Войти
Источник ионизации электрораспылением (nanoSpray) Ионизация электрораспылением (ESI ) - это метод, используемый в масс-спектрометрии для получения ионов с использованием электроспрея, в котором высокое напряжение прикладывается к жидкости для создания аэрозоля. Это особенно полезно для получения ионов из макромолекул, поскольку преодолевает склонность этих молекул к фрагментации при ионизации. ESI отличается от других процессов ионизации (например, лазерная десорбция / ионизация с помощью матрицы (MALDI)), поскольку он может производить многозарядные ионы, эффективно расширяя диапазон масс анализатора, чтобы приспособиться к кДа. -MDa порядка величины, наблюдаемой в белках и связанных с ними полипептидных фрагментах.
Масс-спектрометрия с использованием ESI называется масс-спектрометрией с ионизацией электрораспылением (ESI-MS) или, реже, масс-спектрометрией с электрораспылением (ES-MS)). ESI - это метод так называемой «мягкой ионизации», поскольку фрагментация очень мала. Это может быть выгодно в том смысле, что всегда наблюдается молекулярный ион (или, точнее, псевдомолекулярный ион), однако очень мало структурной информации можно получить из простого полученного масс-спектра. Этот недостаток можно преодолеть, сочетая ESI с тандемной масс-спектрометрией (ESI-MS / MS). Еще одно важное преимущество ESI заключается в том, что информация о фазе раствора может сохраняться в газовой фазе.
О методе ионизации электрораспылением впервые сообщили Масамичи Ямасита и Джон Фенн в 1984 году. Разработка ионизации электрораспылением для анализа биологических макромолекул была отмечена Нобелевской премией по химии Джону Беннетту Фенну в 2002 году. Один из оригинальных инструментов, которыми пользовался доктор Фенн, выставлен в Институте истории науки в Филадельфии, штат Пенсильвания.
Схема ионизации электрораспылением в положительном режиме: под высоким напряжением конус Тейлора испускает струю жидких капель. Растворитель из капель постепенно испаряется, оставляя их все более и более заряженными. Когда заряд превышает предел Рэлея, капля взрывным образом диссоциирует, оставляя поток заряженных (положительных) ионов В 1882 году лорд Рэлей теоретически оценил максимальное количество заряда, которое капля жидкости может нести перед выбросом. тонкие струи жидкости. Теперь это известно как предел Рэлея.
В 1914 г. Джон Зеленый опубликовал работу о поведении капель жидкости на концах стеклянных капилляров и представил доказательства различных режимов электрораспыления. Уилсон, Тейлор и Нолан исследовали электроспрей в 1920-х годах, а Маки - в 1931 году. Конус электроспрея (теперь известный как конус Тейлора ) был описан сэром Джеффри Ингрэмом Тейлором.
Первое использование электроспрея Об ионизации с помощью масс-спектрометрии сообщил Малкольм Доул в 1968 году. Джон Беннетт Фенн был удостоен Нобелевской премии по химии в 2002 году за разработку масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением в конец 1980-х.
Первый источник ионизации электрораспылением Фенна, соединенный с одиночным квадрупольным масс-спектрометром Жидкость, содержащая интересующие аналиты, диспергируется электрораспылением в мелкий аэрозоль. Поскольку образование ионов включает в себя интенсивное испарение растворителя (также называемое десольватацией), типичные растворители для ионизации электрораспылением готовятся путем смешивания воды с летучими органическими соединениями (например, метанолом и ацетонитрилом). Для уменьшения начального размера капель в раствор обычно добавляют соединения, повышающие проводимость (например, уксусную кислоту). Эти частицы также служат источником протонов для облегчения процесса ионизации. Электрораспыление с большим потоком может выиграть от распыления нагретого инертного газа, такого как азот или диоксид углерода, в дополнение к высокой температуре источника ESI. Аэрозоль отбирается в первую вакуумную ступень масс-спектрометра через капилляр, несущий разность потенциалов приблизительно 3000 В, который можно нагреть, чтобы способствовать дальнейшему испарению растворителя из заряженных капель. Растворитель испаряется из заряженной капли до тех пор, пока он не станет нестабильным при достижении своего рэлеевского предела. В этот момент капля деформируется, поскольку электростатическое отталкивание одинаковых зарядов с постоянно уменьшающимся размером капли становится более мощным, чем поверхностное натяжение, удерживающее капли вместе. В этот момент капля подвергается кулоновскому делению, в результате чего исходная капля «взрывается», создавая множество более мелких и более стабильных капель. Новые капли подвергаются десольватации и последующему кулоновскому делению. Во время деления капля теряет небольшой процент своей массы (1,0–2,3%) вместе с относительно большим процентом своего заряда (10–18%).
