Elektrospray-Ionisation - Electrospray ionization

Elektrospray (NanoSpray) Ionisationsquelle

Elektrospray-Ionisation ( ESI ) ist eine Technik, die in der Massenspektrometrie verwendet wird , um Ionen unter Verwendung eines Elektrosprays zu erzeugen, bei dem eine Hochspannung an eine Flüssigkeit angelegt wird, um ein Aerosol zu erzeugen . Es ist besonders nützlich bei der Herstellung von Ionen aus Makromolekülen, da es die Neigung dieser Moleküle, bei der Ionisierung zu fragmentieren, überwindet. ESI unterscheidet sich von anderen Ionisationsprozessen (z. B. matrixunterstützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI)), da sie mehrfach geladene Ionen erzeugen kann, wodurch der Massenbereich des Analysators effektiv erweitert wird, um die in Proteinen beobachteten kDa-MDa- Größenordnungen aufzunehmen und ihre assoziierten Polypeptidfragmente.

Die Massenspektrometrie mit ESI wird als Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS) oder seltener als Elektrospray-Massenspektrometrie (ES-MS) bezeichnet. ESI ist eine sogenannte 'weiche Ionisation'-Technik, da es sehr wenig Fragmentierung gibt. Dies kann in dem Sinne vorteilhaft sein, dass das Molekülion (oder genauer ein Pseudomolekülion) fast immer beobachtet wird, jedoch nur sehr wenige Strukturinformationen aus dem erhaltenen einfachen Massenspektrum gewonnen werden können. Dieser Nachteil kann durch die Kopplung von ESI mit Tandem-Massenspektrometrie (ESI-MS/MS) überwunden werden . Ein weiterer wichtiger Vorteil von ESI besteht darin, dass Informationen über die Lösungsphase in der Gasphase gespeichert werden können.

Die Elektrospray-Ionisationstechnik wurde erstmals 1984 von Masamichi Yamashita und John Fenn beschrieben. Die Entwicklung der Elektrospray-Ionisation zur Analyse biologischer Makromoleküle wurde 2002 mit der Verleihung des Nobelpreises für Chemie an John Bennett Fenn belohnt . Eines der Originalinstrumente verwendet von Dr. Fenn ist im Science History Institute in Philadelphia, Pennsylvania ausgestellt.

Geschichte

Diagramm der Elektrospray-Ionisation im positiven Modus: Unter Hochspannung strahlt der Taylor-Kegel einen Flüssigkeitstropfenstrahl aus. Das Lösungsmittel aus den Tröpfchen verdampft nach und nach, wodurch sie immer aufgeladener werden. Wenn die Ladung die Rayleigh-Grenze überschreitet, dissoziiert das Tröpfchen explosionsartig und hinterlässt einen Strom geladener (positiver) Ionen

Im Jahr 1882 schätzte Lord Rayleigh theoretisch die maximale Ladungsmenge, die ein Flüssigkeitströpfchen tragen kann, bevor es feine Flüssigkeitsstrahlen ausstößt. Dies ist heute als Rayleigh-Limit bekannt.

1914 veröffentlichte John Zeleny Arbeiten über das Verhalten von Flüssigkeitströpfchen am Ende von Glaskapillaren und legte Beweise für verschiedene Elektrospray-Modi vor. Wilson und Taylor und Nolan untersuchten Elektrospray in den 1920er Jahren und Macky 1931. Der Elektrospray-Kegel (heute bekannt als Taylor-Kegel ) wurde von Sir Geoffrey Ingram Taylor beschrieben .

Die erste Anwendung der Elektrospray-Ionisation mit Massenspektrometrie wurde 1968 von Malcolm Dole beschrieben . John Bennett Fenn erhielt 2002 den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung der Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie in den späten 1980er Jahren.

