La fotoionización a presión atmosférica ( APPI ) es un método de ionización suave utilizado en espectrometría de masas (MS), generalmente acoplado a cromatografía líquida (LC). Las moléculas se ionizan utilizando una fuente de luz ultravioleta de vacío (VUV) que funciona a presión atmosférica (105 Pa), ya sea mediante absorción directa seguida de eyección de electrones o mediante ionización de una molécula dopante que conduce a la ionización química de las moléculas objetivo. La muestra suele ser un spray de disolvente que se vaporiza mediante nebulización y calor. El beneficio de APPI es que ioniza moléculas en un amplio rango de polaridad y es particularmente útil para la ionización de moléculas de baja polaridad para las cuales otros métodos de ionización populares, como la ionización por electropulverización (ESI) y la ionización química a presión atmosférica (APCI), son menos adecuados. También es menos propenso a la supresión de iones y a los efectos de matriz en comparación con ESI y APCI y, por lo general, tiene un amplio rango dinámico lineal. La aplicación de APPI con LC/MS se usa comúnmente para el análisis de compuestos de petróleo, pesticidas, esteroides y metabolitos de fármacos que carecen de grupos funcionales polares y se está implementando ampliamente para la ionización ambiental, particularmente para la detección de explosivos en aplicaciones de seguridad. [1] [2]
La figura muestra los componentes principales de una fuente APPI: una sonda nebulizadora que se puede calentar a 350-500 °C, una región de ionización con una fuente de fotones VUV y una región de transferencia de iones bajo presión intermedia que introduce iones en el analizador de MS. . Los analitos en solución de la HPLC fluyen hacia el nebulizador a una velocidad de flujo que puede oscilar entre μL/min y mL/min. El flujo de líquido se vaporiza mediante nebulización y calor. La muestra vaporizada luego ingresa a la zona de radiación de la fuente VUV. Luego, los iones de la muestra ingresan a la región de la interfaz MS, frecuentemente un capilar, a través de la combinación de un gradiente de presión decreciente y campos eléctricos.
APPI se ha desarrollado comercialmente como fuentes de ionización dual, más comúnmente con APCI, pero también con ESI. [3]
El mecanismo de fotoionización se simplifica en condiciones de vacío: absorción de fotones por la molécula del analito, lo que lleva a la expulsión de electrones, formando un catión radical molecular, M •+ . Este proceso es similar a la ionización de electrones común a GC/MS, excepto que el proceso de ionización es suave, es decir, menos fragmentación. En la región atmosférica de un sistema LC/MS, el mecanismo de ionización se vuelve más complejo. El destino impredecible de los iones generalmente es perjudicial para el análisis LC/MS, pero como la mayoría de los procesos, una vez que se comprenden mejor, estas propiedades se pueden explotar para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, el papel del dopante en APPI, desarrollado y patentado por primera vez para la fuente de iones atmosféricos de espectrometría de movilidad iónica (IMS), [4] [5] se adaptó a APPI para LC/MS. Los mecanismos básicos de APPI se pueden resumir en el siguiente esquema:
APPI de iones positivos directos
APPI de iones positivos asistidos por disolvente o dopante
El proceso fundamental en la fotoionización es la absorción de un fotón de alta energía por la molécula y la posterior expulsión de un electrón. En APPI directo, este proceso ocurre para la molécula del analito, formando el catión radical molecular M •+ . El catión radical analito puede detectarse como M •+ o puede reaccionar con las moléculas circundantes y detectarse como otro ion. La reacción más común es la abstracción de un átomo de hidrógeno del abundante disolvente para formar el catión estable [M+H] + , que suele ser el ion observado. [6]
En APPI dopante (o APCI inducida por fotoionización), se introduce una cantidad de moléculas fotoionizables (p. ej., tolueno o acetona) en la corriente de muestra para crear una fuente de portadores de carga. El uso de un disolvente fotoionizable también puede lograr el mismo efecto. Los iones dopantes o disolventes pueden luego reaccionar con moléculas de analito neutro mediante reacciones de transferencia de protones o intercambio de carga. La tabla anterior simplifica el proceso dopante. De hecho, puede haber una extensa química ion-molécula entre el dopante y el disolvente antes de que el analito se ionice. APPI también puede producir iones negativos creando una gran abundancia de electrones térmicos a partir de la ionización con dopantes o disolventes o mediante fotones que golpean superficies metálicas en la fuente de ionización. La cascada de reacciones que pueden conducir a M – o iones negativos disociativos [MX] – a menudo involucran al O 2 como portador de carga electrónica. [7] Ejemplos de mecanismos de ionización negativa incluyen:
APPI de iones negativos directos o asistidos por dopantes
La fotoionización tiene una larga historia de uso en experimentos de espectrometría de masas, aunque principalmente con fines de investigación y no para aplicaciones analíticas sensibles. Los láseres pulsados se han utilizado para ionización multifotónica no resonante (MPI), [8] MPI mejorada por resonancia (REMPI) usando longitudes de onda sintonizables, [9] e ionización de fotón único usando generación de frecuencia suma en medios no lineales (generalmente celdas de gas). ). [10] [11] Las fuentes de fotoionización no láser incluyen lámparas de descarga y radiación sincrotrón . [12] Las primeras fuentes no se adaptaban a aplicaciones analíticas de alta sensibilidad debido al bajo brillo espectral en el primer caso y al gran "tamaño de instalación" en el segundo. Mientras tanto, la fotoionización se ha utilizado para la detección por GC y como fuente para la espectrometría de movilidad iónica durante muchos años, lo que sugiere su potencial para su uso en espectrometría de masas. [13]
