Химическая ионизация при атмосферном давлении
Химическая ионизация при атмосферном давлении ( APCI ) — это метод ионизации, используемый в масс-спектрометрии , который использует газофазные ионно-молекулярные реакции при атмосферном давлении (10 5 Хорошо), [1] [2] обычно в сочетании с высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ). [3] APCI — это метод мягкой ионизации, аналогичный химической ионизации , при котором первичные ионы образуются при распылении растворителя. [4] APCI в основном используется для полярных и относительно менее полярных термостабильных соединений с молекулярной массой менее 1500 Да. [5] Применение APCI с ВЭЖХ приобрело большую популярность при анализе следов следов, таких как стероиды, пестициды, а также в фармакологии метаболитов лекарственных средств. [6]
Структура инструмента
[ редактировать ]
Типичный источник APCI обычно состоит из трех основных частей: входного отверстия для пробы, иглы коронного разряда и области переноса ионов под промежуточным давлением. [5] В случае подогрева входного отверстия распылителя [7] из ЖХ, как показано на рисунке, элюат поступает со скоростью от 0,2 до 2,0 мл/мин в пневматический распылитель, который создает туман из мелких капель. Капли испаряются ударом о нагретые стенки при температуре 350–500 °С и переносятся газом-распылителем и вспомогательным газом в область реакции ионно-молекулярной реакции между коронирующим электродом и выходным противоэлектродом. [4] От коронирующей иглы поддерживается постоянный ток силой 2–5 микроампер. Ионы образца образуются в результате ионно-молекулярных реакций (как описано ниже) и проходят через небольшое отверстие или трубку в область ионного переноса, ведущую в масс-спектрометр.
В зависимости от применения возможны различные геометрии источника ионов. При использовании жидкостной хроматографии, особенно при более высоких скоростях потока, распылитель часто располагается ортогонально (или под таким же крутым углом) входному отверстию масс-спектрометра, чтобы растворитель и нейтральный материал не загрязняли фактическое входное отверстие массы. спектрометр. [8]
Механизм ионизации
[ редактировать ]Ионизация в газовой фазе с помощью APCI следует последовательности: образец в растворе, пар образца и ионы образца. Эффлюент после ВЭЖХ полностью испаряют. Затем смесь растворителя и паров пробы ионизируется ионно-молекулярной реакцией. [9]
Ионизация может осуществляться в режиме положительной или отрицательной ионизации. В положительном режиме относительное сродство к протону ионов-реагентов и молекул газообразного аналита позволяет либо переносить протоны, либо приводить ионы реагирующего газа с образованием ионов [M + H] + молекулярных видов. [4] В отрицательном режиме [M−H] − ионы образуются либо путем отрыва протона, либо [M+X] − ионы образуются при присоединении анионов. Большая часть работы по анализу APCI-MS прошла в положительном режиме.
В положительном режиме, когда разрядный ток коронного разряда составляет 1-5 мкА на распыляемом растворителе, молекулы газа N 2 возбуждаются и ионизируются, в результате чего образуется N 4 +* . Испаренная подвижная фаза ЖК действует как ионизирующий газ и ионы-реагенты. Если единственным растворителем в испаренной подвижной фазе является вода, то возбужденные ионы молекул азота N 4 +* будет реагировать с молекулами H 2 O с образованием кластерных ионов воды H + (Н 2 О) н . [10] Затем молекулы аналита M протонируются кластерными ионами воды. Наконец, продукты ионизации MH + (H 2 O) m выводится из источника ионов при атмосферном давлении. Декластеризация (удаление молекул воды из протонированной молекулы аналита) МГ + (H 2 O) m происходит в высоком вакууме масс-анализатора. [2] Ионы молекул аналита, обнаруженные с помощью МС, представляют собой [M+H] + . Химические реакции процесса ионизации показаны ниже.
