Кіріспе
Электроспайлы иондау (ESI) – массалық спектрометрияда электроспай арқылы иондарды өндіруге қолданылатын техника. Ол макромолекулалардан иондар алуда ерекше пайдалы, себебі иондалған кезде осы молекулалардың фрагменттелуге бейімділігін басады. ESI басқа иондау процестерінен (мысалы, матрицалық көмекпен лазерлік десорбция/иондау, MALDI) өзгеше, себебі ол бірнеше зарядталған иондарды тудырады, нәтижесінде анализатордың массалық диапазоны протеиндер мен олардың қатысты полипептидтік фрагменттерінде байқалатын kDa және MDa шамаларын қамтиды. ESI қолданылатын массалық спектрометрия электроспайлы иондау массалық спектрометриясы (ESI MS) немесе, сирек жағдайда, электроспайлы массалық спектрометрия (ES MS) деп аталады. ESI – «жұмсақ иондау» техникасы, өйткені фрагменттеу өте аз. Бұл молекулалық ионның (немесе дәлірек айтқанда, псевдомолекулалық ионның) көбінесе байқалатындығына байланысты тиімді болуы мүмкін, алайда алынған қарапайым массалық спектрден құрылымдық ақпаратты алу қиын. Бұл кемшілікті ESI-ді тандемдік массалық спектрометриямен (ESI MS/MS) біріктіру арқылы жоюға болады. ESI-дің тағы бір маңызды артықшылығы – ерітінділік фазадағы ақпаратты газ фазасына көшіру мүмкіндігі. Электроспайлы иондау техникасы алғаш рет 1984 жылы Масамичи Ямашита мен Джон Фенн, сондай-ақ 1984 жылы Лидия Галл және оның әріптестері КСРО-да жариялаған. Галлдың жұмысы 2008 жылы аударма жарияланғанға дейін батыс ғылыми әдебиетінде мойындалмаған немесе аударылмаған. 2002 жылы Джон Беннетт Фенн мен Коичи Танака химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Фенн қолданған бастапқы құралдардың бірі Филадельфиядағы (Пенсильвания штаты) Ғылым тарихы институтында көрсетіліп тұр.
Electrospray ionization (ESI) is a technique used in mass spectrometry to produce ions using an electrospray in which a high voltage is applied to a liquid to create an aerosol. It is especially useful in producing ions from macromolecules because it overcomes the propensity of these molecules to fragment when ionized. ESI is different from other ionization processes (e. g. matrix assisted laser desorption/ionization, MALDI) since it may produce multiple charged ions, effectively extending the mass range of the analyser to accommodate the kDa MDa orders of magnitude observed in proteins and their associated polypeptide fragments. Mass spectrometry using ESI is called electrospray ionization mass spectrometry (ESI MS) or, less commonly, electrospray mass spectrometry (ES MS). ESI is a so called 'soft ionization' technique, since there is very little fragmentation. This can be advantageous in the sense that the molecular ion (or more accurately a pseudo molecular ion) is almost always observed, however very little structural information can be gained from the simple mass spectrum obtained. This disadvantage can be overcome by coupling ESI with tandem mass spectrometry (ESI MS/MS). Another important advantage of ESI is that solution phase information can be retained into the gas phase. The electrospray ionization technique was first reported by Masamichi Yamashita and John Fenn in 1984, and independently by Lidia Gall and co workers in Soviet Union, also in 1984. Gall's work was not recognised or translated in the western scientific literature until a translation was published in 2008. was rewarded with the attribution of the Nobel Prize in Chemistry to John Bennett Fenn and Koichi Tanaka in 2002. One of the original instruments used by Fenn is on display at the Science History Institute in Philadelphia, Pennsylvania.
Тарих
1882 жылы Лорд Рейли сұйық тамшының ұсақ сұйық саптамаларын шашырату алдында көтере алатын зарядтың ең жоғары мөлшерін теориялық тұрғыдан есептеді. Бұл қазір Рейли лимиті деп белгілі. 1914 жылы Джон Зелени шыны капиллярлардың ұштарындағы сұйық тамшыларының қалып-құлықтарын зерттеген жұмысын жариялады және әртүрлі электроспрей режимдерінің болуын дәлелдеді. Уилсон, Тейлор және Нолан 1920 жылдары электроспрейді, ал Макки 1931 жылы зерттеді. Электроспрей конусы (қазір Тейлор конусы деп аталады) сэр Джеффри Инграм Тейлордың еңбегімен сипатталды. Электроспрей иондауын массалық спектрометриямен алғаш рет 1968 жылы Малкольм Доул қолданды. Джон Беннетт Фенн 1980 жылдардың соңында электроспрей иондау массалық спектрометриясын жасағаны үшін 2002 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.
