IONIZACE ELEKTROSPREJEM

Význam tématu

Elektrosprejová ionizace patří mezi klíčové měkké ionizační techniky moderní hmotnostní spektrometrie, která umožnila analýzu polárních organických látek, biomolekul a jejich komplexů za atmosférického tlaku. Je nezbytná pro spojení separačních metod, jako je kapalinová chromatografie či kapilární elektroforéza, s hmotnostní spektrometrií, a pro výzkum i rutinní analýzu v oblasti proteomiky, metabolomiky i průmyslové kontroly kvality.

Cíle a přehled studie / článku

Referát sumarizuje princip a vývoj elektrosprayové ionizace (ESI) a její miniaturizované varianty nanoESI, včetně popisu mechanismu tvorby nabitých kapek, přenosu iontů do plynné fáze, elektrochemických reakcí a konstrukčních řešení iontového zdroje. Dále uvádí spojení s separačními technikami a charakterizuje vznik vícenásobně nabitých iontů.

Použitá metodika a instrumentace

Elektrosprejový zdroj je tvořen kovovou nebo skleněnou kapilárou (vnitřní průměr 10–100 µm pro ESI, 1–5 µm pro nanoESI) s vloženým napětím 1–6 kV (ESI) nebo 0,5–1,2 kV (nanoESI). Pro podporu zmlžování se používá dusík. Ionty jsou přenášeny do vakuované části hmotnostního spektrometru přes diferenciálně čerpané komory oddělené štěrbinami a pomocí radiofrekvenční multipólové iontové optiky. NanoESI se realizuje jednorázovými pokovenými špičkami či křemíkovými čipy s automatickou pipetou.

Hlavní výsledky a diskuse

Mechanismus ionizace zahrnuje tvorbu Taylorova kužele, postupný rozpad nabitých kapek, odpařování rozpouštědla a coulombické štěpení, vedoucí k uvolnění solvatovaných iontů. U velkých makromolekul se uplatňují modely zbytkového náboje či uvolňování řetězce. Elektrochemické procesy na kapiláře generují ionty a ovlivňují účinnost ionizace. Konkurence ionizujících látek a přítomnost solí a pufrů mohou výrazně měnit signál analytu.

Přínosy a praktické využití metody

• Vysoká citlivost a selektivita pro polarizovatelné a ionizovatelné látky
• Možnost analýzy biomolekul včetně proteomických studií
• Implementace v spojení s kapalinovou chromatografií, superkritickou fluidní chromatografií a kapilární elektroforézou
• Detekce vícenásobně nabitých iontů umožňující měření makromolekul na přístrojích s omezeným m/z rozsahem
• Omezená spotřeba vzorku v nanoESI a zvýšená tolerance vůči solím

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj směřuje k dalšímu zmenšování průtoků, integraci mikrofluidních čipů pro on-line analýzu, pokročilé kontrole elektrochemie ve zdroji, kombinaci s novými separačními technikami a rozvoji algoritmů pro dekonvoluci vícenásobně nabitých spekter. Sleduje se i aplikace v analýze komplexních biologických systémů a nanomateriálů.

Závěr

Elektrosprejová ionizace představuje robustní a univerzální techniku pro měkkou ionizaci za atmosférického tlaku. Je zásadní pro rozšíření hmotnostní spektrometrie do biomolekulárních a separačně-skupinových aplikací. NanoESI dále zlepšuje citlivost a efektivitu při minimální spotřebě vzorku. Optimalizace podmínek ionizace a konstrukce iontových zdrojů je klíčová pro další zvyšování výkonnosti a rozšiřování aplikačního spektra.

Reference

• [1] Cole R. B. (ed.) Electrospray and MALDI Mass Spectrometry; Fundamentals, Instrumentation, Practicalities, and Biological Applications. 2nd ed. Wiley, Hoboken 2010.
• [2] de Hoffmann E., Stroobant V. Mass Spectrometry, Principles and Applications. 3rd ed. Wiley, Chichester 2007.
• [3] Fenn J. Int. J. Mass Spectrom. 200, 459 (2000).
• [4] Dass C. Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry. Wiley, Hoboken 2007.
• [5] Gross J. H. Mass Spectrometry, A Textbook. 3rd ed. Springer, Cham 2017.
• [6] Dole M. et al. J. Chem. Phys. 49, 2240 (1968).
• [7] Yamashita M., Fenn J. B. J. Phys. Chem. 88, 4451 a 4671 (1984).
• [8] Whitehouse C. M. et al. Anal. Chem. 57, 675 (1985); Science 246, 64 (1989).
• [9] Fenn J. B. et al. Science 246, 64 (1989).
• [10] Zeleny J. Phys. Rev. 3, 69 (1914); 10, 1 (1917).
• [11] Kelly M. A. et al. Org. Mass Spectrom. 27, 1143 (1992).
• [12] Kebarle P., Tang L. Anal. Chem. 65, 972A (1993); J. Mass Spectrom. 35, 804 (2000).
• [13] Tang L., Kebarle P. Anal. Chem. 65, 3654 (1993).
• [14] Taflin D. C. et al. Langmuir 5, 376 (1989).
• [15] Duft D. et al. Nature 421, 128 (2003).
• [16] Konermann L. et al. Anal. Chem. 84, 6798 (2012).
• [17] Ahadi E., Konermann L. J. Phys. Chem. B 116, 104 (2012); J. Am. Chem. Soc. 132, 11270 (2010).
• [18] Konermann L. et al. Analyst 144, 6157 (2019).
• [19] Wampler F. M. et al. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 4, 289 (1993).
• [20] Smith D. P. H. IEEE Trans. Ind. Appl. 22, 527 (1986).
• [21] Schmidt A., Karas M., Duelcks T. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 14, 492 (2003).
• [22] Advion ESI chip – 4-šuplíkové křemíkové čipy.
• [23] Guillarme D. et al. J. Chromatogr. B 1083, 160 (2018).
• [24] Zhong X. et al. Electrophoresis 35, 1214 (2014).
• [25] Kleparnik K. Electrophoresis 34, 70 (2013).
• [26] Bonvin G. et al. J. Chromatogr. A 1267, 17 (2012).
• [27] Wetterhall M. et al. Mass Spectrometry in Neuropeptides Research, Wiley 2002.
• [28] Forsberg E., Fang M., Siuzdak G. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 28, 14 (2017).