文摘
现代技术发展使质谱(MS)绝对必须在应用范围方面,分析化学检测和速度的限制。在质谱检测,其中一个关键步骤是电离分析物和把它进入气相。一些电离技术是为此目的开发的其中电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI)是最常应用的两个大气压电离方法目标化合物从液体矩阵或解决方案。此外,最近的努力在新兴的“环境”,使新开发的大气压力的适用性技术固体矩阵,极大地简化了分析样品女士和预期,缓解所需的甚至遗漏任何样品制备和环境条件,使分析仪器本身之外。这些发展的范围大大扩展现代质谱(MS)的应用程序。环境方法包括许多技术;然而,某知名集团是plasma-based方法。虽然周围的女士是一个相当新的领域的研究,有兴趣进一步发展相应的技术和提高他们的表现非常强劲往往由于其简单性和低成本的制造业。改善性能的离子源的先决条件是深刻理解电离是如何工作的,哪些参数确定信号响应。因此,我们审查有关电离的复合特性与两种传统方法ESI APCI和比较那些最经常使用的代表plasma-based方法,即。低温等离子体电离。 We present a detailed analysis in which compound characteristics are most beneficial for the response of aromatic nitrogen-containing compounds with these three methods and provide evidence that desorption characteristics appear to have the main common, general impact on signal response. In conclusion, our report provides a very useful resource to the optimization of instrumental conditions with respect to most important requirements of the three ionization techniques and, at the same time, for future developments in the field of ambient ionization.
1。介绍
在最近的过去,兴趣multiselective方法分析复杂样品尽快,及其组件尽可能敏感和完整,就突飞猛进。因此,“使”技术发展的时代,越来越多的科学家现在正面临非常具有挑战性的任务建立分析方法,适用于一次尽可能多的目标化合物,在非常不同的矩阵。这个任务要求的方法有很高的性能的分析解决,选择性和灵敏度。因此,为此,高性能分析质谱(MS)等检测方法非常有用。广泛用于许多女士multiselective技术,现在所谓的“使”技术,如蛋白质组学(1),代谢组学(2),或lipidomics [3),等等。在取证4),药物开发5和过程监控6),天然物质的结构说明7),甚至在识别假货的8),女士也丰富信息的方法的选择,因为这种技术提供样品。
对于女士分析,目标分子转化成一个离子,随后需要转移到气相进入分析器的决心m / z,质荷比。质谱仪的基本原理,近年来几乎保持不变。例如离子的分离,女士分析仪等线性离子阱(9),反射器TOF(飞行时间)10)和FT-ICR(傅里叶变换离子回旋共振)(11已经建立了几十年前,引入orbitrap [12)基于墩的工作(13)和其他人,可以被认为是最新的显著进步。尽管如此,设备的技术质量不断改善近几十年来导致显著增强性能的现代仪器不仅灵敏度方面,而且在高分辨率的仪器分析实验室变得越来越常见。
因此,仪器发展的主要任务现在似乎扩大方法的适用性,因此,电离过程,最终目标物种的电离和带气相,成为最大的限制,但是,女士分析问题与相应的目标化合物是高度多样化的和预期的目标分析物有非常不同的电离的先决条件,这就是为什么有许多不同的方法。在细节,挥发性小分子的电离要求不同的非易失性和蛋白质等大分子,极性也起着至关重要的作用。基于能量转移到分析物在电离过程中,一个分类为“硬”和“软”可以电离(14]。此外,电离类型可分为真空方法和那些在大气压力下,或电离的顺序和解吸的气相,即。,如果离子或中性色是气相。特别是,大气压电离(API)技术的引入可以被认为是一个量子飞跃在这个上下文。API方法中,电喷雾电离(质)已经成为最常使用的技术在分析化学,主要是由于其广泛的适用性极和半极化合物和优越的选择性达到结合高分辨率的液相色谱和毛细管电泳等分离技术(15]。另一个常见的API技术是大气压化学电离(APCI)。
通过引入两个环境API-MS电离技术,德西(解吸附电喷雾离子化)[16)和飞镖(实时直接分析)17),直接以最小或没有样品制备的样品分析成为可能提供一个巨大的潜在的节省时间和资源。引入环境在大气压电离质谱(AI-MS)领域引起了很多研究者的兴趣和各种电离技术近年来被描述。其中,plasma-based技术包括低温等离子体探针(LTP)需要很少的资源从而实现在移动分析设备潜力巨大18]。当前在这一领域研究的最终目标是提高女士的适用性范围,因此有必要详细了解不同的电离机制。然而,系统研究相对信号响应在不同的API技术,如分析物的影响和矩阵特征相对信号强度,仍然是罕见的。在这里,我们回顾可用的文学比较两个最常见的API方法,即ESI和APCI LTPI。使直接比较的这些技术,我们添加评论自己的数据揭示分析物的特征,使运营商特别适合的三个方法。我们希望分享我们的结果将有助于进一步提高不同的API机制的一般理解,其共同的需求也是选择性的不同的技术。