Иондау механизмі
Қажетті аналиттерді (әдетте 10⁶–10⁴ М) қамтитын сұйықтық электр спрейі арқылы ұсақ аэрозольге дисперсияланады. Иондалу процесі кең көлемде еріткіштің булануын (десольватация деп те аталады) қамтитындықтан, электроспрейлік иондау үшін қолданылатын еріткіштер суды ұшқыш органикалық қосылыстармен (мысалы, метанол, ацетонитрил) араластыру арқылы дайындалады. Бастапқы тамшының мөлшерін азайту үшін, өткізгіштігін арттыратын қоспалар (мысалы, сірке қышқылы) әдетте ерітіндіге қосылады. Бұл заттар иондалу процесін жеңілдету үшін протон көзі ретінде де әрекет етеді. Жоғары өнімді электроспрейлерге, ЭСИ көзінің жоғары температурасына қоса, азот немесе көмірқышқыл газы сияқты қыздырылған инертті газды тұмандаудан қосымша пайда табуға болады. Аэрозоль шамамен 3000 В потенциалдық айырмасы бар капилляр арқылы массалық спектрометрдің бірінші вакуумдық сатысына жіберіледі, оны зарядталған тамшылардан еріткіштің одан әрі булануын қамтамасыз ету үшін қыздыруға болады. Еріткіш зарядталған тамшыдан оның Рейлиг шегіне жеткенше буланады, осы кезде тамшы тұрақсыз болады. Осы сәтте тамшы деформацияланады, себебі тамшы мөлшерінің азаюымен бірге тең зарядтардың электростатикалық күші тамшыны бірге ұстап тұратын беттік кернеуден күшті болады. Осы кезде тамшы Кулондық бөлінуге ұшырайды, нәтижесінде бастапқы тамшы "жарылып", көптеген кіші, тұрақты тамшыларды құрайды. Жаңа тамшылар десольватациядан өтеді, содан кейін Кулондық бөлінулерге ұшырайды. Бөліну кезінде тамшы массасының шағын пайызын (1,0–2,3%) және салыстырмалы түрде үлкен пайызын (10–18%) зарядтан жоғалтады. Газ фазалық иондардың түзілуін түсіндіретін екі негізгі теория бар: иондық булану моделі (IEM) және заряд қалдықтары моделі (CRM). IEM бойынша, тамшы белгілі бір радиусқа жеткенде, тамшы бетіндегі электр өрісінің күші солватталған иондардың өріс десорбциясына көмектесетіндей жеткілікті болады. CRM электроспрей тамшыларының булану және бөліну циклдеріне ұшырап, нәтижесінде әр тамшыда орташа есеппен бір немесе одан аз аналит ионы болады депреді. Ал үлкен иондар (мысалы, бүктелген ақуыздардан) зарядталған қалдықтар механизмі арқылы қалыптасады. Комбиналған зарядталған қалдықтардың өріс эмиссиясын қолданатын үшінші модель ұсынылған. Бұзылған полимерлер (жұйылмаған ақуыздар) үшін тізбекті шығару моделі (CEM) деп аталатын тағы бір модель ұсынылған. Массалық спектрометриямен анықталатын иондар сутек катионының қосылуымен түзілген квазимолекулярлық иондар болуы мүмкін, олар [M + H]⁺ деп белгіленеді, немесе натрий ионы сияқты басқа катион [M + Na]⁺, немесе сутек ядросының алынуы [M – H]⁻. Көп зарядталған иондар, мысалы [M + nH]ⁿ⁺ жиі кездеседі. Үлкен макромолекулалар үшін көптеген зарядты күйлер болуы мүмкін, нәтижесінде ерекше зарядты күйлердің қабығы пайда болады. Бұлардың барлығы жұп электронды иондар болып табылады: кейбір басқа иондау көздерінен айырмашылығы, электрондар (жеке) қосылмайды немесе алынып тасталмайды. Аналиттер кейде электрохимиялық процестерге қатысады, бұл массалық спектрдегі сәйкес келетін шыңдардың ығысуына әкеледі. Бұл әсер мыс, күміс және алтын сияқты асыл металдарды электроспрей арқылы тікелей иондау арқылы көрсетілген. ЭСИ-де шағын молекулалар үшін газ фазалық иондарды өндірудің тиімділігі қосылыстың құрылымына, қолданылатын еріткішке және құралдық параметрлерге байланысты өзгереді. Иондалу тиімділігінің айырмашылығы 1 миллион еседен астам болуы мүмкін.