Есть две основные теории, которые объясняют окончательный результат. производство ионов в газовой фазе: модель ионного испарения (IEM) и модель остатка заряда (CRM). IEM предполагает, что когда капля достигает определенного радиуса, напряженность поля на поверхности капли становится достаточно большой, чтобы способствовать полевой десорбции сольватированных ионов. CRM предполагает, что капли электрораспыления подвергаются циклам испарения и деления, что в конечном итоге приводит к появлению дочерних капель, содержащих в среднем один ион аналита или меньше. Ионы в газовой фазе образуются после испарения оставшихся молекул растворителя, оставляя аналит с зарядами, которые несет капля.
Схема IEM, CRM и CEM. Большое количество свидетельств прямо или косвенно показывает, что небольшие ионы (из малых молекул ) выделяются в газовую фазу посредством механизма ионного испарения, тогда как более крупные ионы (например, из свернутых белков) образуются по механизму заряженных остатков.
Была предложена третья модель, использующая комбинированную эмиссию заряженных остатков и поля. Другая модель, называемая моделью выброса цепи (CEM), предложена для неупорядоченных полимеров (развернутых белков).
Ионы, наблюдаемые с помощью масс-спектрометрии, могут быть квазимолекулярными ионами, образованными добавлением катиона водорода и обозначенный [M + H], или другого катиона, такого как ион натрия, [M + Na], или удаление ядро водорода, [M - H]. Часто наблюдаются многозарядные ионы, такие как [M + nH]. Для больших макромолекул может быть много зарядовых состояний, что приводит к характерной огибающей зарядовых состояний. Все это разновидности ионов с четными электронами: электроны (одни) не добавляются и не удаляются, в отличие от некоторых других источников ионизации. Аналиты иногда участвуют в электрохимических процессах, что приводит к сдвигам соответствующих пиков в масс-спектре. Этот эффект демонстрируется при прямой ионизации благородных металлов, таких как медь, серебро и золото, с использованием электрораспыления.
Эффективность генерации ионов газовой фазы для малых молекул в ESI варьируется в зависимости от структуры соединения и используемого растворителя. и инструментальные параметры. Различия в эффективности ионизации достигают более 1 миллиона раз.
Электрораспылители, работающие при низких скоростях потока, генерируют гораздо меньшие начальные капли, которые обеспечивают улучшенную эффективность ионизации. В 1993 году Гейл и Ричард Д. Смит сообщили, что значительного увеличения чувствительности можно достичь при более низких скоростях потока, вплоть до 200 нл / мин. В 1994 году две исследовательские группы придумали название «микро-электрораспыление» (microspray) для электрораспыления, работающего при низких скоростях потока. Эммет и Каприоли продемонстрировали улучшенные характеристики для анализов ВЭЖХ-МС, когда электроспрей работал со скоростью 300-800 нл / мин. Вильм и Манн продемонстрировали, что капиллярный поток ~ 25 нл / мин может выдерживать электрораспыление на концах эмиттеров, изготовленных путем вытягивания стеклянных капилляров на несколько микрометров. Последний был переименован в нано-электрораспыление (nanospray) в 1996 году. В настоящее время название «нано-электрораспыление» также используется для электрораспыления, подаваемого насосами с низкой скоростью потока, а не только для самоподдерживающего электрораспыления. Хотя может не быть четко определенного диапазона скорости потока для электроспрея, микроспрея и наноэлектрораспыления, изучены «изменения в распределении аналита во время деления капель перед высвобождением ионов». В этой статье они сравнивают результаты, полученные тремя другими группами. а затем измерить отношение интенсивностей сигнала [Ba + Ba] / [BaBr] при различных скоростях потока.
Ионизация холодным распылением - это форма электроспрея, при которой раствор, содержащий образец, пропускается через небольшой холодный капилляр (10–80 ° C) в электрическое поле, чтобы создать тонкий туман из холодно заряженных капель. Применения этого метода включают анализ хрупких молекул и взаимодействий "гость-хозяин", которые невозможно изучить с помощью обычной ионизации электрораспылением.
