Bezpośrednia analiza w czasie rzeczywistym

W spektrometrii mas bezpośrednia analiza w czasie rzeczywistym ( DART ) jest źródłem jonów , które wytwarza elektronicznie lub wibronicznie wzbudzone formy z gazów , takich jak hel, argon lub azot, które jonizują cząsteczki atmosfery lub cząsteczki domieszki . Jony generowane z cząsteczek atmosfery lub domieszek przechodzą reakcje jonowo-cząsteczkowe z cząsteczkami próbki, tworząc jony analitu. Anality o niskiej energii jonizacji mogą być bezpośrednio jonizowane. Proces jonizacji DART może wytwarzać jony dodatnie lub ujemne w zależności od potencjału przyłożonego do elektrody wyjściowej.

Ta jonizacja może wystąpić w przypadku gatunków zdesorbowanych bezpośrednio z powierzchni, takich jak banknoty, tabletki, płyny ustrojowe (krew, ślina i mocz), polimery, szkło, liście roślin, owoce i warzywa, odzież i żywe organizmy. DART jest stosowany do szybkiej analizy szerokiej gamy próbek pod ciśnieniem atmosferycznym oraz w otwartym środowisku laboratoryjnym. Nie wymaga specjalnego przygotowania próbki, dzięki czemu może być stosowany do analizy próbek stałych, ciekłych i gazowych w ich stanie natywnym.

Za pomocą DART można szybko wykonać dokładne pomiary masy za pomocą spektrometrów mas o wysokiej rozdzielczości. Spektrometria mas DART była wykorzystywana w zastosowaniach farmaceutycznych, badaniach kryminalistycznych, kontroli jakości i badaniach środowiskowych.

Historia

DART powstał w wyniku rozmów między Laramee i Cody'm na temat opracowania źródła jonów pod ciśnieniem atmosferycznym, które zastąpiłoby źródła radioaktywne w ręcznych wykrywaczach broni chemicznej. DART został opracowany pod koniec 2002 i na początku 2003 roku przez Cody i Laramee jako nowy proces jonizacji pod ciśnieniem atmosferycznym i wniosek patentowy w USA został złożony w kwietniu 2003 r. Chociaż rozwój DART faktycznie wyprzedził źródło jonów z desorpcyjną jonizacją przez elektrorozpylanie (DESI), początkowa publikacja DART pojawiła się dopiero wkrótce po publikacji DESI, a oba źródła jonów zostały publicznie przedstawione z powrotem -do tyłu prezentacje RG Cooks i RB Cody na konferencji ASMS Sanibel w styczniu 2005 r. DESI i DART są uważane za pionierskie techniki w dziedzinie jonizacji otoczenia , ponieważ działają w otwartym środowisku laboratoryjnym i nie wymagają wstępnej obróbki próbki. W przeciwieństwie do ciekłego sprayu używanego przez DESI, gaz jonizujący ze źródła jonów DART zawiera suchy strumień zawierający w stanie wzbudzonym .

Zasada działania

Proces jonizacji

Tworzenie gatunków metastabilnych

Gdy gaz (M) wchodzi do źródła jonów , przykładany jest potencjał elektryczny w zakresie od +1 do +5 kV w celu wytworzenia wyładowania jarzeniowego. Plazma z wyładowaniami jarzeniowymi zawiera krótkotrwałe związki energetyczne, w tym elektrony, jony i ekscymery. Rekombinacja jonowo-elektronowa prowadzi do powstania długotrwałych atomów lub cząsteczek obojętnych w stanie wzbudzonym ( metastabilne , M*) w płynącym obszarze poświaty . Gaz DART można podgrzać od temperatury pokojowej (RT) do 550°C, aby ułatwić desorpcję cząsteczek analitu. Ogrzewanie jest opcjonalne, ale może być konieczne w zależności od analizowanej powierzchni lub substancji chemicznej. Ogrzany strumień metastabilnych substancji gazowych przechodzi przez porowatą elektrodę wyjściową, która jest nastawiona na dodatni lub ujemny potencjał w zakresie od 0 do 530 V. Gdy elektroda wyjściowa jest nastawiona na potencjał dodatni, usuwa ze strumienia gazu elektrony i jony ujemne utworzone w wyniku jonizacji Penninga , aby zapobiec rekombinacji jon/elektron i utracie jonów. Jeśli elektroda wyjściowa jest spolaryzowana do potencjału ujemnego, elektrony mogą być generowane bezpośrednio z materiału elektrody przez powierzchniową jonizację Penninga. Nasadka izolacyjna na końcówce źródła jonów chroni operatora przed obrażeniami.

