La ionización química a presión atmosférica ( APCI ) es un método de ionización utilizado en espectrometría de masas que utiliza reacciones de iones-moléculas en fase gaseosa a presión atmosférica (10 5 Pa), [1] [2] comúnmente acoplado con cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC). [3] APCI es un método de ionización suave similar a la ionización química donde los iones primarios se producen en un aerosol de solvente. [4] El uso principal de APCI es para compuestos polares y relativamente menos polares térmicamente estables con un peso molecular menor a 1500 Da. [5] La aplicación de APCI con HPLC ha ganado una gran popularidad en la detección de análisis de trazas como esteroides, pesticidas y también en farmacología para metabolitos de fármacos. [6]
Una fuente APCI típica suele constar de tres partes principales: una entrada de muestra, una aguja de descarga de corona y una región de transferencia de iones bajo presión intermedia. [5] En el caso de la entrada de nebulizador calentada [7] de un LC, como se muestra en la figura, el eluato fluye a 0,2 a 2,0 ml/min hacia un nebulizador neumático que crea una niebla de gotitas finas. Las gotitas se vaporizan por impacto con las paredes calentadas a 350–500 °C y son transportadas por el gas nebulizador y un gas auxiliar hacia la región de reacción de moléculas de iones entre el electrodo de corona y el contraelectrodo de salida. [4] Se mantiene una corriente constante de 2–5 microamperios desde la aguja de corona. Los iones de muestra se producen por reacciones ion-molécula (como se describe a continuación) y pasan a través de un pequeño orificio o tubo hacia la región de transferencia de iones que conduce al espectrómetro de masas.
Según la aplicación, son posibles varias geometrías de fuente de iones. Cuando se utiliza con cromatografía líquida, en particular a caudales más altos, el nebulizador suele colocarse ortogonalmente (o en un ángulo igualmente pronunciado) a la entrada del espectrómetro de masas, de modo que el disolvente y el material neutro no contaminen la entrada real del espectrómetro de masas. [8]
La ionización en fase gaseosa mediante APCI sigue la secuencia: muestra en solución, vapor de muestra e iones de muestra. El efluente de la HPLC se evapora completamente. La mezcla de disolvente y vapor de muestra se ioniza luego mediante una reacción ion-molécula. [9]
La ionización puede llevarse a cabo en modo positivo o negativo. En el modo positivo, las afinidades protónicas relativas de los iones reactivos y las moléculas gaseosas del analito permiten la transferencia de protones o la aducción de iones de gas reactivo para producir los iones [M+H] + de las especies moleculares. [4] En el modo negativo, los iones [M−H] − se producen por abstracción de protones, o los iones [M+X] − se producen por unión de aniones. La mayor parte del trabajo sobre el análisis APCI-MS se ha realizado en modo positivo.
En el modo positivo, cuando la corriente de descarga de la descarga de corona es de 1-5 μA en el solvente nebulizado, las moléculas de gas N 2 se excitan e ionizan, lo que produce N 4 +* . La fase móvil evaporada de LC actúa como gas de ionización e iones reactivos. Si el agua es el único solvente en la fase móvil evaporada, los iones moleculares de nitrógeno excitados N 4 +* reaccionarían con las moléculas de H 2 O para producir iones de grupo de agua H + (H 2 O) n . [10] Luego, las moléculas de analito M son protonadas por los iones de grupo de agua. Finalmente, los productos de ionización MH + (H 2 O) m se transfieren desde la fuente de iones a presión atmosférica. La desagrupación (eliminación de moléculas de agua de la molécula de analito protonada) de MH + (H 2 O) m tiene lugar en el alto vacío del analizador de masas. [2] Los iones de la molécula de analito detectados por MS son [M+H] + . Las reacciones químicas del proceso de ionización se muestran a continuación.
Formación de iones reactivos primarios y secundarios en una atmósfera de nitrógeno en presencia de agua: [11] [2]
Ionización de iones de producto: [2]
Desaglomeración en el alto vacío del analizador de masas: [2]
Si la fase móvil contiene disolventes con una afinidad protónica mayor que el agua, se producen reacciones de transferencia de protones que conducen a la protonación del disolvente con mayor afinidad protónica. Por ejemplo, cuando el disolvente es metanol, los iones del disolvente del grupo serían CH 3 OH 2 + (H 2 O) n (CH 3 OH) m . [2] La fragmentación normalmente no ocurre dentro de la fuente APCI. Si se observa un ion fragmentado de una muestra, se ha producido una degradación térmica por la interfaz calentada del nebulizador, seguida de la ionización de los productos de descomposición.
