Прямой анализ в реальном времени

В масс-спектрометрии прямой анализ в реальном времени ( DART ) представляет собой источник ионов , который производит электронно или вибронно возбужденные виды из газов, таких как гелий, аргон или азот, которые ионизируют атмосферные молекулы или молекулы легирующих примесей . Ионы, полученные из атмосферных или легирующих молекул, подвергаются ионно-молекулярным реакциям с молекулами образца для получения ионов аналита. Аналиты с низкой энергией ионизации могут быть ионизированы напрямую. Процесс ионизации DART может производить положительные или отрицательные ионы в зависимости от потенциала, приложенного к выходному электроду.

Эта ионизация может происходить для видов, десорбированных непосредственно с поверхностей, таких как банкноты, таблетки, телесные жидкости (кровь, слюна и моча), полимеры, стекло, листья растений, фрукты и овощи, одежда и живые организмы. DART применяется для быстрого анализа широкого спектра образцов при атмосферном давлении и в открытой лабораторной среде. Он не требует специальной подготовки образцов, поэтому его можно использовать для анализа твердых, жидких и газообразных образцов в их естественном состоянии.

С помощью DART можно быстро проводить точные измерения массы с помощью масс-спектрометров высокого разрешения. Масс-спектрометрия DART используется в фармацевтических приложениях, судебно-медицинских исследованиях, контроле качества и экологических исследованиях. ^[1]

История

DART появился в результате бесед между Ларами и Коди о разработке источника ионов атмосферного давления для замены радиоактивных источников в портативных детекторах химического оружия. DART был разработан в конце 2002 - начале 2003 года Коди и Ларами как новый процесс ионизации атмосферного давления ^[2] , а заявка на патент США была подана в апреле 2003 года. Хотя разработка DART фактически предшествовала источнику ионов с десорбционной электрораспылительной ионизацией (DESI) ^[3] , первоначальная публикация DART появилась лишь вскоре после публикации DESI, и оба источника ионов были публично представлены в последовательных презентациях Р. Г. Кукса и Р. Б. Коди на конференции ASMS Sanibel в январе 2005 года. DESI и DART считаются пионерскими методами в области ионизации окружающей среды ^[4] , поскольку они работают в открытой лабораторной среде и не требуют предварительной обработки образцов. ^{[5] [6]} В отличие от распыления жидкости, используемого DESI, ионизирующий газ из источника ионов DART содержит сухой поток, содержащий частицы в возбужденном состоянии .

Принцип действия

Процесс ионизации

Образование метастабильных видов

Когда газ (M) поступает в источник ионов , применяется электрический потенциал в диапазоне от +1 до +5 кВ для создания тлеющего разряда. Плазма тлеющего разряда содержит короткоживущие энергетические виды, включая электроны, ионы и эксимеры. Рекомбинация ионов/электронов приводит к образованию долгоживущих нейтральных атомов или молекул в возбужденном состоянии ( метастабильные виды, M*) в области текущего послесвечения . Газ DART можно нагреть от комнатной температуры (RT) до 550 °C для облегчения десорбции молекул аналита. Нагрев необязателен, но может быть необходим в зависимости от анализируемой поверхности или химического вещества. Нагретый поток газообразных метастабильных видов проходит через пористый выходной электрод, который смещен к положительному или отрицательному потенциалу в диапазоне от 0 до 530 В. При смещении к положительному потенциалу выходной электрод удаляет электроны и отрицательные ионы, образованные ионизацией Пеннинга, из газового потока для предотвращения рекомбинации ионов/электронов и потери ионов. Если выходной электрод смещен к отрицательному потенциалу, электроны могут генерироваться непосредственно из материала электрода путем поверхностной ионизации Пеннинга. Изолирующий колпачок на концевом конце источника ионов защищает оператора от вреда.

${\displaystyle {\ce {{M}+energy->{M^{\ast }}}}}$

DART можно использовать для анализа твердых, жидких или газообразных образцов. Жидкости обычно анализируются путем погружения объекта (например, стеклянной палочки) в жидкий образец, а затем представления его источнику ионов DART. Пары вводятся непосредственно в газовый поток DART. ^[7]

Принципиальная схема источника ионов DART

Образование положительных ионов

После того, как метастабильные атомы газа-носителя (M*) высвобождаются из источника, они инициируют ионизацию Пеннинга азота, атмосферной воды и других газообразных веществ. Хотя некоторые соединения могут быть ионизированы непосредственно ионизацией Пеннинга, ^[8] наиболее распространенный механизм образования положительных ионов для DART включает ионизацию атмосферной воды.