Ionisationsmechanismus

Fenns erste Elektrospray-Ionisationsquelle gekoppelt an ein einzelnes Quadrupol-Massenspektrometer

Die die interessierenden Analyten enthaltende Flüssigkeit wird durch Elektrospray in ein feines Aerosol dispergiert . Da die Ionenbildung eine weitgehende Lösungsmittelverdampfung (auch Desolvatation genannt) beinhaltet, werden die typischen Lösungsmittel für die Elektrospray-Ionisierung durch Mischen von Wasser mit flüchtigen organischen Verbindungen (zB Methanol-Acetonitril) hergestellt. Um die anfängliche Tröpfchengröße zu verringern, werden der Lösung üblicherweise leitfähigkeitserhöhende Verbindungen (zB Essigsäure) zugesetzt. Diese Spezies dienen auch dazu, eine Protonenquelle bereitzustellen, um den Ionisierungsprozess zu erleichtern. Elektrosprays mit großem Durchfluss können zusätzlich zu der hohen Temperatur der ESI-Quelle von der Zerstäubung eines erhitzten Inertgases wie Stickstoff oder Kohlendioxid profitieren . Das Aerosol wird in die erste Vakuumstufe eines Massenspektrometers durch eine Kapillare mit einer Potentialdifferenz von ungefähr 3000  V aufgenommen, die erhitzt werden kann, um eine weitere Lösungsmittelverdampfung aus den geladenen Tröpfchen zu unterstützen. Das Lösungsmittel verdampft aus einem geladenen Tröpfchen, bis es beim Erreichen seiner Rayleigh-Grenze instabil wird . An diesem Punkt verformt sich das Tröpfchen, da die elektrostatische Abstoßung gleicher Ladungen in einer immer kleiner werdenden Tröpfchengröße stärker wird als die Oberflächenspannung, die das Tröpfchen zusammenhält. An diesem Punkt durchläuft das Tröpfchen eine Coulomb-Spaltung, wobei das ursprüngliche Tröpfchen „explodiert“ und viele kleinere, stabilere Tröpfchen erzeugt. Die neuen Tröpfchen unterliegen einer Desolvatation und anschließend weiteren Coulomb-Spalten. Während der Spaltung verliert das Tröpfchen einen kleinen Prozentsatz seiner Masse (1,0–2,3%) zusammen mit einem relativ großen Prozentsatz seiner Ladung (10–18%).

Es gibt zwei Haupttheorien, die die endgültige Produktion von Ionen in der Gasphase erklären: das Ionenverdampfungsmodell (IEM) und das Ladungsrückstandsmodell (CRM). Die IEM legt nahe, dass, wenn das Tröpfchen einen bestimmten Radius erreicht, die Feldstärke an der Oberfläche des Tröpfchens groß genug wird, um die Felddesorption von solvatisierten Ionen zu unterstützen. Das CRM legt nahe, dass Elektrospray-Tröpfchen Verdampfungs- und Spaltungszyklen durchlaufen, was schließlich zu Nachkommentröpfchen führt, die im Durchschnitt ein Analyt-Ion oder weniger enthalten. Die Ionen in der Gasphase bilden sich, nachdem die restlichen Lösungsmittelmoleküle verdampft sind, und hinterlassen den Analyten mit den Ladungen, die das Tröpfchen trägt.

IEM-, CRM- und CEM-Schema.

Eine große Anzahl von Beweisen zeigt entweder direkt oder indirekt, dass kleine Ionen (aus kleinen Molekülen ) durch den Ionenverdampfungsmechanismus in die Gasphase freigesetzt werden, während größere Ionen (z. B. aus gefalteten Proteinen) durch den Ladungsrückstandsmechanismus entstehen.

Ein drittes Modell, das eine kombinierte geladene Restfeldemission verwendet, wurde vorgeschlagen. Ein weiteres Modell namens Chain Ejection Model (CEM) wird für ungeordnete Polymere (entfaltete Proteine) vorgeschlagen.

