Elektropihustusionisatsioon

Elektropihustusionisatsioon (ESI) on üks paljudest massispektromeetrias kasutatavatest ionisatsioonitehnikatest, mille abil tekitatakse ioone. 
Elektropihustusionisatsiooni klassifitseeritakse pehmeks ionisatsiooniks, kuna seal toimub vähem fragmenteerumist kui näiteks gaasikromatograafias kasutatava elektronionisatsiooni korral. Elektropihustusionisatsioon erineb teistest atmosfäärirõhul põhinevatest ionisatsioonimeetoditest (näiteks atmosfäärirõhuline keemiline ionisatsioon) iseloomulike mitmelaenguliste ioonide tekke poolest. Mitmelaenguliste ioonide saamine on massispektromeetrias suureks eeliseks, kuna see parandab detektori tundlikkust ja lubab analüüsi läbi viia suurte molekulmassiga molekulidega, samal ajal kasutades massianalüsaatoreid (näiteks kvadrupool, ioonlõks, orbitrap, FTICR), millel on madal nominaalmassi ülempiir.
Tänapäeval on elektropihustusionisatsioon üks kõige laialdasemalt kasutusel olev analüüsimeetod vedelike uurimiseks. Sellepärast, et see ioniseerib molekule otse vedelast faasist ja sobib suurepäraselt kokku kromatograafiliselt eraldava tehnikaga, mida kasutatakse rohkesti analüütilises keemias.
Massispektromeetria, mis kasutab elektropihustusionisatsiooni allikat nimetatakse elektropihustusionisatsiooni massispektromeetriaks (ESI–MS) või harvemini elektropihustusmassispektromeetriaks (ES-MS).

Ajalugu

Elektropihustusionisatsiooni tehnika avastasid esimestena Masamichi Yamashita ja John Fenn 1984. aastal. Üks originaalsetest instrumentidest, mida kasutas Dr. Fenn, asub Philadelphias Chemical Heritage Foundationi muuseumis.
1882. aastal arvutas Lord Rayleigh välja, kui palju suudab teoreetiliselt üks vedelikutilk kanda laenguid enne, kui tilk laguneb väiksemateks laenguga osakesteks. See limiit kannab ka Rayleigh nime.
1914. aastal avaldas John Zeleny töö vedeliku piisa käitumise kohta klaasist kapillaaride otstes ja esitas tõendid erinevate elektropihustuse moodustest. Wilson, Taylor ja Nolan uurisid elektropihustust 1920. aastatel  ja Macky 1931. aastal. Elektropihusti koonuse (nüüd tuntud kui Taylori koonus) kirjelduse esitas Sir Geoffrey Ingram Taylor.
Esimesena kasutas elektropihustusionisaatorit koos massispektromeetriaga 1968. aastal professor Malcolm Dale, füüsik-keemik Northwesterni ülikoolist. 2002. aastal jagas John Bennett Fenn , ESI-MS-i asutaja, oma neljandat Nobeli auhinda massispektromeetrias Koichi Tanaka (MALDIi arenduse eest massispektromeetrias) ja Kurt Wüthrichiga (TMR spektroskoopia töö eest) elektropihustusionisatsiooni väljatöötamise eest 1980. aastate lõpul.

Ionisatsioonimehhanism

Elektropihustusionisatsiooni allikas töötab atmosfääri rõhul. Analüüsitav lahus voolab (kiirusega 1–10 µl/min) läbi peenikese metallkapillaari, mille otsale on rakendatud kõrge pinge (tüüpiliselt 2–5 kV). Sageli lisatakse analüüsitavale lahusele lenduvaid happeid, aluseid või puhvreid, mis aitavad analüüdi molekuli ioniseerida (protoneerida või deprotoneerida). Analüüt esineb lahuses seega teatud määrani ioonina, kas positiivsena ehk katioonina või negatiivsena ehk anioonina. Vastavalt metallkapillaarile rakendatud elektrivälja suunale koonduvad kapillaari otsas olevasse vedelikutilka kas positiivsed või negatiivsed ioonid. Laengute elektrostaatiline tõukumine tilga pinnal tingib vedelikutilga kuju muutuse – moodustub nn Taylori koonus. Kui laengute elektrostaatiline tõukejõud on nii suur, et see ületab vedelikukoonust kooshoidva pindpinevuse, siis eralduvad vedelikukoonuse tipust omakorda väiksemad elektriliselt laetud tilgad, mis sisaldavad solventi ja laengukandjaid. Seda protsessi nimetatakse kuloniliseks plahvatuseks, mida põhjustab laenguga molekulide omavahelised kulonilised tõukejõud. Selleks, et saada lahti üleliigsest solvendist, juhitakse massispektromeetria (MS) poolt vastu kuumutatud inertgaasi, milleks kasutatakse enamasti lämmastiku (N₂). Selle tulemusena solvent aurustub tilga pinnalt, ning tilga ruumala väheneb, samal ajal suureneb aga laengutihedus tilgas, mis viib teatud kriitilise tiheduse juures uue kulonilise plahvatuseni. Sellise plahvatustekaskaadi tulemuseks on lõpuks solvendivabad ioonid, mis suunatakse elektrivälja abil massianalüsaatori poole, mis sorteerib ja eraldab ioone nende massi ja laengu suhte järgi (m/z).
Elektropihustusionisatsiooni korral eristatakse kahte režiimi: positiivne, kus positiivsed ioonid kogunevad vedeliku pinnal ning kus ioonid on tõmmatud vedeliku sisse; ja negatiivsed, milles toimub vastupidine protsess.
Ioonid, mida võib massispektromeetrias näha, võivad olla kvaasimolekulaarioonid, mis tekivad prootoni liitumise [M + H]⁺ või loovutamise teel [M − H]⁻. Sel juhul on neutraalse molekuli mass ühe võrra väiksem või suurem algsest molekulmassist. Väga iseloomulik on ka lisandioonide (aduktioonide) tekkimine, näiteks [M + Na]⁺. Mitmelaengulised ioonid esinevad kujul [M + nH]ⁿ⁺. Suurte molekulide korral võib esineda mitu laetud olekut.
Peamiselt kasutatavateks solventideks on metanool ja atsetonitriil.