Ионизация электрораспылением также была достигнута при давлениях всего 25 торр и называется ионизацией при низком давлении с помощью наноэлектроспрея (SPIN) на основе двухступенчатой ионной воронки, разработанной Ричардом Д. Смитом и коллеги. Реализация SPIN обеспечила повышенную чувствительность за счет использования ионных воронок, которые помогли удерживать и переносить ионы в область более низкого давления масс-спектрометра. Излучатель наноэлектроспрея состоит из тонкого капилляра с небольшой апертурой около 1–3 мкм. Для обеспечения достаточной проводимости этот капилляр обычно покрывается напылением проводящим материалом, например золото. Ионизация наноэлектрораспылением расходует всего несколько микролитров образца и образует более мелкие капли. Работа при низком давлении была особенно эффективной при низких скоростях потока, когда меньший размер капель электрораспыления позволял достичь эффективной десольватации и образования ионов. В результате исследователи позже смогли продемонстрировать достижение превышения общей эффективности использования ионизации на 50% для переноса ионов из жидкой фазы в газовую фазу в виде ионов и через интерфейс двойной ионной воронки к масс-спектрометру. 46>
Схема источника ионизации в окружающей среде DESI. При ионизации в окружающей среде образование ионов происходит вне масс-спектрометра без пробоподготовки. Электрораспыление используется для образования ионов в ряде источников ионов окружающей среды.
Десорбционная ионизация электрораспылением (DESI) - это метод ионизации при окружающей среде, при котором на образец направляют электрораспыление растворителя. Электрораспыление притягивается к поверхности за счет приложения напряжения к образцу. Соединения пробы экстрагируются в растворитель, который снова распыляется в виде сильно заряженных капель, которые испаряются с образованием высокозарядных ионов. После ионизации ионы попадают на границу раздела масс-спектрометра при атмосферном давлении. DESI позволяет проводить ионизацию образцов при атмосферном давлении с минимальной подготовкой образцов.
Схема внешнего источника ионизации SESI Экстракционная ионизация электрораспылением - это метод ионизации распыляемого типа, при котором используются два объединенных распылителя, один из которых генерируется электрораспылением.
Лазер- Ионизация окружающей среды на основе электроспрея - это двухэтапный процесс, в котором импульсный лазер используется для десорбции или абляции материала из образца, а струя материала взаимодействует с электрораспылением для образования ионов. Для ионизации окружающей среды материал образца наносится на мишень рядом с электрораспылением. Лазер десорбирует или удаляет материал из образца, который выбрасывается с поверхности и попадает в электрораспыление, которое производит сильно заряженные ионы. Примерами являются лазерная десорбционная ионизация с электрораспылением, лазерная десорбционная ионизация с использованием матрицы и лазерная абляция с ионизацией электрораспылением.
SESI-MS SUPER SESI в сочетании с Thermo Fisher Scientific-Orbitrap Электростатическая ионизация распылением (ESTASI) включал анализ образцов, расположенных на плоской или пористой поверхности, или внутри микроканала. Капля, содержащая аналиты, осаждается на участке образца, к которому прикладывается импульсное высокое напряжение. Когда электростатическое давление превышает поверхностное натяжение, происходит распыление капель и ионов.
Вторичная ионизация электрораспылением (SESI) - это метод ионизации методом распыления в окружающей среде, при котором заряженные ионы производятся с помощью электроспрея. Эти ионы затем заряжают молекулы пара в газовой фазе при столкновении с ними.
При ионизации распылением бумаги образец наносится на лист бумаги, добавляется растворитель и подается высокое напряжение. наносится на бумагу, создавая ионы.
Наружная поверхность раздела электрораспыления на масс-спектрометре LTQ. Электрораспыление используется для изучения сворачивания белка.
Электрораспыление ионизация является предпочтительным источником ионов для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией (ЖХ-МС). Анализ можно проводить в оперативном режиме, подавая жидкость, элюируемую из колонки для ЖХ, непосредственно в электрораспылитель, или автономно, собирая фракции для последующего анализа в классической установке наноэлектроспрей- масс-спектрометрии. Среди множества рабочих параметров ESI-MS напряжение электрораспыления было определено как важный параметр, который следует учитывать при градиентном элюировании ESI LC / MS. Влияние различных композиций растворителей (таких как TFA или ацетат аммония, или реактивы для перезарядки, или дериватизирующие группы) или условий распыления на спектры ЖХМС с электрораспылением и / или спектры наноESI-МС. были изучены.
Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия стал возможен с помощью интерфейса ESI, который был разработан и запатентован Ричардом Д. Смитом и сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, и было показано, что они имеют широкое применение для анализа очень маленьких смесей биологических и химических соединений и даже для одной биологической клетки.
Ионизация электрораспылением также используется при изучении нековалентных газофазных взаимодействий. Считается, что процесс электрораспыления способен переносить жидкофазные нековалентные комплексы в газовую фазу без нарушения нековалентного взаимодействия. При изучении комплексов лиганд-субстрат с помощью ESI-MS или nanoESI-MS были выявлены такие проблемы, как неспецифические взаимодействия. Интересным примером этого является изучение взаимодействий между ферментами и лекарственными средствами, которые являются ингибиторами фермента. Исследования конкуренции между STAT6 и ингибиторами использовали ESI как способ скрининга потенциальных новых кандидатов в лекарства.
