spektrometrii k výrobě iontů pomocí elektrospreje, ve kterém je na kapalinu aplikováno vysoké napětí za vzniku aerosolu . Je zvláště užitečný při výrobě iontů z makromolekul, protože překonává náchylnost těchto molekul k fragmentaci při ionizaci. ESI se liší od jiných ionizačních procesů (např. Matricově asistovaná laserová desorpce/ionizace (MALDI)), protože může produkovat více nabité ionty, což účinně rozšiřuje hmotnostní rozsah analyzátoru tak, aby vyhovoval řádům kDa-MDa pozorovaným u proteinů a jejich přidružené polypeptidové fragmenty.

Hmotnostní spektrometrie využívající ESI se nazývá elektrosprejová ionizační hmotnostní spektrometrie (ESI-MS) nebo méně často elektrosprejová hmotnostní spektrometrie (ES-MS). ESI je takzvaná technika „měkké ionizace“, protože existuje velmi malá fragmentace. To může být výhodné v tom smyslu, že molekulární ion (nebo přesněji pseudomolekulární ion) je téměř vždy pozorován, nicméně ze získaného jednoduchého hmotnostního spektra lze získat velmi málo strukturálních informací. Tuto nevýhodu lze překonat spojením ESI s tandemovou hmotnostní spektrometrií (ESI-MS/MS). Další důležitou výhodou ESI je, že informace o fázi řešení mohou být uchovávány v plynné fázi.

Ionizace technika byla poprvé zaznamenána podle Masamichi Yamashita a John Fenn v roce 1984 byl vývoj elektrosprejové ionizace pro analýzu biologických makromolekul odměněni připsání na Nobelovu cenu za chemii k John Bennett Fenn v roce 2002. Jeden z původních nástrojů používá dr. Fennová je vystavena na Institutu pro vědu o historii ve Philadelphii v Pensylvánii.

Dějiny

Schéma ionizace elektrosprejem v pozitivním režimu: pod vysokým napětím vysílá Taylorův kužel proud kapalných kapek. Rozpouštědlo z kapiček se postupně odpařuje a zanechává je stále více nabité. Když náboj překročí Rayleighův limit, kapička se výbušně disociuje a zanechá proud nabitých (kladných) iontů

V roce 1882 lord Rayleigh teoreticky odhadl maximální množství náboje, které by kapalná kapka mohla nést, než vyhodil jemné proudy kapaliny. Toto je nyní známé jako Rayleighův limit.

V roce 1914 publikoval John Zeleny práci o chování kapiček tekutiny na konci skleněných kapilár a předložil důkazy pro různé režimy elektrospreje. Wilson a Taylor a Nolan zkoumali elektrosprej ve 20. letech 20. století a Macky v roce 1931. Elektrospray kužel (nyní známý jako Taylorův kužel ) popsal Sir Geoffrey Ingram Taylor .

První použití elektrosprejové ionizace s hmotnostní spektrometrií popsal Malcolm Dole v roce 1968. John Bennett Fenn získal Nobelovu cenu za chemii za vývoj 2002 za vývoj hmotnostní spektrometrie s elektrosprejovou ionizací na konci 80. let minulého století.

Ionizační mechanismus

Fennův první ionizační zdroj elektrosprejem spojený s jediným kvadrupólovým hmotnostním spektrometrem

