Microchip Atmospheric Pressure Ionization-Mass Spectrometry

Abstract

With the increasing demand for faster and more cost-effective analytical methods, miniaturization of analytical instruments is becoming ever more popular. The major motivations of miniaturization are increased speed of analysis, lower sample and reagent consumption, and reduced waste production. These miniaturized analytical instruments can be highly automated and with the small dimensions, many systems can be constructed in parallel, providing increasing sample throughput. Decreased sample volumes require an adequate, specific, and highly sensitive detection method, like mass spectrometry (MS).

In this work, two miniaturized ion sources for atmospheric pressure ionization ionization mass spectrometry (API-MS) were investigated.

First, a novel microchip heated nebulizer for atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry (APCI-MS) was developed and evaluated. The microchip APCI provided flow rates down to 50 nl/min and high ionization efficiency (mass flow sensitivity about 100-200 times better than conventional interface) thus enabling, for the first time, the use of low-flow rate separation techniques with APCI-MS. The microchip APCI provides easy connection of the microchip to any MS equipped with API source, temperature optimization for individual analytes, robust analysis, and cost efficient manufacturing. Use of the microchip APCI was demonstrated with microfluidics, capillary liquid chromatography (capillary LC) and gas chromatography (GC). The feasibility of the microchip APCI for qualitative and quantitative analysis was evaluated for capillary LC-APCI-MS and GC-APCI-MS. In quantitative analysis the microchip APCI showed good linearity and repeatability with detection limits down to fmol range.

Next, the feasibility of atmospheric pressure desorption/ionization on silicon-mass spectrometry (AP-DIOS-MS) for drug analysis was investigated. DIOS is a relatively new matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) related technique, in which bare porous silicon is used to assist ionization of the sample molecules instead of the matrix compounds used in MALDI. Since a matrix compound is not used in DIOS, mass spectra with significantly lower background at low mass range can be produced. The main advantage of AP-DIOS relative to conventional vacuum DIOS is that delay between the sample plate introduction to the ion source and the measurement is minimized enabling higher sample throughput. It was observed that only compounds with relatively high proton affinity, above a threshold value of 920-950 kJ/mol, are efficiently ionized under AP-DIOS conditions. The good linearity, linear dynamic range of 3 orders of magnitude, and repeatability showed that the method was suitable for quantitative analysis.

Mikrofluidistiikka on tieteenala, joka tutkii pienten ainemäärien, tilavuudeltaan mikrolitroista (10E-6 l) pikolitroihin (10E-12 l), liikuttelua ja analysointia pienissä kanavistoissa mikrosirulla. Yhdistämällä yksittäisiä fluidistisia komponentteja, kuten näytteen esikäsittelyn, annostelun, erotuksen ja havainnoinnin, voidaan jopa kokonaisen laboratorion työvaiheet siirtää samalle millimetrin-senttimetrin kokoiselle mikrosirulle (‘lab-on-a-chip’ ja ‘micro Total Analysis Systems’, µTAS). Laitteiden pienen koon ja niissä käsiteltävien nestemäärien pienten tilavuuksien ansiosta näytteiden ja liuottimien kulutus on pieni, reaktiot ja erottumiset ovat nopeampia ja analyysiajat lyhyempiä kuin tavanomaisissa analyyseissä. Kanavistoja pystyy valmistamaan samalle mikrosirulle useita mikä mahdollistaa analyysien suorittamisen rinnakkain. Pienen koon ansiosta analyysilaitteistoja voidaan ottaa mukaan ja mittaus suorittaa paikan päällä. Nestemäärien pienten tilavuuksien johdosta myös tutkittavien yhdisteiden määrät ovat mikroskooppisen pieniä. Tällöin on tärkeää käyttää mahdollisimman herkkiä havainnointilaitteita. Massaspektrometrit ovat femtomoolin (10E-15 mol) herkkyyteen pystyviä laitteita.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin kahta miniatyrisoitua ionisaatiolähdettä ilmanpaineionisaatio-massaspektrometrissa (API-MS).

Ensimmäinen ionisaatiolähde jota tutkittiin oli piin ja lasin mikrotyöstöllä valmistettu miniatyrisoitu höyrystin-suutin, ensimmäinen laatuaan maailmassa. Tähän ilmanpaineessa tapahtuvaan kemialliseen ionisaatio massaspektrometriaan (APCI-MS) tarkoitettu mikrosiru mahdollistaa alhaisten virtausnopeuksien erotusmenetelmien sekä kaasukromatografin (GC) liittämisen mihin tahansa API-MS:iin. Näihin erotusmenetelmiin, joiden virtausnopeudet ovat alhaisia, kuuluvat mm. nano- ja kapillaarinestekromatografia (nano/capLC) sekä kapillaarielektoforeesi. Mikrosirulla saadaan aikaiseksi erittäin kapea suihku, jolloin perinteiseen sumuttimeen verrattuna suurempi osa näytemolekyyleistä ionisoituu. Tällä saavutetaan sama havainnointiraja sata kertaa pienemmällä virtauksella. Mikrosiru mahdollistaa erotuksen yhteydessä lämpötilaoptimoinnin yksittäisille yhdisteille. Suuttimen soveltuvuus kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analytiikkaan testattiin sekä capLC-APCI-MS:llä että GC-APCI-MS:llä.

Tutkimuksen toisessa osassa tutkittiin nanohuokoiselta piiltä tapahtuvan desorptio-ionisaation (DIOS) soveltuvuutta API-MS:aan. Tämän lisäksi selvitettiin tarkemmin yhdisteiden ionisoitumista kyseisellä menetelmällä. DIOS on uudehko matriisiavusteisen desorptio-ionisaation (MALDI) tyyppinen MS tekniikka, missä näyte desorptio- ionisoidaan laserin avulla. Verrattuna MALDI:iin DIOS:in etuna on se, että nanohuokoinen pii siirtää laserenergiaa näytteelle, kun taas MALDI:ssa matriisiyhdiste toimii siirtäjänä, mutta desorptio-ionisoituu itsekin. Tästä syystä pienen molekyylipainon näyteyhdisteitä pystytään mittaamaan ilman että ne peittyisivät matriisin aiheuttamaan taustaan. DIOS soveltuu parhaiten nopeisiin kvalitatiivisiin tai kvantitatiivisiin seulonta-analyyseihin. Ionisaatiomekanismi kuitenkin rajoittaa menetelmän käytettävyyttä korkean protoniaffiniteetin yhdisteille (920-950 kJ/mol). Mahdollisuus suorittaa DIOS-mittaukset normaalissa ilmanpaineessa (AP-DIOS) parantaa menetelmän suoritustehoa entuudestaan, koska näytteitä ei tarvitse siirtää vakuumiin ennen mittausta.