Ionização por electrospray - Electrospray ionization

Fonte de ionização por electrospray (nanoSpray)

A ionização por eletropulverização ( ESI ) é uma técnica usada em espectrometria de massa para produzir íons usando um eletropulverização em que uma alta voltagem é aplicada a um líquido para criar um aerossol . É especialmente útil na produção de íons a partir de macromoléculas porque supera a propensão dessas moléculas a se fragmentar quando ionizadas. ESI é diferente de outros processos de ionização (por exemplo , dessorção / ionização a laser assistida por matriz (MALDI)), uma vez que pode produzir íons carregados múltiplos, estendendo efetivamente a faixa de massa do analisador para acomodar as ordens de magnitude kDa-MDa observadas em proteínas e seus fragmentos polipeptídicos associados.

A espectrometria de massa usando ESI é chamada de espectrometria de massa de ionização por eletrospray (ESI-MS) ou, menos comumente, espectrometria de massa por eletrospray (ES-MS). ESI é uma técnica chamada de 'ionização suave', uma vez que há muito pouca fragmentação. Isso pode ser vantajoso no sentido de que o íon molecular (ou mais precisamente um íon pseudo-molecular) é quase sempre observado, no entanto, muito pouca informação estrutural pode ser obtida a partir do espectro de massa simples obtido. Esta desvantagem pode ser superada pelo acoplamento de ESI com espectrometria de massa em tandem (ESI-MS / MS). Outra vantagem importante do ESI é que as informações da fase da solução podem ser retidas na fase gasosa.

A técnica de ionização por eletrospray foi relatada pela primeira vez por Masamichi Yamashita e John Fenn em 1984. O desenvolvimento da ionização por eletrospray para a análise de macromoléculas biológicas foi recompensado com a atribuição do Prêmio Nobel de Química a John Bennett Fenn em 2002. Um dos instrumentos originais usado pelo Dr. Fenn está em exibição no Instituto de História da Ciência na Filadélfia, Pensilvânia.

História

Diagrama da ionização por eletrospray em modo positivo: sob alta tensão, o cone de Taylor emite um jato de gotas de líquido. O solvente das gotículas evapora progressivamente, deixando-as cada vez mais carregadas. Quando a carga excede o limite de Rayleigh, a gota se dissocia de forma explosiva, deixando um fluxo de íons carregados (positivos)

Em 1882, Lord Rayleigh estimou teoricamente a quantidade máxima de carga que uma gota de líquido poderia carregar antes de lançar finos jatos de líquido. Isso agora é conhecido como limite de Rayleigh.

Em 1914, John Zeleny publicou um trabalho sobre o comportamento de gotículas de fluido no final dos capilares de vidro e apresentou evidências de diferentes modos de eletropulverização. Wilson, Taylor e Nolan investigaram o eletrospray na década de 1920 e Macky em 1931. O cone de eletrospray (agora conhecido como cone de Taylor ) foi descrito por Sir Geoffrey Ingram Taylor .

O primeiro uso da ionização por eletrospray com espectrometria de massa foi relatado por Malcolm Dole em 1968. John Bennett Fenn recebeu o Prêmio Nobel de Química de 2002 pelo desenvolvimento da espectrometria de massa por ionização por eletrospray no final dos anos 1980.

Mecanismo de ionização

Primeira fonte de ionização por eletrospray de Fenn acoplada a um espectrômetro de massa quadrupolo único