Образование первичных и вторичных ионов реагентов в атмосфере азота в присутствии воды: [11] [2]
- Н 2 + е → Н 2 + + 2е
- № 2 +* + 2Н 2 → Н 4 +* + Н 2
- № 4 + + Н 2 О → Н 2 О + + 2Н2
- Н 2 О + + Н 2 О → Н 3 О + + ОН •
- Н 3 О + + Ч 2 О + Н 2 → Ч + (Н 2 О) 2 + Н 2
- ЧАС + (H 2 O) n-1 + H 2 O + N 2 → H + (Н 2 О) n + N 2
Ионизация дочерних ионов: [2]
- ЧАС + (H 2 O) n + M → MH + (H 2 O) м + (нм)H 2 O
Декластеризация в высоком вакууме масс-анализатора: [2]
- МХ + (H 2 O) м → MH + + мН 2 О
Если подвижная фаза содержит растворители с более высоким сродством к протону, чем вода, происходят реакции переноса протона, которые приводят к протонированию растворителя с более высоким сродством к протону. Например, если присутствует растворитель метанол, кластерные ионы растворителя будут CH 3 OH 2. + (H 2 O) n (CH 3 OH) m . [2] Фрагментация обычно не происходит внутри источника APCI. Если наблюдается фрагментный ион образца, происходит термическое разложение нагретой поверхности распылителя с последующей ионизацией продуктов разложения.
В отличие от химической ионизации, электроны, необходимые для первичной ионизации, не производятся нагретой нитью накала, поскольку нагретую нить нельзя использовать в условиях атмосферного давления. Вместо этого ионизация должна происходить с использованием либо коронных разрядов, либо эмиттеров β-частиц, которые являются источниками электронов, способными выдерживать присутствие агрессивных или окисляющих газов. [4]
История
[ редактировать ]Истоки источников химической ионизации при атмосферном давлении в сочетании с масс-спектрометрией можно найти в 1960-х годах при исследовании ионов в пламени. [12] и ионной химии в коронных разрядах до атмосферного давления. [13] Первое применение APCI в сочетании с масс-спектрометрией для химического анализа следов было осуществлено корпорацией Franklin GNO, которая в 1971 году разработала прибор, сочетающий APCI с подвижностью ионов и масс-спектрометрией. [14] Хорнинг, Кэрролл и их коллеги в 1970-х годах в Медицинском колледже Бэйлора (Хьюстон, Техас) продемонстрировали преимущества APCI для сочетающей газовой хроматографии (ГХ). [15] и жидкостная хроматография (ЖХ) [16] на масс-спектрометр. В этих исследованиях показана высокая чувствительность и простые масс-спектры. [16] Для ЖХ-МС элюат ЖХ испаряли и ионизировали в нагретом металлическом блоке. Первоначально, 63 В качестве источника электронов для ионизации использовалась никелевая фольга. В 1975 году был разработан электрод коронного разряда, обеспечивающий больший динамический диапазон отклика. [17] APCI с электродом коронного разряда стал образцом современных коммерчески доступных интерфейсов APCI. [18]
В конце 1970-х годов компания SCIEX представила систему масс-спектрометра APCI (TAGA, для анализатора следов атмосферных газов), установленную в фургоне для мобильной работы. [19] [20] обеспечение высокой чувствительности мониторинга полярной органики в атмосферном воздухе в режиме реального времени. В 1981 году была произведена версия тройного квадрупольного масс-спектрометра, позволяющая осуществлять прямой мониторинг воздуха в режиме реального времени с помощью APCI-MS/MS. Аналогичная платформа использовалась для системы SCIEX AROMIC (часть системы обнаружения контрабанды CONDOR, разработанной совместно с British Aerospace) для обнаружения наркотиков, взрывчатых веществ и алкоголя в транспортных контейнерах на пограничных переходах путем отбора проб внутреннего воздушного пространства. [21] [22]
