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Effect of (O)-silyl derivatization on ionization efficiency and chromatography behavior of small molecules in liquid chromatography-electrospray ionization mass spectrometry

액체 크로마토그래피–전기 분무 이온화 질량분석에서 저분자 화합물의 이온화 효율 및 크로마토그래피 거동에 대한 (O)-실릴 유도체화의 영향

  • 장희진 (Heejin Jang, 서강대학교 일반대학원)

초록

LC-ESI/MS는 높은 분리능과 민감도 및 선택성을 가지는 분석 장비이다. 그럼에도 불구하고 저분자 화합물 분석 관련 연구분야에선 여전히 낮은 이온화 효율 및 크로마토그래피적 거동이 문제점으로 꼽힌다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 산소 특이적인 실릴 유도체화를 제시한다. 페놀, 카복실산, 그리고 지방족 알코올 작용기를 가지는 다양한 구조의 물질을 대상으로 연구를 진행하였으며, MTBSTFA 시약의 반응성 및 tBDMS 유도체들의 안정성 평가를 통해 LC-ESI/MS 분석에서 실릴 유도체화의 유효성을 입증하였다. 뿐만 아니라 이들의 크로마토그래피 및 이온화적 특성을 조사함으로써 크로마토그래피 거동 및 이온화 효율에 미치는 영향을 규명하였다. 결과적으로 MTBSTFA 시약은 특이 구조의 불화화합물 외 다양한 구조의 산소 포함 작용기와 좋은 반응성을 보였으며, 벤조산 구조 기반 외 대부분의 물질에 대한 tBDMS 유도체물들이 LC system에서 안정하였다. 이러한 실릴 유도체화는 역상 컬럼과의 interaction efficiency를 높이는 작용을 하였으며, 이는 극성 물질의 크로마토그래피적 거동 개선에 효과적이었다. 또한 대부분의 실릴 유도체들이 positive ESI mode에서 양성자 이온을 우세하게 형성함으로서 ESI 극성 전환을 가능하게 하였으며, 특이적으로 지방족 알코올에 대한 높은 수준의 이온화 효율 향상 효과가 확인되었다. 이것은 Ammonium formate additive와 시너지 작용을 통해 20-70배의 이온화 효율 상승폭을 보였다. 이는 실릴 유도체물의 높은 가스상 양성자 친화도에 의한 것으로 예상되며, 실제 계산 화학적 결과를 통해 위 추측의 신빙성을 더하였다. 또한 여기에는 알킬 그룹의 전자 공여 효과가 작용한 것으로 추정되었다. 그리고 분석물 특성에 실리콘 원소가 영향을 미쳤을 가능성이 실험을 통해 간접적으로 제시되었다. 본 연구를 통해 밝혀진 실릴 유도체화의 효과는 LC-ESI/MS분석에서 민감성 및 선택성 개선이 필요한 극성 물질과 알코올류 물질에 작용한다는 점에 있어 분석학적으로 의미 있는 결과였으며, 다양한 연구분야에서 사용될 수 있을 것이다.

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초록

LC-ESI/MS is an analytical instrument used in various research fields based on the advantages of high sensitivity and selectivity. Nevertheless, there are still some problem in several fields associated with small molecule analysis due to low ionization efficiency and poor chromatography behavior. In this study, oxygen-specific silyl derivatization was proposed as a solution to overcome these problem. Compounds with various structures having functional groups of phenol, carboxylic acid, and aliphatic alcohol were used. Then the availability of silyl-derivatization was verified through evaluating reactivity of MTBSTFA reagent and stability of tBDMS derivatives in aqueous-phase analytical condition. In addition, by investigating analytical properties of silyl-derivatives in LC-ESI/MS analysis such as chromatograms and ionization patterns at al., the effects on chromatography behavior and ionization efficiency was investigated. As a result, MTBSTFA reagent showed good reactivity with various oxygen-containing functional groups except for specific structures such as fluorinated compounds. And also tBDMS derivatives for most compounds based on phenol, aliphatic acid, and aliphatic alcohol scaffolds were stable in LC system, except for benzoic acid scaffold. This silyl derivatization worked to increase the interaction efficiency with non-polar stationary phase, which was effective on improving the chromatography behavior of polar compounds in reverse-phase column. From aside, regardless of ionization polarity of non-derivatives, ESI mode converted to positive ESI mode and the silyl-derivatives were formed protonated ions predominantly. In particular, not only the ionization efficiency of compounds containing aliphatic alcohols was highly enhanced by silyl-derivatization but also showed 20 to 70 times increase through synergetic effect with Ammonium formate additive. The silyl-derivatization effect on ionization efficiency enhancement is expected that to be due to high gas phase proton affinity of silyl-derivatives. And the actual calculation results showed that not only it was noticeably higher than non-derivatives but also electron-donating effect by alkyl group worked here As well as the possibility that the silicon atom had effect on analyte properties was indirectly suggested through experiments. Accordingly, silyl-derivatization has good potential to improve sensitivity and selectivity in LC-ESI/MS. And also, it will be great effective on improving chromatography behavior of polar compounds and enhancing ionization efficiency of small molecules with aliphatic alcohol structure.

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