La ionización química a presión atmosférica ( APCI ) es un método de ionización utilizado en espectrometría de masas que utiliza reacciones ion-molécula en fase gaseosa a presión atmosférica (10 5 Pa), [1] [2] comúnmente junto 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 una pulverización de solvente. [4] El uso principal de APCI es para compuestos polares y relativamente menos polares térmicamente estables con un peso molecular inferior 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 normalmente consta 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 del nebulizador calentada [7] de un LC, como se muestra en la figura, el eluato fluye a una velocidad de 0,2 a 2,0 ml/min hacia un nebulizador neumático que crea una niebla de finas gotas. Las gotas se vaporizan por impacto con las paredes calentadas a 350–500 °C y son transportadas por el gas nebulizador y un gas auxiliar a la región de reacción de la molécula de iones entre el electrodo de corona y el contraelectrodo de salida. [4] Se mantiene una corriente constante de 2 a 5 microamperios desde la aguja de corona. Los iones de muestra se producen mediante 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.
Son posibles varias geometrías de fuente de iones, según la aplicación. Cuando se utiliza con cromatografía líquida, particularmente a velocidades de flujo más altas, el nebulizador a menudo se coloca ortogonal (o en un ángulo similarmente pronunciado) a la entrada del espectrómetro de masas, de modo que el disolvente y el material neutro no contaminen la entrada real de la masa. espectrómetro. [8]
La ionización en fase gaseosa por APCI sigue las secuencias: muestra en solución, muestra de vapor y muestra de iones. El efluente de la HPLC se evapora completamente. Luego, la mezcla de disolvente y vapor de muestra se ioniza mediante una reacción ion-molécula. [9]
La ionización puede realizarse en modo de ionización positiva o negativa. En el modo positivo, las afinidades relativas de los protones de los iones reactivos y las moléculas gaseosas del analito permiten la transferencia de protones o la aducción de los iones gaseosos reactivos para producir los iones [M+H] + de las especies moleculares. [4] En el modo negativo, los iones [M−H] − se producen mediante abstracción de protones, o los iones [M+X] − se producen mediante unión de aniones. La mayor parte del trabajo en el análisis APCI-MS ha sido positivo.
En el modo positivo, cuando la corriente de descarga de la descarga de corona es de 1 a 5 μA en el disolvente 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 y iones reactivos. Si el agua es el único disolvente 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 agua H + (H 2 O) n . [10] Luego, las moléculas de analito M son protonadas por los iones del grupo de agua. Finalmente, los productos de ionización MH + (H 2 O) m salen de la fuente de iones a presión atmosférica. La desagregación (eliminación de moléculas de agua de la molécula de analito protonada) de MH + (H 2 O) m se lleva a cabo 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 producto: [2]
Desagrupación en el alto vacío del analizador de masas: [2]
Si la fase móvil contiene disolventes con mayor afinidad protónica que el agua, se producen reacciones de transferencia de protones que conducen a la protonación del disolvente con mayor afinidad protónica. Por ejemplo, cuando está presente el disolvente metanol, los iones del disolvente agrupados 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 fragmento de ion de una muestra, se ha producido una degradación térmica por la interfaz calentada del nebulizador, seguida de la ionización de los productos de descomposición.
A diferencia de la ionización química, los electrones necesarios para la ionización primaria no son producidos por un filamento calentado, ya que un filamento calentado no se puede utilizar en condiciones de presión atmosférica. En cambio, la ionización debe ocurrir mediante 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 la espectrometría de masas se pueden encontrar en la década de 1960 en estudios de iones en llamas [12] y de la química de iones en descargas de corona hasta la presión atmosférica. [13] La primera aplicación de APCI combinada con espectrometría de masas para el análisis de trazas químicas fue realizada por Franklin GNO Corporation, quien en 1971 desarrolló un instrumento que combinaba APCI con movilidad iónica y espectrometría de masas. [14] Horning, Carroll y sus compañeros de trabajo en la década de 1970 en el Baylor College of Medicine (Houston, TX) demostraron las ventajas de APCI para acoplar la cromatografía de gases (GC) [15] y la cromatografía líquida (LC) [16] a un espectrómetro de masas. En estos estudios se mostraron espectros de masas simples y de alta sensibilidad. [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 en corona, que proporcionaba un rango de respuesta dinámica más amplio. [17] APCI con electrodo de descarga en corona se convirtió en el modelo para las modernas interfaces APCI disponibles comercialmente. [18]
A finales de la década de 1970, SCIEX [19] [20] introdujo un sistema de espectrómetro de masas APCI (TAGA, por Trace Atmospheric Gas Analyzer), montado en una camioneta para operación móvil, 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 la monitorización directa 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 transporte en los pasos fronterizos, mediante 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] Juntos han ampliado drásticamente el papel de la espectrometría de masas en la industria farmacéutica tanto para el desarrollo como para las aplicaciones de descubrimiento de fármacos. La sensibilidad de APCI combinada con la especificidad de LC-MS y LC-MS/MS a menudo lo convierte en el método de elección para la cuantificación de fármacos y metabolitos de fármacos. [23]
La ionización del sustrato es muy eficaz ya que se produce a presión atmosférica y, por tanto, tiene una alta frecuencia de colisión. Además, APCI reduce considerablemente la descomposición térmica del analito debido a la rápida desolvatación y vaporización de las gotas en las etapas iniciales de la ionización. [4] Esta combinación de factores suele dar como resultado la producción de iones de 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 a 2,0 ml/min), a menudo sin desviar la mayor fracción de volumen a residuos. Además, la APCI a menudo se puede realizar en una fuente ESI modificada . [25] La ionización ocurre en la fase gaseosa, a diferencia de ESI, donde la ionización ocurre en la fase líquida. Una ventaja potencial de 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 en corona. Debido a que APCI implica una química en fase gaseosa, no es necesario utilizar condiciones especiales como disolventes, conductividad o pH para LC. APCI parece ser una interfaz LC/MS más versátil y más compatible con LC de fase reversa que ESI. [24]
APCI es adecuado para muestras termoestables con peso molecular bajo a medio (menos de 1500 Da) y polaridad media a alta. Es particularmente útil para analitos que no son suficientemente polares para la electropulverización. El área de aplicación de APCI es el análisis de fármacos, lípidos no polares, compuestos naturales, pesticidas y diversos compuestos orgánicos, pero tiene un uso limitado en el análisis de biopolímeros, organometálicos, compuestos iónicos y otros analitos lábiles. [26]
A principios de 1971, cuando se hacía referencia a IMS como cromatografía de plasma (PC), Franklin GNO Corporation desarrolló el primer espectrómetro de masas-espectrómetro de movilidad iónica comercial (IMS-MS) y demostró su uso como detector para identificación y análisis de trazas de compuestos oxigenados (es decir, 1-octanol y 1-nonanol).