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

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

Хотя точный механизм образования ионов не ясен, вода может быть ионизирована непосредственно с помощью ионизации Пеннинга. Другое предложение заключается в том, что вода ионизирована тем же механизмом, который был предложен для химической ионизации при атмосферном давлении ^[1]

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

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

Ионизированная вода может подвергаться дальнейшим ионно-молекулярным реакциям с образованием протонированных водных кластеров ( [(H
₂О)
_нЧАС]⁺
). ^[9]

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

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

Поток протонированных кластеров воды действует как вторичный ионизирующий вид ^[10] и генерирует ионы аналитов посредством механизмов химической ионизации при атмосферном давлении. ^[11] Здесь могут происходить протонирование , депротонирование , прямой перенос заряда и образование аддуктных ионов. ^{[1] [7]}

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

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

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

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

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

Метастабильные атомы аргона не обладают достаточной внутренней энергией для ионизации воды, поэтому ионизация DART с помощью аргона требует использования легирующей примеси. ^[12]

Образование отрицательных ионов

В режиме отрицательных ионов потенциал выходного сетчатого электрода может быть установлен на отрицательные потенциалы. Электроны Пеннинга подвергаются электронному захвату с атмосферным кислородом для получения O ₂ ⁻ . O ₂ ⁻ будет производить радикальные анионы. Возможны несколько реакций, в зависимости от аналита. ^[1]

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

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

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

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

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

Чувствительность газов DART к отрицательным ионам изменяется в зависимости от эффективности образования электронов путем ионизации Пеннинга, что означает, что чувствительность к отрицательным ионам увеличивается с внутренней энергией метастабильных частиц, например, азотаᐸнеонаᐸгелия.

Инструментарий

Интерфейс источника к анализатору

Анализируемая капсула удерживается в камере для образцов между источником ионов DART (справа) и входным отверстием спектрометра (конус слева ) .

Ионы аналита образуются при давлении окружающей среды во время ионизации Пеннинга и химической ионизации. Однако масс-спектрометрический анализ происходит в условиях высокого вакуума . Поэтому ионы, поступающие в масс-спектрометр, сначала проходят через интерфейс источник-анализатор (вакуумный интерфейс), который был разработан для того, чтобы соединить область атмосферного давления с вакуумом масс-спектрометра . Он также минимизирует загрязнение спектрометра.

В оригинальном интерфейсе атмосферного давления JEOL , используемом для DART, ионы направляются в ионовод через (внешнее) і и (внутреннее) іі отверстия скиммера путем приложения небольшой разности потенциалов между ними: отверстие і: 20 В и отверстие іі: 5 В. Выравнивание двух отверстий смещено для улавливания нейтральных загрязнений и защиты области высокого вакуума. Заряженные частицы (ионы) направляются во второе отверстие через промежуточный цилиндрический электрод («кольцевая линза»), но нейтральные молекулы движутся по прямому пути и, таким образом, блокируются от попадания в ионовод. Затем нейтральные загрязнения удаляются насосом.

Источник DART может работать в режиме поверхностной десорбции или в режиме пропускания. В обычном режиме поверхностной десорбции образец располагается таким образом, что позволяет реактивному потоку ионов реагента DART течь по поверхности, одновременно позволяя потоку десорбированных ионов аналита поступать в интерфейс. Поэтому этот режим требует, чтобы поток газа касался поверхности образца и не блокировал поток газа в отверстие для отбора проб масс-спектрометра. Напротив, режим пропускания DART (tm-DART) использует изготовленный на заказ держатель образца и вводит образец в фиксированной геометрии. ^{[10] [13]}

Принципиальная схема режима передачи DART

Соединение с методами разделения

DART можно сочетать со многими методами разделения. Пластины тонкослойной хроматографии (ТСХ) анализировались путем их непосредственного размещения в газовом потоке DART. Газовая хроматография проводилась путем соединения колонок газовой хроматографии непосредственно с газовым потоком DART через нагретый интерфейс. Элюат из жидкостного хроматографа высокого давления ( ВЭЖХ ) также можно вводить в реакционную зону источника DART и анализировать. DART можно сочетать с капиллярным электрофорезом (КЭ), а элюат КЭ направляется в масс-спектрометр через ионный источник DART. ^[1]