В середине 1980-х и начале 1990-х годов преимущества проведения ЖХ/МС с использованием APCI и электрораспыления (оба метода ионизации при атмосферном давлении) начали привлекать внимание аналитического сообщества. [3] Вместе они значительно расширили роль масс-спектрометрии в фармацевтической промышленности как для разработки лекарств, так и для их открытия. Чувствительность APCI в сочетании со специфичностью ЖХ-МС и ЖХ-МС/МС часто делает его методом выбора для количественного определения лекарственных средств и их метаболитов. [23]
Преимущества
[ редактировать ]Ионизация подложки очень эффективна, поскольку происходит при атмосферном давлении и, следовательно, имеет высокую частоту столкновений. Кроме того, APCI значительно снижает термическое разложение аналита из-за быстрой десольватации и испарения капель на начальных стадиях ионизации. [4] Эта комбинация факторов чаще всего приводит к образованию ионов молекулярных видов с меньшим количеством фрагментаций, чем многие другие методы ионизации, что делает его методом мягкой ионизации. [24]
Еще одним преимуществом использования APCI перед другими методами ионизации является то, что он позволяет напрямую использовать высокие скорости потока, типичные для ВЭЖХ со стандартным отверстием (0,2–2,0 мл/мин), часто без отвода большей части объема в отходы. Кроме того, APCI часто можно выполнить в модифицированном источнике ESI . [25] Ионизация происходит в газовой фазе, в отличие от ESI, где ионизация происходит в жидкой фазе. Потенциальным преимуществом APCI является то, что в качестве раствора подвижной фазы можно использовать неполярный растворитель вместо полярного растворителя, поскольку растворитель и интересующие молекулы переходят в газообразное состояние до того, как достигнут иглы коронного разряда. Поскольку APCI предполагает газофазную химию, для ЖХ нет необходимости использовать специальные условия, такие как растворители, проводимость, pH. APCI представляется более универсальным интерфейсом ЖХ/МС и более совместимым с ЖХ с обращенной фазой, чем ESI. [24]
Приложение
[ редактировать ]APCI подходит для термостабильных образцов с молекулярной массой от низкой до средней (менее 1500 Да) и полярностью от средней до высокой. Это особенно полезно для аналитов, которые недостаточно полярны для электрораспыления. Областью применения APCI является анализ лекарственных препаратов, неполярных липидов, природных соединений, пестицидов и различных органических соединений, но он имеет ограниченное применение при анализе биополимеров, металлоорганических соединений, ионных соединений и других лабильных аналитов. [26]
См. также
[ редактировать ]- Химическая ионизация
- Коронный разряд
- Ионизация электрораспылением
- Вторичная ионизация электрораспылением
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кэрролл, ДИ; Дзидич, И.; Стиллвелл, Р.Н.; Хорнинг, МГ; Хорнинг, ЕС (1974). «Система обнаружения субпикограмм для газофазного анализа на основе масс-спектрометрии с ионизацией атмосферного давления (API)». Аналитическая химия . 46 (6): 706–710. дои : 10.1021/ac60342a009 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Ниссен, Вильфрид (2006). Жидкостная хроматография Масс-спектрометрия . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, Taylor and Francisco Group. стр. 249–250. ISBN 978-0585138503 .
- ^ Jump up to: а б Томсон, Брюс А. (1 марта 1998 г.). «Ионизация атмосферного давления и жидкостная хроматография / масс-спектрометрия - наконец-то вместе». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 9 (3): 187–193. Бибкод : 1998JASMS...9..187T . дои : 10.1016/S1044-0305(97)00285-7 . ISSN 1044-0305 . S2CID 94958269 .
- ^ Jump up to: а б с д и Эдмон де Хоффманн; Винсент Строобант (22 октября 2007 г.). Масс-спектрометрия: принципы и приложения . Уайли. ISBN 978-0-470-51213-5 .
- ^ Jump up to: а б Дасс, Чхабил (2007). Основы современной масс-спектрометрии . John Wiley & Sons, Inc. с. 47. ИСБН 978-0-471-68229-5 .