Нұсқалар
Электроспайлар төмен ағындық жылдамдықпен жұмыс істейді, бұл иондау тиімділігін жақсартатын бастапқы тамшыларды әлдеқайда кішіден жасауға мүмкіндік береді. 1993 жылы Гейл мен Ричард Д. Смит төменгі ағындық жылдамдықтарды пайдалану арқылы, тіпті 200 нл/мин-ге дейін, сезімталдықтың айтарлықтай артуын мүмкін екенін хабарлады. 1994 жылы екі зерттеу тобы төмен ағындық жылдамдықпен жұмыс істейтін электроспрейлер үшін микроэлектроспрей (микроспрей) деген атауды енгізді. Эммет пен Каприоли HPLC-MS талдауында электроспрей 300–800 нл/мин жылдамдықпен жұмыс істегенде өнімділіктің жақсарғанын көрсетті. Вильм мен Манн ~25 нл/мин капилляр ағынымен шыны капиллярларды бірнеше микрометрге дейін тартып жасалған эмитерлердің ұшында электроспрейді тұрақтандыруға болатынын көрсетті. Бұл әдіс 1996 жылы наноэлектроспай (наноспай) деп қайта аталды. Қазіргі уақытта наноспай атауы төмен ағындық жылдамдықтағы сорғылармен қоректенетін электроспрейлер үшін де қолданылады, тек өзінен-өзі қоректенетін электроспрейлер үшін ғана емес. Электроспай, микроспрей және наноэлектроспай үшін нақты ағындық диапазоны болмаса да, "ион шығарылу алдындағы тамшының бөліну кезіндегі аналит таралуының өзгеруі" зерттелді және әртүрлі ағындық жылдамдықтарда [Ba2+ + Ba+]/[BaBr+] сигналдың қарқындылық қатынасы өлшенді. Суық спреймен иондау – бұл электроспрейдің бір түрі, онда үлгіні қамтитын ерітінді шағын суық капилляр (10–80 °C) арқылы электр өрісіне күшпен жіберіліп, майда суық зарядталған тамшылардың тұмауы жасалады. Бұл әдістің қолданылу салаларына тұрақсыз молекулаларды және тұрақты электроспрей иондаумен зерттеуге болмайтын «қонақ-ие» өзара әрекеттесуін талдау кіреді. Электроспрей иондау 25 торр қысымда да қол жеткізілді және Ричард Д. Смит және әріптестері жасаған екі сатылы иондық шұңқыр интерфейсі негізінде субамбиенттік қысым иондау (SPIN) деп аталды. SPIN жүзеге асырылуы иондарды массалық спектрометрдің төменгі қысымды аймағына шоғырландыруға және тасымалдауға көмектесетін иондық шұңқырларды пайдалану арқасында сезімталдықты арттырды. Наноэлектроспрей эмитері 1–3 микрометрге жуық апертурасы бар ұсақ капиллярдан жасалады. Жеткізгіштікті қамтамасыз ету үшін бұл капилляр әдетте жеткізгіш материалмен, мысалы, алтынмен қапталады. Наноэлектроспрей иондау үлгідегі тек бірнеше микролитрді ғана тұтынады және кішірек тамшыларды құрайды. Төмен қысымда жұмыс істеу, әсіресе, кішірек электроспрей тамшысының мөлшері тиімді десольватация мен иондардың түзілуіне мүмкіндік берген төмен ағындық жылдамдықтар үшін тиімді болды. Нәтижесінде, зерттеушілер сұйық фазадан газ фазасына иондар ретінде және екі иондық шұңқыр интерфейсі арқылы иондарды тасымалдаудың 50%-дан астам иондану тиімділігіне қол жеткізе алды.