Масс-спектры

В режиме положительных ионов DART производит преимущественно протонированные молекулы [M+H] ⁺ , а в режиме отрицательных ионов — депротонированные молекулы [MH] ⁻ . Как отрицательные, так и положительные режимы DART обеспечивают относительно простые масс-спектры. В зависимости от типа аналита могут образовываться другие виды, такие как многозаряженные аддукты . DART классифицируется как метод мягкой ионизации. Для некоторых молекул фрагментация может наблюдаться редко.

Спектр красных чернил источника DART

Использование DART по сравнению с традиционными методами минимизирует количество образца, подготовку образца, исключает этапы экстракции, снижает предел обнаружения и время анализа. Также он обеспечивает широкий диапазон чувствительности, одновременное определение нескольких анализируемых веществ и достаточную точность массы для определения состава. ^[7]

Источник ионов DART представляет собой разновидность ионизации в газовой фазе, и он требует некоторой летучести аналита для поддержки термически ассистированной десорбции ионов аналита. ^[14] Это ограничивает диапазон размеров молекул, которые могут быть проанализированы DART, т.е. m/z от 50 до 1200. ^{[1] [15]} DART-MS способен проводить полуколичественный и количественный анализ. Для ускорения высвобождения образца с поверхности поток газа DART обычно нагревают до температуры в диапазоне 100-500 °C, и эта операция может быть использована для анализа, зависящего от температуры. ^[16]

Приложения

DART применяется во многих областях, включая парфюмерную промышленность, фармацевтическую промышленность, пищевую промышленность и специи, криминалистику и здравоохранение, анализ материалов и т. д. ^{[1] [7]}

В судебной науке DART используется для анализа взрывчатых веществ, боевых отравляющих веществ , наркотиков, чернил и доказательств сексуального насилия. ^{[17] [18]} В клиническом и фармацевтическом секторе DART используется для анализа жидкостей организма, таких как кровь, плазма, моча и т. д., а также для изучения традиционных лекарств. Также DART может определять состав лекарств в форме таблеток, поскольку нет необходимости в подготовке образца, такой как дробление или извлечение. ^{[19] [20]}

В пищевой промышленности DART обеспечивает оценку качества и подлинности продуктов питания. Он также используется в анализе микотоксинов в напитках, ^[21] полуколичественном анализе кофеина, мониторинге ускоренного нагреванием разложения растительных масел и многих других анализах безопасности пищевых продуктов. ^[22] В обрабатывающей промышленности для определения осаждения и высвобождения ароматизатора на таких поверхностях, как ткань и волосы, а также красители в текстильных изделиях, DART часто используется. ^[23]

DART используется в экологическом анализе. Например, анализ органических УФ-фильтров в воде, загрязняющих веществ в почве, нефтепродуктах и ​​аэрозолях и т. д. DART также играет важную роль в биологических исследованиях. Он позволяет изучать химические профили растений и организмов. ^[24]

Смотрите также

• Ионизация окружающей среды
• Химическая ионизация при атмосферном давлении
• Фотоионизация при атмосферном давлении
• Десорбция фотоионизация при атмосферном давлении
• Десорбционная электрораспылительная ионизация
• Электрический тлеющий разряд

