La photoionisation à pression atmosphérique (APPI)

La photoionisation à pression atmosphérique (APPI)

La photoionisation à pression atmosphérique (APPI) a été introduite comme une méthode de détection pour la chromatographie  en phase gazeuse  (GC). Techniquement la source APPI est considérée comme APCI en changeant le corona discharge par une lampe à photons[1]. Elle consiste à utiliser une lampe à décharge qui génère des photons ayant la longueur d’onde dans le domaine d’ultraviolet. Si les photons sont absorbés par des molécules qui possèdent une énergie d’ionisation (IE), inférieure à l’énergie des photons, l’ionisation des molécules peut se produire (équation 1).

M + hν → M+. + e (équation 1)

Une autre voie de réaction peut avoir lieu, si un gaz porteur, tel que l’azote, est utilisée, qui absorbe fortement le rayonnement UV lointain (équation 2, 3):

 N2 + hv → N2* (équation 2)

 N2* + M → N2 + M+. + e (équation 3)

À la place de l’azote, on peut utiliser des autres molécules qui sont plus efficaces pour ioniser l’analyte, ces molécules sont habituellement appelées dopants (équation 4, 5).

 D + hv → D+. + e (équation 4)

 D+. + M → D + M+. (équation 5)

En comparaison avec l’électrospray, l’APPI est beaucoup plus compliqué en terme de production des ions, les ions radicalaires peuvent être produits en direct ou par intermédiaire en utilisant un dopant. Mais sur les spectres APPI on observe majoritairement des ions non radicalaires, ces ions sont produits par la capture d’un proton à partir du solvant (équation 6).

M+. + S → [M+H]+ + (S-H)  (équation 6)

Cette réaction explique pourquoi les ions moléculaires protonés sont souvent prédominants dans les spectres APPI. On note que, l’abondance des ions protonés est dépendante de l’affinité protonique (PA) de l’analyte vis-à-vis celle du solvant. Les ions négatifs peuvent être formés dans la source APPI, dans ce cas, l’analyte ou une autre molécule telle que le solvant capture un électron libre, ensuite des échanges de protons peuvent avoir lieu suivant plusieurs mécanismes.

Les ions formés par ces mécanismes génèrent un courant qui circule dans une électrode et forme le signal dans le chromatogramme. La lampe est habituellement choisie de telle sorte que l’énergie des photons est inférieure à énergie d’ionisation (IE) du gaz porteur et au-dessus de l’IE d’analyte. Il faut noter que l’IE d’un composé dépend de la taille et de la structure du composé. Les grosses molécules et des composés qui possèdent un haut degré de conjugaison ont généralement IEs plus faibles que les petites molécules. Ainsi, les analytes possèdent habituellement IEs dans la gamme de 7-10 eV, alors que les gaz ont des valeurs IEs supérieures (tableau 1). Par conséquent, les analytes peuvent être sélectivement ionisés sans interférence avec des molécules de gaz. Souvent, une lampe à décharge de krypton qui émet des photons ayant l’énergie de 10 eV est utilisée.

Tableau 1. Énergies d’ionisation des molécules

Composé (Energie d’ionisation) IE (eV)
Toluène 8,83
Benzène 9.24
Acétone 9,70
n-Hexane 10,13
Méthanol 10,84
Ammoniac 10.07
Oxygen 10.07
Acétonitrile 12.20
Eau 12,62
Le dioxyde de carbone 13,78
Azote 15,58

La photoionisation a également été utilisée comme une méthode de détection pour la chromatographie en phase liquide[2][3][4]. L’ionisation des analytes peut être réalisée en raison de l’IE relativement élevé des solvants (H2O, ACN, Méthanol) utilisés pour la LC (tableau 1). La première étape du couplage de l’APPI avec la LC est l’évaporation du solvant d’élution de la colonne LC car le taux de recombinaison des ions est beaucoup plus élevé en phase liquide qu’en phase gazeuse. Après évaporation, les analytes sont ionisées d’une manière similaire à la GC-APPI. La source d’ions APPI a été également utilisée comme détecteur pour la mobilité ionique[5][6].