2。应急服务国际公司和APCI -两种最常见的大气压电离技术
2.1。应急服务国际公司机制
多尔等人建立了基本的应急服务国际公司大约50年前(19,20.]。年后,约翰•芬集团受多尔的工作,是能够证明使用应急服务国际公司,可以做大,极性甚至不稳定的分子可以[女士21,22]。应急服务国际公司的荷电率的分析物是绝对必要的23)通过不同的过程,不管是通过电荷分离(例如,去质子化)或加合物的形成(如质子化作用)24),或者更少,通过电解氧化或还原(25,26]。ESI-source的示意图如图1。首先,分析物溶解通过导电喷雾器毛细管注入。流速范围从几个问/分钟(nanoESI) mL / min-range(传统的液相色谱,LC耦合与应急服务国际公司)。一个电场(E≈106V / m)是由应用千伏的电压差范围内(通常是2至6 kV)喷雾器毛细管和MS,作为对电极。各自的指控物种(积极或消极的,这取决于应用方向的电场)由加速度女士取决于供应商,要么喷雾器毛细管接地而进口女士在高电压(针在地面配置)或喷雾器毛细管入口女士在高电压和低电压(针对潜在)。
喷雾器毛细管中,第一个重要过程发生,强电场导致电荷分离的电泳迁移中的液体。在正离子模式作为一个例子,阳离子是加速女士入口的方向,而阴离子吸引内毛细血管壁,可以氧化有(27),在负离子模式下逆转。液体样品叶子喷雾器毛细管时,抵消溶剂的表面张力的影响,并应用电场的吸引力量在离子溶液中另一方面,负责锥的形成,所谓的Taylor-cone杰弗里·泰勒爵士命名的第一个科学家描述和调查这一现象(28]。锥的形状,从而进一步形成所谓的飞机或丝,形成的电荷密度最高,液滴的折断它,结果这些水滴的性质取决于质谱仪的操作参数(如电压、流量针)(29日]。基本上,一旦超过溶剂的表面张力之间的静电力MS-entrance溶解离子和应用潜力,灯丝分解和液滴掐掉(30.)由于不稳定和传播波沿着丝(29日]。这个过程通常是由一个喷雾器或鞘天然气、氮气等惰性气体,环绕ESI羽流,从而降低表面张力的影响。所有这些水滴带净电荷逆转电杆女士。后续支持的溶剂蒸发加热干燥气体(氮气)导致液滴萎缩。连续,表面上的电荷密度增加,直到like-charged离子之间的库仑排斥力量超过所谓的内聚的分子间作用力瑞利限制(31日),表面张力等于库仑排斥,和液滴发生裂变。蒸发和分裂的过程重复多次直到液滴半径几纳米。
两个理论被普遍接受为气相离子形成电喷射过程中,离子蒸发模型(IEM) [32)和带电残模型(CRM) (19]。IEM主要适用于低分了重量分析物和表明,由此产生的库仑斥力是强大到足以克服表面张力和溶解离子释放从液滴表面气相。相信这种机制发生当液滴半径小于10纳米,液滴分裂的瑞利不稳定是首选的大半径(32]。CRM另一方面可以用来解释更大的释放进入气相分析物如蛋白质(19),假设溶剂蒸发引起的收缩和裂变的循环最终结束在一个离子溶剂壳层,干燥后的分析物转移电荷。Konermann等人提出了一个先进的气相离子形成模型称为链弹射模型(CEM) [33]。假设这种机制可用于大分子与非极性侧链,例如展开的蛋白质由于酸性溶剂(例如,一个流动相在LC),而CRM可以用于本地蛋白(34]。杰姆描述一个IEM-like过程,非极性侧链迁移到液滴表面,从有驱逐进入气相,直到从液滴完全蛋白质分离33,35]。
2.2。APCI机制
大气压化学电离,APCI,是第二个最重要的电离方法时质耦合。它是一种气体电离技术分析物的化学电离,电离相似与差异,电离发生在大气压力下,而不是减少压力。首先,63年倪是用于电离源(36,37),但很快就被电晕放电,因为它产生类似的光谱(38)和一种改进的动态范围(39)、容易制造、使用、维护和处置放射性废物。方法利用辉光放电也描述(40,41]。
APCI通常用于小分子(< 1000 u)不够极高效的电喷雾电离(ESI)。虽然APCI比ESI早,根据文献,APCI应该是那么容易受到基体效应(42),应急服务国际公司变得更加普遍。可能的原因的分析,这是极大的兴趣大蛋白(43APCI仍然无法接触到的)。然而,APCI受益于应急服务国际公司的快速发展和扩张,大气压力接口的相关发展,在1980年代末和1990年代初以来所有主要设备制造商女士介绍APCI来源(44]。大多数仪器可以容纳一个应急服务国际公司和APCI来源,因为交换的两个来源很容易由于他们的相似之处。图2说明了典型的一般外貌APCI来源。
而不是喷雾器毛细管与喷涂电压、气动雾化器与下游汽化器或加热器部件使用。氮是常用的喷洒和辅助气体。分析物和溶剂蒸发加热器(550°C)附近的电晕放电针。高3 - 5 kV的潜力应用于针由于电晕放电一般发生在锋利的点或角落是否足够大的电场。电晕放电是一种不均匀放电;它作为一个电子源和电极产生的影响,即。,一个强大的电场,电离,产生辉光(45]。电离机制已经彻底调查和最重要的反应positive-mode APCI描述如下(38,46- - - - - -49]。
首先,氮是通过电晕放电产生的电子电离。生成的离子与周围的氮和反应形式 。虽然高于氮的电离能的分析物或溶剂,电离氮最有可能由于其高浓度(喷洒和辅助气体)与分析物或溶剂。 高能氮离子和正电荷很快转移到溶剂或水在周围的气体(如痕迹),这就是为什么后者离子不能检测到在标准条件下(38]。 考虑到更高浓度的分析物分子相比,溶剂分子最有可能的反应与其他溶剂分子通过氢抽象形成质子化了的溶剂和溶剂的集群。 最后,分析物可以通过质子转移电离如果分析物的气相碱度是高于溶剂(或溶剂集群)49]。 除了质子化作用通过溶剂(集群),也有电离的可能性分析物作为一个激进的阳离子(47]。因此,分析物也可以直接电离高能电子,或由高能氮物种和电荷转移电离溶剂,分别。 自电离发生在大气压力,释放多余的能量通过影响氮(喷洒和辅助气体)使得APCI软电离方法比化学电离真空(尤其是负面模式变得更柔软,因此特别适合测定分子质量)(47]。然而,由于高能电离过程,一些碎片可能发生,有时还可以有利于结构说明。
