इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण

इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण (ईएसआई) एक इलेक्ट्रोस्प्रे का उपयोग करके आयनों का उत्पादन करने के लिए द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति में उपयोग की जाने वाली एक तकनीक है जिसमें एयरोसोल बनाने के लिए तरल पर एक उच्च वोल्टता लगाई जाती है। यह वृहत् अणु से आयनों का उत्पादन करने में विशेष रूप से उपयोगी है क्योंकि यह आयनित होने पर इन अणुओं के खंडित होने की प्रवृत्ति पर काबू पा लेता है। ईएसआई अन्य आयनीकरण प्रक्रियाओं से अलग है (उदाहरण के लिए मैट्रिक्स-असिस्टेड लेजर डीसॉर्प्शन/आयनाइजेशन (MALDI)) क्योंकि यह कई आवेशित आयनों का उत्पादन कर सकता है, परमाणु द्रव्यमान इकाई को समायोजित करने के लिए विश्लेषक की द्रव्यमान सीमा को प्रभावी ढंग से बढ़ा सकता है। परिमाण के केडीए-एमडीए आवेश प्रोटीन और उनसे जुड़े पॉलीपेप्टाइड अंशों में देखा गया। ईएसआई का उपयोग करने वाले द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति को इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति  (ईएसआई-एमएस) या, आमतौर पर  , इलेक्ट्रोस्प्रे द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति(ईएस-एमएस) कहा जाता है। ईएसआई एक तथाकथित 'नर्म आयनीकरण' तकनीक है, क्योंकि इसमें बहुत अल्प विखंडन होता है। यह इस मायने में फायदेमंद हो सकता है कि आणविक आयन (या अधिक सटीक रूप से एक छद्म आणविक आयन) लगभग हमेशा देखा जाता है, हालांकि प्राप्त साधारण द्रव्यमान स्पेक्ट्रम से बहुत अल्प संरचनात्मक जानकारी प्राप्त की जा सकती है। इस नुकसान को ESI  अग्रानुक्रम द्रव्यमान  स्पेक्ट्रममिति  (ESI-MS/MS) के साथ जोड़कर दूर किया जा सकता है। ईएसआई का एक अन्य महत्वपूर्ण लाभ यह है कि इसमें विलयन-अवस्था  की जानकारी को गैस-अवस्था बनाए रखा जा सकता है।

इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण तकनीक को पहली बार मसामिची यामाशिता और जॉन फेन द्वारा 1984 में रिपोर्ट किया गया था, और स्वतंत्र रूप से लिडिया गैल और रूस में सहकर्मियों द्वारा, 1984 में भी। 2008 में एक अनुवाद प्रकाशित होने तक गैल के काम को पश्चिमी वैज्ञानिक साहित्य में मान्यता या अनुवादित नहीं किया गया था। जैविक वृहत् अणु के विश्लेषण के लिए इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण का विकास करने के  लिए  2002 में जॉन बेनेट फेन और कोइची तनाका को रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार के श्रेय से पुरस्कृत किया गया था। डॉ फेन द्वारा उपयोग किए जाने वाले मूल उपकरणों में से एक फिलाडेल्फिया, पेंसिल्वेनिया में विज्ञान इतिहास संस्थान में प्रदर्शित है।

इतिहास
1882 में, जॉन स्ट्रट, बैरन रेले ने सैद्धांतिक रूप से अनुमान लगाया कि जेट के तरल को फेंकने से ठीक पहले एक तरल छोटी बूंद आवेशित कर सकती है। इसे अब रेले सीमा के रूप में जाना जाता है।