Die Ionen durch Massenspektrometrie beobachtet kann Quasimolekülionen durch die Zugabe eines geschaffen werden Wasserstoffkation und bezeichnet [ M  + H] + , oder aus einem anderen Kation wie Natrium - Ion, [ M  + Na] + , oder die Entfernung eines Wasserstoffkern , [ M  - H] - . Mehrfach geladene Ionen wie [ M  +  n H] n + werden häufig beobachtet. Bei großen Makromolekülen kann es viele Ladungszustände geben, was zu einer charakteristischen Ladungszustandshülle führt. All dies sind Ionenarten mit geraden Elektronen: Elektronen (allein) werden nicht hinzugefügt oder entfernt, im Gegensatz zu einigen anderen Ionisationsquellen. Die Analyten sind manchmal an elektrochemischen Prozessen beteiligt , was zu Verschiebungen der entsprechenden Peaks im Massenspektrum führt . Dieser Effekt zeigt sich bei der direkten Ionisierung von Edelmetallen wie Kupfer, Silber und Gold mittels Elektrospray.

Die Effizienz der Erzeugung der Gasphasen-Ionen für kleine Moleküle bei der ESI variiert in Abhängigkeit von der Verbindungsstruktur, dem verwendeten Lösungsmittel und den instrumentellen Parametern. Die Unterschiede in der Ionisationseffizienz erreichen mehr als 1 Million Mal.

Varianten

Die bei niedrigen Durchflussraten betriebenen Elektrosprays erzeugen viel kleinere Anfangströpfchen, die eine verbesserte Ionisationseffizienz gewährleisten . 1993 berichteten Gale und Richard D. Smith , dass mit niedrigeren Flussraten und bis zu 200 nl/min signifikante Empfindlichkeitssteigerungen erreicht werden könnten. 1994 prägten zwei Forschungsgruppen den Namen Mikro-Elektrospray (Mikrospray) für Elektrosprays, die mit geringen Durchflussraten arbeiten. Emmett und Caprioli zeigten eine verbesserte Leistung für HPLC-MS-Analysen, wenn das Elektrospray mit 300–800 nL/min betrieben wurde. Wilm und Mann zeigten, dass ein Kapillarfluss von ~ 25 nL/min ein Elektrospray an der Spitze von Emittern aufrechterhalten kann, die durch Ziehen von Glaskapillaren auf wenige Mikrometer hergestellt wurden. Letzteres wurde 1996 in Nano-Elektrospray (Nanospray) umbenannt. Derzeit wird der Name Nanospray auch für Elektrosprays verwendet, die von Pumpen mit geringen Durchflussraten gespeist werden, nicht nur für selbstgespeiste Elektrosprays. Obwohl es möglicherweise keinen genau definierten Flussratenbereich für Elektrospray, Mikrospray und Nano-Elektrospray gibt, wurden "Änderungen der Analytverteilung während der Tröpfchenspaltung vor der Ionenfreisetzung" untersucht. In dieser Arbeit vergleichen sie die Ergebnisse von drei anderen Gruppen. und dann das Signalintensitätsverhältnis [Ba 2+ + Ba + ]/[BaBr + ] bei verschiedenen Flussraten messen .

Die Kaltspray-Ionisation ist eine Form des Elektrosprays, bei der die Lösung mit der Probe durch eine kleine kalte Kapillare (10–80 °C) in ein elektrisches Feld gedrückt wird, um einen feinen Nebel aus kalten geladenen Tröpfchen zu erzeugen. Anwendungen dieser Methode umfassen die Analyse von fragilen Molekülen und Gast-Wirt-Wechselwirkungen, die mit regulärer Elektrospray-Ionisation nicht untersucht werden können.

Elektrospray-Ionisation wurde auch bei Drücken von nur 25 Torr erreicht und als Sub-Umgebungsdruck-Ionisation mit Nanoelektrospray (SPIN) bezeichnet, basierend auf einer zweistufigen Ionentrichter-Schnittstelle, die von Richard D. Smith und Mitarbeitern entwickelt wurde. Die SPIN-Implementierung lieferte eine erhöhte Empfindlichkeit aufgrund der Verwendung von Ionentrichtern, die dazu beitrugen, Ionen in den unteren Druckbereich des Massenspektrometers einzuschließen und zu übertragen. Der Nanoelektrospray-Emitter besteht aus einer feinen Kapillare mit einer kleinen Öffnung von etwa 1–3 Mikrometern. Für eine ausreichende Leitfähigkeit wird diese Kapillare üblicherweise mit leitfähigem Material, zB Gold, sputterbeschichtet. Die Nanoelektrospray-Ionisation verbraucht nur wenige Mikroliter einer Probe und bildet kleinere Tröpfchen. Der Betrieb bei niedrigem Druck war besonders effektiv für niedrige Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen die kleinere Elektrospray-Tröpfchengröße eine effektive Desolvatation und Ionenbildung ermöglichte. Als Ergebnis konnten die Forscher später nachweisen, dass die Gesamt-Ionisationsnutzungseffizienz für den Transfer von Ionen aus der flüssigen Phase in die Gasphase als Ionen und durch die duale Ionentrichter-Schnittstelle zum Massenspektrometer über 50 % erreicht wurde.