2.3。应急服务国际公司和APCI相对的反应
大气压力技术的主要缺点之一是他们的,而对特定分析物的选择性敏感性特征。例如,ESI响应克分子数相等的不同分析物浓度的解决方案可以随> 3个数量级(50]。响应取决于所有分析物的溶剂,和仪器的特征影响电离、离子解吸的过程,例如,解决方案,气相碱度和化学极性(日志P),负责网站的数量或在溶液中不同的电荷状态(pH),易受氧化/还原,分析物的三级结构和分子大小(主要为高分子量化合物),蒸发的能量,或表面的亲和力51- - - - - -59]。然而,报告的结果取决于研究设计:例如,周和库克(60)发现,信号强度对咖啡因和精氨酸对溶液的pH值是独立的基本特征;这些基地保持使质子化直到pH值10 (pKa的咖啡因)。模式等。61年)没有发现证据,气相碱度的重要性;很有可能,这些结果又受到强烈的化合物的基本性质进行调查。因此,Kiontke等人发现的普遍重要性的基本参数有复合碱度,极性,分子表面,分别适用因素的确ESI敏感性的测定;他们的定量影响,然而,相当受到相互作用与其他参数如溶剂pH值和仪器配置15]。
最重要的一个已知化合物特征确定的强度信号在电喷雾电离后女士,是其在溶液中质子化作用的程度,即,溶液的碱度(61年,62年]。吸引一个质子的能力所描述的解决方案是最好的pKa各自的化合物可以从公共数据库检索SciFinder和ChemAxon等。溶液碱度电子基的相互作用密切相关,退出影响分析物的结构,即研究了分子的电子密度,这些参数不能单独评估;ESI-response在相同的程度上取决于溶液碱度的结构性影响,也占复合的碱度15]。
第二个重要的化合物在碱性化合物极性特征。极性之间的相关性和信号响应与溶剂相互作用的pH值和极性,尚未广泛研究[61年]。在文献中,不同的结果关于这个交互报告:极性分析物提供了一个相对较高的ESI反应在中性pH值,而非极性分析物似乎是不太敏感的溶剂pH值(63年),日志D酸碱10 - 14与应急服务国际公司是最好的反应在7 (62年),而Kiontke et al。15)发现响应的相关性在酸碱7和3最强的日志D 3,可能相关的应急服务国际公司的积极模式电化学氧化导致酸化ESI溶剂。
在酸性pH值,极性分子的表面变得重要,但依赖有机或水的数量,分别阶段。非极性目标特别受益于酸化水溶剂只有在低有机质含量。然而,当pH值降低溶剂、离子抑制pH修饰符必须被认为是损害发生的反溶剂由于减少了溶剂的波动。作为回报,一个复合的波动产生的影响尤其是对信号增强酸化表明这是一个额外的优势在竞争pH修饰符,因为这种效应是独立于复合碱度本身(15]。
作为APCI对敏感性的研究,相对较少的调查。休闲大衣品牌等人组成的化合物对APCI反应分为三个不同的类(49,64年,65年]。一个类,主要是氮基地,与一个气态化合物碱度> ~ 830焦每摩尔,这很容易进行气相质子化作用。下面有关化合物的气相碱度~ 830焦每摩尔,为另一组,通常含氧基地,灵敏度增加而增加碱度下热力学控制。第三组包括物质形成气相水合物稳定性很低,温度敏感性主要是影响天然气(49,66年- - - - - -69年]。其他compound-independent参数提出了试剂离子等离子体密度(70年,71年),放电电流(72年),空间电荷效应(73年,74年),离子源的停留时间(49),放电针之间的距离和真空接口(72年],和流动动力学[75年]。
对于一个系统的比较,我们分析了相同的相对信号响应31芳香氨基化合物进行了分析与应急服务国际公司(15)评估的量化影响研究的分子描述符。应急服务国际公司相比协议(76年],APCI产生更多碎片,减少钠加合物。作为一个例子,图3显示了APCI 4-nitroaniline频谱。
4-nitroaniline APCI光谱是由四种m / z139年代表 ,第一次卵裂[M + H-17]+最有可能对应于消除OH-radical(确认准确的质量,m / z= 122.0480)尽管暗示NH3乳沟。气相中的氧也可以使质子化和O-protonated物种形成77年,78年]。的存在m / z109表示没有乳沟,m / z92对应于一个HNO2乳沟。这个例子说明了相当难电离条件APCI ESI。
APCI查对数信号强度的测量对于皮尔森的相关值进行分析可用的分子描述符。结果呈现在图4(注意,关联强度是根据评估(79年](a)很弱:0.00 - -0.019,(b)弱:0.20 - -0.39,(c)温和:0.40 - -0.59,(d)强:0.60 - -0.79,和(e)很强:0.80 - -1.0)。
(一)
(b)
(c)
极性的发现中度正相关描述符分子极性的表面面积(图4(一),数据从SciFinder (R = 0.59, p < 0.01)和日志p(图4 (b)数据从ChemAxon, R = 0.48, p < 0.01),有很强的正相关关系被发现的摩尔体积(图4 (c),R = 0.64, p < 0.001)。奇怪的是,灵敏度不是增强与提高气相碱度。可能,因为大多数的我们的目标化合物氮基地与气相碱度声称阈值以上的~ 830焦每摩尔49,64年,65年),气相的定量影响质子化作用是我们这里的化合物和疲惫,我们观察之外的其他复合特征的影响。然而,关于波动,蒸发焓也没有显著影响,这可能是与休闲大衣品牌等。49),而建议气体温度提高信号响应,表明溶剂波动可能更重要复合波动。