Kapalina obsahující požadované analyty se rozptýlí elektrosprejem na jemný aerosol. Protože tvorba iontů zahrnuje rozsáhlé odpařování rozpouštědla (také nazývané desolvatace), typická rozpouštědla pro elektrosprejovou ionizaci se připravují smícháním vody s těkavými organickými sloučeninami (např. Methanol acetonitril). Ke snížení počáteční velikosti kapiček se do roztoku obvykle přidávají sloučeniny, které zvyšují vodivost (např. Kyselina octová). Tyto druhy také působí jako zdroj protonů pro usnadnění ionizačního procesu. Elektrospreje s velkým průtokem mohou kromě vysoké teploty zdroje ESI těžit z rozprašování zahřátého inertního plynu, jako je dusík nebo oxid uhličitý. Aerosol se odebírá do prvního vakuového stupně hmotnostního spektrometru kapilárou s potenciálním rozdílem přibližně 3000  V, kterou lze zahřát, aby se napomohlo dalšímu odpařování rozpouštědla z nabitých kapiček. Rozpouštědlo se odpařuje z nabité kapky, dokud se nestane nestabilním po dosažení Rayleighova limitu . V tomto okamžiku se kapička deformuje, protože elektrostatické odpuzování podobných nábojů ve stále menší velikosti kapek se stává silnějším než povrchové napětí, které drží kapku pohromadě. V tomto okamžiku kapka podléhá Coulombovu štěpení, přičemž původní kapička „exploduje“ a vytvoří mnoho menších, stabilnějších kapiček. Nové kapičky procházejí desolvatací a následně dalšími Coulombovými štěpeními. Během štěpení kapička ztrácí malé procento své hmotnosti (1,0–2,3%) spolu s relativně velkým procentem svého náboje (10–18%).

Existují dvě hlavní teorie, které vysvětlují konečnou produkci iontů v plynné fázi: model iontového odpařování (IEM) a model zbytkového náboje (CRM). IEM naznačuje, že když kapka dosáhne určitého poloměru, síla pole na povrchu kapičky se stane dostatečně velkou, aby napomohla desorpci solvatovaných iontů v poli . CRM naznačuje, že kapky elektrospreje procházejí odpařovacími a štěpnými cykly, což nakonec vede k kapičkám potomstva, které obsahují v průměru jeden iont analytu nebo méně. Ionty v plynné fázi se tvoří poté, co se zbývající molekuly rozpouštědla odpaří, přičemž analyt zanechá náboje, které kapička nesla.

Schéma IEM, CRM a CEM.

Velké množství důkazů ukazuje, buď přímo, nebo nepřímo, že malé ionty (z malých molekul ) jsou uvolňovány do plynné fáze prostřednictvím mechanismu odpařování iontů, zatímco větší ionty (například ze skládaných proteinů) se vytvářejí mechanismem nabitých zbytků.

Byl navržen třetí model vyvolávající kombinovanou emisi nabitého zbytkového pole. Pro neuspořádané polymery (rozvinuté proteiny) je navržen další model nazývaný řetězový ejekční model (CEM).

Ionty pozorované hmotnostní spektrometrií mohou být kvazimolekulární ionty vytvořené přidáním vodíkového kationtu a označované [ M  + H] ⁺ nebo jiného kationtu, jako je sodíkový iont, [ M  + Na] ⁺ , nebo odstraněním jádra vodíku , [ M  - H] ^- . Mnohonásobně nabité ionty, jako je [ M  +  nH ] ^{n +,} jsou často pozorovány. U velkých makromolekul může existovat mnoho stavů náboje, což má za následek charakteristický obal stavu nabití. Všechny tyto druhy jsou sudé elektrony: elektrony (samotné) se na rozdíl od některých jiných zdrojů ionizace nepřidávají ani neodstraňují. Analyty jsou někdy zapojeny do elektrochemických procesů , což vede k posunům odpovídajících píků v hmotnostním spektru . Tento účinek je demonstrován na přímé ionizaci vzácných kovů, jako je měď, stříbro a zlato, pomocí elektrospreje.

Účinnost generování iontů plynné fáze pro malé molekuly v ESI se liší v závislosti na struktuře sloučeniny, použitém rozpouštědle a instrumentálních parametrech. Rozdíly v účinnosti ionizace dosahují více než 1 milionkrát.

