Direkte analyse i sanntid

I massespektrometri er direkte analyse i sanntid (ofte forkortet DART fra engelsk direct analysis in real time) en ionkilde som produserer elektronisk eller vibronisk eksitert tilstandsart fra gasser som helium, argon eller nitrogen som ioniserer atmosfæriske molekyler eller dopemolekyler. Ionene generert fra atmosfæriske eller dopantmolekyler gjennomgår ion-molekylreaksjoner med prøvemolekylene for å produsere analytioner. Analyser med lav ioniseringsenergi kan ioniseres direkte. DART-ioniseringsprosessen kan produsere positive eller negative ioner avhengig av potensialet som påføres utgangselektroden.

Denne ioniseringen kan forekomme for specier som er desorbert direkte fra overflater som valuta, tabletter, kroppsvæsker (blod, spytt og urin), polymerer, glass, planteblader, frukt og grønnsaker, klær og levende organismer. DART brukes for rask analyse av et bredt utvalg av prøver ved atmosfærisk trykk og i det åpne laboratoriemiljøet. Det trenger ikke et spesifikt prøvepreparat, så det kan brukes til analyse av faste, flytende og gassformede prøver i sin opprinnelige tilstand.

Ved hjelp av DART kan eksakte massemålinger gjøres raskt med massespektrometere med høy oppløsning. DART massespektrometri har blitt brukt i farmasøytiske applikasjoner, rettsmedisinske studier, kvalitetskontroll og miljøstudier.

Historie

DART stammer fra samtaler mellom Laramee og Cody om utviklingen av en atmosfærisk trykkionkilde for å erstatte de radioaktive kildene i håndholdte kjemiske våpendetektorer. DART ble utviklet i slutten av 2002 til begynnelsen av 2003 av Cody og Laramee som en ny ioniseringsprosess for atmosfæretrykk, og en amerikansk patentsøknad ble inngitt i april 2003. Selv om utviklingen av DART faktisk var forut for desorpsjonselektrosprayionisering (DESI) ionekilde, kom den første DART-publikasjonen først til kort tid etter DESI-publikasjonen, og begge ionekildene ble offentlig introdusert i back-to-back presentasjoner av R. G. Cooks og R. B. Cody på ASMS Sanibel-konferansen i januar 2005. DESI og DART betraktes som banebrytende teknikker innen ionisering av omgivelsene, siden de opererer i det åpne laboratoriemiljøet og ikke krever forbehandling av prøven. I motsetning til den flytende sprayen som brukes av DESI, inneholder den ioniserende gassen fra DART-ionekilden en tørr strøm som inneholder eksitert tilstands specier.

Prinsipp for drift

Ioniseringsprosess

Dannelse av metastabile specier

Når gassen (M) kommer inn i ionkilden, påføres et elektrisk potensial i området +1 til +5 kV for å generere en glødutladning. Glødeavladningsplasmaet inneholder også kortvarige energiske specier, inkludert elektroner, ioner og eksiterte ustabile molekyler. Ion/elektron-rekombinasjon fører til dannelse av langlivede eksiterte nøytrale atomer eller molekyler (metastabile arter, M*) i den strømmende etterglød-regionen. DART-gassen kan oppvarmes fra romtemperatur (RT) til 550 °C for å lette desorpsjon av analytmolekyler. Oppvarming er valgfritt, men kan være nødvendig avhengig av overflaten eller kjemikaliet som analyseres. Den oppvarmede strømmen av gassformede metastabile specier passerer gjennom en porøs utgangselektrode som er forspent til et positivt eller negativt potensial i området 0 til 530V. Når forspent til et positivt potensial, fungerer utgangselektroden for å fjerne elektroner og negative ioner dannet av Penning-ionisering fra gasstrømmen for å forhindre ion/elektron-rekombinasjon og ion tap. Hvis utgangselektroden er forspent til et negativt potensial, kan elektroner genereres direkte fra elektrodematerialet ved overflatepenningionisering. En isolatorhette ved enden av ionekilden beskytter operatøren mot skade.

