Elektronsprayionisering

Elektronsprayionisering (ofte forkortet ESI fra engelsk Electrospray ionization) er en teknikk brukt i massespektrometri for å produsere ioner ved å bruke en elektronspray hvor en høy spenning er gitt til en væske for å danne en aerosol. Denne metoden er spesielt gunstig når en produserer ioner fra makromolekyler siden den overkommer tilbøyeligheten til disse molekylene til å fragmentere når de ioniseres. ESI er ulik andre ioniseringsmetoder siden den kan produsere flerladede ioner, som effektivt utvider massespektrumet til analysatoren for å imøtekomme kDa-MDa-ordrene av størrelsesorden observert i proteiner og deres tilknyttede polypeptidfragmenter. 
Massespektrometri ved bruk av ESI kalles elektrosprayionisering massespektrometri (ESI-MS) eller, mindre vanlig, elektrospray massespektrometri (ES-MS). ESI er en såkalt 'soft ionization' -teknikk, siden det er svært lite fragmentering. Dette kan være fordelaktig i den forstand at molekylærjonen (eller mer nøyaktig en pseudo-molekylionionet) alltid observeres, men svært lite strukturell informasjon kan oppnås fra det oppnådde enkle massespektrumet. Denne ulempen kan overvinnes ved å koble ESI med tandem massespektrometri (ESI-MS/MS). En annen viktig fordel med ESI er at løsningsfaseinformasjon kan beholdes i gassfasen.

Elektrospray-ioniseringsteknikken ble først rapportert av Masamichi Yamashita og John Fenn i 1984. Utviklingen av elektrosprayionisering for analyse av biologiske makromolekyler ble belønnet med tildelingen av Nobelprisen i kjemi til John Bennett Fenn i 2002. Et av de originale instrumentene som ble brukt av Dr. Fenn, vises på Science History Institute i Philadelphia, Pennsylvania.

Historie 
I 1882 estimerte Lord Rayleigh teoretisk den maksimale ladningen en væskedråpe kunne bære før fine væskestråler ble skutt ut. Dette er nå kjent som Rayleigh-grensen.

I 1914 publiserte John Zeleny arbeid om oppførsel av væskedråper på slutten av glaskapillærene og presenterte bevis for forskjellige elektrospraymodi. Wilson og Taylor og Nolan undersøkte elektrospray på 1920-tallet og Macky i 1931. Elektrospray-kjeglen (nå kjent som Taylor-kjeglen) ble beskrevet av Sir Geoffrey Ingram Taylor.

Den første bruken av elektrosprayionisering med massespektrometri ble rapportert av Malcolm Dole i 1968. John Bennett Fenn ble tildelt Nobelpris i kjemi i 2002 for utvikling av elektrospray-ioniseringsmassespektrometri på slutten av 1980-tallet.

Ioniseringsmekanisme 

Væsken som inneholder analyttene av interesse blir spredt ved elektrospray i en fin aerosol. Fordi ionedannelsen involverer omfattende fordampning av løsemiddel (også kalt desolvasjon), blir de typiske løsningsmidlene for elektrosprayionisering fremstilt ved å blande vann med flyktige organiske forbindelser (f.eks. Metanol acetonitril). For å redusere den innledende dråpestørrelsen blir forbindelser som øker ledningsevnen (f.eks. Eddiksyre) vanligvis tilsatt til løsningen. Disse speciene virker også for å gi en kilde til protoner for å lette ioniseringsprosessen. Elektrospray med stor strømning kan ha nytte av forstøvning av en oppvarmet inert gass som nitrogen eller karbondioksid i tillegg til ESI-kildens høye temperatur. Aerosolen føres inn i det første vakuumtrinnet til et massespektrometer gjennom en kapillær som bærer en potensiell forskjell på omtrent 3000 V, som kan varmes opp for å hjelpe ytterligere fordampning av løsemiddel fra de ladede dråpene. Løsningsmidlet fordamper fra en ladet dråpe og blir ustabil når den når sin Rayleigh-grense. På dette tidspunktet deformeres dråpen ettersom den elektrostatiske frastøtingen av lignende ladninger, i en stadig synkende dråpestørrelse, blir kraftigere enn overflatespenningen som holder dråpen sammen. På dette tidspunktet gjennomgår dråpen Coulomb-fisjon, hvorved den originale dråpen 'eksploderer' og skaper mange mindre, mer stabile dråper. De nye dråpene gjennomgår desolvering og deretter videre Coulomb-splittelser. Under fisjonen mister dråpen en liten prosentandel av massen (1,0–2,3%) sammen med en relativt stor prosentandel av ladningen (10–18%).

Det er to hovedteorier som forklarer den endelige produksjonen av gassfase-ioner: Ionfordampningsmodellen (IEM fra  ion evaporation model) og ladningsrestmodellen (CRM fra charge residue model). IEM antyder at når dråpen når en viss radius, blir feltstyrken på dråpens overflate stor nok til å hjelpe feltdesorpsjonen av solverte ioner. CRM antyder at elektrospraydråper gjennomgår fordampnings- og fisjonssykluser, og til slutt fører avkomdråper som i gjennomsnitt inneholder en analytion eller mindre. Gassfaseionene dannes etter at de gjenværende løsemiddelmolekylene er fordampet, og etterlater analytten med ladningene som dråpen bar. 

Et stort bevis viser enten direkte eller indirekte at små ioner (fra små molekyler) frigjøres i gassfasen gjennom ionefordampningsmekanismen, mens større ioner (fra foldede proteiner for eksempel) form av ladet restmekanisme.

En tredje modell som påkaller kombinert ladet restfeltutslipp er foreslått. En annen modell kalt chain ejection model (CEM) er foreslått for uordnede polymerer (utfoldede proteiner).

Ionene observert ved massespektrometri kan være kvasimolekylære ioner dannet ved tilsetning av en hydrogenkation og betegnet  [M + H]+, eller av en annet kation som natriumionet, [M + Na]+, eller fjerning av en hydrogenkjerne ,  [M − H]−. Multipladede ioner som [M + nH]n+ blir ofte observert. For store makromolekyler kan det være mange ladetilstander, noe som resulterer i en karakteristisk ladetilstandskonvolutt. Alt dette er jevn-elektronionespecier: elektroner (alene) blir ikke tilsatt eller fjernet, i motsetning til i andre ioniseringskilder. Analytene er noen ganger involvert i elektrokjemiske prosesser, noe som fører til forskyvninger av de tilsvarende toppene i massespektret. Denne effekten demonstreres i direkte ionisering av edle metaller som kobber, sølv og gull ved bruk av elektrospray.

Referanser 

Ionekilde