Desorpční ionizace elektrosprejem - Desorption electrospray ionization

Schematické znázornění zdroje iontů DESI

Desorpční elektrosprejová ionizace (DESI) je ionizace okolí technika, kterou lze spojit s hmotnostní spektrometrie pro chemický rozbor vzorků za atmosférických podmínek. Spojené zdroje ionizace - systémy MS jsou populární v chemické analýze, protože individuální schopnosti různých zdrojů v kombinaci s různými systémy MS umožňují chemické stanovení vzorků. DESI využívá rychle se pohybující proud nabitého rozpouštědla, pod úhlem vzhledem k povrchu vzorku, k extrakci analytů z povrchů a pohánění sekundárních iontů směrem k analyzátoru hmotnosti.^[1][2] Tuto tandemovou techniku ​​lze použít k analýze forenzních analýz,^[3] farmaceutika, rostlinné tkáně, ovoce, intaktní biologické tkáně, komplexy enzym-substrát, metabolity a polymery.^[4] Proto lze DESI-MS použít v nejrůznějších odvětvích, včetně potravinářství a podávání léků, farmaceutika, monitorování životního prostředí a biotechnologie.

Dějiny

DESI byl od svého založení v roce 2004 široce studován autorem Zoltan Takáts a kol Graham Cooks „skupina z Purdue University^[3] s cílem prozkoumat metody, které nevyžadují, aby byl vzorek uvnitř vakua. Oba DESI a přímá analýza v reálném čase (DART) byli do značné míry zodpovědní za rychlý růst technik ionizace prostředí, přičemž dnes se objevuje šíření více než osmdesáti nových technik.^[5][6] Tyto metody umožňují analyzovat složité systémy bez přípravy a propustnosti až 45 vzorků za minutu.^[7] DESI je kombinace populárních technik, jako jsou techniky elektrosprejové ionizace a povrchové desorpce. Elektrosprejová ionizace s hmotnostní spektrometrií byla hlášena autorem Malcolm Dole v roce 1968,^[8] ale John Bennett Fenn na konci 80. let získala Nobelovu cenu za chemii za vývoj ESI-MS.^[9] V roce 1999 byla v literatuře popsána desorpce experimentů s otevřeným povrchem a volnou matricí s využitím experimentu, který byl nazván desorpce / ionizace na křemíku.^[10] Kombinace těchto dvou vylepšení vedla k zavedení DESI a DART jako hlavních technik ionizace prostředí, které by se později staly více různými technikami. Jeden zejména kvůli rostoucím studiím optimalizace DESI je, Nanospray desorpce elektrosprejová ionizace. V této technice je analyt desorbován do můstku vytvořeného dvěma kapilárami a analytickým povrchem.^[11]

Princip činnosti

DESI je kombinací elektrosprej (ESI) a desorpční (DI) ionizační metody. Ionizace probíhá nasměrováním elektricky nabité mlhy na povrch vzorku, který je vzdálený několik milimetrů.^[12] Elektrosprejová mlha je pneumaticky směrována na vzorek, kde následné postříkané kapičky nesou desorbované ionizované analyty. Po ionizaci ionty cestují vzduchem do rozhraní atmosférického tlaku, které je připojeno k hmotnostnímu spektrometru. DESI je technika, která umožňuje okolní ionizaci stopového vzorku při atmosférickém tlaku s malou přípravou vzorku. DESI lze použít ke zkoumání in situ sekundárních metabolitů konkrétně při pohledu na prostorové i časové distribuce.^[13]

Ionizační mechanismus

V DESI existují dva druhy ionizačního mechanismu, jeden, který se vztahuje na molekuly s nízkou molekulovou hmotností a druhý na molekuly s vysokou molekulovou hmotností.^[12] Molekuly s vysokou molekulovou hmotností, jako jsou proteiny a peptidy, vykazují spektra elektrospreje, kde jsou pozorovány více nabité ionty. To naznačuje desorpci analytu, kde lze na analyt snadno přenášet více nábojů v kapičce. Nabitá kapička zasáhne vzorek, rozprostírá se na průměru větším, než je jeho původní průměr, rozpouští protein a odskočí. Kapičky putují k vstupu hmotnostního spektrometru a jsou dále desolvatovány. Rozpouštědlo typicky používané pro elektrosprej je kombinace methanolu a voda.

U nízkomolekulárních molekul dochází k ionizaci přenosem náboje: an elektron nebo a proton. Existují tři možnosti přenosu poplatku. Nejprve přenos náboje mezi iontem rozpouštědla a analyt na povrchu. Zadruhé, přenos poplatků mezi a plynná fáze iont a analyt na povrchu; v tomto případě se iont rozpouštědla odpaří před dosažením povrchu vzorku. Toho je dosaženo, když je vzdálenost spreje od povrchu velká. Za třetí, přenos náboje mezi iontem v plynné fázi a molekulou analytu v plynné fázi. K tomu dochází, když má vzorek vysoký tlak par.

