Spojení kapilární elektroforézy s hmotnostní spektrometrií

Vysoce účinné separační techniky ve spojení s hmotnostní spektrometrií jsou v současné době již standardním vybavením mnoha laboratoří zabývajících se analýzami složitých směsí látek v komplexních matricích. Především se jedná o spojení chromatografických technik s hmotnostní spektrometrií (GC-MS, LC-MS či SFC-MS). Kapilární elektroforéza ve spojení s hmotnostní spektrometrií (CE-MS) je stále na okraji zájmu a představuje spíše techniku využívanou především na akademické půdě, přitom aplikační potenciál CE-MS je velmi široký.

Spojení CE-ESI-MS firmy Agilent je elegantním řešením díky nebulizeru, který umožňuje uzavřít elektrický okruh nutný pro elektroforetickou separaci a dále umožňuje koaxiálně přivádět dusík nutný pro vznik stabilního elektrospreje zároveň s pomocnou sprejovací kapalinou. Současně je na sprejovací špičku vkládáno sprejovací napětí. Ortogonální uspořádání elektrospreje pak navíc umožňuje, aby se co největší množství iontů analytů dostalo do analyzátoru hmotnostního spektrometru.

HPST: Schéma spojení CE-ESI-MS od Agilent Technologies

Spojení CE-MS má oproti spojení LC-MS svá specifika. Nejčastější spojení CE-MS využívá ionizace elektrosprejem (ESI). Vzhledem k tomu, že průtok separačního elektrolytu v kapiláře je nižší než průtok mobilní fáze v LC-MS, je nutné podpořit ionizaci a tvorbu stabilního elektrospreje přídavným tokem sprejovací kapaliny v místě výstupu eluátu z kapiláry. Dalším úskalím je nutnost využití těkavých složek separačního elektrolytu, takže konvenční pracovní elektrolyty na bázi fosforečnanů a kyseliny borité je možné používat pouze ve velmi nízkých koncentracích (do 10 mM). Vhodné jsou naopak elektrolyty na bázi kyseliny octové, mravenčí, hydrogenuhličitanu a amoniaku, případně triethylaminu.

V mnoha případech je k dosažení požadované selektivity elektroforetické separace nutné využít málo těkavé složky a aditiva separačního elektrolytu, jako jsou např. chirální selektory (cyklodextriny, crown ethery apod.), případně tenzidy (dodecylsulfát sodný). Tenzidy také umožňují separovat jak nabité, tak nenabité látky v jediné analýze (micelární elektrokinetická chromatografie, MEKC). V tomto případě je vhodná metoda částečného plnění kapiláry elektrolytem obsahujícím netěkavou složku a navržením podmínek separace tak, aby netěkavé složky nevstupovaly do iontového zdroje.

Druhou možností je náhrada netěkavých látek jejich těkavějšími fluorovanými analogy. Dodecylsulfát sodný je možné nahradit perflurookarboxylovými nebo perfluorosulfonovými kyselinami ve směsi s hydroxidem amonným.

HPST: Kapilární elektroforéza Agilent CE-7100

Aplikační oblast CE-MS je dána elektroforetickým principem separace a dále povahou zvolené ionizační techniky hmotnostní spektrometrie. Kapilární elektroforéza umožňuje separace nabitých i nenabitých látek s velmi širokým spektrem vlastností. Od nízkomolekulárních anorganických i organických iontů, polárních látek, přes málo polární a nepolární látky (např. aromatické uhlovodíky) až po vysokomolekulární látky (např. proteiny, fragmenty nukleových kyselin, viry, bakterie). Spojení CE-ESI-MS je vhodné zejména pro polární a středně polární látky s širokým rozpětím molekulových hmotností. Je tedy zřejmé, že aplikační potenciál CE-MS se do značné míry překrývá zejména s aplikačním potenciálem LC-MS metod, které jsou v rutinní praxi využívány častěji. Přitom CE-MS se nesnaží být konkurentem zavedené techniky LC-MS, naopak je velmi užitečnou komplementární technikou k LC-MS.

Výhodou spojení CE-MS oproti LC-MS je velmi nízká spotřeba vzorků, chemikálií a rozpouštědel. Spojením CE s MS se také z velké části řeší nedostatečná citlivost déle zavedené kapilární elektroforézy s DAD detekcí. Nesporná výhoda spojení CE-MS spočívá také v možnosti přesné identifikace separovaných látek. Spotřeba vzorku pro jednu CE-MS analýzu se typicky pohybuje okolo 10 nL. CE-MS pak může být výhodnou alternativou k LC-MS například v případě analýzy klinických vzorků, kde je nízký spotřebovaný objem vzorku jedním z kritérií při volbě analytické metody.