- ^ Брюинз, AP (1991). «Масс-спектрометрия с источниками ионов, работающими при атмосферном давлении». Обзоры масс-спектрометрии . 10 (1): 53–77. Бибкод : 1991MSRv...10...53B . дои : 10.1002/mas.1280100104 . ISSN 0277-7037 .
- ^ Томсон, бакалавр (2007). Гросс, Майкл; Каприоли, Ричард (ред.). Энциклопедия масс-спектрометрии Том 6 . Эльзевир. стр. 366–370. ISBN 9780080438016 .
- ^ Сюздак, Гэри (1 апреля 2004 г.). «Введение в ионизацию масс-спектрометрии: отрывок из книги «Расширяющаяся роль масс-спектрометрии в биотехнологии» . Журнал Ассоциации автоматизации лабораторий . 9 (2): 50–63. дои : 10.1016/j.jala.2004.01.004 . S2CID 111174681 . Проверено 21 апреля 2022 г.
- ^ АП, БРЮИНЗ (1 января 1994 г.). «АТМОСФЕРНО-ДАВЛЕНИЕ-ИОНИЗАЦИОННАЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ.2. ПРИМЕНЕНИЕ В ФАРМАЦИИ, БИОХИМИИ И ОБЩЕЙ ХИМИИ» . TrAC Тенденции в аналитической химии . 13 (2). ISSN 0165-9936 .
- ^ Гейтс, Пол. «Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)» . Бристольский университет, химический факультет . Архивировано из оригинала 26 ноября 2013 г. Проверено 6 декабря 2013 г. .
- ^ Бердвелл, Уильям Крейг (1 апреля 2001 г.). «Масс-спектрометрия с химической ионизацией при атмосферном давлении для анализа липидов». Липиды . 36 (4): 327–346. дои : 10.1007/s11745-001-0725-5 . ISSN 0024-4201 . ПМИД 11383683 . S2CID 4017177 .
- ^ Новстабб, ПФ; Сагден, ТМ (1960). «Масс-спектрометрические исследования ионизации в пламени. I. Спектрометр и его применение для ионизации в водородном пламени». Учеб. Р. Сок. Лонд . А255 (1283): 520–535. Бибкод : 1960RSPSA.255..520K . дои : 10.1098/rspa.1960.0084 . S2CID 94083794 .
- ^ Шахин, ММ (1966). «Масс-спектрометрические исследования коронных разрядов в воздухе при атмосферном давлении» . Дж. Хим. Физ . 45 (7): 2600–2605. Бибкод : 1966ЖЧФ..45.2600С . дои : 10.1063/1.1727980 .
- ^ Коллинз, округ Колумбия; Ли, ML (2002). «Развития в масс-спектрометрии подвижности ионов» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 372 (1): 66–73. дои : 10.1007/s00216-001-1195-5 . ПМИД 11939214 . S2CID 29195651 .
В начале 1971 года, когда IMS стали называть плазменной хроматографией (ПК), корпорация Franklin GNO разработала первый коммерческий спектрометр-масс-спектрометр ионной подвижности (IMS-MS) и продемонстрировала его использование в качестве детектора для идентификации и анализа следовых количеств. кислородсодержащих соединений (т.е. 1-октанола и 1-нонанола).
- ^ Хорнинг, ЕС; Хорнинг, МГ; Кэрролл, ДИ; Дзидич, И.; Стиллвелл, Р.Н. (1 мая 1973 г.). «Новая система обнаружения пикограмм на основе масс-спектрометра с внешним источником ионизации при атмосферном давлении». Аналитическая химия . 45 (6): 936–943. дои : 10.1021/ac60328a035 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Jump up to: а б Хорнинг, ЕС; Кэрролл, ДИ; Дзидич, И.; Хегеле, К.Д.; Хорнинг, МГ; Стиллвелл, Р.Н. (1 ноября 1974 г.). «Масс-спектрометрия с ионизацией атмосферного давления (API). Ионизация растворителем образцов, введенных в раствор и в поток выходящего потока жидкостного хроматографа». Журнал хроматографической науки . 12 (11): 725–729. дои : 10.1093/chromsci/12.11.725 . ISSN 0021-9665 . ПМИД 4424244 .