因此,我们的研究结果的分析胺,而强调目标化合物的解吸特征发挥重要作用的大气压电离技术。总之,描述符如分子极性的表面积,日志P和摩尔体积是非常重要的一个分析物的表面活性。非极性越大表面积和日志P,更高的分析物的存在在液态空气界面(23,80年)提高解吸,因此,电离效率。此外,摩尔体积的积极影响可能属性的大小分子,随着大小不仅稳定了质子化了的形式在气相(81年),但也会增加的概率至少部分液滴表面的入住率。
总之,APCI出现更少的选择性与应急服务国际公司相比,和解决方案以及气相碱度,确定复合特征的应急服务国际公司,不玩同样的化合物在调查中至关重要的作用。因此,离子抑制APCI-MS经常报告质(不那么严重82年)这可能是有益的方法使用更少的样品制备步骤。相反,极性分子描述符确定表面亲和力和解吸特性的分析物,似乎在这里扮演了主要角色在ESI成为更重要的主要标准,在这种情况下,质子化作用体内平衡不再是限制电离,即。在低pH值(15]。然而,对于摩尔体积的存在一个最优值是假定由于APCI已知不适合高分子量分析物> 1500 u (83年];有趣的是,~ 1000 u建议作为一个近似范围IEM CRM政权之间的变化(84年),它被认为是这个样子(的原因之一85年]。
3所示。现代环境电离——寒冷的大气等离子体作为一种简单而特别有前途的技术
3.1。低温等离子体电离机制
21世纪初,一些新的电离技术指示为“环境”开头的介绍解吸附电喷雾电离(DESI) Takats et al . 200416),实时直接分析(由科迪et al . 2005 (DART)17]。Takats“环境”一词等。对于这种类型的电离,不是严格定义86年),与传统方法APCI存在许多相似之处,美国(大气压力光致电离)87年),AP-MALDI(大气压matrix-assisted激光解吸/电离)(88年),或混合电离技术,例如通过耦合激光解吸传统方法APCI [89年- - - - - -91年和应急服务国际公司92年]。首先,所有操作在大气压力所以样品不需要引入一个真空。此外,在大部分的环境电离方法,ESI - APCI -过程控制和一些限制到新环境的方法。因为这是女士在一个非常活跃的研究领域,各种评论已经概述了环境的需求和可能性的方法,例如,厨师等。93年),哈里斯et al。94年],韦斯顿[95年),和其他(96年- - - - - -98年]。
相比传统质谱仪的封闭的电离室,电离与环境发生的方法外仪器,所以非常大的表面或笨重的对象也可以分析。根据哈里斯et al。94年),周围的离子源可以很容易地耦合到大多数differentially-pumped质谱仪,最终借助特殊的适配器如图5。
(一)
(b)
这个特性的承诺容易实现在移动现场ms分析(99年,One hundred.]。一个巨大的优势,通常提到第一个在谈到AI-MS最小或没有样品制备。这意味着萃取、衍生、脱盐、解散,各种常用或分离技术不需要提前发生,从而导致巨大的节省时间和资源。此外,环境电离方法至少应该电离一样温柔传统的大气压力方法,还应该维护本机状态和空间完整的示例。自环境电离方法本质上是无创性,它们适合敏感表面如活着的生物组织的考试使得这些技术特别有趣原位分析在临床诊断和手术治疗。
在许多环境的方法介绍了到目前为止,plasma-based环境电离技术尤其迷人由于简单同时便宜,然而通常健壮的建设。他们不依赖于高纯度溶剂,主要生成易于解释质谱自电离机制通常涉及质子化作用分析物的质子化了的水所形成的集群与大气等离子体的相互作用的水环境空气(101年,102年]。在文学,可以找到许多等离子体电离技术的变化。差异存在,例如,在电压来产生等离子体,直流用于飞镖,大气压辉光放电,APGD [103年),和相应的大气压力流动余辉,FAPA [104年),而交流应用介质阻挡放电电离,DBDI [105年),低温等离子体电离,LTPI [106年),而plasma-assisted解吸/电离,PADI [107年]。温度不同的技术;有些是没有额外的加热(PADI、LTPI DBDI),与焦耳加热(APGD FAPA),或者在镖的情况下,温度增加了附加加热协助热解吸(97年]。
所有的其他技术包括飞镖相比,所谓的特征介质阻挡放电等离子体是至少一个电极覆盖介质,不导电材料(绝缘子,典型的玻璃或陶瓷)带电粒子或相反电荷不能自由移动与导体。出于这个原因,DBD等离子体必须与交流操作,因为没有进一步电荷传输是可能的。交流下,另一方面,介质作为电容器的电容决定,除此之外,其厚度和介电常数(108年]。图6说明的主要外貌DBD-LTPI来源及其相应的部分。
介质阻挡放电(DBD)或“无声放电”是一个非平衡等离子体在大气压力下(109年]。使用介质和电极之间的等离子气体(如氦)限制了电流,导致非平衡,低温等离子体(LTP) [109年]使直接从一个表面电离和随后的分析化合物的女士在一个非常低的过程气体流速、高信号强度和最小碎片。
LTP,统计当前电子加速,影响周围的气体,电子释放能量碰撞合作伙伴生产更多的电子,离子和兴奋的物种。如果粒子密度较低或电场足够强烈,激励的频率很重要,因为它决定了电子和离子的行为。由于他们的低质量,电子的速度将高于平均气体分子的速度,原子或离子。在这种情况下,它被称为非平衡等离子体,或冷等离子体110年]。如果粒子密度太高,电子的平均自由程小或电场非常低,重气体粒子的能量将电子和所有粒子的方法,将具有相同的温度。这被称为平衡等离子体,称为热等离子体。
的电离机制更详细地考察了helium-based LTP (101年,111年氦的二聚体附近形成的等离子体放电(112年- - - - - -114年)被发现的主要阳离子电荷传输和形成通过电荷转移反应,类似地APCI,然后负责水簇的形成。主要是出现在余辉He-LTP区域。在较小程度上,N的电离2也可以由潘宁电离氦在碰撞与兴奋。这里提到的其他进程形成不进一步由于他们的低概率。 的发生建立一个与APCI-mechanism相似。事实上,随着N的浓度2He-plasma,形成的增加由于转换 。 潘宁电离(N)2和电荷转移相对抑制在一个氩放电,另一方面产生了强烈的哦,反应时分析了光学发射光谱学(115年,116年]。的频谱一系列没有再次氮等离子体射流γ行。在这里,线是弱于N2其次积极系统的乐队,这是完全不同于氦射流。