Revel’skii et al. sont les premiers à introduire la source APPI à la spectrométrie de masse, ils ont remplacé un nébuliseur chauffé par une lampe à photoionisation[7][8]. Le mélange de gaz contenant des analytes est introduit en même temps avec le gaz du nébuliseur sans séparation. Il en résulte une gamme dynamique étendue et une meilleure sensibilité pour leurs analytes. Quelques années plus tard Bruins et al., ont construit leur propre source d’ions APPI et appliquée pour les analyses en LC-MS[9]. Ils ont utilisé la source APPI avec un spectromètre de masse triple quadrupôle PE Sciex. Le système comprend un nébuliseur chauffé et un boîtier, qui sont identiques à celles utilisées dans la source Sciex APCI. L’azote est utilisé comme gaz nébuliseur et gaz de la lampe. L’oxygène est utilisé en tant que gaz auxiliaire. La source inclut un dopant qui est ajouté à la canalisation de gaz auxiliaire et vaporisé conjointement avec le solvant chauffé dans le nébuliseur. Le débit de dopant est d’environ 1/10 du débit de solvant, qui est typiquement de 100 à 300 ul/min. La vapeur est balayée par un flux d’azote gazeux dans la zone de photoionisation monté directement à l’extrémité de la sonde de nébuliseur chauffée. La lampe utilisée est une lampe à décharge de krypton disponible dans le commerce, les photons émis par cette lampe ont une énergie de 10 eV. Un potentiel électrique de 1,2 à 1,5 kV est appliqué sur le support de montage de la lampe à décharge. La source APPI, décrite plus en détail par Bruins et coll, est représentée sur la figure 1.

 appi

Figure 1. Schéma de la source APPI conçue par Bruins et al.

La source APPI conçue par Bruins et al. a été développé dans le but d’élargir la gamme de composés qui peuvent être analysées par les techniques d’ionisation à pression atmosphérique (API) vers des molécules moins polaires, qui sont difficilement analysées par ESI ou APCI. Ils ont testé d’un groupe de composés ayant des polarités différentes, et comparé les résultats avec ceux obtenus avec la source APCI. L’APPI s’avéré être plus sensible à tous les composés testés, bien qu’il donne un signal plus élevé pour les composés à haut PA qui ont formé des molécules protonées, que pour les composés ayant PA faibles non polaires qui forment des ions moléculaires. En mode négatif, les molécules déprotonées ont aussi été observées. Bruins et al. Ont utilisé un dopant afin d’augmenter l’efficacité d’ionisation des analytes, car à pression atmosphérique, les photons perdent facilement leur énergie par des collisions avec des surfaces d’instruments et de particules en phase gazeuse, ce qui diminue l’efficacité d’ionisation. En utilisant une grande quantité de substance facilement ionisable qui possède l’énergie d’ionisation inférieure à l’énergie des photons, la charge peut être transférée efficacement à des analytes et de l’efficacité d’ionisation peut être améliorée[10][11]. L’idée d’utiliser un dopant pour augmenter l’efficacité d’ionisation a été préalablement mis en place dans le cadre de la PI-IMS, où l’acétone, le benzène, le toluène et le xylène[12] a été appliquée avec succès comme agents dopants. L’utilisation du benzène a également été rapportée comme un dopant pour l’APCI, où il a amélioré le signal des ions moléculaires formés à partir des analytes ayants PA faibles par échange de charge.

Une autre source d’ions APPI a été décrite par Syage et al.[13], qui utilise le même principe de fonctionnement que celle de Bruins (figure 2). La source décrite par Syage et al. est orthogonale[14]. Elle est similaire à la source d’Agilent Technologies APCI, à l’exception que l’aiguille de corona discharge est remplacée par une lampe à décharge à krypton émettant des photons de 10 eV. Contrairement à la source APPI de Bruins et al, la source Syagen peut réaliser une ionisation importante sans la présence de dopants, qui est probablement dû à une plus grande d’émission de photons[15]. En raison d’une ampoule lumineuse, la photoionisation directe des analytes peut être obtenue. Bien entendu, la sensibilité est fortement améliorée lorsqu’un dopant est utilisé dans la source de Syage.

appi 2Figure 2. Schéma de la source APPI conçue par Syage et al. [27].