1914 में, जॉन ज़ेलेनी ने कांच की केशिकाओं के अंत में द्रव की बूंदों के व्यवहार पर काम किया और विभिन्न इलेक्ट्रोस्प्रे माध्यम के लिए साक्ष्य प्रस्तुत किए। विल्सन और टेलर और नोलन ने 1920 के दशक में इलेक्ट्रोस्प्रे की जांच की और 1931 में मैकी ने । इलेक्ट्रोस्प्रे कोन (जिसे अब टेलर कोन के नाम से जाना जाता है) का वर्णन सर जेफ्री इनग्राम टेलर ने किया था। 1968 में मैल्कम डोल द्वारा द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति के साथ इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण का पहला उपयोग बताया गया था। जॉन बेनेट फेन को 1980 के दशक के अंत में इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति के विकास के लिए रसायन विज्ञान में 2002 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

आयनीकरण तंत्र
रुचि के विश्लेषण युक्त तरल है Electrospray#Mechanism, एक अच्छे एरोसोल में। क्योंकि आयन निर्माण में व्यापक विलायक वाष्पीकरण (जिसे अविलायकीयन भी कहा जाता है) शामिल है, इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण के लिए विशिष्ट वाष्पशील विलायक कार्बनिक यौगिकों (जैसे मेथनॉल एसीटोनिट्राइल) के साथ जल मिलाकर तैयार किए जाते हैं। । प्रारंभिक बूंद के आकार को कम करने के लिए, चालकता बढ़ाने वाले यौगिकों (जैसे एसिटिक एसिड) को विलयनमें जोड़ा जाता है। ये प्रजातियां आयनीकरण प्रक्रिया को सुविधाजनक बनाने के लिए प्रोटॉन का स्रोत प्रदान करने का कार्य भी करती हैं। ईएसआई स्रोत के उच्च तापमान के अलावा नाइट्रोजन या कार्बन डाइऑक्साइड जैसी गर्म अक्रिय गैस के कणित्र से बड़े प्रवाह वाले इलेक्ट्रोस्प्रे को लाभ हो सकता है। लगभग 3000 के संभावित अंतर वाले केशिका के माध्यम से एरोसोल द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति  के पहले निर्वात चरण में नमूना लिया जाता है।V, जिसे आवेशित बूंदों से आगे विलायक वाष्पीकरण में सहायता के लिए गर्म किया जा सकता है। विलायक एक आवेशित छोटी बूंद से तब तक वाष्पित होता है जब तक कि वह अपनी रेले सीमा तक पहुँचने पर स्थिर नहीं हो जाता। इस बिंदु पर, बूंद विकृत हो जाती  है, जैसे आवेश  के स्थिर वैद्युत प्रतिकर्षण, कभी-कभी घटते बूंद के आकार में, बूंद को एक साथ रखने वाले सतह तनाव से अधिक शक्तिशाली हो जाता है। इस बिंदु पर छोटी बूंद कूलम्ब विखंडन से गुजरती है, जिससे मूल छोटी बूंद 'विस्फोट' करती है जिससे कई छोटी, अधिक स्थिर बूंदें बनती हैं। नई बूंदों का अविलायकीयन होता है और बाद में आगे कूलम्ब विखंडन होता है। विखंडन के दौरान, छोटी बूंद अपने द्रव्यमान (1.0-2.3%) के एक छोटे प्रतिशत के साथ-साथ अपने आवेश के अपेक्षाकृत बड़े प्रतिशत (10-18%) को खो देती है। दो प्रमुख सिद्धांत हैं जो गैस-चरण आयनों के अंतिम उत्पादन की व्याख्या करते हैं: आयन वाष्पीकरण मॉडल (आईईएम) और चार्ज अवशेष मॉडल (सीआरएम)। आईईएम का सुझाव है कि जैसे ही छोटी बूंद एक निश्चित त्रिज्या तक पहुंचती है, छोटी बूंद की सतह पर क्षेत्र की ताकत काफी बड़ी हो जाती है, जिससे सॉल्वेटेड आयनों के क्षेत्र के उजाड़ने में सहायता मिलती है। {{cite journal |vauthors=Nguyen S, Fenn JB | title = समाधानों की आवेशित बूंदों से विलेय प्रजातियों के गैस-चरण आयन| journal = Proc. Natl. Acad. Sci. USA | volume = 104 | issue = 4 | pages = 1111–7 |date=January 2007 | pmid = 17213314 | pmc = 1783130 | doi = 10.1073/pnas.0609969104 |bibcode = 2007PNAS..104.1111N| doi-access = free } सीआरएम सुझाव देता है कि इलेक्ट्रोस्प्रे बूंदों को वाष्पीकरण और विखंडन चक्र से गुजरना पड़ता है, अंततः अग्रणी संतान बूंदों में औसतन एक विश्लेषण आयन या उससे कम होता है। शेष विलायक अणुओं के वाष्पित होने के बाद गैस-चरण आयनों का निर्माण होता है, जो बूंदों के आवेशों के साथ विश्लेषण को छोड़ देता है।