可以将电荷传输给大气水,导致质子化了的水簇最后样品的质子化作用[117年]。 LTPI已经成功申请了测量环境条件下性能优越。此外,它也已经用于手持低温等离子体源(99年现场分析),后来结合微型背包质谱仪(One hundred.]。使用这种技术,炸药可以很快发现,在低数量从任何环境条件下表面(118年),甚至在混合物(119年]。其他应用前景筛选的药物滥用(120年,121年),农药在食品122年,123年),或杀真菌剂在酒124年]。
3.2。相对与低温等离子体电离反应
在分析物的检测通常是LTPI ,它是一个相对软电离方法几乎没有分裂的分析物。相比之下更常见的电喷雾电离(95年,125年),灵敏度与不同的plasma-based技术或依赖源参数还没有调查中除了使用等离子体气体,电极间距和功耗与电极的距离(18,126年- - - - - -128年]。对复合特征,较低的蒸发焓和低极性(即。,log P, large molecular nonpolar surface area and the molar volume) of the analyte as the most influential factors in LTPI are advantageous for achieving high signal intensities [129年]。此外,对于物质的沸点在200°C之外,额外的能量的供应,例如,在形式的热,可能会建议以达到改善信号强度(117年,129年]。一般来说,较低的蒸发焓导致更容易蒸发,因此,眠的数量分析物分子离子化气相中的增强。实际上,使用高温期间LTPI已经被描述在文献中提高分析灵敏度(121年,122年,130年,131年]。而电离沸点低的和更少的极性物质的特别青睐,信号响应表现出负线性相关表面张力(129年)在返回强烈与蒸发焓逆地(132年,133年]。
相比的影响分析物的分子特征,如波动和极性和应急服务国际公司相比,溶剂对更少的相对和绝对的信号强度的影响。一般来说,一个更好的信号强度分析物的获得与高沸点溶剂;然而,除了水,大部分的溶剂似乎几乎同样适合当使用LTPI女士(129年]。然而,信号响应在不同溶剂似乎也决定,而由特定分析物和溶剂之间的相互作用,表明不可预知的基体效应将干扰信号响应的应用这一技术。事实上,毒死蜱的LTPI分析几个水果表面的建议发生这样的基体效应调制信号响应超过两个数量级(图7)。
(一)
(b)
令人惊讶的是,乍一看与结论由Kiontke et al。129年),建议良好的矩阵检测芳香胺具有较低的蒸气压较低的表面张力,它可能会得出结论,表面蜡质组成的高沸点成分存在于柑橘类水果让一个特别糟糕的矩阵为敏感检测毒死蜱。因此,观察效果的详细调查的范围大小需要更好地理解这种行为的原因。可能其他挥发性化合物的丰富存在表面的柑橘类水果可能会创建一个瞬态微环境(时间,(134年)负责观察效果减少LTPI效率。具体analyte-matrix效应以及高复制的变化分析似乎仍然阻碍定量分析和进一步的调查需要解决这个瓶颈。
4所示。微分灵敏度的ESI, APCI LTPI芳香胺
4.1。复合溶液碱度的影响
芳香氨基化合物的相对响应最终被用来进一步探讨微分相对抽样效率三个大气压力的方法,即LTPI [129年)、APCI和应急服务国际公司(15]。,相关分析的峰值信号强度与物理化学性质进行了比较。
根据文献,结果只表明ESI响应从溶液pH = 7与分析物的pKa相关(R = 0.51, p < 0.01)S1a在补充材料)。应急服务国际公司的使用设置之芳香化合物,分析物的质子化作用和随后的解吸的液滴至关重要和pH值在7(不含添加剂)信号强度主要是分析物的溶液碱度,基本分析物可以很容易地拿起一个质子溶剂和使解除吸附滴。更少的基本分析物是更难使质子化,因此显示信号强度较低。情况不同溶剂酸化后,质子化作用不再是限制因素在溶液中由于过多的质子和分析物更容易质子化了的。因此为ESI pH = 3,而且与APCI LTPI(图S1b-d)不依赖信号响应解决方案的碱度。此外,也没有相关的信号强度与质子亲和能被发现,这有点奇怪。根据目前APCI和LTPI电离机制的理解,中立的分析物溶剂蒸发和质子化了的物种一个质子转移到气相中的胺根据质子亲和,进而对应于酸性或碱性化合物的气相。考虑到我们所有的分析物与气相碱度> nitrogen-bases 830焦每摩尔提供高质子亲和(如上所述),其他因素似乎是负责在各自的条件下观察到的敏感性。
4.2。复合波动性的影响
在波动描述符、沸点蒸发焓,蒸气压,表面张力测试的影响相对信号响应。自蒸发焓的影响与LTPI最突出,获得相对信号强度的三个不同的电离技术在该参数(图绘制8)。
(一)
(b)
(c)
最引人注目的观察是高方差的LTPI响应相对于其他两种方法。等离子体电离的平均标准偏差为46%(图8 (c))是观察到的所有分析物,而19%在pH值为ESI 7(图S2a),9%为ESI pH值3(图8(一个))和APCI(图8 (b)),分别。应急服务国际公司和APCI进行标准化,关闭设备同时使用等离子体源有一个开放的结构(图6变量),因此可能更容易受到环境条件如对流、温度或湿度。