O líquido contendo os analitos de interesse é disperso por electrospray , em um aerossol fino. Como a formação de íons envolve evaporação extensiva de solvente (também chamada de dessolvatação), os solventes típicos para ionização por eletrospray são preparados pela mistura de água com compostos orgânicos voláteis (por exemplo, metanol acetonitrila). Para diminuir o tamanho inicial da gota, os compostos que aumentam a condutividade (por exemplo, ácido acético) são normalmente adicionados à solução. Essas espécies também atuam como fonte de prótons para facilitar o processo de ionização. Os eletrosprays de grande fluxo podem se beneficiar da nebulização de um gás inerte aquecido, como nitrogênio ou dióxido de carbono, além da alta temperatura da fonte ESI. O aerossol é amostrado no primeiro estágio de vácuo de um espectrômetro de massa através de um capilar carregando uma diferença de potencial de aproximadamente 3000  V, que pode ser aquecido para auxiliar na evaporação do solvente das gotículas carregadas. O solvente evapora de uma gota carregada até que se torne instável ao atingir seu limite de Rayleigh . Neste ponto, a gota deforma à medida que a repulsão eletrostática de cargas semelhantes, em um tamanho de gota cada vez menor, torna-se mais poderosa do que a tensão superficial que mantém a gota unida. Neste ponto, a gota sofre a fissão de Coulomb, por meio da qual a gota original 'explode' criando muitas gotas menores e mais estáveis. As novas gotas sofrem dessolvatação e subsequentemente mais fissões de Coulomb. Durante a fissão, a gota perde uma pequena porcentagem de sua massa (1,0–2,3%) junto com uma porcentagem relativamente grande de sua carga (10–18%).

Existem duas teorias principais que explicam a produção final de íons em fase gasosa: o modelo de evaporação de íons (IEM) e o modelo de resíduo de carga (CRM). O IEM sugere que quando a gota atinge um certo raio, a intensidade do campo na superfície da gota se torna grande o suficiente para ajudar na dessorção do campo de íons solvatados. O CRM sugere que as gotículas de eletrospray passam por ciclos de evaporação e fissão, eventualmente levando as gotículas de progênie que contêm em média um íon analito ou menos. Os íons da fase gasosa se formam depois que as moléculas de solvente restantes evaporam, deixando o analito com as cargas que a gota carregava.

Esquema IEM, CRM e CEM.

Um grande corpo de evidências mostra direta ou indiretamente que pequenos íons (de pequenas moléculas ) são liberados na fase gasosa através do mecanismo de evaporação de íons, enquanto íons maiores (de proteínas dobradas, por exemplo) se formam pelo mecanismo de resíduos carregados.

Um terceiro modelo invocando a emissão combinada de resíduos-campo carregados foi proposto. Outro modelo denominado modelo de ejeção de cadeia (CEM) é proposto para polímeros desordenados (proteínas não dobradas).

Os íons observados por espectrometria de massa podem ser íons quasimoleculares criados pela adição de um cátion de hidrogênio e denotados [ M  + H] + , ou de outro cátion , como íon sódio , [ M  + Na] + , ou a remoção de um núcleo de hidrogênio , [ M  - H] - . Íons com carga múltipla, como [ M  +  n H] n +, são freqüentemente observados. Para macromoléculas grandes , pode haver muitos estados de carga, resultando em um envelope de estado de carga característico. Todas essas são espécies de íons de elétrons pares: elétrons (sozinhos) não são adicionados ou removidos, ao contrário de algumas outras fontes de ionização. Os analitos às vezes estão envolvidos em processos eletroquímicos , levando a mudanças nos picos correspondentes no espectro de massa . Este efeito é demonstrado na ionização direta de metais nobres como cobre, prata e ouro por meio de eletrospray.

A eficiência de geração de íons de fase gasosa para moléculas pequenas em ESI varia dependendo da estrutura do composto, do solvente usado e dos parâmetros instrumentais. As diferenças na eficiência de ionização chegam a mais de 1 milhão de vezes.

Variantes

Os eletrosprays operados em baixas taxas de fluxo geram gotas iniciais muito menores, o que garante maior eficiência de ionização . Em 1993, Gale e Richard D. Smith relataram que aumentos de sensibilidade significativos poderiam ser alcançados usando taxas de fluxo mais baixas e até 200 nL / min. Em 1994, dois grupos de pesquisa cunharam o nome micro-electrospray (microspray) para eletrosprays trabalhando em baixas taxas de fluxo. Emmett e Caprioli demonstraram desempenho aprimorado para análises de HPLC-MS quando o eletrospray foi operado a 300–800 nL / min. Wilm e Mann demonstraram que um fluxo capilar de ~ 25 nL / min pode sustentar um eletropulverização na ponta de emissores fabricados puxando os capilares de vidro para alguns micrômetros. Este último foi renomeado para nanoeletrospray (nanospray) em 1996. Atualmente o nome nanospray também é usado para eletrosprays alimentados por bombas em baixas taxas de fluxo, não apenas para eletrosprays autoalimentados. Embora possa não haver uma faixa de taxa de fluxo bem definida para eletrospray, microspray e nanoelectrospray, estudou "mudanças na partição do analito durante a fissão das gotículas antes da liberação do íon". Neste artigo, eles comparam os resultados obtidos por três outros grupos. e, em seguida, medir a razão de intensidade do sinal [Ba 2+ + Ba + ] / [BaBr + ] em diferentes taxas de fluxo.