Varianty

Elektrospreje provozované při nízkých průtocích generují mnohem menší počáteční kapičky, které zajišťují zlepšenou účinnost ionizace . V roce 1993 Gale a Richard D. Smith oznámili významné zvýšení citlivosti pomocí nižších průtoků a až 200 nL/min. V roce 1994 vytvořily dvě výzkumné skupiny název mikroelektrosprej (mikrosprej) pro elektrospreje pracující při nízkých průtocích. Emmett a Caprioli prokázali zlepšený výkon pro analýzy HPLC-MS, když byl elektrosprej provozován při 300–800 nL/min. Wilm a Mann prokázali, že kapilární průtok ~ 25 nL/min může udržet elektrosprej na špičce zářičů vyrobených natažením skleněných kapilár na několik mikrometrů. Ten byl přejmenován na nano-elektrospray (nanospray) v roce 1996. V současné době se název nanospray používá také pro elektrospreje napájené čerpadly při nízkých průtocích, nejen pro elektro-postřiky s vlastním napájením. Ačkoli nemusí existovat přesně definovaný rozsah průtokových rychlostí pro elektrosprej, mikrosprej a nanoelektrosprej, studoval „změny v rozdělení analytu během štěpení kapiček před uvolňováním iontů“. V tomto příspěvku porovnávají výsledky získané třemi dalšími skupinami. a poté změřte poměr intenzity signálu [Ba ²⁺ + Ba ⁺ ]/[BaBr ⁺ ] při různých průtocích.

Ionizace za studena rozprašováním je forma elektrospreje, ve které je roztok obsahující vzorek protlačen malou studenou kapilárou (10–80 ° C) do elektrického pole, aby se vytvořila jemná mlha chladem nabitých kapiček. Aplikace této metody zahrnují analýzu křehkých molekul a interakce host-hostitel, které nelze studovat pomocí pravidelné elektrosprejové ionizace.

Ionizace elektrosprejem byla také dosažena při tlacích až 25 torrů a nazývána ionizací subambientního tlaku pomocí nanoelektrospreje (SPIN) na základě dvoustupňového rozhraní trychtýře iontů vyvinutého Richardem D. Smithem a spolupracovníky. Implementace SPIN poskytla zvýšenou citlivost díky použití iontových trychtýřů, které pomohly omezit a přenášet ionty do oblasti nižšího tlaku hmotnostního spektrometru. Vysílač Nanoelectrospray je vyroben z jemné kapiláry s malou aperturou asi 1–3 mikrometrů. Pro dostatečnou vodivost je tato kapilára obvykle potažena vodivým materiálem, např. Zlatem. Nanoelektrosprejová ionizace spotřebuje jen několik mikrolitrů vzorku a vytvoří menší kapičky. Provoz při nízkém tlaku byl zvláště účinný pro nízké průtoky, kde menší velikost kapek elektrospreje umožňovala dosáhnout účinné desolvatace a tvorby iontů. V důsledku toho byli vědci později schopni prokázat dosažení celkové účinnosti využití ionizace přesahující 50% pro přenos iontů z kapalné fáze do plynné fáze jako ionty a přes rozhraní duálního trychtýře do hmotnostního spektrometru.

Okolní ionizace

Schéma zdroje okolní ionizace DESI

Při okolní ionizaci dochází k tvorbě iontů mimo hmotnostní spektrometr bez přípravy vzorku. Electrospray se používá k tvorbě iontů v řadě zdrojů okolních iontů.

Desorpční elektrosprejová ionizace (DESI) je okolní ionizační technika, při které je na vzorek směrován elektrosprej s rozpouštědlem. Elektrosprej je přitahován k povrchu působením napětí na vzorek. Sloučeniny vzorků se extrahují do rozpouštědla, které se opět aerosolizuje jako vysoce nabité kapičky, které se odpařují za vzniku vysoce nabitých iontů. Po ionizaci vstupují ionty do rozhraní atmosférického tlaku hmotnostního spektrometru. DESI umožňuje okolní ionizaci vzorků za atmosférického tlaku s malou přípravou vzorku.

Schéma zdroje ionizace okolní ionizace SESI

Extrakční elektrosprejová ionizace je metoda ionizace rozprašováním, která využívá dva sloučené spreje, z nichž jeden je generován elektrosprejem.