HPST: Spojení kapilární elektroforézy Agilent CE-7100 s Q-TOF HRMS hmostnostním detektorem

Využitím CE-ESI-MS v klinické analýze je možné dokumentovat na příkladu stanovení poměru D- a L-mléčné kyseliny ve vzorcích krevního séra jako podpůrné metody v diagnostice diabetu. Běžně je v klinické laboratoři prováděno stanovení D- a L-laktátu s využitím některé z enzymatických metod a je nutné stanovit každý enantiomer zvlášť. Pro rychlé stanovení vzájemného poměru D- a L-laktátu je možné využít i CE-ESI-MS s mnohem nižšími náklady na jednu analýzu. Přičemž není nutné využívat drahých kolon s chirální stacionární fází, či provádět derivatizaci chirálním derivatizačním činidlem. Jako chirální selektor v tomto případě může sloužit vankomycin chlorid, který se pouze rozpustí v pracovním elektrolytu. Přestože je kyselina mléčná molekula s velmi nízkou molekulovou hmotností, je možné ji i při využití negativního sprejovacího módu detekovat na koncentračních úrovních, které umožňují monitorovat hladinu D- i L-laktátu ve vzorcích séra zdravých i nemocných pacientů (Obr. 4).

HPST: Obrázek 4 - SIM záznam separace D,L-laktátu krevního séra zdravého pacienta. LOD (L-laktát) 60 nmol/L, (D-laktát) 72 nmol/L

Jedním z posledních trendů je aplikace CE-ESI-MS při analýze drog jak v zachyceném důkazním materiálu (psaníčka, tablety apod.), tak v samotném biologickém materiálu intoxikovaných osob. S výhodou lze uplatnit velmi podobné postupy, které se používají před LC-MS analýzou pro úpravy a extrakci toxických látek i jejich metabolitů. Jedním z mnoha příkladů, kdy CE-ESI-MS představuje výhodnou analytickou techniku je analýza tzv. „new designer drugs“ - nových syntetických drog na bázi derivátů kathinonů či syntetických kanabinoidů. Analýza derivátů kathinonů (jde zejména o primární a sekundární aminy) s využítím GC-MS vyžaduje derivatizaci, v případě LC-MS je zase nutné potlačit jejich sorpci na stacionární fázi. CE-ESI-MS umožňuje jejich přímou separaci bez nutnosti derivatizace s minimální úpravou vzorku. Separaci syntetických kathinonů je možné uskutečnit s použitím kombinace chromatografické a elektroforetické separace, která je zprostředkována pomocí těkavého tenzidu (perfluorooktanové kyseliny) v pracovním elektrolytu (Obr. 5).

HPST: Obrázek 5 - Rekonstruovaný MRM záznam separace syntetických kathinonů ve vzorku naspikovaného krevního séra po SPE extrakci

Další skupinou nových syntetických drog jsou syntetické kanabinoidy. Pro objektivní diagnostiku intoxikace syntetickými kanabinoidy je vhodná separace a identifikace jejich metabolitů s využitím perfluoroheptanové kyseliny jako těkavého tenzidu (Obr. 6).

HPST: Obrázek 6 - Rekonstruovaný SRM záznam separace metabolitů syntetických kanabinoidů v moči po L-L extrakci

CE-ESI-MS je možné využít i pro rychlé odhalení ředění drog na černém trhu, kdy je vedle hlavní komponenty - samotné drogy - nutné také identifikovat a stanovit množství látky, která slouží jako ředidlo prodávaných drog, a která může pro zdraví představovat daleko vyšší riziko než samotná droga. Příkladem může být identifikace a stanovení ředidla kokainu, který je na černém trhu drahý (Obr. 7). V tomto případě byla čistá droga ředěna veterinárním léčivem, které je pro lidský organismus nebezpečnější než samotná droga.

HPST: Obrázek 7 - TIC elektroferogram separace levamisolu a kokainu

Spojení CE-MS firmy Agilent se vyznačuje vysokou robustností. Navíc je nebulizér, přes které se realizuje spojení CE s MS nenáročný na experimentální zručnost a analytik se tak může soustředit na vlastní vývoj metody bez nutnosti náročné experimentální adjustace sprejovací špičky.

Skupina elektromigračních metod laboratoře R-Lab, Regionálního Centra Pokročilých Technologií a Materiálů, Katedry analytické chemie UP v Olomouci se zabývá vývojem elektroforetických metod separace, identifikace a stanovení nízkomolekulárních látek z oblasti farmak, drog a klinicky významných látek, zejména s využitím kapilární elektroforézy včetně spojení s hmotnostní spektrometrií. Dalším zaměřením jsou pak separace širokého spektra chirálních látek. Skupina spolupracuje s forenzními tuzemskými i zahraničními pracovišti zabývající se mimo jiné forenzní analýzou, zejména v oblasti objektivní diagnostiky intoxikací.