Атмосферная химическая ионизация в масс-спектрометрии: принцип и применение.

Введение

Метод ионизации

Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) – это метод ионизации, используемый в масс-спектрометрии, который основан на реакциях ионных молекул в газовой фазе при атмосферном давлении (105 Па) и часто применяется в сочетании с высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ). APCI является методом мягкой ионизации, аналогичным химической ионизации, при котором первичные ионы образуются в распыле растворителя. APCI преимущественно используется для полярных и умеренно неполярных термостабильных соединений с молекулярной массой менее 1500 Да. Сочетание APCI с ВЭЖХ получило широкое распространение при анализе следовых количеств веществ, таких как стероиды и пестициды, а также в фармакологии для определения метаболитов лекарственных препаратов.

Структура инструмента

Типичный источник APCI обычно состоит из трех основных частей: входа для образца, иглы для коронного разряда и области передачи ионов при промежуточном давлении. Из жидкостного хроматографа (LC), как показано на рисунке, элюат поступает со скоростью 0,2–2,0 мл/мин в пневматический небулайзер, который создает мелкодисперсный аэрозоль. Капли испаряются при столкновении с нагретыми стенками при 350–500 °C и переносятся газом небулайзера и вспомогательным газом в область ионно-молекулярных реакций между коронным электродом и выходным противоэлектродом.

Механизм ионизации

Ионизация в газовой фазе с помощью APCI происходит последовательно: образец в растворе, пар образца и ионы образца. Эфлюент из ВЭЖХ полностью испаряется. Смесь растворителя и паров образца затем ионизируется посредством ион-молекулярной реакции. Ионизация может проводиться в положительном или отрицательном режиме. В положительном режиме относительные сродства к протону ионов-реагентов и газообразных молекул аналита обеспечивают либо перенос протона, либо аддукцию ионов газа-реагента для образования ионов [M+H]+ молекулярных видов. Затем молекулы аналита M протонируются ионами кластеров воды. Наконец, продукты ионизации MH+(H2O)m выходят из источника ионов атмосферного давления. Декластеризация (удаление молекул воды из протонированной молекулы аналита) MH+(H2O)m происходит в высоком вакууме масс-анализатора, а также изучение ионной химии в корональных разрядах до атмосферного давления. Первое применение APCI в сочетании с масс-спектрометрией для анализа следовых количеств химических веществ было осуществлено корпорацией Franklin GNO, которая в 1971 году разработала прибор, объединяющий APCI с ионной подвижностью и масс-спектрометрией. Хорнинг, Кэрролл и их коллеги в 1970-х годах в Медицинском колледже Бейлора (Хьюстон, Техас) продемонстрировали преимущества APCI для соединения газовой хроматографии (ГХ) и жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с масс-спектрометром. В этих исследованиях была показана высокая чувствительность и простые масс-спектры. APCI с электродом коронального разряда стал основой для современных коммерчески доступных интерфейсов APCI. В конце 1970-х годов компания SCIEX представила масс-спектрометрическую систему APCI (TAGA, анализатор следовых атмосферных газов), установленную в фургон для мобильной работы, обеспечивающую высокую чувствительность при мониторинге полярных органических соединений в атмосферном воздухе в режиме реального времени. В 1981 году была выпущена версия с тройным квадрупольным масс-спектрометром, позволяющая осуществлять мониторинг воздуха в режиме реального времени с помощью APCI MS/MS. Аналогичная платформа была использована для системы SCIEX AROMIC (часть системы обнаружения контрабанды CONDOR, разработанной совместно с British Aerospace) для обнаружения наркотиков, взрывчатых веществ и алкоголя в грузовых контейнерах на пограничных переходах путем отбора проб воздуха внутри контейнера. В середине 1980-х и в начале 1990-х годов преимущества проведения LC/MS с APCI и электроспреем, обоими методами ионизации атмосферного давления, начали привлекать внимание аналитического сообщества.

Ionization in the gas phase by APCI follows the sequences: sample in solution, sample vapor, and sample ions. The effluent from the HPLC is evaporated completely. The mixture of solvent and sample vapor is then ionized by ion molecule reaction. The ionization can either be carried out in positive or negative ionization mode. In the positive mode, the relative proton affinities of the reactant ions and the gaseous analyte molecules allow either proton transfer or adduction of reactant gas ions to produce the ions [M+H]+ of the molecular species. Then, analyte molecules M are protonated by the water cluster ions. Finally, the ionization products MH+(H2O)m transfer out from the atmospheric pressure ion source. Declustering (removal of water molecules from the protonated analyte molecule) of MH+(H2O)m takes place at the high vacuum of the mass analyzer. and of ion chemistry in corona discharges up to atmospheric pressure. The first application of APCI combined with mass spectrometry for trace chemical analysis was by the Franklin GNO Corporation who in 1971 developed an instrument combining APCI with ion mobility and mass spectrometry. Horning, Carroll and their co workers in the 1970s at the Baylor College of Medicine (Houston, TX) demonstrated the advantages of APCI for coupling gas chromatography (GC) and liquid chromatography (LC) to a mass spectrometer. High sensitivity and simple mass spectra were shown in these studies. APCI with the corona discharge electrode became the model for modern commercially available APCI interfaces. In the late 1970s an APCI mass spectrometer system (the TAGA, for Trace Atmospheric Gas Analyzer), mounted in a van for mobile operation, was introduced by SCIEX, providing high sensitivity for monitoring polar organics in ambient air in real time. In 1981 a triple quadrupole mass spectrometer version was produced, allowing real time direct air monitoring by APCI MS/MS. A similar platform was used for the SCIEX AROMIC system (part of the CONDOR contraband detection system developed together with British Aerospace) for the detection of drugs, explosives and alcohol in shipping containers at border crossings, by sampling the interior airspace. In the mid 1980s and into the early 1990s, the advantages of performing LC/MS with APCI and with electrospray, both atmospheric pressure ionization techniques, began to capture the attention of the analytical community.

Преимущества

Ионизация субстрата очень эффективна, поскольку она происходит при атмосферном давлении, что обеспечивает высокую частоту столкновений. Кроме того, APCI значительно снижает термическое разложение аналита благодаря быстрому удалению растворителя и испарению капель на ранних стадиях ионизации. Ионизация происходит в газовой фазе, в отличие от ESI, где она происходит в жидкой фазе. Потенциальным преимуществом APCI является возможность использования неполярного растворителя в качестве подвижной фазы, а не полярного, поскольку растворитель и интересующие молекулы переходят в газообразное состояние до контакта с игольчатым электродом коронного разряда. Поскольку APCI основан на газофазной химии, для ВЭЖХ не требуется использование специальных условий, таких как растворители, электропроводность или pH. APCI представляется более универсальным интерфейсом для LC/MS и более совместимым с обращенно-фазовой ВЭЖХ, чем ESI.

Применение

APCI подходит для термостабильных образцов с низкой и средней (менее 1500 Да) молекулярной массой и средней или высокой полярностью. Он особенно полезен для аналитов, недостаточно полярных для электрораспыления. Область применения APCI включает анализ лекарственных препаратов, неполярных липидов, природных соединений, пестицидов и различных органических соединений, однако он ограниченно применим для анализа биополимеров, органометаллических соединений, ионных соединений и других неустойчивых аналитов.