ESI und nano-ESI

(Electrospray Ionization)

Die Elektrospray Ionisierung ist eine ideale Ionisierungsmethode zur Analyse von Verbindungen, die durch Erhitzen im Vakuum nicht unzersetzt in die Gasphase überführt werden können, wie z.B. Zucker, Proteine, Oligonukleotide und Metallkomplexe. Allerdings muß die Probe hierzu in einem niedrig siedenden Lösungsmittel, wie Acetonitril, Methanol oder Wasser, löslich sein, sowie bei sehr niedrigen Konzentrationen (10-3 bis 10-7 mol/L) stabil sein.
ESI bietet eine gute Alternative zu den klassischen Ionisierungsmethoden (EI, CI). Die Bestimmung des Molekülgewichtes erfolgt über die Quasimolekularionen (Adduktionen) einer Substanz. Als Faustformel gilt, dass im positiven Ionenmodus Sauerstoffhaltige Verbindungen bevorzugt Natrium-Addukte (d.h. [M+Na]+), Stickstoffhaltige Verbindungen sowohl Protonen-Addukte (d.h. [M+H]+) als auch Natrium-Addukte bilden. Je nach Probenvorbereitung können zudem auch Kalium-Addukte (d.h. [M+K]+) und/oder Ammonium-Addukte (d.h. [M+NH4]+) beobachtet werden. Im negativen Ionenmodus werden meistens Ionen durch Verlust eines Protons (d.h. [M-H]-) und Chlorid-Addukte (d.h. [M+Cl]-) gebildet. Reine Kohlenwasserstoffe und Halogenkohlenwasserstoffe sind mit ESI praktisch nicht ionisierbar. Unter Umständen (vor allem ungesättigte und aromatische Kohlenwasserstoffe) können Adduktionen mit Ag+ durch Zugabe von AgBF4 erzeugt werden.

Je nach Art der Substanz und Probenvorbereitung (Konzentration, pH-Wert) sind zudem auch mehrfach geladene Ionen (d.h. [M+nH]n+ oder auch gemischte Adduktionen mit verschiedenen Ladungsträgern) und/oder Multimere (d.h. [nM+X]+) beobachtbar. Für eine Identifizierung einer Substanz über Fragment-Ionen ist eine gezielte Fragmentierung (z.B. über CID – kollisionsinduzierte Dissoziation) notwendig, da ESI eine sehr weiche Ionisationsmethode ist, bei der während der Ionisation keine Fragmentierung erfolgt.
 

[ESI process]

mit freundlicher Genehmigung von Dr. D. Stöckigt

Der Sprayprozeß in der Ionenquelle findet unter Atmosphärendruck statt. Die Probenlösung wird von einer Pumpe über einen Kapillarschlauch einem Emitter zugeführt. Dieser wird auf eine Potentialdifferenz von ca. 3-5 kV (bei nano-ESI: 1-2 kV) bezogen auf den Eingangskonus des Massenspektrometers gelegt. Die Potentialdifferenz löst einen hydrodynamischen Sprühvorgang aus, wodurch zuerst sehr kleine, geladene Lösungsmitteltropfen und durch Verdampfen des Lösungsmittels Ionen gebildet werden. Die Desolvatation kann dabei zusätzlich durch einen Strom erhitzten Gases unterstützt werden.

Bei niedrigeren Flussraten (<500 nL/min) spricht man üblicherweise von nano-ESI. Es ist bei nano-ESI auch möglich direkt aus einer mit Analytlösung gefüllten Glaskapillare mit gezogener Spitze (nano-ESI Emitter) durch Anlegen einer Potentialdifferenz allein durch die Kapillarwirkung der feinen Spitze ein Spray zu erzeugen. Bei Lösungsmitteln mit höherer Viskosität kann das Anlegen eines Gasdruckes notwendig sein, um das Spray aufrechtzuerhalten. Man spricht in diesen Fällen von statischem nano-ESI bzw. pneumatischem nano-ESI. Diese Technologie ist auch unter anderen Bezeichnungen, wie Microspray o.ä., bekannt. Nano-ESI wurde unabhängig von R. M. Caprioli und M. Mann 1994 eingeführt. Der Vorteil der nano-ESI ist die höhere Empfindlichkeit und damit verbunden der niedrigere Substanzverbrauch sowie bei nano-LC-Systemen der niedrigere Verbrauch an Laufmitteln.

Da der Ionisationsprozess bei ESI auf einem Säure-Base-Mechanismus beruht, kann die Analytik von Mischungen problematisch sein, da vor allem die leicht ionisierbaren Komponenten der Mischung sichtbar sind. Im positiven Ionenmodus sind dies basische Verbindungen, im negativen Ionenmodus vor allem saure Verbindungen. Dadurch können besonders saure oder basische Verbindungen in den Spektren überrepräsentiert sein. In diesem Fall ist eine vorherige Trennung durch HPLC mit oder ohne anschließender "on-line" Kopplung an die ESI-Quelle von Vorteil (LC/ESI-MS oder nano-LC/nano-ESI-MS).

Zusammenfassung der ESI-Charakteristiken:

• "weiche" Ionisierungsmethode, die Molekülgewichtsinformationen in Form von Quasimolekularionen, wie z.B. [M+H]+, [M+Na]+ oder [M+K]+ liefert
• Geeignet zur Analyse von großen (insbesondere durch die Mehrfachladung solcher Spezies) Bio- oder synthetischen Polymeren, von polaren und sogar ionische Komponenten (z.B. auch Metallkomplexe)
• wenig oder gar keine Fragmentierung sichtbar
• on-line Kopplung zur Flüssigchromatographie (LC) möglich (HPLC oder Kapillarelektrophorese)
• ohne interne Standards ist eine Quantifizierung nicht möglich
• die Unterscheidung von kovalent gebundenen Oligomeren und nicht-kovalent gebundenen Clustern von Monomeren kann problematisch sein.