Umgebungs-Ionisation

Schema einer DESI Umgebungs-Ionisationsquelle

Bei der Umgebungsionisation erfolgt die Ionenbildung außerhalb des Massenspektrometers ohne Probenvorbereitung. Elektrospray wird zur Ionenbildung in einer Reihe von Umgebungs-Ionenquellen verwendet.

Die Desorptions-Elektrospray-Ionisation (DESI) ist eine Umgebungs-Ionisationstechnik , bei der ein Lösungsmittel-Elektrospray auf eine Probe gerichtet wird. Durch Anlegen einer Spannung an die Probe wird das Elektrospray von der Oberfläche angezogen. Probenverbindungen werden in das Lösungsmittel extrahiert, das wiederum als hochgeladene Tröpfchen vernebelt wird, die verdampfen, um hochgeladene Ionen zu bilden. Nach der Ionisierung treten die Ionen in die Atmosphärendruck-Grenzfläche des Massenspektrometers ein. DESI ermöglicht die Umgebungsionisation von Proben bei Atmosphärendruck mit geringer Probenvorbereitung.

Schema einer SESI Umgebungs-Ionisationsquelle

Die extraktive Elektrospray-Ionisation ist ein Umgebungs-Ionisationsverfahren vom Sprühtyp, das zwei zusammengeführte Sprays verwendet, von denen eines durch Elektrospray erzeugt wird.

Die laserbasierte Elektrospray-basierte Umgebungsionisation ist ein zweistufiger Prozess, bei dem ein gepulster Laser verwendet wird, um Material von einer Probe zu desorbieren oder abzutragen und die Materialfahne mit einem Elektrospray interagiert, um Ionen zu erzeugen. Für die Umgebungsionisation wird das Probenmaterial auf einem Target in der Nähe des Elektrosprays abgeschieden. Der Laser desorbiert oder trägt Material von der Probe ab, das von der Oberfläche in das Elektrospray ausgestoßen wird, das hochgeladene Ionen erzeugt. Beispiele sind Elektrospray-Laser-Desorptions-Ionisation , Matrix-unterstützte Laser-Desorptions-Elektrospray-Ionisation und Laser-Ablations-Elektrospray-Ionisation .

SESI-MS SUPER SESI gekoppelt mit Thermo Fisher Scientific-Orbitrap

Die elektrostatische Sprühionisation (ESTASI) beinhaltet die Analyse von Proben, die sich auf einer ebenen oder porösen Oberfläche oder in einem Mikrokanal befinden. Ein Tröpfchen mit Analyten wird auf einem Probenbereich abgeschieden, an den eine gepulste Hochspannung angelegt wird. Wenn der elektrostatische Druck größer als die Oberflächenspannung ist, werden Tröpfchen und Ionen versprüht.

Sekundäre Elektrospray-Ionisation (SESI) ist ein Umgebungs-Ionisationsverfahren vom Sprühtyp, bei dem Ladungsionen mittels eines Elektrosprays erzeugt werden. Diese Ionen laden dann bei der Kollision mit ihnen Dampfmoleküle in der Gasphase auf.

Bei der Papiersprühionisation wird die Probe auf ein Stück Papier aufgetragen, Lösungsmittel hinzugefügt und eine Hochspannung an das Papier angelegt, wodurch Ionen erzeugt werden.

