La ionización por electropulverización por desorción ( DESI ) es una técnica de ionización ambiental que se puede acoplar a la espectrometría de masas (MS) para el análisis químico de muestras en condiciones atmosféricas. Las fuentes de ionización acopladas y los sistemas MS son populares en el análisis químico porque las capacidades individuales de varias fuentes combinadas con diferentes sistemas MS permiten determinaciones químicas de muestras. DESI emplea una corriente de solvente cargada que se mueve rápidamente, en un ángulo con respecto a la superficie de la muestra, para extraer analitos de las superficies e impulsar los iones secundarios hacia el analizador de masas. [1] [2] Esta técnica en tándem se puede utilizar para analizar análisis forenses, [3] productos farmacéuticos, tejidos vegetales, frutas, tejidos biológicos intactos, complejos enzima-sustrato, metabolitos y polímeros. [4] Por lo tanto, DESI-MS puede aplicarse en una amplia variedad de sectores, incluida la administración de alimentos y medicamentos , productos farmacéuticos, monitoreo ambiental y biotecnología.
DESI ha sido ampliamente estudiado desde sus inicios en 2004 por Zoltan Takáts, Justin Wiseman y Bogdan Gologan, en el grupo de Graham Cooks de la Universidad Purdue [3] con el objetivo de investigar métodos que no requirieran que la muestra estuviera dentro de un vacío. Tanto DESI como el análisis directo en tiempo real (DART) han sido en gran medida responsables del rápido crecimiento de las técnicas de ionización ambiental, con una proliferación de más de ochenta técnicas nuevas que se encuentran en la actualidad. [5] [6] Estos métodos permiten analizar sistemas complejos sin preparación y rendimientos de hasta 45 muestras por minuto. [7] DESI es una combinación de técnicas populares, como la ionización por electropulverización y las técnicas de desorción superficial. Malcolm Dole informó sobre la ionización por electropulverización con espectrometría de masas en 1968, [8] pero John Bennett Fenn recibió un premio Nobel de química por el desarrollo de ESI-MS a finales de los años 1980. [9] Luego, en 1999, se informaron en la literatura experimentos de desorción de superficie abierta y matriz libre utilizando un experimento que se llamó desorción/ionización en silicio . [10] La combinación de estos dos avances llevó a la introducción de DESI y DART como las principales técnicas de ionización ambiental que luego se convertirían en múltiples técnicas diferentes. Uno en particular, debido a los crecientes estudios sobre la optimización de DESI, es la ionización por electropulverización de desorción por nanopulverización (nano-DESI) . En esta técnica, el analito se desorbe en un puente líquido formado entre dos capilares y la superficie de análisis. [11]
DESI es una combinación de métodos de ionización por electropulverización (ESI) y desorción (DI). La ionización se produce dirigiendo una niebla cargada eléctricamente a la superficie de la muestra que se encuentra a unos milímetros de distancia. [12] La niebla de electropulverización se dirige neumáticamente a la muestra, donde las gotas salpicadas posteriores transportan analitos ionizados desorbidos. Después de la ionización, los iones viajan a través del aire hasta la interfaz de presión atmosférica que está conectada al espectrómetro de masas. DESI es una técnica que permite la ionización ambiental de una muestra traza a presión atmosférica, con poca preparación de la muestra. DESI se puede utilizar para investigar metabolitos secundarios in situ, analizando específicamente las distribuciones espaciales y temporales. [13]
En DESI existen dos tipos de mecanismos de ionización, uno que se aplica a moléculas de bajo peso molecular y otro a moléculas de alto peso molecular. [12] Las moléculas de alto peso molecular, como proteínas y péptidos, muestran espectros similares a electropulverización donde se observan iones con carga múltiple. Esto sugiere desorción del analito, donde múltiples cargas en la gota pueden transferirse fácilmente al analito. La gota cargada golpea la muestra, se extiende sobre un diámetro mayor que su diámetro original, disuelve la proteína y rebota. Las gotas viajan hasta la entrada del espectrómetro de masas y se desolvatan aún más. El disolvente que normalmente se utiliza para el electrospray es una combinación de metanol y agua .