${\ce {M+energi->M^{\star }}}$

DART kan brukes til analyse av faste, flytende eller gassformede prøver. Væsker blir vanligvis analysert ved å dyppe en gjenstand (for eksempel en glass-stang) i væskeprøven og deretter presentere den for DART-ionekilden. Damp blir introdusert direkte i DART-gasstrømmen.

Skjematisk diagram over en DART-ionekilde

Positiv iondannelse

Når de metastabile bærergassatomer (M*) er frigjort fra kilden, initierer de Penning-ionisering av nitrogen, atmosfærisk vann og andre gassarter. Selv om noen forbindelser kan ioniseres direkte ved Penning-ionisering, involverer den vanligste mekanismen for dannelse av positive ioner for DART ionisering av atmosfærisk vann.

${\ce {{M^{\ast }}+{N2}->{M}+{N2}^{+\bullet }+e^{-}}}$

${\ce {{M^{\ast }}+{H2O}->{M}+{H2O}^{+\bullet }+e^{-}}}$

Selv om den eksakte ionedannelsesmekanismen ikke er klar, kan vann ioniseres direkte ved Penning-ionisering. Et annet forslag er at vann ioniseres av den samme mekanismen som er blitt foreslått for kjemisk ionisering ved atmosfæretrykk

${\ce {{N2^{+\bullet }}+{2N2}->{N4+}+{N2}}}$

${\ce {{N4^{+\bullet }}+{H2O}->{2N2}+{H2O}^{+\bullet }}}$

Ionisert vann kan gjennomgå ytterligere ion-molekylreaksjoner for å danne protonerte vannklynger ${\ce {[(H2O)_{n}H]^+}}$

${\ce {{H2O^{+\bullet }}+{H2O}->{H3O+}+{OH^{-}}}}$

${\ce {{H3O^{+}}+{\mathit {n}}H2O->{[{{\mathit {n}}H2O}+H]}^{+}}}$

Strømmen av protonerte vannklynger fungerer som en sekundær ioniserende specier og genererer analytioner ved kjemiske ioniseringsmekanismer ved atmosfæretrykk. Her kan protonering, deprotonering, direkte ladningsoverføring og dannelse av adduktioner forekomme.

${\ce {{S}+{[{{\mathit {n}}H2O}+H]}^{+}->{[{S}+H]}^{+}+{\mathit {n}}H2O}}$

${\ce {{N4}^{+\bullet }+S->{2N2}+S^{+\bullet }}}$

${\ce {{O2}^{+\bullet }+S->{O2}+S^{+\bullet }}}$

${\ce {{NO^{+}}+S->{NO}+S^{+\bullet }}}$

${\ce {{[NH4]^{+}}+S->{[{S}+NH4]}^{+}}}$

Metastabile argonatomer har ikke nok indre energi til å ionisere vann, så DART-ionisering med argongass krever bruk av dopmiddel.

Negativ iondannelse

I negativ-ion-modus kan potensialet til utgangsgitterelektroden settes til negative potensialer. Penningelektroner gjennomgår elektronfangst med atmosfærisk oksygen for å produsere O₂⁻. O₂⁻ vil produsere radikale anioner. Flere reaksjoner er mulige, avhengig av analyten.

${\ce {{O2}+{e}^{-}->{O2}^{-\bullet }}}$

${\ce {{O2}^{-\bullet }+{S}->{S}^{-\bullet }+O2}}$

${\ce {{S}+{e}^{-}->{S}^{-\bullet }}}$

${\ce {{SX}+{e}^{-}->{S}^{-}+{X}^{\bullet }}}$

${\ce {{SH}-> {[S-H]}^{-}+ {H}^{+}}}$

Den negative ionefølsomheten til DART-gasser varierer med effektiviteten i å danne elektroner ved Penning-ionisering, noe som betyr at den negative ionefølsomheten øker med den indre energien til det metastabile speciet, for eksempel nitrogen<neon<helium.

Instrumentering

Kilde til analysatorgrensesnitt

En kapsel som analyseres holdes i prøvekammeret mellom DART-ionekilden (høyre) og spektrometerinnløpet (kjeglen til venstre).