Applications

L’APPI peut être utilisé pour plusieurs analytes, soit pour les produits pharmaceutiques, comme des composés non stéroïdiens ou stéroïdiens, soit pour les composés de faible poids moléculaires. Cette méthode peut également servir dans différents domaines de l’environnement tel que l’analyse des pesticides et des composés organiques volatils. Aussi, les produits naturels et que les composés organiques synthétiques peuvent être ionisés par l’APPI, comme les sucres, les polymères…

La pertinence de la source APPI dans la découverte de médicaments et de l’analyse de la drogue a été examinée par plusieurs groupes de recherche[16][17]. Keski-Hynnilä et al. ont comparé l’APPI par rapport à l’ESI et l’APCI dans l’analyse des métabolites de la phase II d’apomorfine, la dobutamine et l’entacapone (catéchols) de l’urine de rat, des milieux de cultures cellulaires de foie de rat et de microsomes de foie humain. L’ESI a été prouvé être la meilleure méthode d’ionisation pour les métabolites polaires. Seule une partie des métabolites détectés avec l’ESI pourrait être détectée avec l’APCI et l’APPI, probablement à cause d’une mauvaise évaporation et la dégradation thermique des analytes[18]. Henion et al. ont comparé l’APPI par rapport à l’APCI dans l’analyse de l’idoxifène et ses deux métabolites présents dans le plasma humain. Ils ont observé que le bruit produit chimique dans l’APPI était beaucoup plus faible que dans l’APCI, qui a abouti à une meilleure sélectivité pour les analytes.

L’APPI a également suscité un intérêt dans l’analyse des stéroïdes puisque l’utilisation de la source ESI et APCI pour les stéroïdes moins polaires peuvent être moins efficaces[19]. Leinonen et al.[20] ont comparé l’ESI, l’APCI et l’APPI dans la détection de la fraction libre stéroïde anabolisante dans l’urine humaine. La limite de détection avec LC-MS/MS en utilisant l’APPI et l’APCI étaient au même niveau (0,08 à 0,9 nmol/ml) et légèrement supérieure à celle de l’ESI (0,06 à 0,5 nmol / ml). L’APPI a également été appliquée à l’analyse des corticostéroïdes[21] et neurostéroïdes[22].

L’APPI est avéré être une bonne technique alternative à l’analyse des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), grâce à sa capacité à ioniser les molécules non polaires[23][24]. Les HAP sont un grand groupe de produits chimiques, qui sont généralement formés dans la combustion incomplète et sont présents dans différentes matrices environnementales. Beaucoup de HAP sont connus pour être carsinogenic, ce qui rend leur analyse importante en vue de la santé et l’environnement. Du fait que les HAP manquent de groupes polaires, ils sont difficiles à ioniser à l’aide d’ESI ou APCI, dans ce cas l’APPI s’avère une méthode complémentaire.

Les flavonoïdes sont des produits naturels polyphénoliques qui sont distribués dans les plantes supérieures et connus pour avoir divers effets sur la santé comme antioxydant. Ils ont de faibles IE et peuvent donc en théorie former des ions moléculaires par échange de charge, en outre, ils possèdent des affinités protoniques et acidités raisonnables en phase gazeuse et peuvent donc aussi être ionisés par transfert de protons. Rauha et al. ont fait une comparaison approfondie entre les modes positifs et négatifs d’ESI, l’APCI et l’APPI et leur aptitude à l’analyse des flavonoïdes. Ils ont également étudié l’effet du solvant sur les différentes techniques d’ionisation et a constaté que l’APPI était plus dépendant de la composition de solvant que les autres techniques. En APPI, principalement des molécules protonées ont été observés en mode positif et des molécules déprotonés en mode négatif. Les différences entre les efficacités d’ionisation des trois techniques ne sont pas significatives, bien qu’en mode négatif ESI fournisse une meilleure détection des flavonoïdes[25].

Dans la plupart des comparaisons entre les l’ESI, l’APCI et l’APPI, l’APPI a donné une sensibilité égale ou supérieure à APCI et moins sensibles aux effets de matrice que l’ESI ou l’APCI. Elle a même été constatée que c’est une source appropriée pour l’électrophorèse capillaire-spectrométrie de masse (CE-MS), car elle tolère mieux les tampons phosphatés que l’ESI. Surtout dans l’analyse des analytes non polaires, la sensibilité de l’APPI a été beaucoup plus élevé que la sensibilité obtenue avec l’ESI ou l’APCI, alors l’ESI semble encore fonctionner le mieux pour les analytes polaires[26].

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[8] Revel’skii, I. A.; Yashin, Y. S.; Kuroschkin, V. K.; Kostyanovskii, R. G. Zavodskaya Laboratoriya 1991, 57 (3), 1-4.

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[12] Döring, H. R.; Arnold, G.; Adler, J.; Röbel, T.; Riemenschneider, J., DE Patent 19609582 C1 (1994).

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Source, Proceedings of the 50th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Orlando, FL, June 3-7, 2002.

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[25] Rauha, J.-P.; Vuorela, H.; Kostiainen, R. J. Mass Spectrom. 2001, 36 (12), 1269-1280.

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