Para las moléculas de bajo peso molecular, la ionización se produce por transferencia de carga: un electrón o un protón . Hay tres posibilidades para la transferencia de carga. Primero, la transferencia de carga entre un ion solvente y un analito en la superficie. En segundo lugar, la transferencia de carga entre un ion en fase gaseosa y el analito en la superficie; en este caso el ion disolvente se evapora antes de llegar a la superficie de la muestra. Esto se logra cuando la distancia entre la pulverización y la superficie es grande. En tercer lugar, la transferencia de carga entre un ion en fase gaseosa y una molécula de analito en fase gaseosa. Esto ocurre cuando una muestra tiene una presión de vapor alta.
El mecanismo de ionización de moléculas de bajo peso molecular en DESI es similar al mecanismo de ionización de DART , en el sentido de que hay una transferencia de carga que ocurre en la fase gaseosa.
La eficiencia de ionización de DESI es compleja y depende de varios parámetros, como efectos de superficie, parámetros de electropulverización, parámetros químicos y parámetros geométricos. [12] Los efectos de la superficie incluyen la composición química, la temperatura y el potencial eléctrico aplicado. Los parámetros de electropulverización incluyen voltaje de electropulverización y caudales de gas y líquido. Los parámetros químicos se refieren a la composición del disolvente pulverizado, por ejemplo, la adición de NaCl. Los parámetros geométricos son α, β, d 1 y d 2 (ver figura a la derecha).
Además, α y d 1 afectan la eficiencia de ionización , mientras que β y d 2 afectan la eficiencia de recolección. Los resultados de una prueba realizada en una variedad de moléculas para determinar los valores óptimos de α y d1 muestran que hay dos conjuntos de moléculas: de alto peso molecular (proteínas, péptidos, oligosacáridos, etc.) y de bajo peso molecular (colorante diazo, estereoides, cafeína, nitroaromáticos, etc.). Las condiciones óptimas para el grupo de alto peso molecular son ángulos de incidencia altos (70 a 90 °) y distancias cortas d 1 (1 a 3 mm). Las condiciones óptimas para el grupo de bajo peso molecular son lo opuesto: ángulos de incidencia bajos (35–50°) y distancias d 1 largas (7–10 mm). Los resultados de estas pruebas indican que cada grupo de moléculas tiene un mecanismo de ionización diferente; descrito detalladamente en la sección Principio de funcionamiento.
La punta del rociador y el soporte de superficie están conectados a una plataforma móvil 3D que permite seleccionar valores específicos para los cuatro parámetros geométricos: α, β, d 1 y d 2 .
La espectrometría de masas de ionización por electropulverización con ablación láser (LAESI) es una técnica de ionización ambiental aplicable a la obtención de imágenes de tejidos vegetales y animales, a la obtención de imágenes de células vivas y, más recientemente, a la obtención de imágenes célula por célula. [14] Esta técnica utiliza un láser de infrarrojo medio para extirpar la muestra, lo que crea una nube de moléculas neutras. Luego, esta nube se golpea con el electrospray desde arriba para provocar la ionización. Luego, los iones desorbidos pueden pasar al espectrómetro de masas para su análisis. Este método también es bueno para obtener imágenes en aplicaciones. Los análisis pueden ser desorbidos mediante irradiación láser pulsada sin necesidad de matriz. Este método se utiliza mejor con moléculas orgánicas pequeñas y también con biomoléculas más grandes. [15]
Otro método bueno para las biomoléculas es la ionización por electropulverización con desorción láser asistida por matriz (MALDESI). En esta técnica, utiliza ionización por láser infrarrojo para excitar las moléculas de la muestra y permitir que los iones desorbidos estén listos para el análisis de MS. La geometría de la fuente y la distancia entre el ESI y la matriz tendrán un efecto sobre la eficiencia del compuesto de muestra. [16] Esta técnica también se puede utilizar con muestras acuosas. La gota de agua se puede colocar en el punto focal del láser o se puede secar para formar el sólido. Las muestras planas no necesitan preparación de muestras para realizar este experimento.