按照文献[131年],LTPI信号强度强烈依赖于分析物被发现基于波动负相关与蒸发焓(图8 (c),R = -0.64, p < 0.001),沸点(未显示,R = -0.63, p < 0.001),与蒸汽压力中等正相关(未显示,R = 0.55, p < 0.01)。一般来说,较低的蒸发焓提高分析物的蒸发使更多的分析物分子的电离气体的阶段。总之,这意味着热量的供应和由此产生的改进的蒸发和解吸的分析物会导致更高的信号强度。这种行为已经被描述在文献中提高钟表LTPI [121年,122年,130年,131年]。然而,没有这样的观察相关的其他技术除了ESI响应信号增强的正相关关系在酸碱3比7的沸点15)也建议更好的解吸的结果更多的挥发性化合物在足够的电荷载体在解决方案的可用性,即。质子。
此外,一个很强的负相关(R = -0.86, p < 0.001)的表面张力分析物在LTPI(没有显示)。表面张力是增加分子之间的内聚的分子间作用力的结果在空气和液体之间的接口。许多液体蒸发焓变化与宏观表面张力(线性132年,133年),因此都互相依赖。高表面张力的分析物可以抑制解吸,从而导致一个糟糕的信号强度。这一事实只有LTPI依赖于波动的分析物检测这里可能由不同温度条件下合理的应用在电离;APCI,提供足够的能量是通过升高温度加热氮气流(加热器/辅助和干气在250°C),以确保完全蒸发。
在ESI在pH值7蒸发焓的影响似乎盖过了强劲的定量溶液碱度的影响,在pH值3,当溶液碱度失去它的重要性由于电荷载体的增强可用性,这是一个低蒸发焓导致增加信号增强。然而,在酸碱3其他参数比7变得很重要,影响被观察到的依赖所使用的乐器,即。、极性或分子大小(15]。因此,极性的影响评估了三种技术;结果见图9。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
显然,极性分析物是一种常见的参数影响这三种方法的抽样效率。因此,对于LTPI很强的相关性被发现之间的信号强度和日志P (ChemAxon数据,图9 (c),R = 0.61, p < 0.001),甚至一个很强的相关性与非极性表面面积(图9 (f),R = 0.81, p < 0.001)。APCI的信号强度也显示了一个温和的相关日志P (R = 0.48, P < 0.01,图9 (b))。有趣的是,在pH值为ESI 7极性化合物显示出提高抽样效率(图开通和c),而对于APCI和LTPI逆转行为观察。这提示电离之间的相互作用和解吸;应急服务国际公司,发生电离之前(离子)解吸,而对于APCI LTPI解吸是第一,分析物眠后来气相中的电离;因此,解吸中性分析物将受益于一个低极性倾向滴液/气界面而对于应急服务国际公司,荷电率在溶液中影响抽样最高效率,更高的极性是有益的。消失,这种影响在ESI pH值3,在荷电率在很大程度上提高了增强的电荷密度载体,将支持这种看法。
类似的情况可以适用于非极性表面面积的大小。在情况下,解吸并不限于所需费用;即。,for ESI at pH = 3 (Figure9(一个),R = 0.56, p < 0.01)和APCI(图9 (b),R = 0.59, p < 0.01,一个温和的相关性),该参数的相关性观察采样效率。这两个描述符,极性和非极性表面,影响分析物的表面活性(23,80年),有助于改善解吸,是一个好的信号强度所必需的。离子和分子与一个大的非极性区域表面有很高的亲和力,因为他们更喜欢之前的气液界面水液滴内的本体溶液。
最后,图10说明了摩尔体积的影响与调查获得的信号强度电离技术。
(一)
(b)
(c)
在这种背景下,摩尔体积的强相关性的信号强度ESI pH = 3(图10 (),R = 0.61, p < 0.001), APCI(图10 (b),R = 0.64, p < 0.001)和LTPI中度相关性(图10 (c)R = 0.49, p < 0.01)也符合得很好。应急服务国际公司的竞争表面电荷和解吸发生滴,但只有指控物种将进一步传播。此外,众所周知,在ESI(带电)分析物需要访问液滴的表面成功检测(135年]。再次,在pH值7电荷载体的有限的可用性遮蔽摩尔体积的影响(图S2d在pH = 3),但它可以假设所有分析物分子液滴中质子化了的。带电粒子倾向于分布在表面的水滴在最大距离由于库仑斥力。据吴et al .,与更大的分子离子卷可以占据更大的比例较小的液滴表面的离子量(136年从液滴)使容易解吸(注意,分子体积强烈与摩尔体积)。此外,分子越大,更好的使质子化的形式是稳定在气相(81年]在所有三个应该发挥其效果,ESI, APCI和等离子体电离。
在选定条件下,从溶剂解吸似乎扮演一个同样强大的角色LTPI和APCI溶液碱度在pH值为ESI 7。APCI这最初是出乎意料,完成蒸发应确保在喷雾器的帮助下,加热辅助气体和干气按照APCI机制。选择更好的蒸发(APCI加热器的温度较高和干气,或一个容易可蒸发的溶剂)可能观察到的依赖和发现其他影响变量比非极性表面或摩尔体积。解吸,从而表面活性也是关键的一个方面在LTPI [129年]。没有添加额外的热量,分析物必须首先到达表面的溶剂滴,然后蒸发。在这种情况下,一个物种的非极性表面液滴表面的沉积是决定性的,分别是蒸汽压力的沸腾温度随后的蒸发。然而,在仍然LTPI droplet-pick机制似乎更重要的是提高抽样效率由于溶剂的存在是观察到显著增强信号响应(129年]。