En una importante diferencia con la ionización química, los electrones necesarios para la ionización primaria no son producidos por un filamento calentado, ya que un filamento calentado no puede usarse en condiciones de presión atmosférica. En cambio, la ionización debe ocurrir utilizando descargas de corona o emisores de partículas β, que son fuentes de electrones capaces de manejar la presencia de gases corrosivos u oxidantes. [4]
Los orígenes de las fuentes de ionización química a presión atmosférica combinadas con espectrometría de masas se pueden encontrar en la década de 1960 en estudios de iones en llamas [12] y de química iónica en descargas de corona hasta presión atmosférica. [13] La primera aplicación de APCI combinada con espectrometría de masas para análisis de trazas químicas fue por Franklin GNO Corporation, que en 1971 desarrolló un instrumento que combinaba APCI con movilidad iónica y espectrometría de masas. [14] Horning, Carroll y sus colaboradores en la década de 1970 en el Baylor College of Medicine (Houston, TX) demostraron las ventajas de APCI para acoplar cromatografía de gases (GC) [15] y cromatografía líquida (LC) [16] a un espectrómetro de masas. En estos estudios se mostró alta sensibilidad y espectros de masas simples. [16] Para LC-MS, el eluato de LC se vaporizó e ionizó en un bloque de metal calentado. Inicialmente, se utilizó una lámina de 63 Ni como fuente de electrones para realizar la ionización. En 1975, se desarrolló un electrodo de descarga de corona, que proporciona un rango de respuesta dinámica más amplio. [17] La APCI con el electrodo de descarga de corona se convirtió en el modelo para las interfaces APCI modernas disponibles comercialmente. [18]
A finales de los años 70, SCIEX introdujo un sistema de espectrómetro de masas APCI (el TAGA, por Trace Atmospheric Gas Analyzer), montado en una camioneta para operación móvil, [19] [20] que proporcionaba una alta sensibilidad para monitorear compuestos orgánicos polares en el aire ambiente en tiempo real. En 1981 se produjo una versión de espectrómetro de masas de triple cuadrupolo, que permitía el monitoreo directo del aire en tiempo real mediante APCI-MS/MS. Una plataforma similar se utilizó para el sistema SCIEX AROMIC (parte del sistema de detección de contrabando CONDOR desarrollado junto con British Aerospace) para la detección de drogas, explosivos y alcohol en contenedores de envío en cruces fronterizos, mediante el muestreo del espacio aéreo interior. [21] [22]
A mediados de los años 1980 y principios de los años 1990, las ventajas de realizar LC/MS con APCI y con electrospray, ambas técnicas de ionización a presión atmosférica, comenzaron a captar la atención de la comunidad analítica. [3] Juntas, han expandido drásticamente el papel de la espectrometría de masas en la industria farmacéutica, tanto para el desarrollo de fármacos como para aplicaciones de descubrimiento de fármacos. La sensibilidad de APCI combinada con la especificidad de LC-MS y LC-MS/MS a menudo la convierte en el método de elección para la cuantificación de fármacos y metabolitos de fármacos. [23]
La ionización del sustrato es muy eficiente, ya que se produce a presión atmosférica y, por lo tanto, tiene una alta frecuencia de colisión. Además, la APCI reduce considerablemente la descomposición térmica del analito debido a la rápida desolvatación y vaporización de las gotitas en las etapas iniciales de la ionización. [4] Esta combinación de factores generalmente da como resultado la producción de iones de las especies moleculares con menos fragmentaciones que muchos otros métodos de ionización, lo que lo convierte en un método de ionización suave. [24]
Otra ventaja de utilizar APCI sobre otros métodos de ionización es que permite utilizar directamente los altos caudales típicos de la HPLC de diámetro estándar (0,2–2,0 ml/min), a menudo sin desviar la fracción más grande del volumen a los desechos. Además, la APCI a menudo se puede realizar en una fuente ESI modificada. [25] La ionización se produce en la fase gaseosa, a diferencia de la ESI, donde la ionización se produce en la fase líquida. Una ventaja potencial de la APCI es que es posible utilizar un disolvente no polar como solución de fase móvil, en lugar de un disolvente polar, porque el disolvente y las moléculas de interés se convierten a un estado gaseoso antes de llegar a la aguja de descarga de corona. Debido a que la APCI implica una química en fase gaseosa, no hay necesidad de utilizar condiciones especiales como disolventes, conductividad y pH para la LC. La APCI parece ser una interfaz LC/MS más versátil y más compatible con la LC de fase inversa que la ESI. [24]
La APCI es adecuada para muestras termoestables con un peso molecular bajo a medio (menos de 1500 Da) y una polaridad media a alta. Es particularmente útil para analitos que no son lo suficientemente polares para la electropulverización. El área de aplicación de la APCI es el análisis de fármacos, lípidos no polares, compuestos naturales, pesticidas y diversos compuestos orgánicos, pero su uso es limitado en el análisis de biopolímeros, organometálicos, compuestos iónicos y otros analitos lábiles. [26]
A principios de 1971, cuando se hacía referencia a la IMS como cromatografía de plasma (PC), la Franklin GNO Corporation desarrolló el primer espectrómetro de movilidad iónica-espectrómetro de masas (IMS–MS) comercial y demostró su uso como detector para la identificación y el análisis de trazas de compuestos oxigenados (es decir, 1-octanol y 1-nonanol).