Expanding and improving methodology and applications of ionization efficiency measurements

Abstract

Elektropihustusionisatsioon-vedelikkromatograafia-massispektromeetria (ESI/LC/MS) on üks enim kasutatavaid meetodeid erinevate analüütide uurimiseks mitmetes valdkondades keskkonna analüüsidest ravimiarenduseni ja toiduohutuseni. Kuigi ESI/LC/MS võimaldab määrata väga madalaid ainete sisaldusi, on täpseteks mõõtmisteks vajalik standardainete kasutamine, sest ainete ionisatsiooniefektiivsused erinevad miljoneid kordi, s.t. sama kontsentratsiooni kuid erineva ionisatsiooniefektiivsusega analüüdid võivad anda miljoneid kordi erineva signaali. Ionisatsiooniefektiivsus sõltub aine struktuurist, kasutatavast eluendist, kasutatud ESI allika geomeetriast ning analüüdiga samal ajal elueeruvatest ühenditest. Standardainete kasutamine pole alati võimalik, näiteks kui tehtud avastus on niivõrd uudne, standardainet pole võimalik sünteesida või selle soetamine on võimatu. Sellisel juhul on ainete kvantitatiivse sisalduse määramiseks vaja teada ionisatsiooniefektiivsusi. Seega oli doktoritöö eesmärkideks: (1) laiendada ja täiendada ionisatsiooniefektiivsuste mõõtmise metoodika ka mitmelaengulisi ioone andvatele analüütidele ning keerulisematele maatriksitele, näiteks bioloogilised vedelikud; (2) ühendada ESI positiivses ja negatiivses režiimis saadud ionisatsiooniefektiivsuste väärtused numbriliselt võrreldavaks ja (3) arendada välja meetod, et koondada erinevad kirjandusandmed ning muuta need numbriliselt võrreldavaks andmekomplektiks. Kõik püstitatud eesmärgid said täidetud ning doktoritöö tulemusena on võimalik kvantitatiivselt võrrelda erinevates laborites, erinevatel instrumentidel ja erinevates maatriksites mõõdetud ionisatsiooniefektiivsusi. Suuremad ja usaldusväärsemad andmehulgad võimaldavad arendada universaalse mudeli ionisatsiooniefektiivsuste ennustamiseks, mis omakorda vähendab vajadust standardainete järele LC/ESI/MS analüüsil. See omakorda võimaldab luua selgust ESI ionisatsioonimehhanismi osas.

Electrospray ionization (ESI) is a method used to produce gas phase ions in which high voltage is applied to a liquid. ESI is commonly used to couple liquid chromatography (LC) and mass spectrometry (MS). LC/ESI/MS enables to determine trace amounts of organic compounds and is thus an important tool in various fields, e.g. environmental analysis, drug discovery, metabolomics, proteomics, and food safety. Compounds have several orders of magnitude different ionization efficiencies in ESI source leading to a misestimation of concentrations up to million times if just signals are used for quantification. Ionization efficiency prediction possesses high potential to overcome the lack of standard substances in LC/ESI/MS analysis. The aim of this thesis was to broaden the existing understanding of ESI in terms of analytes, matrices, instrument and developing a strategy to unify the vastly different and contradictory ionization efficiency measurements into one dataset. All of the gained knowledge throughout this work will allow the development of a universal model for predicting concentrations which is not limited to specific compound families, matrices or instrumental setups. The results of this thesis enabled to expand ionization efficiency measurement methodology to multiply charged analytes and allowed for direct quantitative comparison of ionization efficiencies measured in different ESI modes, matrices and even in different labs. The gained knowledge lays a solid foundation to move forward with a universally applicable ionization efficiency prediction model that would allow standard substance free quantification as well as possible deeper understanding of the ESI process.