最影响的定量参数的详细调查的三个电离技术导致了相当复杂的和复杂的图片,促使我们分析相似之处获得信号响应的模式在三个电离技术。因此,响应模式在ESI pH值3似乎几乎同样类似的其他所有条件,即。,ESI pH 7 (R = 0.54, p = 0.003), APCI (R = 0.51, p = 0.001), and LTPI (R = 0.65, p < 0.001), which suggests that solvent acidification in ESI leads to a situation where sensitivity becomes dependent on similar analyte characteristics as in APCI and LTPI instead of the solution basicity. However, the correlation between the two ESI conditions greatly improved using the signal log values for analysis (R = 0.75, p < 0.001) but impaired the cobehaviour with APCI and LTPI. After log-transformation, the influence of extreme values in a linear correlation analysis is usually decreased. Therefore, we concluded that similarity of response patterns in ESI pH 3 with pH 7 might be based on the behaviour of different analytes than similarity with APCI and LTPI and analysed the cobehaviour of the target compounds. Indeed, we found a reverse response pattern of analytes with amino-, hydroxyl-, and methoxy-substituents as one group and a second comprising mainly pyridine, 2- and 3-fluoroanilines, and analytes with electron-withdrawing substituents ino-安置(图11)。
而目标化合物的电子基取代基,观察最高的相对强度与ESI pH值7溶液碱度决定了反应,波动的分析物的行为是逆转吸电子和极性分析物由于取代基的h股o-安置到氨基酸组(15]。因此,当我们删除2 - 3-fluoroaniline和吡啶,这个外观是最发达的,从日志转换数据的相关分析,我们再次获得最强的ESI 3和LTPI pH值之间的相关性(R = 0.70, p < 0.001 vs . R = 0.49, p = 0.014为ESI酸碱3 / 7)。因此,要求应急服务国际公司的反应极好,强大的基地酸化LTPI溶剂是最类似,而极性弱的基地表现出不良反应在ESI pH值7相比其他分析物和电离技术导致应急服务国际公司的(多余?)选择性。
有趣的是,比较获得的相关因素分析的响应与所有分子描述符表示相似度最高的ESI 3和APCI pH值的影响因素。显然,然而,这些分子描述符的定量影响信号响应是不同的两个条件下上面的详细结果。
5。结论
在我们比较两个标准大气压力技术,ESI APCI,仍然很新,环境LTPI,通常我们可以显示不同的解吸特性参数,由描述符的波动和表面亲和力,似乎是决定性的信号响应的分析物在液体中矩阵。只有在ESI pH值7碱度的影响超过解吸性能的影响(表1)。
根据这个,APCI似乎至少有选择性的方法对芳香胺,这将是一个很大的优势在multiselective分析或筛选方法。然而,在这种背景下信号响应的动态范围(最高除以至少丰富)ESI pH值3实际上提出了一个较弱的选择性(35 ESI pH值3因素比50 APCI对比ESI pH值7 ~ 700),这一事实表明,而是在APCI更复杂,但不要太强烈影响化合物相互作用的特点,可以确定其信号比非选择性电离反应。部分大的差异的定量影响各种分子描述符之间的方法也说明这一事实仍然没有普遍最佳电离方法可用于所有的分析任务。电离的要求和随后的离子进入气相转移仍然是主要限制在应用,因此,目前和可预见的未来,它只是可以优化接口为一个特定的分析挑战和众多的进一步发展可能仍然需要向最优,普遍适用的电离方法。
6。材料和方法
6.1。化学物质
3-aminophenol、2-fluoroaniline 3-fluoroaniline、4-fluoroaniline 2-methoxyaniline (o甲氧基苯胺)、3-methoxyaniline (米甲氧基苯胺)、4-methoxyaniline (p甲氧基苯胺)、2-nitroaniline 3-nitroaniline、4-nitroaniline 3-methylaniline (米甲苯胺)、3-aminoaniline (米苯二胺)、4-aminoaniline (p苯二胺)、2-aminobenzonitrile 3-aminobenzonitrile、4-aminobenzonitrile和吡啶买来西格玛奥德里奇(Taufkirchen、德国),除了2-methylaniline (o甲苯胺)、4-methylaniline (p甲苯胺),毒死蜱与丙烯酰胺(书、瑞士)与苯胺在穿越(Geel、比利时)。乙腈(ACN)从VWR购买(德国德累斯顿)。甲醇是购自卡尔·罗斯(德国卡尔斯鲁厄),水从BIOSOLVE (Valkenswaard、荷兰)。2-aminoaniline (o苯二胺)、2-aminopyridine 3-aminopyridine、4-aminopyridine 2-aminophenol, 4-aminophenol, 2-aminobenzoic酸,3-aminobenzoic酸,4-aminobenzoic酸、磺胺酸,4-chloroaniline和善的教授提供的em。伯杰(德国莱比锡大学分析化学研究所)。