Ссылки

1. Гросс, Юрген Х. (2014-01-01). «Прямой анализ в реальном времени — критический обзор DART-MS». Аналитическая и биоаналитическая химия . 406 (1): 63–80. doi :10.1007/s00216-013-7316-0. ISSN  1618-2642. PMID  24036523. S2CID  9565130.
2. RB Cody; JA Laramée; HD Durst (2005). «Универсальный новый источник ионов для анализа материалов на открытом воздухе в условиях окружающей среды». Anal. Chem . 77 (8): 2297–2302. doi :10.1021/ac050162j. PMID  15828760.
3. Ifa, Demian R.; Wu, Chunping; Ouyang, Zheng; Cooks, R. Graham (2010-03-22). «Десорбционная электрораспылительная ионизация и другие методы ионизации окружающей среды: текущий прогресс и предварительный просмотр». The Analyst . 135 (4): 669–81. Bibcode :2010Ana...135..669I. doi :10.1039/b925257f. ISSN  1364-5528. PMID  20309441.
4. Домин, Марек; Коди, Роберт, ред. (2014). Масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды. Новые разработки в масс-спектрометрии. Королевское химическое общество. doi : 10.1039/9781782628026. ISBN 9781849739269. ISSN  2045-7553.
5. Хуан, Мин-Зонг; Юань, Чэн-Хуэй; Чэн, Сы-Чи; Чо, И-Цзы; Шиэа, Джентайе (2010-06-01). "Масс-спектрометрия с ионизацией в окружающей среде". Annual Review of Analytical Chemistry . 3 (1): 43–65. Bibcode : 2010ARAC....3...43H. doi : 10.1146/annurev.anchem.111808.073702. ISSN  1936-1327. PMID  20636033. S2CID  32568838.
6. Джаваншад, Р.; Вентер, А. Р. (2017-08-31). «Масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды: обработка и ионизация проб в реальном времени, проксимальная». Аналитические методы . 9 (34): 4896–4907. doi :10.1039/c7ay00948h. ISSN  1759-9679.
7. Смолух, Марек; Мельчарек, Пшемыслав; Силберринг, Ежи (2016-01-01). "Плазменная масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды в биоаналитических науках". Обзоры масс-спектрометрии . 35 (1): 22–34. Bibcode : 2016MSRv...35...22S. doi : 10.1002/mas.21460. ISSN  1098-2787. PMID  25988731.
8. Коди, Роберт Б. (2008-12-30). «Наблюдение молекулярных ионов и анализ неполярных соединений с прямым анализом в реальном времени источника ионов». Аналитическая химия . 81 (3): 1101–1107. doi :10.1021/ac8022108. ISSN  0003-2700. PMID  19115958.
9. Харрис, Гленн А.; Ньядонг, Леонард; Фернандес, Факундо М. (2008-09-09). «Последние разработки в области методов ионизации окружающей среды для аналитической масс-спектрометрии». The Analyst . 133 (10): 1297–301. Bibcode : 2008Ana...133.1297H. doi : 10.1039/b806810k. ISSN  1364-5528. PMID  18810277.
10. Альберичи, Розана М.; Симас, Розинеида К.; Санвидо, Густаво Б.; Ромао, Вандерсон ; Лалли, Присцилла М.; Бенасси, Марио; Кунья, Ильдениз Б.С.; Эберлин, Маркос Н. (01 сентября 2010 г.). «Амбиентная масс-спектрометрия: перенос МС в «реальный мир»". Аналитическая и биоаналитическая химия . 398 (1): 265–294. doi :10.1007/s00216-010-3808-3. ISSN  1618-2642. PMID  20521143. S2CID  41444270.
11. Уэстон, Дэниел Дж. (2010-03-22). "Масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды: современное понимание механистической теории; аналитическая производительность и области применения". The Analyst . 135 (4): 661–8. Bibcode :2010Ana...135..661W. doi :10.1039/b925579f. ISSN  1364-5528. PMID  20309440.
12. Коди, Роберт Б.; Дейн, А. Джон (2016-04-07). «Прямой анализ с использованием легирующих примесей в масс-спектрометрии в реальном времени с использованием аргона». Rapid Communications in Mass Spectrometry . 30 (10): 1181–1189. Bibcode : 2016RCMS...30.1181C. doi : 10.1002/rcm.7552. ISSN  0951-4198. PMID  28328019.
13. Ли, Ли-Пин; Фэн, Бао-Шэн; Ян, Цзянь-Ван; Чан, Цуй-Лань; Бай, Юй; Лю, Ху-Вэй (2013-05-07). «Применение масс-спектрометрии окружающей среды в высокопроизводительном скрининге». The Analyst . 138 (11): 3097–103. Bibcode :2013Ana...138.3097L. doi :10.1039/c3an00119a. ISSN  1364-5528. PMID  23549078.