${displaystyle {ce {{A _ {(aq)} ^ {-}} + S _ {(s)} -> {A _ {(aq)}} + S _ {(s)} ^ {-}}}}$

(1)

${displaystyle {ce {{A _ {(g)} ^ {-}} + S _ {(s)} -> {A _ {(g)}} + S _ {(s)} ^ {-}}}}$

(2)

${displaystyle {ce {{A _ {(g)} ^ {-}} + S _ {(g)} -> {A _ {(g)}} + S _ {(g)} ^ {-}}}}$

(3)

Ionizační mechanismus nízkomolekulárních molekul v DESI je podobný Šipky ionizační mechanismus v tom, že dochází k přenosu náboje, ke kterému dochází v plynné fázi.

Účinnost ionizace

Boční pohled na zdroj iontů DESI spolu s tabulkou obsahující typické hodnoty geometrických parametrů

Ionizační účinnost DESI je složitá a závisí na několika parametrech, jako jsou povrchové efekty, parametry elektrospreje, chemické parametry a geometrické parametry.^[12] Mezi povrchové efekty patří chemické složení, teplota a použitý elektrický potenciál. Parametry elektrospreje zahrnují napětí elektrospreje, průtoky plynu a kapaliny. Chemické parametry se vztahují na složení rozprašovaného rozpouštědla, např. přidání NaCl. Geometrické parametry jsou α, β, d₁ ad₂ (viz obrázek vpravo).

Dále α a d₁ ovlivnit ionizační účinnost, zatímco β a d₂ ovlivnit účinnost sběru. Výsledky testu provedeného na různých molekulách ke stanovení optimálních hodnot α a d1 ukazují, že existují dvě sady molekul: vysokomolekulární (proteiny, peptidy, oligosacharidy atd.) A nízkomolekulární (diazofarbivo, steroidy, kofein, nitroaromatika atd.). Optimální podmínky pro skupinu s vysokou molekulovou hmotností jsou vysoké úhly dopadu (70-90 °) a krátké d₁ vzdálenosti (1–3 mm). Optimální podmínky pro skupinu s nízkou molekulovou hmotností jsou opačné, nízké úhly dopadu (35-50 °) a dlouhá d₁ vzdálenosti (7–10 mm). Tyto výsledky testu ukazují, že každá skupina molekul má jiný ionizační mechanismus; podrobně popsáno v části Princip fungování.

Hrot postřikovače a držák povrchu jsou připojeny k 3D pohyblivému stolku, který umožňuje vybrat konkrétní hodnoty pro čtyři geometrické parametry: α, β, d₁ ad₂.

Aplikace

MALDESI biomolekul na ledové matrici

Laserová ablace elektrosprejová ionizace

Laserová ablace elektrosprejová ionizace (LAESI) mass spectrometry is an ambient ionization technique applicable to plant and animal tissue imaging, live-cell imaging, and most recent to cell-by-cell imaging.^[14] Tato technika využívá mid-IR laser k ablaci vzorku, který vytváří oblak neutrálních molekul. Tento mrak je poté zasažen elektrosprejem shora a způsobí ionizaci. Desorbované ionty jsou poté schopny projít do hmotnostního spektrometru pro analýzu. Tato metoda je také dobrá pro zobrazování v aplikacích. Analýzy mohou být desorbovány pulzním laserovým ozařováním bez nutnosti matrice. Tato metoda se nejlépe používá u malých organických molekul až po větší biomolekuly.^[15]

Maticová laserová desorpce ionizace elektrosprejem

Další metoda vhodná pro biomolekuly je Maticová laserová desorpce ionizace elektrosprejem (MALDESI). V této technice využívá infračervenou laserovou ionizaci k excitaci molekul vzorku, aby desorpované ionty byly připraveny pro MS analýzu. Geometrie zdroje a vzdálenost mezi ESI a maticí budou mít vliv na účinnost sloučeniny vzorku.^[16] Tuto techniku ​​lze použít také u vodných vzorků. Kapku vody lze umístit do ohniska laseru nebo ji lze vysušit a vytvořit pevnou látku. Rovinné vzorky nepotřebují k provedení tohoto experimentu přípravu vzorků.

Hmotnostní spektrometrie iontové mobility

Schéma hmotnostního spektrometru DESI-IMS-TOF

Spektrometrie iontové mobility (IMS) je technika iontové separace v plynných fázích na základě jejich rozdílů v iontové mobilitě, když je aplikováno elektrické pole poskytující prostorovou separaci před analýzou MS.^[17] Se zavedením DESI jako zdroje iontů pro hmotnostní spektrometrie pohyblivosti iontů, aplikace pro IMS se rozšířily pouze ze vzorků v plynné fázi s těkavými analýzami i na intaktní struktury a vodné vzorky.^[18] Ve spojení s hmotnostním spektrometrem doby letu je také možná analýza proteinů.^[19] Tyto techniky spolupracují v tandemu a zkoumají iontové tvary a reaktivitu po ionizaci. Klíčovou charakteristikou tohoto nastavení je jeho schopnost oddělit distribuci iontů generovaných v DESI před analýzou hmotnostní spektrometrií.^[19]

