Atmosfærisk trykk kjemisk ionisering

Atmosfærisk trykk kjemisk ionisering (forkortet til APCI fra engelsk Atmospheric pressure chemical ionization) er en ioniseringsmetode som brukes i massespektrometri som benytter gassfase ion-molekylreaksjoner ved atmosfæretrykk (105 Pa), ofte kombinert med høytrykk væskekromatografi (HPLC). APCI er en myk ioniseringsmetode som ligner på kjemisk ionisering der primære ioner produseres på en løsningsmiddelspray. Hovedbruken av APCI er for polare og relativt mindre polære termisk stabile forbindelser med molekylvekt mindre enn 1500 Da. Anvendelsen av APCI med HPLC har fått stor popularitet innen sporingsanalysedeteksjon som steroider, plantevernmidler og også i farmakologi for legemiddelmetabolitter.

Instrumentstruktur 

En typisk APCI består vanligvis av tre hoveddeler: en forstøverprobe som kan varmes opp til 350-500 °C, en ioniseringsregion med en koronautladningsnål og en ionoverføringsregion under mellomtrykk. Analyten i oppløsning blir introdusert fra en direkte innløpsprobe eller væskekromatografi (LC) eluat i en pneumatisk (trykkluftdrevet) forstøver med en strømningshastighet 0,2-2,0 ml/min. I den oppvarmede forstøveren strømmer analytten koaksialt med forstøver N2-gass for å produsere en tåke av fine dråper. Ved kombinasjonseffektene av varme og gasstrøm omdannes den fremkomne tåken til en gasstrøm. Når gasstrømmen kommer til ioniseringsområdet under atmosfærisk trykk, blir molekyler ionisert ved koronautladning, som er 2 til 3 kV potensial forskjellig fra utgangs motelektroden. Prøveioner passerer deretter gjennom en liten åpningsskimmer inn i ionoverføringsområdet. Ioner kan transporteres gjennom ekstra skimmer eller ionefokuserende linser til en masseanalysator for påfølgende masseanalyse.

Ioniseringsmekanisme 
Ionisering i gassfasen ved hjelp av APCI følger sekvensene: prøve i oppløsning, prøvedamp og prøveioner. Utløpet fra HPLC fordampes fullstendig. Blandingen av løsningsmiddel og prøvedamp ioniseres deretter ved ion-molekylreaksjon.

Ioniseringen kan enten utføres i positiv eller negativ ioniseringsmodus. I positiv modus tillater de relative protonaffinitetene til reaktantionene og de gassformede analytmolekylene enten protonoverføring eller adduksjon av reaktantgassioner for å produsere ionene [M + H]+ av molekylartene. I negativ modus produseres [M-H]- ioner av enten protonabstraksjon, eller [M + X]- ioner produseres av anionfeste. Mest arbeid med APCI-MS-analysen har vært i positiv modus.

I positiv modus, når utladningsstrømmen for koronautslipp er 1-5 μA på det forstøvede løsningsmidlet, blir N2-gassmolekyler eksitert og ionisert, noe som produserer N4+*. Den fordampede mobile fasen av LC fungerer som ioniseringsgass og reaktantioner. Hvis vann er det eneste løsningsmidlet i den fordampede mobilfasen, vil de eksiterte nitrogenmolekylionene N4+* reagere med H2O-molekyler for å produsere vannklyngioner H+(H2O)n. Deretter protoneres analytmolekyler M av vannklyngene. Til slutt overføres ioniseringsproduktene  MH+(H2O)m fra atmosfæretrykkionkilden. Deklustering (fjerning av vannmolekyler fra det protonerte analytmolekylet) av MH+(H2O)m skjer ved høyt vakuum i masseanalysatoren. Analyttmolekylionene påvist av MS er  [M+H]+. De kjemiske reaksjonene ved ioniseringsprosessen er vist nedenfor.

Primær og sekundær dannelse av reagensioner i en nitrogenatmosfære i nærvær av vann:

 N2 + e → N2+ + 2e

 N2+* + 2N2 → N4+* + N2

 N4+ + H2O → H2O+ + 2N2

 H2O+ + H2O → H3O+ + OH•

 H3O+ + H2O + N2 → H+(H2O)2 + N2

 H+(H2O)n-1 + H2O + N2 → H+(H2O)n + N2

Ionisering av produktioner:

 H+(H2O)n + M → MH+(H2O)m + (n-m)H2O

Deklustering i høyt vakuum av masseanalysatoren:

 MH+(H2O)m → MH+ + mH2O

Hvis den mobile fasen inneholder løsemidler med høyere protonaffinitet enn vann, finner protonoverføringsreaksjoner sted som fører til protonert løsemiddel med høyere protonaffinitet. For eksempel, når metanoloppløsningsmiddel er til stede, vil klyngeløsningsmiddelionene være CH3OH2+(H2O)n(CH3OH)m. Fragmentering forekommer normalt ikke inne i APCI-kilden. Hvis en fragmention av en prøve observeres, har termisk nedbrytning funnet sted ved det oppvarmede forstøvergrensesnittet, etterfulgt av ionisering av nedbrytningsproduktene.

I et stort skille fra kjemisk ionisering produseres ikke elektronene som er nødvendige for den primære ioniseringen av en oppvarmet glødetråd, da en oppvarmet glødetråd ikke kan brukes under atmosfæriske trykkforhold. I stedet må ioniseringen skje ved hjelp av enten koronautslipp eller β-partikkelemittere, som begge er elektronkilder som er i stand til å håndtere tilstedeværelsen av etsende eller oksiderende gasser.

Historie 
Den første ioniseringskilden til atmosfæretrykk ble utviklet av Horning, Carroll og deres samarbeid på 1970-tallet ved Baylor College of Medicine (Houston, TX). Opprinnelig ble 63Ni-folie brukt som en kilde til elektroner for å utføre ionisering. Senere i 1975 ble koronautladningselektroden utviklet, som hadde et større dynamisk responsområde. APCI med koronautladningselektroden ble modellen for moderne kommersielt tilgjengelige APCI-grensesnitt.

APCI ble påført GC/MS og LC/MS også av Hornings gruppe i 1975. Analytt i LC-eluat ble fordampet og ionisert i en oppvarmet blokk. Høy følsomhet og enkle massespektre ble oppnådd gjennom denne applikasjonen. I de senere tiårene ble koblingen av APCI med LC/MS berømt og fanget mye oppmerksomhet. Innføringen av APCI og LC-MS hadde utvidet rollen som massespektrometri dramatisk i legemiddelindustrien innen medisinutvikling. Følsomheten til APCI kombinert med sensitiviteten og spesifisiteten til LC/MS og væskekromatografi-tandem massespektrometri (LC-MS/MS) gjør den til den valgte metoden for kvantifisering av legemidler og medikamentmetabolitter.

Referanser 

Ionekilde