${\ Displaystyle {\ ce {{M} + energia-> {M ^ {\ ast}}}}}$

DART może być używany do analizy próbek stałych, ciekłych lub gazowych. Ciecze są zazwyczaj analizowane przez zanurzenie przedmiotu (takiego jak szklany pręt) w próbce cieczy, a następnie skierowanie go do źródła jonów DART. Pary są wprowadzane bezpośrednio do strumienia gazu DART.

Schemat ideowy źródła jonów DART

Tworzenie jonów dodatnich

Gdy metastabilne atomy gazu nośnego (M*) uwolnią się ze źródła, inicjują jonizację Penninga azotu, wody atmosferycznej i innych związków gazowych. Chociaż niektóre związki mogą być jonizowane bezpośrednio przez jonizację Penninga, najczęstszy mechanizm tworzenia jonów dodatnich w DART obejmuje jonizację wody atmosferycznej.

${\ Displaystyle {\ ce {{M ^ {\ ast}} + {N2} -> {M} + {N2} ^ {+ \ punktor} + mi ^ {-}}}}$

${\ Displaystyle {\ ce {{M ^ {\ ast}} + {H2O} -> {M} + {H2O}^{+\bullet}+e^{-}}}}$

Chociaż dokładny mechanizm powstawania jonów nie jest jasny, woda może być bezpośrednio jonizowana przez jonizację Penninga. Inną propozycją jest to, że woda jest jonizowana przez ten sam mechanizm, który został zaproponowany dla jonizacji chemicznej pod ciśnieniem atmosferycznym

${\ Displaystyle {\ ce {{N2 ^ {+ \ punktor}} + {2N2} -> {N4 +} + {N2}}}}$

${\ Displaystyle {\ ce {{N4 ^ {+ \ punktor}} + {H2O} -> {2N2} + {H2O} ^ {+ \ punktor} }}}$

Zjonizowana woda może podlegać dalszym reakcjom jonowo-cząsteczkowym, tworząc protonowane skupiska wody ( [(H
₂ O)
_n H] ⁺
).

${\ Displaystyle {\ ce {{H2O ^ {+ \ punktor}} + {H2O} -> {H3O +} + {OH ^ {\ punktor} }}}}$

${\ Displaystyle {\ ce {{H3O ^ {+}} + {\ mathit {n}} H2O-> {[ {{\mathit {n}}H2O}+H]}^{+}}}}$

Strumień protonowanych klastrów wody działa jako drugorzędne gatunki jonizujące i generuje jony analitów za pomocą mechanizmów jonizacji chemicznej pod ciśnieniem atmosferycznym. Tutaj może wystąpić protonowanie , deprotonowanie , bezpośrednie przenoszenie ładunku i tworzenie jonów addukcyjnych .

${\ Displaystyle {\ ce {{S} + {[{{\ mathit {n}} H2O} + H]} ^ {+}-> {[{S} + H]} ^ {+} + {\ mathit {n}} H2O}}} N 4 + ∙$

$\ ce {{N4} ^ {+ \ punktor} + S-> {2N2} + S ^ {+ \ punktor}}}} O 2 + ∙ + S$

${{ O2} ^ {+ \ punktor} + S-> {O2} + S ^ {+ \ punktor}}}}$

${\ Displaystyle {\ ce {{NIE ^ {+}} + S-> {NIE} + S ^ {+ \ punktor}}}}$

${\ Displaystyle {\ ce {{[NH4] ^ {+}} + S->{[{S}+NH4]}^{+}}}}$

Metastabilne atomy argonu nie mają wystarczającej energii wewnętrznej do jonizacji wody, więc jonizacja DART gazowym argonem wymaga użycia domieszki.