A ionização por spray frio é uma forma de eletrospray em que a solução contendo a amostra é forçada através de um pequeno capilar frio (10–80 ° C) em um campo elétrico para criar uma névoa fina de gotículas carregadas de frio. As aplicações deste método incluem a análise de moléculas frágeis e interações hóspede-hospedeiro que não podem ser estudadas usando ionização por electrospray regular.

A ionização por eletropulverização também foi alcançada em pressões tão baixas quanto 25 torr e denominada ionização por pressão subambiente com nanoeletrospray (SPIN) com base em uma interface de funil de íons de dois estágios desenvolvida por Richard D. Smith e colaboradores. A implementação do SPIN proporcionou maior sensibilidade devido ao uso de funis de íons que ajudaram a confinar e transferir os íons para a região de pressão mais baixa do espectrômetro de massa. Emissor de nanoeletrospray é feito de um capilar fino com uma pequena abertura de cerca de 1–3 micrômetro. Para condutividade suficiente, este capilar é geralmente revestido por pulverização catódica com material condutor, por exemplo, ouro. A ionização de nanopulverização consome apenas alguns microlitros de uma amostra e forma gotículas menores. A operação em baixa pressão foi particularmente eficaz para taxas de fluxo baixas, onde o tamanho de gota de eletrospray menor permitiu a dessolvatação efetiva e a formação de íons a serem alcançadas. Como resultado, os pesquisadores foram mais tarde capazes de demonstrar a obtenção de um excesso de 50% da eficiência geral de utilização da ionização para a transferência de íons da fase líquida para a fase gasosa como íons e através da interface de funil de íon duplo para o espectrômetro de massa.

Ionização ambiental

Diagrama de uma fonte de ionização de ambiente DESI

Na ionização ambiente , a formação de íons ocorre fora do espectrômetro de massa sem preparação da amostra. Electrospray é usado para a formação de íons em várias fontes de íons ambientes.

A ionização por electrospray de dessorção (DESI) é uma técnica de ionização de ambiente em que um electrospray de solvente é dirigido a uma amostra. O electrospray é atraído para a superfície aplicando uma voltagem à amostra. Os compostos da amostra são extraídos para o solvente, que é novamente aerossolizado como gotículas altamente carregadas que evaporam para formar íons altamente carregados. Após a ionização, os íons entram na interface de pressão atmosférica do espectrômetro de massa. DESI permite a ionização ambiente de amostras à pressão atmosférica, com pouca preparação de amostra.

Diagrama de uma fonte de ionização de ambiente SESI

A ionização por eletrospray extrativo é um método de ionização de ambiente do tipo spray que usa dois sprays mesclados, um dos quais é gerado por eletrospray.

A ionização de ambiente baseada em eletrospray baseada em laser é um processo de duas etapas em que um laser pulsado é usado para dessorver ou ablacionar material de uma amostra e a nuvem de material interage com um eletrospray para criar íons. Para a ionização do ambiente, o material da amostra é depositado em um alvo próximo ao eletropulverização. O laser dessorve ou remove o material da amostra que é ejetado da superfície para o eletrospray que produz íons altamente carregados. Exemplos são electropulverização com dessorção por laser de ionização , ionização por dessorção de laser assistida por matriz electropulverização , e do laser de ablação com ionização por electrospray .

SESI-MS SUPER SESI acoplado com Thermo Fisher Scientific-Orbitrap

A ionização por spray eletrostático (ESTASI) envolveu a análise de amostras localizadas em uma superfície plana ou porosa, ou dentro de um microcanal. Uma gota contendo analitos é depositada em uma área de amostra, à qual é aplicada uma alta tensão pulsada. Quando a pressão eletrostática é maior do que a tensão superficial, gotículas e íons são pulverizados.

