Atmosfäriskt tryck fotojonisering

Atmosfäriskt tryck fotojoniseringskammare

Atmosfäriskt tryck fotojonisering (APPI) är en mjuk joniseringsmetod som används inom masspektrometri (MS) vanligtvis kopplad till vätskekromatografi (LC). Molekyler joniseras med hjälp av en vakuum ultraviolett (VUV) ljuskälla som arbetar vid atmosfärstryck (105 Pa), antingen genom direkt absorption följt av elektronejektion eller genom jonisering av en dopningsmolekyl som leder till kemisk jonisering av målmolekyler. Provet är vanligtvis en lösningsmedelsspray som förångas genom nebulisering och värme. Fördelen med APPI är att den joniserar molekyler över ett brett polaritetsområde och är särskilt användbar för jonisering av lågpolaritetsmolekyler för vilka andra populära joniseringsmetoder såsom elektrosprayjonisering (ESI) och kemisk jonisering vid atmosfärstryck (APCI) är mindre lämpliga. Den är också mindre benägen för jonundertryckning och matriseffekter jämfört med ESI och APCI och har vanligtvis ett brett linjärt dynamiskt område. Tillämpningen av APPI med LC/MS används ofta för analys av petroleumföreningar, bekämpningsmedel, steroider och läkemedelsmetaboliter som saknar polära funktionella grupper och används i stor utsträckning för omgivande jonisering, särskilt för detektering av explosiva ämnen i säkerhetsapplikationer.

Instrumentkonfiguration

Figuren visar huvudkomponenterna i en APPI-källa: en nebulisatorsond som kan värmas upp till 350-500 °C, en joniseringsområde med en VUV -fotonkälla och en jonöverföringsområde under mellantryck som introducerar joner i MS-analysatorn . Analyten/analyterna i lösning från HPLC strömmar in i nebulisatorn med en flödeshastighet som kan variera från μL/min till ml/min. Vätskeflödet förångas genom nebulisering och värme. Det förångade provet går sedan in i VUV-källans strålningszon. Provjoner kommer sedan in i MS-gränssnittsregionen, ofta en kapillär genom kombinationen av en minskande tryckgradient och elektriska fält.

APPI har utvecklats kommersiellt som dubbla joniseringskällor, vanligare med APCI, men också med ESI.

Joniseringsmekanismer

Fotojoniseringsmekanismen förenklas under vakuumförhållanden: fotonabsorption av analytmolekylen, vilket leder till elektronejektion, vilket bildar en molekylär radikalkatjon, M • ⁺ . Denna process liknar elektronjonisering som är vanlig för GC/MS, förutom att joniseringsprocessen är mjuk, dvs mindre fragmentering. I den atmosfäriska regionen av ett LC/MS-system blir joniseringsmekanismen mer komplex. Jonernas oförutsägbara öde är i allmänhet skadligt för LC/MS-analys, men som de flesta processer, när de väl förstås bättre, kan dessa egenskaper utnyttjas för att förbättra prestanda. Till exempel, rollen som dopämne i APPI, som först utvecklades och patenterades för den atmosfäriska jonkällan för jonmobilitetsspektrometri (IMS), anpassades till APPI för LC/MS. De grundläggande APPI-mekanismerna kan sammanfattas med följande schema:

Direkt positiv jon APPI

M + hν → M •+ + e -	Analytmolekylen M joniseras till en molekylradikaljon M • + . Radikalkatjonen kan sedan abstrahera en H-atom från det rikliga lösningsmedlet för att bilda [M+H] + .
M •+ + S → [M + H] + + S[-H] •	Väteuttag från lösningsmedel

Dopnings- eller lösningsmedelsassisterad positiv jon APPI

D + hν → D •+ + e −	Ett fotojoniserbart dopningsmedel eller lösningsmedel D levereras i stor koncentration för att ge många D • + -joner. Fotojoniserbara lösningsmedelsmolekyler uppnår samma effekt.
D •+ + M → → [M+H] + + D[-H] • ·	D •+ joniserar analyt M genom protonöverföring
D •+ + M → → M •+ + D	D •+ joniserar analyt M genom elektronöverföring

Den grundläggande processen vid fotojonisering är absorptionen av en högenergifoton av molekylen och efterföljande utstötning av en elektron. I direkt APPI sker denna process för analytmolekylen och bildar den molekylära radikalen katjon M* ⁺ . Analytradikalkatjonen kan detekteras som M ^•+ eller så kan den reagera med omgivande molekyler och detekteras som en annan jon. Den vanligaste reaktionen är utvinningen av en väteatom från det rikliga lösningsmedlet för att bilda den stabila [M+H] ⁺ katjonen, som vanligtvis är den observerade jonen.

