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 opera a presión atmosférica (105 Pa), ya sea por absorción directa seguida de eyección de electrones o mediante la ionización de una molécula dopante que conduce a la ionización química de las moléculas objetivo. La muestra suele ser un aerosol de disolvente que se vaporiza por nebulización y calor. El beneficio de la 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 que otros métodos de ionización populares como la ionización por electrospray (ESI) y la ionización química a presión atmosférica (APCI) son menos adecuados. También es menos propenso a la supresión de iones y los efectos de matriz en comparación con ESI y APCI y generalmente tiene un amplio rango dinámico lineal. La aplicación de APPI con LC/MS se utiliza 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 MS. El analito o los analitos en solución del HPLC fluyen hacia el nebulizador a un caudal que puede variar de μL/min a mL/min. El flujo de líquido se vaporiza por nebulización y calor. La muestra vaporizada luego ingresa en la zona de radiación de la fuente VUV. Luego, los iones de la muestra ingresan en la región de interfaz MS, con frecuencia un capilar a través de la combinación de un gradiente de presión decreciente y campos eléctricos.
La APPI se ha desarrollado comercialmente como fuente de ionización dual, más comúnmente con APCI, pero también con ESI. [3]
El mecanismo de fotoionización se simplifica en condiciones de vacío: la absorción de fotones por la molécula de analito, lo que lleva a la eyección 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 es generalmente perjudicial para el análisis LC/MS, pero como la mayoría de los procesos, una vez que se entienden 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 la espectrometría de movilidad iónica (IMS), [4] [5] se adaptó a APPI para LC/MS. Los mecanismos básicos de APPI se pueden resumir mediante el siguiente esquema:
Ion positivo directo APPI
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 la APPI directa, este proceso ocurre para la molécula de 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 disolvente abundante para formar el catión estable [M+H] + , que suele ser el ion observado. [6]
En la APPI dopante (o APCI inducida por fotoionización), se introduce una cantidad de moléculas fotoionizables (por ejemplo, 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 del dopante o del disolvente pueden reaccionar entonces con moléculas de analito neutras a través de reacciones de transferencia de protones o de intercambio de carga. La tabla anterior simplifica el proceso de dopante. De hecho, puede haber una extensa química ion-molécula entre el dopante y el disolvente antes de que el analito se ionice. La APPI también puede producir iones negativos mediante la creación de una gran abundancia de electrones térmicos a partir de la ionización del dopante o del disolvente o mediante fotones que golpean superficies metálicas en la fuente de ionización. La cascada de reacciones que puede conducir a M − o iones negativos disociativos [MX] − a menudo implican O 2 como portador de carga de electrones. [7] Algunos 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 la ionización multifotónica no resonante (MPI), [8] MPI mejorada por resonancia (REMPI) utilizando longitudes de onda ajustables, [9] e ionización de fotón único utilizando generación de frecuencia de suma en medios no lineales (generalmente celdas de gas). [10] [11] Las fuentes de fotoionización no láser incluyen lámparas de descarga y radiación de sincrotrón . [12] Las primeras fuentes no eran adaptables a aplicaciones analíticas de alta sensibilidad debido al bajo brillo espectral en el primer caso y al gran "tamaño de la instalación" en el segundo caso. Mientras tanto, la fotoionización se ha utilizado para la detección de GC y como fuente para espectrometría de movilidad iónica durante muchos años, lo que sugiere el 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 APPI fueron comercializadas poco después por Syagen Technology y puestas a disposición para la mayoría de los sistemas MS comerciales y por Sciex para su línea de instrumentos MS. Simultáneamente al desarrollo de APPI hubo un uso similar de una fuente VUV para fotoionización a baja presión (LPPI) por parte de Syage y colaboradores que aceptaba muestras en fase gaseosa a presión atmosférica pero reducía la presión para la ionización a aproximadamente 1 torr (~100 Pa) antes de una reducción adicional de la presión para la introducción en un analizador MS. Este método de fotoionización es muy adecuado como interfaz entre la cromatografía de gases (GC) y la MS. [16] [17]