- ^ Кэрролл, ДИ; Дзидич, И.; Стиллвелл, Р.Н.; Хегеле, К.Д.; Хорнинг, ЕС (1 декабря 1975 г.). «Масс-спектрометрия с ионизацией атмосферного давления. Источник ионов коронного разряда для использования в жидкостном хроматографе-масс-спектрометре-компьютерной аналитической системе». Аналитическая химия . 47 (14): 2369–2373. дои : 10.1021/ac60364a031 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Бердвелл, Уильям Крейг (1 апреля 2001 г.). «Масс-спектрометрия с химической ионизацией при атмосферном давлении для анализа липидов». Липиды . 36 (4): 327–346. дои : 10.1007/s11745-001-0725-5 . ISSN 0024-4201 . ПМИД 11383683 . S2CID 4017177 .
- ^ Каппиелло, Ахилле (2007). Достижения в области приборов для ЖХ-МС . Нидерланды: Эльзевир. стр. 11–26. ISBN 9780444527738 .
- ^ Томсон, Бакалавр; Дэвидсон, WR; Ловетт, AM (1980). «Применение универсального метода анализа следов: химическая ионизация при отрицательном атмосферном давлении» . Перспективы гигиены окружающей среды . 36 : 77–84. дои : 10.1289/ehp.803677 . ПМЦ 1637749 . ПМИД 6775945 .
- ^ Пасилис, Софи П.; Ван Беркель, Гэри Дж. (2010). «Современные методы отбора проб с поверхности атмосферного давления/ионизации» . В Транторе, Джордж Э.; Коппенаал, Дэвид В. (ред.). Энциклопедия спектроскопии и спектрометрии . Лондон: Джон Линдон. стр. 819–829. ISBN 9780080922171 .
- ^ Правительство Канады, Служба государственных услуг и закупок Канады (1991 год). «Отбор проб на месте и обнаружение частиц наркотиков» (PDF) . публикации.gc.ca . Проверено 21 апреля 2022 г.
- ^ Тейлор, Лестер CE; Джонсон, Роберт Л.; Расо, Роберто (1 мая 1995 г.). «Масс-спектрометрия с химической ионизацией при атмосферном давлении в открытом доступе для рутинного анализа проб». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 6 (5): 387–393. дои : 10.1016/1044-0305(94)00124-1 . ISSN 1044-0305 . ПМИД 24214220 .
- ^ Jump up to: а б Заикин Владимир Георгиевич; Халкет, Джон М. (2017). «Дериватизация в масс-спектрометрии - 8. Масс-спектрометрия с мягкой ионизацией малых молекул». Европейский журнал масс-спектрометрии . 12 (2): 79–115. дои : 10.1255/ejms.798 . ISSN 1469-0667 . ПМИД 16723751 . S2CID 34838846 .
- ^ Холчапек, Михал; Хираско, Роберт; Лиза, Мирослав (2012). «Последние разработки в области жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии и связанных с ними методов». Журнал хроматографии А. 1259 : 3–15. дои : 10.1016/j.chroma.2012.08.072 . ISSN 0021-9673 . ПМИД 22959775 .
- ^ Холчапек, Михал; Хираско, Роберт; Лиза, Мирослав (18 июня 2010 г.). «Основные правила интерпретации масс-спектров ионизации малых молекул при атмосферном давлении». Журнал хроматографии А. Масс-спектрометрия: инновации и применение. Часть VI. 1217 (25): 3908–3921. дои : 10.1016/j.chroma.2010.02.049 . ПМИД 20303090 .
| Источник ионов | |
|---|---|
| Масс-анализатор | |
| Детектор | |
| Комбинация МС | |
| Фрагментация | |