साक्ष्य का एक बड़ा निकाय या तो प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से दिखाता है कि छोटे आयन (छोटे अणुओं से) आयन वाष्पीकरण तंत्र के माध्यम से गैस चरण में मुक्त होते हैं, जबकि बड़े आयन (उदाहरण के लिए मुड़े हुए प्रोटीन से) आवेशित अवशेष तंत्र द्वारा बनते हैं। संयुक्त आवेशित अवशेष-क्षेत्र उत्सर्जन को लागू करने वाला एक तीसरा मॉडल प्रस्तावित किया गया है। अव्यवस्थित पॉलिमर (अनफोल्डेड प्रोटीन) के लिए चेन इजेक्शन मॉडल (CEM) नामक एक अन्य मॉडल प्रस्तावित है। द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति द्वारा देखे गए आयन हाइड्रोजन धनायन  के योग द्वारा बनाए गए क्वासिमोलेक्युलर आयन हो सकते हैं और [M + H] को निरूपित करते हैं+, या अन्य धनायन जैसे सोडियम आयन, [एम + ना]+, या हाइड्रोजन नाभिक को हटाना, [M − H]-. बहु आवेशित आयन जैसे [M + nH] n+ अक्सर देखे जाते हैं। बड़े बड़े अणुओं  के लिए, कई चार्ज स्टेट हो सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक विशिष्ट चार्ज स्टेट लिफाफा होता है। ये सभी सम-इलेक्ट्रॉन आयन प्रजातियां हैं: कुछ अन्य आयनीकरण स्रोतों के विपरीत, इलेक्ट्रॉनों (अकेले) को जोड़ा या हटाया नहीं जाता है। एनालिटिक्स कभी-कभी इलेक्ट्रोस्प्रे#विद्युत परिपथ को बंद करने में शामिल होते हैं, जिससे द्रव्यमान स्पेक्ट्रम में संबंधित चोटियों में बदलाव होता है। यह प्रभाव इलेक्ट्रोस्प्रे का उपयोग करके तांबे, चांदी और सोने जैसी महान धातुओं के प्रत्यक्ष आयनीकरण में प्रदर्शित होता है। ईएसआई में छोटे अणुओं के लिए गैस चरण आयनों को उत्पन्न करने की दक्षता यौगिक संरचना, उपयोग किए गए विलायक और वाद्य मापदंडों के आधार पर भिन्न होती है। आयनीकरण दक्षता में अंतर 1 मिलियन से अधिक बार पहुंचता है।