Қоршаған ортаның иондануы
Қоршаған ортада иондау кезінде иондардың қалыптасуы үлгіні дайындаусыз, массалық спектрометрден тыс жерде жүзеге асады. Электросайда көптеген қоршаған орта ион көздерінде иондарды қалыптастыру үшін қолданылады. Десорбциялық электросайдты иондау (DESI) – бұл еріткіш электросайы үлгіге бағытталатын қоршаған ортада иондау әдісі. Электросайд үлгіге кернеу қолдану арқылы бетке тартылады. Үлгінің құрамындағы заттар еріткішке өтеді, ол қайтадан жоғары зарядталған тамшылар түрінде аэрозолге айналады және жоғары зарядталған иондарды қалыптастыру үшін буланады. Ионданудан кейін иондар массалық спектрометрдің атмосфералық қысым интерфейсіне енгізіледі. DESI үлгілерді атмосфералық қысымда, минималді үлгі дайындаумен қоршаған ортада иондауға мүмкіндік береді. Экстракциялық электросайдты иондау – бұл екі біріктірілген шашыратуды қолданатын әдіс, олардың бірі электросайд арқылы жасалады. Қағазды шашырату арқылы иондау кезінде үлгі қағазға жағылады, еріткіш қосылады және қағазға жоғары кернеу қолданылады, нәтижесінде иондар пайда болады.
Қолданбалар
Электроспай ақуыздың қалыптасуын зерттеу үшін қолданылады.
Сұйық хроматография массалық спектрометрия
Электроспрей иондау – сұйық хроматографияны массалық спектрометриямен (LC MS) жұптастыруға арналған басты ион көзі болып табылады. Талдау LC бағанасынан шығатын сұйықтықты тікелей электроспрейге жіберу арқылы онлайн режимінде немесе кейін классикалық наноэлектроспрейлік массалық спектрометриялық құрылымда талдау үшін фракцияларды жинау арқылы офлайн режимінде жүргізілуі мүмкін. ESI MS-тегі көптеген жұмыс параметрлерінің ішінде, ақуыздар үшін электроспрей кернеуі ESI LC/MS градиенттік элюциясында ескерілуге тиіс маңызды параметр ретінде анықталды. Әртүрлі еріткіш құрамының (мысалы, TFA немесе аммоний ацетаты, немесе модификациялық топтар) немесе электроспрей жағдайларының LCMS спектрлеріне және/немесе наноESI MS спектрлеріне тигізетін әсері зерттелген.
Капиллярлық электрофорез-массалық спектрометрия (CE-MS)
Капиллярлық электрофорез массалық спектрометриясы Ричард Д. Смит және Тынық мұхиты Солтүстік-Батыс ұлттық зертханасындағы оның әріптестері әзірлеген және патенттеген ESI интерфейсінің арқасында мүмкін болды. Бұл әдіс өте кішкентай биологиялық және химиялық қосылыстардың аралас құрамын талдау үшін кең мүмкіндіктер беретіні көрсетілді, тіпті бір ғана биологиялық жасушаны да зерттеуге қолданылады.
Ковалентті емес газ фазасы өзара әрекеттесулері
Электроспрейлік иондау ковалентті емес газ фазалық өзара әрекеттесулерді зерттеуде де пайдаланылады. Электроспайлау процесі сұйық фазадағы ковалентті емес кешендерді ковалентті емес өзара әрекеттесуді бұзбай газ фазасына көшіре алады деп саналады. Лиганд-субстрат кешендерін ESI MS немесе nanoESI MS арқылы зерттеу кезінде, спецификалық емес өзара әрекеттесулер сияқты мәселелер анықталды. Бұған қызықты мысал – ферменттер мен ферменттердің ингибиторлары болып табылатын дәрілік заттар арасындағы өзара әрекеттесуді зерттеу. STAT6 және ингибиторлар арасындағы бәсекелестік зерттеулері ESI-ді жаңа дәрілік кандидаттарды іздеу құралы ретінде қолданды. Электроспрейлік иондауды 1 МДа-дан асатын протеин кешендерін зерттеу үшін де қолдануға болады.