El APPI se utiliza principalmente para LC/MS, aunque recientemente se ha utilizado ampliamente 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 utilizadas, ESI y APCI, el 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 iónica y los efectos de la matriz, lo que hace que el APPI sea muy eficaz para detectar compuestos cuantitativamente en matrices complejas. El APPI tiene otras ventajas, incluido un rango lineal y un rango dinámico más amplios que el ESI, como se ve en el ejemplo de la figura de la izquierda. [18] También es generalmente más selectivo que el APCI con señales de iones de fondo reducidas, como se muestra en la figura de la derecha. Este último ejemplo también destaca el beneficio del APPI frente al ESI en que las condiciones de HPLC eran para la fase normal no polar, en este caso utilizando disolvente n-hexano. El ESI requiere disolventes polares y, además, el hexano podría suponer un peligro de ignición para el ESI y el APCI que utilizan altos voltajes. La APPI funciona bien en condiciones de fase normal ya que muchos de los solventes 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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En cuanto a la aplicabilidad a un rango de velocidades de flujo de HPLC, se ha observado que el nivel de señal de los analitos por APPI se satura e incluso decae a velocidades de flujo de solvente más altas (por encima de 200 μl/min) y, por lo tanto, se recomiendan velocidades de flujo mucho más bajas para APPI que para ESI y APCI. Se ha sugerido que esto se debe a la absorción de fotones por la creciente densidad de moléculas de solvente., [20] [21] Sin embargo, esto lleva al beneficio de que APPI puede extenderse a velocidades de flujo muy bajas (por ejemplo, dominio de 1 μl/min) lo que permite un uso efectivo con LC capilar y electroforesis capilar. [22]
La aplicación de APPI con LC/MS se utiliza comúnmente para el análisis de compuestos de baja polaridad como petróleos, [23] hidrocarburos poliatómicos, [24] pesticidas, [25] esteroides, [26] lípidos, [27] y metabolitos de fármacos que carecen de grupos funcionales polares. [28] Se pueden encontrar excelentes artículos de revisión en las Referencias. [2] [29]
El APPI también se ha aplicado de manera efectiva para aplicaciones de ionización ambiental, lo que lo hace apto para varias configuraciones prácticas. Haapala et al. desarrollaron una configuración denominada APPI de desorción (DAPPI), que se muestra en la figura. Este dispositivo se ha aplicado al análisis de drogas de abuso en varias fases sólidas, metabolitos de drogas y esteroides en orina, pesticidas en material vegetal, etc. [29] [30] El APPI también se ha interconectado con una fuente DART (análisis directo en tiempo real) y se ha demostrado que, para compuestos no polares como esteroides y pesticidas, mejora la señal hasta en un orden de magnitud para el flujo de N2, que es el preferido para DART porque es significativamente más barato y más fácil de generar que el uso de mayor rendimiento del He. Las fuentes comerciales de APPI también se han adaptado para aceptar una sonda de muestreo insertable que puede suministrar 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 la conoce como 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 polaridad más baja 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 ionizador y desorción térmica 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 MS. En la figura de la izquierda se muestra una imagen de un sistema de hisopo-APPI-IMS utilizado en aeropuertos y otros lugares de seguridad.
De hecho, un sistema APPI-MS con hisopo diseñado para la detección de explosivos y narcóticos en aplicaciones de seguridad funciona muy bien para todo tipo de análisis ambiental utilizando una varilla de muestreo y un hisopo (figura de la derecha). Una demostración particular (no publicada) mostró una excelente sensibilidad y especificidad para la detección de compuestos de pesticidas en una variedad de frutas y verduras, mostrando límites de detección para 37 pesticidas prioritarios que van desde 0,02 a 3,0 ng muy por debajo de los límites seguros. [32]