वेरिएंट
कम प्रवाह दर पर संचालित इलेक्ट्रोस्प्रे बहुत छोटी प्रारंभिक बूंदें उत्पन्न करते हैं, जो बेहतर आयनीकरण दक्षता सुनिश्चित करते हैं। 1993 में गेल और रिचर्ड डी. स्मिथ ने बताया कि कम प्रवाह दर का उपयोग करके और 200 nL/min तक महत्वपूर्ण संवेदनशीलता वृद्धि हासिल की जा सकती है। 1994 में, दो अनुसंधान समूहों ने कम प्रवाह दर पर काम करने वाले इलेक्ट्रोस्प्रे के लिए माइक्रो-इलेक्ट्रोस्प्रे (माइक्रोस्प्रे) नाम गढ़ा। एम्मेट और रिचर्ड कैप्रियोली ने एचपीएलसी-एमएस विश्लेषण के लिए बेहतर प्रदर्शन का प्रदर्शन किया जब इलेक्ट्रोस्प्रे को 300–800 nL/मिनट पर संचालित किया गया था। विल्म और मान ने प्रदर्शित किया कि ~ 25 nL/min का एक केशिका प्रवाह कुछ माइक्रोमीटर तक कांच की केशिकाओं को खींचकर निर्मित उत्सर्जकों की नोक पर एक इलेक्ट्रोस्प्रे को बनाए रख सकता है। 1996 में बाद का नाम बदलकर नैनो-इलेक्ट्रोस्प्रे (नैनोस्प्रे) कर दिया गया। वर्तमान में नैनोस्प्रे नाम का उपयोग कम प्रवाह दर पर पंपों द्वारा खिलाए जाने वाले इलेक्ट्रोस्प्रे के लिए भी किया जाता है। न केवल स्व-खिलाए गए इलेक्ट्रोस्प्रे के लिए। यद्यपि इलेक्ट्रोस्प्रे, माइक्रोस्प्रे और नैनो-इलेक्ट्रोस्प्रे के लिए एक अच्छी तरह से परिभाषित प्रवाह दर सीमा नहीं हो सकती है, आयन रिलीज से पहले छोटी बूंद विखंडन के दौरान विश्लेषण विभाजन में परिवर्तन का अध्ययन किया। इस पत्र में, वे तीन अन्य समूहों द्वारा प्राप्त परिणामों की तुलना करते हैं।   और फिर संकेत तीव्रता अनुपात को मापें [Ba2+ + Ba+]/[BaBr+] विभिन्न प्रवाह दरों पर।

कोल्ड स्प्रे आयनीकरण इलेक्ट्रोस्प्रे का एक रूप है जिसमें नमूना युक्त समाधान को एक छोटी ठंडी केशिका (10–80 डिग्री सेल्सियस) के माध्यम से एक विद्युत क्षेत्र में ठंडा चार्ज बूंदों की एक अच्छी धुंध बनाने के लिए मजबूर किया जाता है। इस पद्धति के अनुप्रयोगों में नाजुक अणुओं और अतिथि-मेजबान इंटरैक्शन का विश्लेषण शामिल है जिन्हें नियमित इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण का उपयोग करके अध्ययन नहीं किया जा सकता है।

रिचर्ड डी. स्मिथ और सहकर्मियों द्वारा विकसित दो-चरण आयन फ़नल इंटरफ़ेस पर आधारित नैनोइलेक्ट्रोस्प्रे (SPIN) के साथ इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण को 25 टोर के रूप में कम दबाव और सबम्बिएंट दबाव आयनीकरण कहा जाता है। SPIN कार्यान्वयन ने आयन फ़नल के उपयोग के कारण बढ़ी हुई संवेदनशीलता प्रदान की जिसने द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर के निचले दबाव क्षेत्र में आयनों को सीमित करने और स्थानांतरित करने में मदद की। नैनोइलेक्ट्रोस्प्रे उत्सर्जक लगभग 1–3 माइक्रोमीटर के छोटे छिद्र वाली एक महीन केशिका से बना होता है। पर्याप्त चालकता के लिए यह केशिका आमतौर पर प्रवाहकीय सामग्री के साथ स्पटर-लेपित होती है, उदा। सोना। नैनोइलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण एक नमूने के केवल कुछ माइक्रोलिटर का उपभोग करता है और छोटी बूंदों का निर्माण करता है। कम दबाव पर ऑपरेशन विशेष रूप से कम प्रवाह दर के लिए प्रभावी था जहां छोटे इलेक्ट्रोस्प्रे छोटी बूंद के आकार ने प्रभावी विलवण और आयन गठन को प्राप्त करने की अनुमति दी। नतीजतन, शोधकर्ता बाद में तरल चरण से आयनों के हस्तांतरण के लिए 50% से अधिक समग्र आयनीकरण उपयोगिता दक्षता प्रदर्शित करने में सक्षम थे, आयनों के रूप में गैस चरण में, और दोहरे आयन फ़नल इंटरफ़ेस के माध्यम से द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर के लिए।