Elektropihustusionisatsiooni allika ehitus

Fenni grupp töötas 1980. aastate keskel välja sobiva elektropihustusionisatsiooni allika, kuid hiljem on paljud teadlased oma uurimisrühmadega seda modifitseerinud. Ionisatsiooniallikas koosneb mitmest komponendist: ionisatsioonikamber, metallkapillaar, nebulisaator, elektrood, spray shield, end plate.

Elektropihustusionisatsiooni kasutusvaldkonnad

Elektropihustusionisatsiooni rakenduse ulatus on väga laialdane. Seda on kasutatud väga paljude erinevate ühendite klasside analüüsiks, kaasaarvatud sünteetilised orgaanilised ühendid, farmatseutilised ühendind (ravimid) ja nende metaboliidid, looduslikud ühendid, keelatud ühendid (narkootilised ained), proteiinid, sahhariidid, nukleotiidid ja DNA, lipiidid, polümeerid, anorgaanilised ja metallorgaanilised ühendid, fullereenid, pindaktiivsed ained ja isegi isemoodustunud monokihid ja mitsellid. Tänu elektropihustusionisatsioonile on võimalik proovi tuvastavaid meetodeid ühendada massispetromeetriga. Elektropihustusionisatsiooniga on seotud näiteks vedelikkromatograafia, kapillaarelektroforees, kapillaarne elektrokromatograafia, superkriitiline vedelikkromatograafia, geelkromatograafia jt.

Vedelikkromatograafia-massispektromeetria (LC-MS)

Elektropihustusionisatsioon on üks võimalikest ionisatsiooniallikatest, millega saab omavahel ühendada vedelikkormatograafia ja massispektromeetria. Kui tavaline elektropihusti toimib ainult madalate vedelike voolukiiruste korral, siis vedelikkromatograafia puhul lisatakse ionisatsioonikambrisse gaasikanalid, mis soodustavad täiendavat pihustumist. Tänapäevane ESI allikas suudab töötada eluendi voolukiirusega kuni 1–2 ml/min, isegi kui optimaalne väärtus on 0,2–0,3 ml/min.

Elektropihustusionisatsiooni variandid

Väikesel voolukiirusel töötavad elektropihustid olid esialgseid palju väiksemad ning see tõi kaasa vajaduse täiustada ionisatsiooni tõhusust. 1993. aastal avastasid Gale ja Richard D. Smith, et märkimisväärse tundlikkuse kasvu võib saavutada ka väiksemate voolukiiruste (kuni 200 nl/min) juures. 1994. aastal tulid kaks uurimisrühma välja terminiga mikroelektropihustus, kirjeldamaks elektropihusti madalaid voolukiirusi. Emmet ja Caprioli demonstreerisid parandatud sooritust kõrgvedelikkromatograafia-massispektromeetria (lühendatult HPLC-MS) analüüsis, kui elektropihusti töötas kiirustel 300–800 nl/min. Wilm ja Mann näitasid, et kapillaarne vool ~25 nl/min suudab alal hoida elektropihustit emitterite tipul, tekitades klaaskapillaaride kokkutõmbumist mõne mikromeetrini. Viimane nimetati ümber nanoelektropihustuseks 1996. aastal.
Külmpihustusionisatsioon on elektropihustuse liik, kus lahus, mis sisaldab proovi, surutakse läbi väikese külma metallkapillaari (~10–80 °C) tugeva elektrivälja toimel, moodustades seejärel külma aerosooli, mis koosneb laenguga osakestest. Seda meetodit kasutatakse kergesti lagunevate molekulide ja retseptor-ligandi interaktsioonide korral, mida tavalise elektropihustusionisatsiooniga ei saa lähemalt uurida.