Gaskromatografi – masspektrometri - Gas chromatography–mass spectrometry

Exempel på ett GC-MS-instrument

Gaskromatografi – masspektrometri ( GC-MS ) är en analytisk metod som kombinerar egenskaperna hos gaskromatografi och masspektrometri för att identifiera olika ämnen i ett testprov. Tillämpningar av GC-MS inkluderar läkemedelsdetektering , brandundersökningar , miljöanalyser, sprängämnesundersökning och identifiering av okända prover, inklusive materialprover som erhållits från planeten Mars under sonduppdrag redan på 1970-talet. GC-MS kan också användas i flygplatsens säkerhet för att upptäcka ämnen i bagage eller på människor. Dessutom kan den identifiera spårelementi material som man tidigare trodde hade sönderfallit utan identifiering. Liksom vätskekromatografi - masspektrometri tillåter den analys och detektion även av små mängder av ett ämne.

GC-MS har betraktats som en " guldstandard " för identifiering av rättsmedicinskt ämne eftersom det används för att utföra ett 100% specifikt test, vilket positivt identifierar förekomsten av ett visst ämne. Ett ospecifikt test indikerar bara att någon av flera i en kategori av ämnen är närvarande. Även om ett ospecifikt test statistiskt skulle kunna tyda på ämnets identitet, kan detta leda till falskt positiv identifiering. Emellertid kan de höga temperaturer (300 ° C) som används i GC-MS-injektionsporten (och ugnen) resultera i termisk nedbrytning av injicerade molekyler, vilket resulterar i mätning av nedbrytningsprodukter istället för de faktiska molekylerna av intresse.

Historia

Den första online-kopplingen av gaskromatografi till en masspektrometer rapporterades 1959. Utvecklingen av prisvärda och miniatyriserade datorer har hjälpt till att förenkla användningen av detta instrument, samt möjliggjort stora förbättringar av den tid det tar för att analysera ett prov. År 1964 började Electronic Associates, Inc. (EAI) , en ledande amerikansk leverantör av analoga datorer, med att utveckla en datorstyrd fyrpolig masspektrometer under ledning av Robert E. Finnigan . År 1966 hade Finnigan och samarbetspartnern Mike Uthes EAI-division sålt över 500 fyrpols resterande gasanalysatorinstrument. 1967 lämnade Finnigan EAI för att bilda Finnigan Instrument Corporation tillsammans med Roger Sant, TZ Chou, Michael Story, Lloyd Friedman och William Fies. I början av 1968 levererade de de första prototypen quadrupole GC/MS -instrument till Stanford och Purdue University. När Finnigan Instrument Corporation förvärvades av Thermo Instrument Systems (senare Thermo Fisher Scientific ) 1990 ansågs det vara "världens ledande tillverkare av masspektrometrar".

Instrumentation

Huvudartiklar: Gaskromatograf och masspektrometer
Insidan av GC-MS, med kolumnen i gaskromatografen i ugnen till höger.

GC-MS består av två stora byggstenar: gaskromatografen och masspektrometern . Gaskromatografen använder en kapillärkolonn vars egenskaper avseende molekylseparation beror på kolonnens dimensioner (längd, diameter, filmtjocklek) samt fasegenskaperna (t.ex. 5% fenylpolysiloxan). Skillnaden i de kemiska egenskaperna mellan olika molekyler i en blandning och deras relativa affinitet för kolonnens stationära fas kommer att främja separering av molekylerna när provet färdas längs kolonnens längd. Molekylerna kvarhålls av kolonnen och elueras (lossnar) från kolonnen vid olika tidpunkter (kallad retentionstid), och detta gör att masspektrometern nedströms kan fånga, jonisera, accelerera, avböja och detektera de joniserade molekylerna separat. Masspektrometern gör detta genom att bryta varje molekyl i joniserade fragment och detektera dessa fragment med deras massa-till-laddningsförhållande.