परिवेश आयनीकरण
परिवेश आयनीकरण में, नमूना तैयार किए बिना द्रव्यमान मास स्पेक्ट्रोमीटर बाहर आयनों का निर्माण होता है। कई परिवेशीय आयन स्रोतों में आयन निर्माण के लिए इलेक्ट्रोस्प्रे का उपयोग किया जाता है।

Desorption electrospray ionization (DESI) एक परिवेश आयनीकरण तकनीक है जिसमें एक सॉल्वेंट इलेक्ट्रोस्प्रे को एक नमूने पर निर्देशित किया जाता है। नमूने पर वोल्टेज लगाने से इलेक्ट्रोस्प्रे सतह की ओर आकर्षित होता है। नमूना यौगिकों को विलायक में निकाला जाता है जो अत्यधिक आवेशित बूंदों के रूप में फिर से एरोसोलाइज़ किया जाता है जो अत्यधिक आवेशित आयन बनाने के लिए वाष्पित हो जाता है। आयनीकरण के बाद, आयन मास स्पेक्ट्रोमीटर के वायुमंडलीय दबाव इंटरफ़ेस में प्रवेश करते हैं। डीईएसआई थोड़ा सा नमूना तैयार करने के साथ वायुमंडलीय दबाव पर नमूनों के परिवेशी आयनीकरण की अनुमति देता है। एक्स्ट्रेक्टिव इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण एक स्प्रे-प्रकार, परिवेश आयनीकरण विधि है जो दो मर्ज किए गए स्प्रे का उपयोग करती है, जिनमें से एक इलेक्ट्रोस्प्रे द्वारा उत्पन्न होता है।

लेज़र-आधारित इलेक्ट्रोस्प्रे-आधारित परिवेश आयनीकरण एक दो-चरणीय प्रक्रिया है जिसमें एक स्पंदित लेज़र का उपयोग नमूने से सामग्री को हटाने या अलग करने के लिए किया जाता है और सामग्री का प्लूम आयन बनाने के लिए इलेक्ट्रोस्प्रे के साथ इंटरैक्ट करता है। परिवेश आयनीकरण के लिए, नमूना सामग्री इलेक्ट्रोस्प्रे के पास एक लक्ष्य पर जमा की जाती है। लेज़र सतह से और इलेक्ट्रोस्प्रे में निकाले गए नमूने से सामग्री को हटा देता है या अलग कर देता है जो अत्यधिक आवेशित आयन पैदा करता है। उदाहरण हैं इलेक्ट्रोस्प्रे लेजर desorption आयनीकरण, मैट्रिक्स-असिस्टेड लेजर पृथक्करण इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण, और लेज़र एब्लेशन इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण। इलेक्ट्रोस्टैटिक स्प्रे आयनीकरण (एस्टासी) में एक फ्लैट या झरझरा सतह पर या एक माइक्रोचैनल के अंदर स्थित नमूनों का विश्लेषण शामिल है। एनालिटिक्स वाली एक छोटी बूंद एक नमूना क्षेत्र पर जमा की जाती है, जिस पर स्पंदित उच्च वोल्टेज लगाया जाता है। जब इलेक्ट्रोस्टैटिक दबाव सतह के तनाव से बड़ा होता है, तो बूंदों और आयनों का छिड़काव किया जाता है।

द्वितीयक इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण (एसईएसआई) एक स्प्रे प्रकार, परिवेश आयनीकरण विधि है जहां चार्जिंग आयन इलेक्ट्रोस्प्रे के माध्यम से उत्पन्न होते हैं। ये आयन तब गैस के चरण में वाष्प के अणुओं को चार्ज करते हैं जब उनसे टकराते हैं। पेपर स्प्रे आयनीकरण में, नमूना कागज के एक टुकड़े पर लगाया जाता है, विलायक जोड़ा जाता है, और कागज पर एक उच्च वोल्टेज लगाया जाता है, जिससे आयन बनते हैं।