I dopningsmedel-APPI (eller fotojoniseringsinducerad APCI) införs en mängd fotojoniserbara molekyler (t.ex. toluen eller aceton) i provströmmen för att skapa en källa för laddningsbärare. Användning av ett fotojoniserbart lösningsmedel kan också uppnå samma effekt. Dopnings- eller lösningsmedeljonerna kan sedan reagera med neutrala analytmolekyler via protonöverförings- eller laddningsutbytesreaktioner. Ovanstående tabell förenklar dopningsprocessen. Faktum är att det kan finnas omfattande jon-molekylkemi mellan dopningsmedel och lösningsmedel innan analyten blir joniserad. APPI kan också producera negativa joner genom att skapa ett stort överflöd av termiska elektroner från jonisering av dopmedel eller lösningsmedel eller genom att fotoner träffar metallytor i joniseringskällan. Kaskaden av reaktioner som kan leda till M ⁻ eller dissociativa negativa joner [MX] ⁻ involverar ofta O ₂ som en elektronladdningsbärare. Exempel på negativa joniseringsmekanismer inkluderar:

Direkt eller dopningsassisterad negativ jon APPI

M + O 2 •− → [M − H] − + HO 2 •	Deprotonering med superoxid O 2 •−
M + e – → M –	Elektroninfångning
M + O 2 •− → M − + O 2 M + O 2 •− → (M − X) − + X • + O 2 M + O 2 •− → (M − X + O) − + OX • Där X = H, Cl, Br eller NO 2	Elektronöverföring Dissociativ elektronöverföring Dissociativ elektroninfångning och substitution
M + X – → [M + X] –         där X = Br, Cl eller OAc	Anjonfästning

Historia

Fotojonisering har en lång historia av användning i masspektrometriexperiment, dock mestadels för forskningsändamål och inte för känsliga analytiska tillämpningar. Pulsade lasrar har använts för icke-resonant multifotonjonisering (MPI), resonansförstärkt MPI (REMPI) med avstämbara våglängder och enkelfotonjonisering med användning av summafrekvensgenerering i icke-linjära medier (vanligtvis gasceller)., Icke-laser källor till fotojonisering inkluderar urladdningslampor och synkrotronstrålning. De förra källorna var inte anpassningsbara till högkänsliga analytiska tillämpningar på grund av låg spektral ljusstyrka i det förra fallet och stor "anläggningsstorlek" i det senare fallet. Samtidigt har fotojonisering använts för GC-detektion och som en källa för jonmobilitetsspektrometri i många år, vilket tyder på potentialen för användning inom masspektrometri.

Den första utvecklingen av APPI för LC/MS rapporterades av Robb, Covey och Bruins och av Syage, Evans och Hanold 2000. APPI-källor kommersialiserades kort därefter av Syagen Technology och gjordes tillgängliga för de flesta kommersiella MS-system och av Sciex för deras linje av MS-instrument. Parallellt med utvecklingen av APPI var en liknande användning av en VUV-källa för lågtrycksfotojonisering (LPPI) av Syage och medarbetare som accepterade gasfasprover vid atmosfärstryck men trappade ner trycket för jonisering till cirka 1 torr (~100 Pa) innan ytterligare tryckreduktion för införande i en MS-analysator. Denna fotojoniseringsmetod är väl lämpad som ett gränssnitt mellan gaskromatografi (GC) och MS.