Rezonance iontového cyklotronu s Fourierovou transformací

Jak již bylo uvedeno výše, DESI umožňuje přímé zkoumání přírodních vzorků bez nutnosti přípravy vzorků nebo chromatografické separace. Ale kvůli této nepotřebné přípravě vzorků bylo spektrum vytvořeno možná velmi složité. Proto můžete spárovat a Rezonance iontového cyklotronu s Fourierovou transformací na DESI, což umožňuje vyšší rozlišení. DESI může být složen ze šesti lineárních pohyblivých stupňů a jednoho otočného stupně.^[20] To může zahrnovat 3-D lineární stupeň pro vzorky a další s otočným stolem pro nástřikovou montáž. Spojení FTICR s DESI může zvýšit přesnost hmotnosti pod 3 části na milion.^[21] To lze provést na kapalných i pevných vzorcích.

Kapalinová chromatografie

Kapalinová chromatografie spojená s DESI-MS. AE je pomocná elektroda, RE: referenční elektroda, WE: pracovní elektroda.

DESI lze spojit s ultrarychlá kapalinová chromatografie pomocí strategie rozdělování eluentu LC. Jedná se o strategii malým otvorem na kapilární trubici LC. Existuje zanedbatelný mrtvý objem a zpětný tlak, který umožňuje detekci hmotnostní spektrometrie téměř v reálném čase s rychlou elucí a purifikací.^[22] Tuto vazbu lze použít k ionizaci široké škály molekul, od malých organických látek až po proteiny s vysokou hmotností. To se liší od ESI (elektrosprejová ionizace) v tom, že jej lze použít k přímé analýze roztoků vzorků obsahujících sůl, aniž by bylo nutné do vzorku doplňovat rozpouštědla / kyseliny „make-up“.^[23] Toto nastavení umožňuje vysoký průtok bez dělení. Vysoké rozlišení, kterého je dosaženo HPLC na reverzní fázi lze kombinovat s tímto postupem k výrobě vysoce výkonného screeningu přírodních produktů.^[24] Začlenění elektrochemické složky pomáhá s ionizační účinností prostřednictvím elektrochemické přeměny.^[25] Tato metoda se osvědčila lépe než ESI v tom, že nemusíte oddělit malý potenciál aplikovaný na buňku od potenciálu ve spreji v DESI. DESI také vykazuje lepší toleranci k anorganickým solným elektrolytům a můžete použít tradiční rozpouštědla používaná při elektrolýze.^[24]

Instrumentace

V DESI existuje vysokorychlostní pneumaticky asistovaný elektrosprejový paprsek, který je neustále směrován k povrchu sondy. Tryska vytváří na vzorku tenký film rozpouštědla o velikosti mikrometru, kde může být desorbován. Vzorek může být vytlačen příchozím rozprašovacím paprskem, což umožňuje odloučení částic v ejekčním kuželu analytu obsahujícím kapičky sekundárních iontů.^[26] Hodně studií se ještě bude zabývat hledáním pracujících ředitelů DESI, ale stále jsou známy některé věci. Je známo, že průměr eroze postřikového bodu tvořeného DESI je přímo vázán na prostorové rozlišení. Chemické složení i struktura povrchu ovlivní také ionizační proces. Nejčastěji používaný nebulizační plyn je N₂ nastaven na typický tlak 160 psi. Rozpouštědlo je kombinace methanolu a voda, někdy spárováno s 0,5% octová kyselina a při průtoku 10 μL / min.^[27] Povrch lze připevnit dvěma různými způsoby, přičemž jeden způsob se skládá z držáku povrchu, který unese 1 x 5 cm velké jednorázové podložní sklíčka, které leží na povrchu z nerezové oceli. Na ocelový povrch je přivedeno napětí, které poskytuje vhodný povrchový potenciál. Použitelný povrchový potenciál je stejný, na jaký lze nastavit postřikovač. Druhý povrch je vyroben z hliníkového bloku, který má zabudovaný ohřívač, což umožňuje regulaci teploty s teplotami až do 300 ° C, u novějších stupňů jsou zabudovány CCD a světelné zdroje. Jejich spektra jsou podobná ESI. Vyznačují se vícenásobně nabitými ionty aduktů alkalických kovů a nekovalentními komplexy, které pocházejí z kondenzované fáze interakce vzorek / rozpouštědlo.^[12] Ukázalo se, že DESI má jemnější ionizační podmínky, které vedou k výraznější tendenci k tvorbě kovového aduktu a nižšímu specifickému nabíjení sekundárních kapiček^{[Citace je zapotřebí ]}.

Viz také

• Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů
• Maticová laserová desorpční ionizace
• Zobrazení hmotnostní spektrometrií
• Elektrosprejová ionizace
• Sekundární ionizace elektrosprejem

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Purdue Aston Lab - DESI
• Osobní stránka profesora Zoltana Takátsa - Imperial College London