Sonda jonizacji przez elektrorozpylanie
Sonda do jonizacji przez elektrorozpylanie (PESI) to technika jonizacji otoczenia oparta na elektrorozpylaniu , która jest połączona ze spektrometrią mas do analizy próbek. W przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł jonów spektrometrii mas, które muszą być utrzymywane w próżni, techniki jonizacji otoczenia umożliwiają jonizację próbki w warunkach otoczenia, co pozwala na wysokowydajną analizę próbek w ich stanie natywnym, często z minimalną wstępną obróbką próbki lub bez niej. Źródło jonów PESI składa się po prostu z igły, do której po pobraniu próbki przykładane jest wysokie napięcie, inicjujące elektrorozpylanie bezpośrednio z litej igły.
Historia
Jonizacja przez elektrorozpylanie sondy jest techniką spektrometrii mas z jonizacją otoczenia, opracowaną przez profesora Kenzo Hiraokę i in. na Uniwersytecie Yamanashi w Japonii. Technika została opracowana w celu rozwiązania niektórych problemów związanych z tradycyjną jonizacją przez elektrorozpylanie (ESI), w tym zatykania kapilary i zanieczyszczenia, zapewniając jednocześnie możliwość szybkiej i bezpośredniej analizy próbek. Od początkowej koncepcji opracowano różne zmodyfikowane formy źródła jonów PESI, a system PESI-MS został skomercjalizowany przez firmę produkującą instrumenty Shimadzu .
Zasada działania
Źródło jonów PESI składa się z litej igły lub drutu, który działa zarówno jako sonda próbkująca, jak i emiter elektrorozpylania. Igła porusza się w górę iw dół wzdłuż osi pionowej, proces ten może być zautomatyzowany lub ręczny. Gdy igła jest opuszczona do etapu pobierania próbki, czubek igły dotyka na krótko powierzchni typowej próbki cieczy. Na tym etapie igła jest utrzymywana na potencjale masy. Igła jest następnie podnoszona do poziomu wlotu spektrometru mas, gdzie przykładane jest wysokie napięcie 2-3 kV. Elektrorozpylanie jest indukowane na końcu igły, wytwarzając jony analitu, które są wciągane do spektrometru mas w celu analizy. Uważa się, że mechanizm powstawania jonów jest identyczny jak w przypadku tradycyjnej jonizacji przez elektrorozpylanie. W rezultacie w trybie jonów dodatnich anality są często obserwowane jako jony protonowane, sodowane i wzmacniane, w zależności od próbki i rodzaju analitu.
.png)
Chociaż ilość próbki pobranej przez igłę w dużej mierze zależy od lepkości próbki, oszacowano, że zazwyczaj zużywa się zaledwie kilka pikolitrów roztworu próbki.
Z tego powodu technikę tę można zastosować do próbek o małych rozmiarach, co jest szczególnie idealne, gdy dostępne są ograniczone ilości próbek. Ponieważ tak mała ilość próbki jest pobierana i całkowicie wyczerpana podczas procesu jonizacji, problemy z zanieczyszczeniem są znacznie ograniczone. Ponadto proces pobierania próbek i jonizacji trwa zaledwie kilka sekund, dzięki czemu PESI-MS nadaje się do analiz o wysokiej przepustowości.
Jonizacja sekwencyjna
Interesującym zjawiskiem obserwowanym w sondowej jonizacji przez elektrorozpylanie jest sekwencyjna i wyczerpująca jonizacja analitów o różnej aktywności powierzchniowej. Podczas opracowywania PESI odkryto, że anality mogą być sekwencyjnie jonizowane w trakcie elektrorozpylania, umożliwiając w ten sposób czasowe rozdzielenie składników w próbce. W normalnym ESI roztwór próbki jest zwykle dostarczany w sposób ciągły przez kapilarę, a naładowane kropelki zawierają wszystkie składniki próbki, przy czym więcej analitów powierzchniowo czynnych jest stale preferencyjnie jonizowanych. W PESI anality powierzchniowo czynne są również preferencyjnie jonizowane. Ponieważ jednak na czubku igły znajduje się skończona kropla, po wyczerpaniu analitów powierzchniowo czynnych, pozostałe składniki kropli można następnie zjonizować i obserwować. Może to skutkować wytworzeniem wyraźnie różnych widm masowych z pojedynczej próbki po przyłożeniu wysokiego napięcia przez zaledwie kilka sekund.