A ionização por electrospray secundária (SESI) é um tipo de spray, método de ionização de ambiente em que os íons de carga são produzidos por meio de um electrospray. Esses íons então carregam moléculas de vapor na fase gasosa ao colidir com eles.

Na ionização por spray de papel , a amostra é aplicada a um pedaço de papel, solvente é adicionado e uma alta voltagem é aplicada ao papel, criando íons.

Formulários

A parte externa da interface de electrospray em um espectrômetro de massa LTQ.

Electrospray é usado para estudar o dobramento de proteínas .

Cromatografia líquida - espectrometria de massa

A ionização por eletropulverização é a fonte de íons escolhida para acoplar a cromatografia líquida à espectrometria de massa (LC-MS). A análise pode ser realizada online, alimentando o líquido que elui da coluna LC diretamente para um eletrospray, ou offline, coletando frações para serem posteriormente analisadas em uma configuração clássica de espectrometria de massa de nanoeletrospray. Entre os vários parâmetros operacionais em ESI-MS, para proteínas, a voltagem de eletrospray foi identificada como um parâmetro importante a ser considerado na eluição de gradiente ESI LC / MS. O efeito de várias composições de solventes (como TFA ou acetato de amônio, ou reagentes de superalimentação ou grupos de derivação) ou condições de pulverização em espectros de LCMS de electrospray e / ou espectros de nanoESI-MS. foram estudados.

Eletroforese capilar-espectrometria de massa (CE-MS)

Eletroforese capilar-espectrometria de massa foi habilitada por uma interface ESI que foi desenvolvida e patenteada por Richard D. Smith e colegas de trabalho do Pacific Northwest National Laboratory , e demonstrou ter ampla utilidade para a análise de pequenas misturas de compostos biológicos e químicos, e até mesmo estendendo a uma única célula biológica.

Interações de fase gasosa não covalente

A ionização por eletropulverização também é utilizada no estudo de interações de fase gasosa não covalente . O processo de eletropulverização é considerado capaz de transferir complexos não covalentes da fase líquida para a fase gasosa sem interromper a interação não covalente. Problemas como interações não específicas foram identificados ao estudar complexos de substrato de ligante por ESI-MS ou nanoESI-MS. Um exemplo interessante disso é o estudo das interações entre enzimas e drogas que são inibidoras da enzima. Estudos de competição entre STAT6 e inibidores usaram o ESI como uma forma de triagem de novos candidatos a drogas em potencial.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Cole, Richard (1997). Espectrometria de massa com ionização por eletrospray: fundamentos, instrumentação e aplicações . Nova York: Wiley. ISBN 978-0-471-14564-6.
  • Gross, Michael; Pramanik, Birendra N .; Ganguly, AK (2002). Espectrometria de massa por electrospray aplicada . New York, NY: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-0618-0.
  • Snyder, A. Peter (1996). Aplicações bioquímicas e biotecnológicas da espectrometria de massa com ionização por eletrospray . Columbus, OH: American Chemical Society. ISBN 978-0-8412-3378-2.
  • Alexandrov, ML; LN Gall; NV Krasnov; VI Nikolaev; VA Pavlenko; VA Shkurov (julho de 1984). Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении - Метод масс-спектрометрического анасситворов[Extração de íons de soluções à pressão atmosférica - Um método para análise de espectrometria de massa de substâncias bioorgânicas]. Doklady Akademii Nauk SSSR (em russo). 277 (2): 379–383.
  • Alexandrov, ML; LN Gall; NV Krasnov; VI Nikolaev; VA Pavlenko; VA Shkurov (2008) [julho de 1984]. "Extração de íons de soluções sob pressão atmosférica como método de análise por espectrometria de massa de compostos bioorgânicos". Comunicações rápidas em espectrometria de massa . 22 (3): 267–270. Bibcode : 2008RCMS ... 22..267A . doi : 10.1002 / rcm.3113 . PMID  18181250 .

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