Fördelar

APPI används mest för LC/MS även om det nyligen har funnit utbredd användning i omgivande applikationer som detektion av explosiva ämnen och narkotikaföreningar för säkerhetsapplikationer med jonmobilitetsspektrometri. Jämfört med de mer vanligt förekommande joniseringskällorna ESI och APCI, joniserar APPI ett bredare spektrum av föreningar med fördelen som ökar mot den opolära änden av skalan. Den har också relativt låg känslighet för jonundertryckning och matriseffekter, vilket gör APPI mycket effektivt för att detektera föreningar kvantitativt i komplexa matriser. APPI har andra fördelar inklusive ett bredare linjärt område och dynamiskt omfång än ESI som ses av exemplet i den vänstra bilden. Den är också generellt mer selektiv än APCI med reducerade bakgrundjonsignaler som visas i den högra bilden. Det senare exemplet belyser också fördelen med APPI vs. ESI genom att HPLC-förhållandena var för icke-polär normalfas i detta fall med användning av n-hexanlösningsmedel. ESI kräver polära lösningsmedel och ytterligare hexan kan utgöra en antändningsrisk för ESI och APCI som använder höga spänningar. APPI fungerar bra under normalfasförhållanden eftersom många av lösningsmedlen är fotojoniserbara och fungerar som dopningsjoner, vilket möjliggör specialiserade tillämpningar såsom separation av enantiomerer (höger figur).

När det gäller tillämpbarhet på ett intervall av HPLC-flödeshastigheter, har signalnivån för analyter av APPI observerats att mätta och till och med avta vid högre lösningsmedelsflöden (över 200 μl/min), och därför rekommenderas mycket lägre flödeshastigheter för APPI än för ESI och APCI. Detta har föreslagits bero på absorption av fotoner genom den ökande tätheten av lösningsmedelsmolekyler. Detta leder dock till fördelen att APPI kan sträcka sig till mycket låga flödeshastigheter (t.ex. 1 μL/min domän) vilket möjliggör effektiv användning med kapillär LC och kapillär-elektrofores.

Ansökan

Appliceringen av APPI med LC/MS används ofta för analys av lågpolaritetsföreningar såsom petroleum, polyatomära kolväten, bekämpningsmedel, steroider, lipider och läkemedelsmetaboliter som saknar polära funktionella grupper. Utmärkta recensionsartiklar finns i referenserna.

APPI har också använts effektivt för omgivande joniseringstillämpningar som lånar ut sig till flera praktiska konfigurationer. En konfiguration benämnd Desorption APPI (DAPPI) utvecklades av Haapala et al. och är avbildad i figuren här. Denna enhet har använts för analys av missbruk av droger i olika fasta faser, läkemedelsmetaboliter och steroider i urin, bekämpningsmedel i växtmaterial, etc. APPI har också kopplats till en DART-källa (direkt analys i realtid) och visat för icke-polära föreningar såsom steroider och bekämpningsmedel för att förbättra signalen med upp till en storleksordning för N2-flöde, vilket är att föredra för DART eftersom det är betydligt billigare och lättare att generera än den högre presterande användningen av He. Kommersiella APPI-källor har också anpassats för att acceptera en insättbar provtagningssond som kan leverera eller flytande eller fast prov till nebulisatorn för förångning och jonisering. Denna konfiguration liknar atmospheric solid analysis probe (ASAP) som är baserad på användningen av APCI och därför kallas APPI-ASAP. Fördelarna med APPI-ASAP vs. APCI-ASAP liknar de som observerats i LC/MS, nämligen högre känslighet för föreningar med lägre polaritet och mindre bakgrundssignal för prover i komplexa matriser. Så mycket som omgivande jonisering har fått en renässans under det senaste decenniet eller så, i själva verket har denna applikation praktiserats inom säkerhetsindustrin i många decennier. Kom bara ihåg pinnprovsdetektionerna som vi alla har upplevt på flygplatser. Svabbarna samlar upp kondenserat fasmaterial från ytor och sätts sedan in i en termisk desorber- och jonisatorenhet som sedan rinner in i jondetektorn, som i de flesta fall är en jonmobilitetsspektrometer (IMS), men i senare fall har de varit MS-analysatorer. En bild av ett swab-APPI-IMS-system som används på flygplatser och andra säkerhetsplatser ges i den vänstra bilden

Faktum är att ett swab-APPI-MS-system designat för att detektera explosiva ämnen och narkotika för säkerhetsapplikationer fungerar mycket bra för alla typer av omgivningsanalyser med hjälp av en provtagningsstav och en svabb (höger figur). En speciell demonstration (opublicerad) visade utmärkt känslighet och specificitet för detektion av bekämpningsmedelsföreningar på en mängd olika frukter och grönsaker och visade detektionsgränser för 37 prioriterade bekämpningsmedel som sträckte sig från 0,02 till 3,0 ng långt under säkra gränser.

Se även

• Kemisk jonisering
• Corona urladdning
• Elektrosprayjonisering
• Sekundär elektrosprayjonisering
• Atmosfäriskt tryck kemisk jonisering