La espectrometría de movilidad iónica (IMS) es una técnica de separación de iones en fases gaseosas basada en sus diferencias en la movilidad iónica cuando se aplica un campo eléctrico que proporciona una separación espacial antes del análisis de MS. [17] Con la introducción de DESI como fuente de iones para la espectrometría de masas de movilidad iónica , las aplicaciones para IMS se han expandido desde solo muestras en fase de vapor con análisis volátiles hasta estructuras intactas y muestras acuosas. [18] Cuando se acopla a un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo, también es posible el análisis de proteínas. [19] Estas técnicas funcionan en conjunto entre sí para investigar las formas de los iones y la reactividad después de la ionización. Una característica clave de esta configuración es su capacidad para separar la distribución de iones generados en DESI antes del análisis de espectrometría de masas. [19]
Como se indicó anteriormente, DESI permite una investigación directa de muestras naturales sin necesidad de preparación de muestras ni separación cromatográfica. Pero, debido a esta preparación innecesaria de la muestra, el espectro creado puede ser muy complejo. Por lo tanto, se puede acoplar una resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier a DESI, lo que permite una resolución más alta. El DESI puede estar compuesto por seis etapas móviles lineales y una etapa giratoria. [20] Esto puede incluir una etapa lineal 3-D para muestras y otra con etapa giratoria para el soporte de pulverización. El acoplamiento de un FTICR a DESI puede aumentar la precisión de la masa por debajo de 3 partes por millón. [21] Esto se puede hacer tanto en muestras líquidas como sólidas.
DESI se puede acoplar a una cromatografía líquida ultrarrápida mediante una estrategia de división de eluyentes LC. Se trata de una estrategia a través de un pequeño orificio en un tubo capilar LC. Hay un volumen muerto y una contrapresión insignificantes que permiten la detección por espectrometría de masas casi en tiempo real con una elución y purificación rápidas. [22] Este acoplamiento se puede utilizar para ionizar una amplia gama de moléculas, desde pequeños compuestos orgánicos hasta proteínas de gran masa. Esto se diferencia de ESI (ionización por electropulverización) en que se puede utilizar para analizar directamente soluciones de muestra que contienen sal sin necesidad de dopar la muestra con disolventes/ácidos de “reposición”. [23] Esta configuración permite un alto caudal sin dividirse. La alta resolución que se logra mediante HPLC de fase inversa se puede combinar con este procedimiento para producir también un cribado de alto rendimiento de productos naturales. [24] La incorporación del componente electroquímico ayuda con la eficiencia de la ionización a través de la conversión electroquímica. [25] Este método ha demostrado ser mejor que ESI en el hecho de que no es necesario separar el pequeño potencial que se aplica a la celda del potencial en el aerosol en DESI. DESI también muestra una mejor tolerancia a los electrolitos de sales inorgánicas y puede utilizar disolventes tradicionales utilizados en la electrólisis. [24]
En DESI, hay un chorro de electropulverización asistido neumáticamente de alta velocidad que se dirige continuamente hacia la superficie de la sonda. El chorro forma una fina película de disolvente del tamaño de un micrómetro sobre la muestra donde se puede desorber. La muestra puede ser desalojada por el chorro de pulverización entrante, lo que permite que las partículas se desprendan en un cono de eyección de analito que contiene gotitas de iones secundarios. [26] Todavía se están realizando muchos estudios sobre los principios operativos de DESI, pero todavía se conocen algunas cosas. Se sabe que el diámetro de erosión de la mancha de pulverización formada por DESI está directamente relacionado con la resolución espacial. Tanto la composición química como la textura de la superficie también afectarán el proceso de ionización. El gas nebulizador más comúnmente utilizado es N 2 ajustado a una presión típica de 160 psi. El disolvente es una combinación de metanol y agua , a veces combinado con ácido acético al 0,5% y con un caudal de 10 μL/min. [27] La superficie se puede montar de dos maneras diferentes: una consiste en un soporte de superficie que puede transportar portaobjetos de superficie desechables de 1 x 5 cm de tamaño que se colocan sobre una superficie de acero inoxidable. A la superficie de acero se le aplica un voltaje para proporcionar un potencial superficial apropiado. El potencial de superficie que se puede aplicar es el mismo al que se puede configurar el pulverizador. La segunda superficie está hecha con un bloque de aluminio que tiene un calentador incorporado, esto permite el control de temperatura con temperaturas de hasta 300 °C con etapas más nuevas que tienen CCD y fuentes de luz incorporados. Sus espectros son similares a los de ESI. Presentan iones con carga múltiple, aductos de metales alcalinos y complejos no covalentes que se originan en la fase condensada de la interacción muestra/disolvente. [12] Se revela que DESI tiene una condición de ionización más suave que conduce a una tendencia más pronunciada a la formación de aductos metálicos y una carga específica más baja de gotitas secundarias [ cita necesaria ] .