Tworzenie jonów ujemnych

W trybie jonów ujemnych potencjał wyjściowej elektrody siatki można ustawić na potencjały ujemne. Elektrony Penninga przechodzą wychwytywanie elektronów z tlenem atmosferycznym w celu wytworzenia O ₂ ⁻ . O ₂ ⁻ będzie wytwarzać rodnikowe aniony. W zależności od analitu możliwych jest kilka reakcji.

${\ Displaystyle {\ ce {{O2} + {e} ^ {-} -> {O2} ^ {- \ punktor}}}}$

${\ Displaystyle {\ ce {{O2} ^ {- \ punktor} + {S} -> {S} ^ {- \ punktor} + O2}}}$

${ \ Displaystyle {\ ce {{S} + {e} ^ {-} -> {S} ^ {- \ punktor}}}}$

${\ Displaystyle {\ ce {{SX } + {e} ^ {-} -> {S} ^ {-} + {X} ^ {\ punktor}}}} SH$

$\ Displaystyle {\ ce {{SH }-> {[SH]}^{-}+ {H}^{+}}}}$

Czułość gazów DART na jony ujemne zmienia się wraz z wydajnością tworzenia elektronów przez jonizację Penninga, co oznacza, że ​​czułość na jony ujemne wzrasta wraz z energią wewnętrzną związków metastabilnych, na przykład azotᐸneonᐸhel.

Oprzyrządowanie

Źródło do interfejsu analizatora

Kapsułka poddawana analizie jest trzymana w komorze próbki między źródłem jonów DART (po prawej) a wlotem spektrometru (stożek po lewej) .

Jony analitu powstają pod ciśnieniem otoczenia podczas jonizacji Penninga i chemicznej. Analiza spektrometrii mas odbywa się jednak w warunkach wysokiej próżni . Dlatego jony wchodzące do spektrometru mas najpierw przechodzą przez interfejs źródło-analizator (interfejs próżni), który został zaprojektowany w celu połączenia obszaru ciśnienia atmosferycznego z próżnią spektrometru mas . Minimalizuje również zanieczyszczenie spektrometru.

W oryginalnym interfejsie ciśnienia atmosferycznego JEOL używanym w DART, jony są kierowane do przewodnika jonów przez (zewnętrzne) i (wewnętrzne) otwory odpieniacza poprzez zastosowanie niewielkiej różnicy potencjałów między nimi: otwór і: 20 V i otwór іі: 5 V Wyrównanie dwóch otworów jest przesunięte w celu wychwytywania neutralnych zanieczyszczeń i ochrony obszaru wysokiej próżni. Naładowane cząsteczki (jony) są kierowane do drugiego otworu przez pośrednią cylindryczną elektrodę („soczewkę pierścieniową”), ale cząsteczki obojętne poruszają się po prostej drodze, a zatem nie mają możliwości wejścia do przewodnika jonów. Neutralne zanieczyszczenia są następnie usuwane przez pompę.

Źródło DART może pracować w trybie desorpcji powierzchniowej lub w trybie transmisji. W zwykłym trybie desorpcji powierzchniowej próbkę umieszcza się w taki sposób, aby strumień jonów reaktywnego odczynnika DART mógł płynąć na powierzchnię, jednocześnie umożliwiając przepływ zdesorbowanych jonów analitu do granicy faz. Dlatego ten tryb wymaga, aby strumień gazu ocierał się o powierzchnię próbki i nie blokował przepływu gazu do otworu próbkującego spektrometru mas. Natomiast tryb transmisji DART (tm-DART) wykorzystuje wykonany na zamówienie uchwyt próbki i wprowadza próbkę w ustalonej geometrii.

Schemat ideowy trybu transmisji DART

Sprzężenie z technikami separacji

DART można łączyć z wieloma technikami separacji. Płytki do chromatografii cienkowarstwowej (TLC) analizowano umieszczając je bezpośrednio w strumieniu gazu DART. Chromatografię gazową przeprowadzono przez sprzęganie do chromatografii gazowej bezpośrednio ze strumieniem gazu DART przez ogrzewany interfejs. Eluat z wysokociśnieniowej chromatografu cieczowego ( HPLC ) można również wprowadzić do strefy reakcji źródła DART i poddać analizie. DART można połączyć z elektroforezą kapilarną (CE), a eluat CE jest kierowany do spektrometru mas przez źródło jonów DART.