Efekt ten ma szczególną zaletę w analizie analitów cierpiących na efekty supresji jonów. Obecność analitów powierzchniowo czynnych lub dodatków rozpuszczalników naładowanych może skutkować stłumieniem jonizacji analitów będących przedmiotem zainteresowania, co skutkuje niską czułością lub całkowitym brakiem analitu. Skutki supresji jonów można zminimalizować, zmniejszając złożoność próbki, na przykład poprzez techniki ekstrakcji próbki, takie jak ekstrakcja do fazy stałej lub przez rozdzielenie analitów będących przedmiotem zainteresowania przy użyciu rozdzielania chromatograficznego. Jednak te etapy przygotowania próbki mogą być pracochłonne, czasochłonne i kosztowne. PESI umożliwia zmniejszenie supresji jonów bez konieczności wstępnej obróbki próbki. Dzięki oddzieleniu jonizacji różnych analitów składniki powodujące supresję jonów mogą zostać wyczerpane przed umożliwieniem jonizacji składników będących przedmiotem zainteresowania. Zostało to wykazane w wielu scenariuszach, w tym w analizie surowego moczu, ze skoncentrowanymi składnikami, takimi jak początkowo jonizacja kreatyniny, a następnie pojawienie się wcześniej niewykrytych metabolitów.
PESI z przepływem płaszczowym
Ponieważ igła PESI ma zastosowanie tylko do próbek płynnych lub stałych, które można przeniknąć, nie można jej używać do analizy większości suchych materiałów stałych. Aby obejść to ograniczenie, opracowano jonizację przez elektrorozpylanie sondy z przepływem płaszcza (sfPESI), modyfikację tradycyjnej techniki PESI. Źródło jonów sfPESI składa się z litej igły umieszczonej w plastikowej osłonie (zwykle końcówka do ładowania żelu) wypełnionej niewielką ilością rozpuszczalnika. Igła wystaje z podstawy osłonki na około 0,1 mm, gdzie znajduje się niewielka kropla rozpuszczalnika. Na podstawie [ wymagane wyjaśnienie ] sondy dotyka się na krótko powierzchni próbki, gdzie między sondą a próbką tworzy się wypukły menisk rozpuszczalnika, który zwilża próbkę i umożliwia ekstrakcję analitu. Skład chemiczny rozpuszczalnika można zmodyfikować, aby wywołać ekstrakcję określonych analitów będących przedmiotem zainteresowania. Po nałożeniu na próbkę sonda sfPESI jest następnie podnoszona do poziomu wlotu spektrometru mas, z rozpuszczonymi analitami zatrzymywanymi w kropli na końcu igły i przykłada się wysokie napięcie. sfPESI oferuje te same zalety, co standardowa PESI, w tym zjawisko sekwencyjnej i wyczerpującej jonizacji, umożliwiając jednocześnie bezpośrednią analizę suchych próbek.
Aplikacje
PESI-MS okazał się szczególnie skuteczny w analizie metabolicznej materiałów biologicznych, po zastosowaniu do analizy nowotworowej i nienowotworowej tkanki piersi, a także tkanki mózgowej i wątroby pobranej od myszy. Co ciekawe, PESI-MS został niedawno zastosowany do bezpośredniej analizy żywych zwierząt w celu profilowania metabolicznego w czasie rzeczywistym. Ze względu na wąską średnicę igły PESI i krótki czas wprowadzania próbki, PESI jest dość nieinwazyjna. W rezultacie technika ta została wykorzystana do pobierania próbek narządów żywych znieczulonych zwierząt, w szczególności do analizy metabolitów w mózgu, śledzionie, wątrobie i nerkach żywej myszy. Oprócz tego PESI-MS został zastosowany do analizy produktów spożywczych na miejscu w celu kontroli jakości, do wykrywania herbicydów w płynach ustrojowych w celu wykazania narażenia, a wreszcie do wykrywania nielegalnych narkotyków w płynach ustrojowych wskazywać na zażywanie narkotyków. Kilka grup wykorzystało również niewielki rozmiar sondy PESI do analizy pojedynczych komórek, wykazując zdolność do szybkiego wykrywania metabolitów na poziomie komórkowym i subkomórkowym.
Modyfikację PESI znaną jako PESI typu sheath-flow zastosowano do analizy różnych próbek stałych w ich stanie natywnym, w tym tabletek farmaceutycznych, nielegalnych narkotyków, żywności i produktów rolnych oraz pestycydów. Ponadto sfPESI został wykorzystany w dziedzinie kryminalistyki do analizy i identyfikacji świeżych i wysuszonych płynów ustrojowych o znaczeniu kryminalistycznym. W tej pracy sfPESI połączono również z tandemową spektrometrią mas (MS/MS), wykazując zdolność fragmentacji jonów do identyfikacji nieznanych składników.