14. Хуан, Мин-Зонг; Чэн, Сы-Чи; Чо, И-Цу; Шиа, Джентайе (2011). «Масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды: Учебное пособие». Analytica Chimica Acta . 702 (1): 1–15. Bibcode : 2011AcAC..702....1H. doi : 10.1016/j.aca.2011.06.017. PMID  21819855.
15. Баду-Тавия, Абрахам К.; Эберлин, Ливия С.; Оуян, Чжэн; Кукс, Р. Грэм (2013-04-01). «Химические аспекты экстракционных методов масс-спектрометрии с ионизацией окружающей среды». Annual Review of Physical Chemistry . 64 (1): 481–505. Bibcode : 2013ARPC...64..481B. doi : 10.1146/annurev-physchem-040412-110026. ISSN  0066-426X. PMID  23331308.
16. Малекния, Симин; Вейл, Тереза; Коди, Роберт; Спаркман, Дэвид; Белл, Тина; Адамс, Марк (2009). «Температурно-зависимое высвобождение летучих органических соединений эвкалиптов с помощью прямого анализа в реальном времени (DART) масс-спектрометрии». Rapid Communications in Mass Spectrometry . 23 (15): 2241–2246. Bibcode : 2009RCMS...23.2241M. doi : 10.1002/rcm.4133. PMID  19551840.
17. Мякинен, Марко; Ноусиайнен, Марьяана; Силланпяя, Мика (01 сентября 2011 г.). «Ионно-спектрометрические технологии обнаружения ультраследов взрывчатых веществ: обзор». Обзоры масс-спектрометрии . 30 (5): 940–973. Бибкод : 2011MSRv...30..940M. дои : 10.1002/mas.20308. ISSN  1098-2787. ПМИД  21294149.
18. Павлович, Мэтью Дж.; Массельман, Брайан; Холл, Адам Б. (март 2018 г.). «Прямой анализ в реальном времени — масс-спектрометрия (DART-MS) в криминалистике и безопасности». Обзоры масс-спектрометрии . 37 (2): 171–187. Bibcode : 2018MSRv...37..171P. doi : 10.1002/mas.21509. ISSN  1098-2787. PMID  27271453.
19. Чернецова, Елена С.; Морлок, Гертруда Э. (2011-09-01). «Определение наркотиков и наркоподобных соединений в различных образцах с помощью прямого анализа в режиме реального времени масс-спектрометрии». Обзоры масс-спектрометрии . 30 (5): 875–883. Bibcode :2011MSRv...30..875C. doi :10.1002/mas.20304. ISSN  1098-2787. PMID  24737631.
20. Фернандес, Факундо М.; Грин, Майкл Д.; Ньютон, Пол Н. (2008). «Распространенность и обнаружение поддельных фармацевтических препаратов: мини-обзор». Industrial & Engineering Chemistry Research . 47 (3): 585–590. doi :10.1021/ie0703787.
21. Марагос, CM; Бусман, M. (2010). «Быстрые и передовые инструменты для анализа микотоксинов: обзор». Пищевые добавки и загрязнители: Часть A. 27 ( 5): 688–700. doi :10.1080/19440040903515934. PMID  20155533. S2CID  26568215.
22. Хайслова, Яна; Чайка, Томас; Вацлавик, Лукас (2011). «Сложные приложения, предлагаемые прямым анализом в реальном времени (DART) в анализе качества и безопасности пищевых продуктов». TrAC Trends in Analytical Chemistry . 30 (2): 204–218. doi :10.1016/j.trac.2010.11.001.
23. Чернецова, Елена С.; Морлок, GE; Ревельский, Игорь А. (2011). «Масс-спектрометрия DART и ее применение в химическом анализе». Журнал «Российские химические обзоры » . 80 (3): 235–255. Bibcode : 2011RuCRv..80..235C. doi : 10.1070/rc2011v080n03abeh004194. S2CID  95220965.
24. Чернецова, Елена С.; Морлок, Гертруда Э. (2011). «Масс-спектрометрия с десорбционной ионизацией в условиях окружающей среды (DART, DESI) и ее биоаналитические приложения». Bioanalytical Reviews . 3 (1): 1–9. doi :10.1007/s12566-010-0019-5. S2CID  96382472.

Патенты

• Роберт Б. Коди и Джеймс А. Ларами, «Метод ионизации при атмосферном давлении», патент США 6,949,741, выданный 27 сентября 2005 г. (Дата приоритета: апрель 2003 г.).
• Джеймс А. Ларами и Роберт Б. Коди «Метод ионизации аналита при атмосферном давлении», патент США 7,112,785, выданный 26 сентября 2006 г.