Chemická ionizace za atmosférického tlaku

Přístroj pro ionizaci za atmosférického tlaku

Přístroj pro APCI se obvykle skládá ze tří částí: rozprašovače, který může být zahříván na 350 až 500 °C, ionizační komory a oblasti přenosu iontů, kde je tlak podobný atmosférickému.[5] Roztok obsahující analyt se, buď přímo, nebo pomocí kapalinového chromatografu, vpravuje do rozprašovače rychlostí 0,2 až 2,0 ml/min. Zde prostupuje plynným dusíkem a vytváří drobné kapky. Kombinací zahřívání a toku plynu se takto utvořená mlha přemění na proud plynu, který postupuje do ionizační komory za atmosférického tlaku, molekuly jsou ionizovány v ionizační komoře s napětím 2 až 3 kV vůči protielektrodě.[4] Ionizovaný vzorek následně prochází do oblasti přenosu iontů.

Ionizace v plynném skupenství prochází u APCI následujícími fázemi: vzorek v roztoku, páry vzorku a ionty vzorku. Efluent z HPLC se vypaří úplně. Směs par rozpouštědla a vzorku se následně ionizuje interakcemi iontů a molekul.[7] Ionizaci lze provést pozitivním nebo negativním způsobem. Při pozitivním relativní protonové afinity iontů reaktantu a molekul plynného analytu umožňuje jak přenos protonů, tak i interakce iontů reaktantového plynu za vzniku iontů typu [M+H]⁺.[4] U negativní ionizace se vytváří ionty [M−H]⁻ odtržením protonu nebo ionty [M+X]⁻ zachycením aniontu. Nejvíce prací zabývajících se APCI-MS zkoumalo analýzu pomocí pozitivní ionizace.

U pozitivní ionizace bývá na kapkách rozpouštědla proud 1 až 5 μA, přičemž dochází k excitaci a ionizaci molekul N₂ za vzniku N₄^+*. Odpařená mobilní fáze z kapalinového chromatografu funguje jako reaktantový plyn a zdroj iontů. Pokud je jediným rozpouštědlem v mobilní fázi voda, tak excitované ionty N₄^+* mohou reagovat s molekulami H₂O za vzniku složených iontů H⁺(H₂O)_n.[8] Následně jsou molekuly analytu protonovány těmito ionty. Nakonec se částice MH⁺(H₂O)_m přesunou mimo zdroj iontů. Odštěpení molekul vody z MH⁺(H₂O)_m probíhá za nízkého tlaku v hmotnostním analyzátoru.[2] Molekulové ionty analytu detekované hmotnostním spektrometrem jsou typu [M+H]⁺. Níže jsou zobrazeny chemické reakce probíhající při ionizaci.

Tvorba primárních a sekundárních reaktantových iontů v dusíkové atmosféře za přítomnosti vody:[9][2]

N₂ + e → N₂⁺ + 2e

N₂^+* + 2N₂ → N₄^+* + N₂

N₄⁺ + H₂O → H₂O⁺ + 2N₂

H₂O⁺ + H₂O → H₃O⁺ + OH^•

H₃O⁺ + H₂O + N₂ → H⁺(H₂O)₂ + N₂

H⁺(H₂O)_n−1 + H₂O + N₂ → H⁺(H₂O)_n + N₂

Ionizace iontů produktu:[2]

H⁺(H₂O)_n + M → MH⁺(H₂O)_m + (n−m)H₂O

Odštěpování molekul vody v hmotnostním analyzátoru:[2]

MH⁺(H₂O)_m → MH⁺ + mH₂O

Pokud mobilní fáze obsahuje rozpouštědlo s vyšší protonovou afinitou, než má voda, pak dochází k přesunům protonů a protonaci rozpouštědla s vyšší protonovou afinitou, například za přítomnosti methanolu se tvoří ionty CH₃OH₂⁺(H₂O)_n(CH₃OH)_m.[2] K fragmentaci ve zdroji iontů u APCI obvykle nedochází. Pokud jsou pozorovány fragmentované ionty, tak dochází k tepelnému rozkladu při rozprašování a ionizaci produktů tohoto rozkladu.

Důležitým rozdílem oproti chemické ionizaci je to, že elektrony sloužící k primární ionizaci se neuvolňují ze zahřívaného vlákna, protože to za atmosférického tlaku nelze použít; namísto toho ionizace probíhá pomocí výbojů nebo β⁻ zářičů, což jsou zdroje elektronů použitelné i za přítomnosti žíravých a nebo oxidujících plynů.[4]

První zdroj iontů založený na chemické ionizaci za atmosférického tlaku byl vyroben v 70. letech 20. století na Baylor College of Medicine v Houstonu.[10]

Původním zdrojem elektronů sloužících k ionizaci byl tenký plech z ⁶³Ni. V roce 1975 byl použit výbojový zdroj elektronů, který měl širší rozmezí dynamické odpovědi.[11] APCI s výbojovou elektrodou se stalo základem současných APCI přístrojů.[9]

APCI bylo použito u GC/MS[10] a LC/MS[12] také v roce 1975. Analyty z LC se odpařují a ionizují v zahřívané komoře. Tato metoda se vyznačuje velkou citlivostí a jednoduchými hmotnostními spektry.[12] Později se spojení APCI a LC/MS stalo často používanou metodou,[3] obzvláště ve vývoji léčiv. Citlivost APCI ve spojení s citlivostí a specificitou LC/MS a LC-MS/MS z ní učinila hlavní způsob analýzy léčiv a jejich metabolitů.[13]

Ionizace za atmosférického tlaku má vysokou účinnost v důsledku vysoké četnosti srážek. APCI také výrazně omezuje tepelný rozklad analytů, protože zde dochází k rychlé desolvataci a odpaření již na začátku ionizačního procesu,[4] což obvykle vede k menší míře fragmentace než u mnoha jiných metod chemická ionizace za atmosférického tlaku tak patří mezi měkké metody ionizace.[14]

Další výhodou je možnost vysokých průtoků podobně jako u HPLC (0,2 až 2,0 ml/min), často aniž by docházelo k nevyužití většího množství vzorku. APCI také lze provést s pozměněným ESI zdrojem.[15] Ionizace probíhá v plynném skupenství na rozdíl od ESI, kde se ionizuje kapalina. APCI je možné použít s nepolárními rozpouštědly v mobilní fázi namísto polárních, protože rozpouštědlo a zkoumané molekuly se mění na plyn před vstupem do ionizační jehly. Protože se tato metoda provádí v plynné fázi, tak není třeba použít zvláštní podmínky, jako jsou rozpouštědla, elektrická vodivost a pH. APCI je univerzálnějším způsobem ionizace u LC/MS a lépe využitelná u kapalinové chromatografie s obrácenými fázemi než ESI.[14]

Chemická ionizace za atmosférického tlaku je vhodnou metodou u tepelně stabilních analytů s molekulovou hmotností do 1 500 Da a střední až vysokou polaritou. Její využití zahrnuje analýzu léčiv, lipidů, pesticidů a řady organických sloučenin, nelze ji však použít na analýzu biopolymerů, organokovových sloučenin, iontových sloučenin a dalších nestabilních látek.[16]