Anwendungen

Die Außenseite der Elektrospray-Schnittstelle eines LTQ-Massenspektrometers.

Elektrospray wird verwendet, um die Proteinfaltung zu untersuchen .

Flüssigkeitschromatographie–Massenspektrometrie

Die Elektrospray-Ionisation ist die Ionenquelle der Wahl, um Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie (LC-MS) zu koppeln . Die Analyse kann online durchgeführt werden, indem die von der LC-Säule eluierte Flüssigkeit direkt einem Elektrospray zugeführt wird, oder offline, indem Fraktionen gesammelt werden, die später in einem klassischen Nanoelektrospray-Massenspektrometrie-Aufbau analysiert werden. Unter den zahlreichen Betriebsparametern bei der ESI-MS für Proteine ​​wurde die Elektrosprayspannung als ein wichtiger Parameter identifiziert, der bei der ESI-LC/MS-Gradientenelution zu berücksichtigen ist. Die Wirkung verschiedener Lösungsmittelzusammensetzungen (wie TFA oder Ammoniumacetat oder Aufladungsreagenzien oder Derivatisierungsgruppen) oder Sprühbedingungen auf Elektrospray-LCMS-Spektren und/oder nanoESI-MS-Spektren. wurden untersucht.

Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie (CE-MS)

Die Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie wurde durch eine ESI-Schnittstelle ermöglicht, die von Richard D. Smith und Mitarbeitern am Pacific Northwest National Laboratory entwickelt und patentiert wurde und sich für die Analyse sehr kleiner Mischungen von biologischen und chemischen Verbindungen und sogar zur Erweiterung von breitem Nutzen erwiesen hat zu einer einzigen biologischen Zelle.

Nichtkovalente Gasphasenwechselwirkungen

Die Elektrospray-Ionisation wird auch bei der Untersuchung nichtkovalenter Gasphasenwechselwirkungen verwendet. Es wird angenommen, dass das Elektrosprühverfahren in der Lage ist, nichtkovalente Komplexe in flüssiger Phase in die Gasphase zu überführen, ohne die nichtkovalente Wechselwirkung zu stören. Bei der Untersuchung von Liganden-Substrat-Komplexen durch ESI-MS oder nanoESI-MS wurden Probleme wie unspezifische Wechselwirkungen identifiziert. Ein interessantes Beispiel hierfür ist die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Enzymen und Arzneimitteln, die das Enzym hemmen. Wettbewerbsstudien zwischen STAT6 und Inhibitoren haben ESI als Möglichkeit zum Screening auf potenzielle neue Medikamentenkandidaten verwendet.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Cole, Richard (1997). Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie: Grundlagen, Instrumente und Anwendungen . New York: Wiley. ISBN 978-0-471-14564-6.
  • Gross, Michael; Pramanik, Birendra N.; Ganguly, AK (2002). Angewandte Elektrospray-Massenspektrometrie . New York, NY: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-0618-0.
  • Snyder, A. Peter (1996). Biochemische und biotechnologische Anwendungen der Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie . Columbus, OH: American Chemical Society. ISBN 978-0-8412-3378-2.
  • Alexandrow, ML; LN Gall; NV Krasnow; VI. Nikolajew; VA Pawlenko; VA Shkurov (Juli 1984). кстракция ионов из растворов при атмосферном давлении – етод масс-спектрометрического аналиса биощкении[Extraktion von Ionen aus Lösungen bei Atmosphärendruck - Ein Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse bioorganischer Substanzen]. Doklady Akademii Nauk SSSR (auf Russisch). 277 (2): 379–383.
  • Alexandrow, ML; LN Gall; NV Krasnow; VI. Nikolajew; VA Pawlenko; VA Shkurov (2008) [Juli 1984]. „Extraktion von Ionen aus Lösungen unter Atmosphärendruck als Methode zur massenspektrometrischen Analyse bioorganischer Verbindungen“. Schnelle Kommunikation in der Massenspektrometrie . 22 (3): 267–270. Bibcode : 2008RCMS...22..267A . doi : 10.1002/rcm.3113 . PMID  18181250 .

Externe Links