El primer desarrollo de APPI para LC/MS fue informado por Robb, Covey y Bruins [14] y por Syage, Evans y Hanold en 2000. [15] Las fuentes de APPI fueron comercializadas poco tiempo después por Syagen Technology y puestas a disposición de la mayoría de las empresas comerciales. sistemas MS y por Sciex para su línea de instrumentos MS. Simultáneamente con el desarrollo de APPI hubo un uso similar de una fuente VUV para fotoionización a baja presión (LPPI) por parte de Syage y compañeros de trabajo que aceptaron muestras en fase gaseosa a presión atmosférica pero redujeron la presión para la ionización a aproximadamente 1 torr (~100 Pa) antes de continuar. reducción de presión para su introducción en un analizador de MS. Este método de fotoionización es muy adecuado como interfaz entre la cromatografía de gases (GC) y la MS. [16] [17]
APPI se utiliza sobre todo para LC/MS, aunque recientemente ha encontrado un uso generalizado en aplicaciones ambientales, como la detección de compuestos explosivos y narcóticos para aplicaciones de seguridad mediante espectrometría de movilidad iónica. En comparación con las fuentes de ionización predecesoras más comúnmente utilizadas, ESI y APCI, APPI ioniza una gama más amplia de compuestos y el beneficio aumenta hacia el extremo no polar de la escala. También tiene una susceptibilidad relativamente baja a la supresión de iones y a los efectos de la matriz, lo que hace que APPI sea muy eficaz para detectar compuestos cuantitativamente en matrices complejas. APPI tiene otras ventajas, incluido un rango lineal y un rango dinámico más amplios que ESI, como se ve en el ejemplo de la figura de la izquierda. [18] También es generalmente más selectivo que APCI con señales de iones de fondo reducidas, como se muestra en la figura de la derecha. Este último ejemplo también resalta el beneficio de APPI frente a ESI en el sentido de que las condiciones de HPLC fueron para fase normal no polar, en este caso utilizando un disolvente de n-hexano. ESI requiere solventes polares y más hexano podría representar un peligro de ignición para ESI y APCI que usan altos voltajes. APPI funciona bien en condiciones de fase normal ya que muchos de los disolventes son fotoionizables y sirven como iones dopantes, lo que permite aplicaciones especializadas como la separación de enantiómeros (figura de la derecha). [19]
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Con respecto a la aplicabilidad a una variedad de caudales de HPLC, se ha observado que el nivel de señal de los analitos mediante APPI se satura e incluso decae a caudales de disolvente más altos (por encima de 200 μl/min) y, por lo tanto, se recomiendan caudales mucho más bajos para APPI que para ESI y APCI. Se ha sugerido que esto se debe a la absorción de fotones por la creciente densidad de las moléculas de solvente. [20] [21] Sin embargo, esto conduce al beneficio de que APPI puede extenderse a velocidades de flujo muy bajas (p. ej., dominio de 1 μL/min). ) lo que permite un uso eficaz con LC capilar y electroforesis capilar. [22]
La aplicación de APPI con LC/MS se usa comúnmente para el análisis de compuestos de baja polaridad como petróleo, [23] hidrocarburos poliatómicos, [24] pesticidas, [25] esteroides, [26] lípidos, [27] y metabolitos de fármacos que carecen de polaridad. grupos funcionales. [28] Se pueden encontrar excelentes artículos de revisión en las Referencias. [2] [29]
APPI también se ha aplicado eficazmente para aplicaciones de ionización ambiental, prestándose a varias configuraciones prácticas. Haapala et al desarrollaron una configuración denominada desorción APPI (DAPPI). y se muestra en la figura aquí. Este dispositivo se ha aplicado al análisis de drogas de abuso en diversas fases sólidas, metabolitos de drogas y esteroides en orina, pesticidas en material vegetal, etc. [29] [30] APPI también se ha conectado a un DART (análisis directo en tiempo real). tiempo) y se ha demostrado que compuestos no polares como esteroides y pesticidas mejoran la señal hasta en un orden de magnitud para el flujo de N2, lo cual se prefiere para DART porque es significativamente más barato y más fácil de generar que el uso de mayor rendimiento de He. . Las fuentes comerciales de APPI también se han adaptado para aceptar una sonda de muestreo insertable que puede entregar una muestra líquida o sólida al nebulizador para su vaporización e ionización. Esta configuración es similar a la sonda de análisis de sólidos atmosféricos (ASAP) que se basa en el uso de APCI y, por lo tanto, se denomina APPI-ASAP. Los beneficios de APPI-ASAP frente a APCI-ASAP son similares a los observados en LC/MS, es decir, mayor sensibilidad a compuestos de menor polaridad y menor señal de fondo para muestras en matrices complejas. [31] Aunque la ionización ambiental ha experimentado un renacimiento en las últimas décadas, se ha utilizado en la industria de la seguridad durante muchas décadas, por ejemplo en detecciones con hisopos en aeropuertos. Los hisopos recogen material de fase condensada de las superficies y luego se insertan en un conjunto de desorbedor térmico e ionizador que luego fluye hacia el detector de iones, que en la mayoría de los casos es un espectrómetro de movilidad iónica (IMS), pero en casos posteriores han sido analizadores de MS. En la figura de la izquierda se muestra una imagen de un sistema hisopo-APPI-IMS utilizado en aeropuertos y otros lugares de seguridad.
De hecho, un sistema swab-APPI-MS diseñado para la detección de explosivos y narcóticos para aplicaciones de seguridad funciona muy bien para todo tipo de análisis ambientales utilizando una varilla de muestreo y un hisopo (figura de la derecha). Una demostración particular (no publicada) mostró una sensibilidad y especificidad excelentes para la detección de compuestos pesticidas en una variedad de frutas y verduras, mostrando límites de detección para 37 pesticidas prioritarios que oscilaban entre 0,02 y 3,0 ng muy por debajo de los límites seguros. [32]