Analyttioner dannes ved omgivelsestrykk under Penning og kjemisk ionisering. Massespektrometrianalysen finner imidlertid sted under høyt vakuum. Derfor går ioner som kommer inn i massespektrometeret først gjennom et kilde-til-analysatorgrensesnitt (vakuumgrensesnitt), som ble designet for å bygge bro over atmosfæretrykkområdet til massespektrometervakuumet. Det minimerer også spektrometerforurensning.

I det originale JEOL-atmosfæriske trykkgrensesnittet som brukes til DART, blir ionene ledet til ioneføringen gjennom (ytre) og (indre) skimmeråpninger ved å bruke en liten potensialforskjell mellom dem: åpning 1: 20 V og åpning 2: 5 V Innrettingen av de to åpningene er forskjøvet for å fange nøytral forurensning og beskytte regionen med høyt vakuum. Ladede specier (ioner) ledes til den andre åpningen gjennom en mellomliggende sylindrisk elektrode ("ringlinse"), men nøytrale molekyler beveger seg i en rett vei og blir dermed blokkert fra å komme inn i ioneføreren. Den nøytrale forurensningen fjernes deretter av pumpen.

DART-kilden kan brukes i overflates desorpsjonsmodus eller overføringsmodus. I den vanlige overflatestesorpsjonsmodusen plasseres prøven på en måte som gjør det mulig for den reaktive DART-reagensionstrømmen å strømme videre til overflaten samtidig som den tillater strøm av desorberte analytioner inn i grensesnittet. Derfor krever denne modusen at gasstrømmen beiter prøveoverflaten og ikke blokkerer gasstrømmen til massespektrometer-prøvetakingsåpningen. I motsetning til dette bruker overføringsmodus DART (tm-DART) en spesiallaget prøveholder og introduserer prøven i en fast geometri.

Skjematisk diagram over DART-overføringsmodus

Kobling med separasjonsteknikker

DART kan kombineres med mange separasjonsteknikker. Tynnsjiktkromatografi (TLC) er analysert ved å plassere dem direkte i DART-gasstrømmen. Gasskromatografi er utført ved å koble gasskromatografikolonner direkte inn i DART-gasstrømmen gjennom et oppvarmet grensesnitt. Eluat fra en høytrykks væskekromatograf (HPLC) kan også innføres i reaksjonssonen til DART-kilden og analyseres. DART kan kobles med kapillærelektroforese (CE) og eluatet av CE blir ført til massespektrometeret gjennom DART-ionekilden.

Massespektre

I positiv ion-modus produserer DART overveiende protonerte molekyler [M + H]⁺ og i negativ-ion-modus deprotonerte molekyler [M-H]^-. Både negative og positive moduser for DART gir relativt enkle massespektre. Avhengig av typen analyt, kan andre speciet som dannes, for eksempel flere ladede addukter. DART kategorisert under myk ioniseringsteknikk. Fragmentering kan sjelden observeres for noen molekyler.

DART kilden er markert i rødt i spektrumet

Bruk av DART sammenlignet med tradisjonelle metoder minimerer prøvemengden, forberedelse av prøven, eliminerer ekstraksjonstrinn, reduserer deteksjonsgrensen og analysetiden. Det gir også et bredt spekter av følsomhet, samtidig bestemmelse av multi-drug analytter og tilstrekkelig massenøyaktighet for formuleringsbestemmelse.

DART-ionekilden er en slags gassfase-ionisering, og den krever en slags flyktighet av analytten for å støtte termisk assistert desorpsjon av analytioner. Dette begrenser størrelsesområdet for molekylene som kan analyseres av DART, dvs. m/z 50 til 1200. DART-MS er i stand til semikvantitativ og kvantitativ analyse. For å akselerere frigjøring av prøven fra overflaten, oppvarmes DART-gasstrømmen vanligvis til temperatur i området 100-500 °C, og denne operasjonen kan brukes til temperaturavhengig analyse.