Okolní ionizace na bázi elektrospreje na bázi laseru je dvoustupňový proces, při kterém se k desorpci nebo ablaci materiálu ze vzorku používá pulzní laser a oblak materiálu interaguje s elektrosprejem za vzniku iontů. Pro okolní ionizaci je materiál vzorku uložen na cíl poblíž elektrospreje. Laser desorbuje nebo abluje materiál ze vzorku, který je vyhozen z povrchu a do elektrospreje, které produkuje vysoce nabité ionty. Příklady jsou elektrosprejová laserová desorpční ionizace , matricově asistovaná laserová desorpční elektrosprejová ionizace a laserová ablace elektrosprejová ionizace .

SESI-MS SUPER SESI ve spojení s Thermo Fisher Scientific-Orbitrap

Elektrostatická ionizace rozprašováním (ESTASI) zahrnovala analýzu vzorků umístěných na plochém nebo porézním povrchu nebo uvnitř mikrokanálu. Kapičky obsahující analyty jsou naneseny na oblast vzorku, na kterou je aplikováno pulzní vysoké napětí. Když je elektrostatický tlak větší než povrchové napětí, stříkají se kapičky a ionty.

Sekundární elektrosprejová ionizace (SESI) je sprejový typ, ionizační metoda okolního prostředí, kde se nabíjecí ionty vyrábějí pomocí elektrospreje. Tyto ionty poté při srážce nabijí molekuly páry v plynné fázi.

Při ionizaci rozprašováním papíru se vzorek aplikuje na kus papíru, přidá se rozpouštědlo a na papír se aplikuje vysoké napětí, čímž se vytvoří ionty.

Aplikace

Vnější část rozhraní elektrospreje na hmotnostním spektrometru LTQ.

Elektrosprej se používá ke studiu skládání bílkovin .

Kapalinová chromatografie - hmotnostní spektrometrie

Ionizace elektrosprejem je zvoleným iontovým zdrojem pro párování kapalinové chromatografie s hmotnostní spektrometrií (LC-MS). Analýzu lze provést online, zavedením kapaliny eluující z LC kolony přímo do elektrospreje, nebo offline, sběrem frakcí, které budou později analyzovány v nastavení klasické hmotnostní spektrometrie nanoelektrosprejem. Mezi četnými provozními parametry v ESI-MS bylo u proteinů identifikováno elektrosprejové napětí jako důležitý parametr, který je třeba vzít v úvahu při gradientové eluci ESI LC/MS. Účinek různých rozpouštědlových kompozic (jako je TFA nebo octan amonný nebo přebíjecí činidla nebo derivační skupiny) nebo postřiků na elektrospray-LCMS spektra a/nebo nanoESI-MS spektra. byly studovány.

Kapilární elektroforéza-hmotnostní spektrometrie (CE-MS)

Hmotnostní spektrometrie s kapilární elektroforézou byla umožněna rozhraním ESI, které bylo vyvinuto a patentováno Richardem D. Smithem a spolupracovníky v Pacific Northwest National Laboratory , a prokázalo se, že má široké využití pro analýzu velmi malých směsí biologických a chemických sloučenin a dokonce rozšiřuje do jediné biologické buňky.

Nekovalentní interakce v plynné fázi

Ionizace elektrosprejem se také používá při studiu nekovalentních interakcí v plynné fázi. Elektrosprejový proces je považován za schopný přenosu nekovalentních komplexů kapalné fáze do plynné fáze bez narušení nekovalentní interakce. Při studiu komplexů ligandových substrátů pomocí ESI-MS nebo nanoESI-MS byly identifikovány problémy, jako jsou nespecifické interakce. Zajímavým příkladem je studium interakcí mezi enzymy a léky, které jsou inhibitory enzymu. Konkurenční studie mezi STAT6 a inhibitory používaly ESI jako způsob screeningu potenciálních nových kandidátů na léčiva.

Viz také

• Sonda elektrosprejová ionizace
• Laserová ablace, elektrosprejová ionizace
• Sonická ionizace rozprašováním

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Electrospray Ionization Primer National High Magnetic Field Laboratory
• Electrospray+Ionization+Mass+Spectrometry at the US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)