6.2。样品制备
一组31苯胺类准备在ACN / H2O 1:1 (v / v为每个苯胺(10)μM ESI和APCI LTPI 1毫米)和信号强度与三种电离方法确定,也就是说,大气压化学电离(APCI)、电喷雾电离(ESI)和低温等离子体电离(LTPI)。溶剂空白运行频繁的基础上,以确保没有交叉污染。测量前的成套芳香胺,动态行为成功确认使用系列浓度的分析物15,129年]。所有分析物的详细结构见Kiontke et al。129年]。分析物的选择的影响的系统研究分子描述符如极性和蒸汽压力;他们提供了一个非常广泛的结构不同,在生物环境中重要性和许多感兴趣的化合物包含结构单位,类似于我们的分析物。此外,这些分析物在文献中已经研究的很透彻和公开可用的数据库。
6.2.1。APCI苯胺类的反应
APCI测量进行力量影响II QTOF女士(力量、不来梅、德国)配备Dionex终极3000 autosampler (Thermofisher Dreieich德国)。毛细管电压在4.0 kV和100μL样本注入流量50μL / min 2.5酒吧喷雾器和2.5 L / min干气流量在250°C(氮)。扫描范围是m / z50 - 500 3扫描移动平均。
6.2.2。LTPI毒死蜱的反应
模拟现场的分析直接从表面农药使用等离子体电离,水果、蔬菜和蘑菇从当地超市购买(REWE, Tarostraße、莱比锡、德国)。一条苹果、香蕉、梨、蘑菇、草莓、无花果、黄瓜、土豆、猕猴桃、油桃、橙子、胡椒、百香果、李子、大黄,西红柿,葡萄,柠檬与至少1厘米被从每个皮获得最可再生的层厚度。四个圆直径4毫米的挖空这些皮带穿孔。随后,1μ(100 L毒死蜱的解决方案μ在ACN)被添加到三挖空(第四任空白)和溶剂被允许蒸发之前测量。
使用一个优化是国产低温等离子体源的实验(18]。短暂,它包含一个点火变压器(EBI4厘米年代,丹佛斯、Nordborg、丹麦)和一个玻璃管(GC衬管,热科学、沃尔瑟姆,妈,美国)和两个外电极周围的铜箔胶带(诺尔GmbH, Worrstadt,德国)和孤立的自制的聚四氟乙烯住房。流被调整至20毫升/分钟Ellutia 7000 GC流量计(Ellutia有限公司、伊利、英国)。
等离子体的优化参数配置(使用18),例如,介质厚度2毫米,宽度和距离10毫米的电极电极的每个和距离出口20毫米。质谱是在《时尚先生》获得3000 +(力量、不来梅、德国)女士用以下仪器参数:高压,干气(氮气)1.5毫升/分钟,温度设置为350,扫描范围:m / z50 - 400,质量目标:350。离子的数量每扫描仅限于20000 200 ms的最大积累时间和移动平均的三个扫描。发现1μL解决方案的目标,数据采集是立即开始至少2分钟,每个分析物的平均响应计算从一式三份分析。
6.3。数据评估
的m / z信号强度峰值平均在1分钟4.2分析时间使用力量数据分析软件和相应的信号强度的一式三份分析是用于数据评估。苯胺类是评估的相对响应的平均强度(cps,峰高)对应的峰值感兴趣的分析物离子和氯苯胺的和两个最丰富的同位素峰信号强度。
化学特征常数(pKa、分子极性表面积,溶剂分子表面积,访问日志,日志D,质子亲和,气相碱度,沸点,蒸汽压力,蒸发焓,和表面张力)从公共数据库检索,即ChemSpider皇家化学学会的,伦敦,英国[http://www.chemspider.com/] chemicalize.org ChemAxon,布达佩斯,匈牙利[http://www.chemicalize.org/], Scifinder化学文摘社,俄亥俄州哥伦布/美国[https://scifinder.cas.org/],和NIST化学WebBook由国家标准与技术研究院(NIST),盖瑟斯堡,美国[http://webbook.nist.gov/chemistry/]。使用斯巴达的分子体积计算软件包(斯巴达14日,波函数Inc .)、欧文、钙、美国)。设置了计算DFT(密度泛函理论B3LYP)我感觉基础设置。
相关分析的峰值信号强度与理化特性(皮尔逊积差相关系数和意义)进行使用分析ToolPak MS Excel 2013(美国雷德蒙的微软公司(Microsoft Corp .))。相关分析之前,目视检查适当的数据分布进行了使用散点图。
数据可用性
电喷雾质谱的数据和LTPI-MS分析(氮含量芳香族化合物)支持这个报告之前报道的研究和数据集,已被引用。数据APCI-MS(氮含量芳香族化合物)和LTPI-MS毒死蜱分析用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持的德国联邦环境基金会(德意志Bundesstiftung客观世界,DBU)(批准号20015/375);欧洲区域发展基金(ERDF Europaischer喜欢毛皮Regionale Entwicklung EFRE,“欧洲基金萨克森”)(批准号100195374);德国联邦经济和能源(Bundesministerium毛皮经济和科特布斯der德意志,BMWi,“中央为中小企业创新项目”“Zentrales Innovationsprogramm中小企业”)[ZF4548701SL8];和莱比锡大学的。作者承认塞巴斯蒂安Piendl和约瑟夫·海兰德博士,莱比锡大学的准备数据。此外,他们感谢教授德特勒夫·秃头的和教授新兴市场。斯特凡•伯杰,莱比锡大学,为他们的善良,长期以来的支持和建议。
补充材料
补充材料与网上可以找到这份报告(S1模拟和数字S2模拟数据)。(补充材料)