Widma masowe

W trybie jonów dodatnich DART wytwarza głównie cząsteczki protonowane [M+H] ⁺ , aw trybie jonów ujemnych cząsteczki zdeprotonowane [MH] ⁻ . Zarówno negatywny, jak i pozytywny tryb DART zapewnia stosunkowo proste widma masowe. W zależności od rodzaju analitu mogą powstawać inne rodzaje, takie jak wielokrotnie naładowane addukty . DART jest klasyfikowany jako technika miękkiej jonizacji. W przypadku niektórych cząsteczek rzadko można zaobserwować fragmentację.

Widmo czerwonego atramentu źródła DART

Zastosowanie DART w porównaniu z tradycyjnymi metodami minimalizuje ilość próbek, ich przygotowanie, eliminuje etapy ekstrakcji, skraca czas detekcji i analizy. Zapewnia również szeroki zakres czułości, jednoczesne oznaczanie analitów wielolekowych i wystarczającą dokładność masy do oznaczania formulacji.

Źródło jonów DART jest rodzajem jonizacji w fazie gazowej i wymaga pewnego rodzaju lotności analitu, aby wspierać wspomaganą termicznie desorpcję jonów analitu. Ogranicza to zakres wielkości cząsteczek, które mogą być analizowane przez DART, tj. m/z od 50 do 1200. DART-MS umożliwia analizę półilościową i ilościową. Aby przyspieszyć uwalnianie próbki z powierzchni, strumień gazu DART jest zwykle podgrzewany do temperatury w zakresie 100-500 °C i operacja ta może być wykorzystana do analizy zależnej od temperatury.

Aplikacje

DART jest stosowany w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle perfumeryjnym, przemyśle farmaceutycznym, żywności i przyprawach, kryminalistyce i zdrowiu, analizie materiałów itp.

W kryminalistyce DART jest używany do analizy materiałów wybuchowych, środków bojowych , narkotyków, atramentów i dowodów napaści na tle seksualnym. W sektorze klinicznym i farmaceutycznym DART jest wykorzystywany do analizy płynów ustrojowych, takich jak krew, osocze, mocz itp., oraz do badania tradycyjnych leków. DART może również wykrywać skład w medycynie w postaci tabletek, ponieważ nie ma potrzeby przygotowywania próbki, takiej jak kruszenie lub ekstrakcja.

W przemyśle spożywczym DART zapewnia ocenę jakości i autentyczności żywności. Znajduje również zastosowanie w analizie mykotoksyn w napojach, półilościowej analizie kofeiny, monitorowaniu przyspieszonego termicznie rozkładu olejów roślinnych i wielu innych analizach bezpieczeństwa żywności. W przemyśle wytwórczym do określania osadzania się i uwalniania zapachu na powierzchniach, takich jak tkaniny i włosy oraz barwniki w tekstyliach, często stosuje się DART.

DART jest używany w analizie środowiskowej. Na przykład analiza organicznych filtrów UV w wodzie, zanieczyszczeń w glebie, produktach ropopochodnych i aerozolach itp. DART odgrywa również ważną rolę w badaniach biologicznych. Umożliwia badanie profili chemicznych roślin i organizmów.

Zobacz też

• Jonizacja otoczenia
• Desorpcyjna jonizacja przez elektrorozpylanie
• Elektryczne wyładowanie jarzeniowe
• Jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym
• Fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym
• Desorpcyjna fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym

Patenty

• Robert B. Cody i James A. Laramee, „Metoda jonizacji pod ciśnieniem atmosferycznym”, patent USA nr 6 949 741 wydany 27 września 2005 r. (Data pierwszeństwa: kwiecień 2003 r.).
• James A. Laramee i Robert B. Cody „Metoda jonizacji analitu pod ciśnieniem atmosferycznym” Patent USA 7 112 785 wydany 26 września 2006 r.