अनुप्रयोग
प्रोटीन की तह का अध्ययन करने के लिए इलेक्ट्रोस्प्रे का उपयोग किया जाता है।

तरल क्रोमैटोग्राफी-मास स्पेक्ट्रोमेट्री
मास स्पेक्ट्रोमेट्री (LC-MS) के साथ उच्च-प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी को जोड़ने के लिए इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण पसंद का आयन स्रोत है। विश्लेषण को ऑनलाइन किया जा सकता है, एलसी कॉलम से तरल एल्यूटिंग को सीधे एक इलेक्ट्रोस्प्रे, या ऑफलाइन में फीड करके, एक शास्त्रीय नैनोइलेक्ट्रोस्प्रे-मास स्पेक्ट्रोमेट्री सेटअप में बाद में विश्लेषण किए जाने वाले अंशों को इकट्ठा करके। ईएसआई-एमएस में प्रोटीन के लिए कई ऑपरेटिंग पैरामीटर हैं, ESI LC/MS ग्रेडिएंट रेफरेंस में विचार करने के लिए इलेक्ट्रोस्प्रे वोल्टेज को एक महत्वपूर्ण पैरामीटर के रूप में पहचाना गया है। विभिन्न विलायक रचनाओं का प्रभाव (जैसे टीएफए या अमोनियम एसीटेट, या सुपरचार्जिंग अभिकर्मक,   या व्युत्पन्न समूह ) या छिड़काव की स्थिति इलेक्ट्रोस्प्रे-एलसी एमएस स्पेक्ट्रा और/या नैनो ईएसआई-एमएस स्पेक्ट्रा पर। अध्ययन किया गया है।

केशिका वैद्युतकणसंचलन-मास स्पेक्ट्रोमेट्री (सीई-एमएस)
केशिका वैद्युतकणसंचलन-द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री को एक ईएसआई इंटरफ़ेस द्वारा सक्षम किया गया था जिसे प्रशांत उत्तर पश्चिमी राष्ट्रीय प्रयोगशाला में रिचर्ड डी। स्मिथ और सहकर्मियों द्वारा विकसित और पेटेंट कराया गया था, और बहुत छोटे जैविक और रासायनिक यौगिक मिश्रणों के विश्लेषण के लिए व्यापक उपयोगिता दिखाई गई, और यहां तक ​​​​कि विस्तारित भी एक एकल जैविक कोशिका के लिए।

गैर सहसंयोजक गैस चरण इंटरैक्शन
इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण का उपयोग गैर सहसंयोजक गैस चरण की बातचीत का अध्ययन करने में भी किया जाता है। इलेक्ट्रोस्प्रे प्रक्रिया को गैर-सहसंयोजक बातचीत को बाधित किए बिना तरल-चरण गैर-सहसंयोजक परिसरों को गैस चरण में स्थानांतरित करने में सक्षम माना जाता है। समस्या जैसे गैर विशिष्ट इंटरैक्शन ESI-MS या nanoESI-MS द्वारा लिगैंड सब्सट्रेट कॉम्प्लेक्स का अध्ययन करते समय पहचान की गई है। इसका एक दिलचस्प उदाहरण एंजाइमों और दवाओं के बीच की बातचीत का अध्ययन कर रहा है जो एंजाइम के अवरोधक हैं। STAT6 और अवरोधकों के बीच प्रतियोगिता अध्ययन  संभावित नई दवा उम्मीदवारों के लिए स्क्रीनिंग के तरीके के रूप में ईएसआई का उपयोग किया है।

यह भी देखें

 * जांच इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण
 * लेज़र एब्लेशन इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण
 * सोनिक स्प्रे आयनीकरण

बाहरी संबंध

 * Electrospray Ionization Primer National High Magnetic Field Laboratory