La ionización por electrospray de 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. Los sistemas de fuentes de ionización acopladas-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 disolvente cargada de rápido movimiento, en un ángulo relativo 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 se puede aplicar en una amplia variedad de sectores, incluidos la administración de alimentos y medicamentos , productos farmacéuticos, monitoreo ambiental y biotecnología.
DESI ha sido ampliamente estudiado desde su inicio en 2004 por Zoltan Takáts, Justin Wiseman y Bogdan Gologan, en el grupo de Graham Cooks de la Universidad de Purdue [3] con el objetivo de buscar 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 parte responsables del rápido crecimiento de las técnicas de ionización ambiental, con una proliferación de más de ochenta nuevas técnicas que se encuentran hoy en día. [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 electrospray y las técnicas de desorción de superficie. La ionización por electrospray con espectrometría de masas fue reportada por Malcolm Dole en 1968, [8] pero John Bennett Fenn recibió un premio Nobel en química por el desarrollo de ESI-MS a fines de la década de 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 condujo a la introducción de DESI y DART como las principales técnicas de ionización ambiental que luego se convertirían en múltiples técnicas diferentes. Una en particular, debido al aumento de estudios sobre la optimización de DESI, es la ionización por electrospray de desorción por nanospray (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 electrospray (ESI) y desorción (DI). La ionización se lleva a cabo dirigiendo una niebla cargada eléctricamente a la superficie de la muestra que se encuentra a unos pocos milímetros de distancia. [12] La niebla de electrospray se dirige neumáticamente a la muestra donde las gotas salpicadas posteriormente transportan analitos ionizados desorbidos. Después de la ionización, los iones viajan a través del aire hacia la interfaz de presión atmosférica que está conectada al espectrómetro de masas. DESI es una técnica que permite la ionización ambiental de una muestra de trazas a presión atmosférica, con poca preparación de la muestra. DESI se puede utilizar para investigar metabolitos secundarios in situ, observando específicamente las distribuciones espaciales y temporales. [13]
En DESI hay dos tipos de mecanismo 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 las proteínas y los péptidos, muestran espectros similares a los de electrospray donde se observan iones con carga múltiple. Esto sugiere la 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 a la entrada del espectrómetro de masas y se desolvatan aún más. El disolvente que se utiliza normalmente para el electrospray es una combinación de metanol y agua .
En el caso de las moléculas de bajo peso molecular, la ionización se produce por transferencia de carga: un electrón o un protón . Existen tres posibilidades para la transferencia de carga. En primer lugar, la transferencia de carga entre un ion de disolvente y un analito en la superficie. En segundo lugar, la transferencia de carga entre un ion en fase gaseosa y un analito en la superficie; en este caso, el ion de disolvente se evapora antes de llegar a la superficie de la muestra. Esto se consigue cuando la distancia de pulverización a 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 las 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 electrospray, parámetros químicos y parámetros geométricos. [12] Los efectos de superficie incluyen la composición química, la temperatura y el potencial eléctrico aplicado. Los parámetros de electrospray incluyen el voltaje de electrospray, los caudales de gas y líquido. Los parámetros químicos se refieren a la composición del disolvente rociado, 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: alto peso molecular (proteínas, péptidos, oligosacáridos, etc.) y bajo peso molecular (colorante diazo, estereoides, cafeína, nitroaromáticos, etc.). Las condiciones óptimas para el grupo de alto peso molecular son ángulos de incidencia altos (70–90°) y distancias d 1 cortas (1–3 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). Estos resultados de la prueba indican que cada grupo de moléculas tiene un mecanismo de ionización diferente; descrito en detalle en la sección Principio de funcionamiento.
La boquilla del pulverizador y el soporte de superficie están unidos 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 por ionización por electrospray por ablación láser (LAESI) es una técnica de ionización ambiental aplicable a la obtención de imágenes de tejidos de plantas y animales, 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. A continuación, esta nube se golpea con el electrospray desde arriba para provocar la ionización. Los iones desorbidos pueden pasar entonces al espectrómetro de masas para su análisis. Este método también es bueno para la obtención de imágenes en aplicaciones. Los análisis se pueden desorber a través de una irradiación láser pulsada sin necesidad de una matriz. Este método se utiliza mejor con moléculas orgánicas pequeñas y también con biomoléculas más grandes. [15]
Otro método útil para las biomoléculas es la ionización por electrospray con desorción láser asistida por matriz (MALDESI). En esta técnica, se utiliza la 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 la ESI y la matriz tendrán un efecto en la eficiencia del compuesto de la 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 muestra 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 una 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 también 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 tándem entre sí para investigar las formas y la reactividad de los iones 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 mencionó anteriormente, DESI permite una investigación directa de muestras naturales sin necesidad de ninguna preparación de muestra o separación cromatográfica. Pero, debido a esta preparación de muestra innecesaria, el espectro creado puede ser muy complejo. Por lo tanto, puede acoplar una resonancia ciclotrónica iónica por transformada de Fourier a DESI, lo que permite una mayor resolución. 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 la etapa giratoria para el montaje de pulverización. El acoplamiento de un FTICR a DESI puede aumentar la precisión de la masa a menos de 3 partes por millón. [21] Esto se puede hacer tanto en muestras líquidas como sólidas.
La DESI se puede acoplar a la cromatografía líquida ultrarrápida utilizando una estrategia de división de eluyente LC. Es una estrategia a través de un orificio diminuto en un tubo capilar LC. Hay un volumen muerto y una contrapresión insignificantes que permiten una 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 pequeñas sustancias orgánicas hasta proteínas de alta masa. Esto es diferente de la ESI (ionización por electrospray) en que se puede utilizar para analizar directamente soluciones de muestra que contienen sal sin necesidad de que se dopen disolventes/ácidos de "reposición" en la muestra. [23] Esta configuración permite un alto caudal sin división. La alta resolución que se logra mediante la 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 a la eficiencia de la ionización a través de la conversión electroquímica. [25] Este método ha demostrado ser mejor que el ESI en el sentido de que no es necesario separar el pequeño potencial que se aplica a la celda del potencial del aerosol en DESI. DESI también muestra una mejor tolerancia a los electrolitos de sal inorgánica y se pueden utilizar los solventes tradicionales que se utilizan en la electrólisis. [24]
En DESI, hay un chorro de electrospray asistido neumáticamente de alta velocidad que se dirige continuamente hacia la superficie de la sonda. El chorro forma una película de disolvente delgada del tamaño de un micrómetro sobre la muestra donde puede desorberse. 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 para analizar los principios de funcionamiento de DESI, pero todavía se conocen algunas cosas. Se sabe que el diámetro de erosión del punto de pulverización formado 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 utilizado con más frecuencia es N2 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 a un caudal de 10 μL/min. [27] La superficie se puede montar de dos maneras diferentes, una de ellas consiste en un soporte de superficie que puede llevar portaobjetos desechables de superficie de 1 x 5 cm de tamaño que se colocan sobre una superficie de acero inoxidable. La superficie de acero tiene un voltaje aplicado para proporcionar un potencial de superficie apropiado. El potencial de superficie que se puede aplicar es el mismo en el 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 la 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 de carga múltiple, aductos de metales alcalinos y complejos no covalentes que se originan a partir de 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 gotas secundarias [ cita requerida ] .