GC-MS schematisk

Dessa två komponenter, som används tillsammans, möjliggör en mycket finare grad av ämnesidentifiering än vilken enhet som används separat. Det är inte möjligt att göra en exakt identifiering av en viss molekyl genom gaskromatografi eller masspektrometri ensam. Masspektrometriprocessen kräver normalt ett mycket rent prov medan gaskromatografi med en traditionell detektor (t.ex. flamjoniseringsdetektor ) inte kan skilja mellan flera molekyler som råkar ta samma tid att resa genom kolonnen ( dvs ha samma retentionstid) , vilket resulterar i två eller flera molekyler som sameluerar. Ibland kan två olika molekyler också ha ett liknande mönster av joniserade fragment i en masspektrometer (masspektrum). Att kombinera de två processerna minskar risken för fel, eftersom det är extremt osannolikt att två olika molekyler kommer att bete sig på samma sätt i både en gaskromatograf och en masspektrometer. Därför, när ett identifierande masspektrum uppträder vid en karakteristisk retentionstid i en GC-MS-analys, ökar det vanligtvis säkerheten att analyten av intresse finns i provet.

Rensa och fånga GC-MS

För analys av flyktiga föreningar kan ett rensnings- och fällningskoncentratorsystem (P&T) användas för att införa prover. Målanalyterna extraheras genom att blanda provet med vatten och rensa med inert gas (t.ex. kvävgas ) i en lufttät kammare, detta kallas rensning eller spolning . De flyktiga föreningarna rör sig in i huvudutrymmet ovanför vattnet och dras utmed en tryckgradient (orsakad av införandet av rensgasen) ut ur kammaren. De flyktiga föreningarna dras längs en uppvärmd linje på en "fälla". Fällan är en kolonn av adsorberande material vid omgivningstemperatur som håller föreningarna genom att återföra dem till vätskefasen. Fällan värms sedan upp och provföreningarna införs i GC-MS-kolonnen via ett flyktigt gränssnitt, vilket är ett delat inloppssystem. P&T GC-MS är särskilt lämpad för flyktiga organiska föreningar (VOC) och BTEX- föreningar (aromatiska föreningar associerade med petroleum).

Ett snabbare alternativ är systemet med "rensad sluten slinga". I detta system bubblar den inerta gasen genom vattnet tills koncentrationerna av organiska föreningar i ångfasen är i jämvikt med koncentrationerna i vattenfasen. Gasfasen analyseras sedan direkt.

Typer av masspektrometerdetektorer

Den vanligaste typen av masspektrometer (MS) associerad med en gaskromatograf (GC) är fyrpolig masspektrometer, ibland refererad till av Hewlett-Packard (nu Agilent ) handelsnamn "Mass Selective Detector" (MSD). En annan relativt vanlig detektor är jonfällans masspektrometer. Dessutom kan man hitta en magnetisk sektors masspektrometer, men dessa speciella instrument är dyra och skrymmande och finns vanligtvis inte i servicelaboratorier med hög kapacitet. Andra detektorer kan påträffas, såsom flygtid (TOF), tandem quadrupoles (MS-MS) (se nedan), eller i fallet med en jonfälla MS n där n anger antalet masspektrometri-steg.

GC-tandem MS

När en andra fas av massfragmentering läggs till, till exempel med användning av en andra fyrpol i ett fyrpoligt instrument, kallas det tandem MS (MS/MS). MS/MS kan ibland användas för att kvantifiera låga nivåer av målföreningar i närvaro av en hög provmatrisbakgrund.

Den första quadrupolen (Q1) är ansluten till en kollisionscell (Q2) och en annan quadrupole (Q3). Båda fyrpolerna kan användas i skanning eller statiskt läge, beroende på vilken typ av MS/MS -analys som utförs. Typer av analyser inkluderar produktjonskanning, föregångare jonsökning, utvald reaktionsövervakning (SRM) (ibland kallad multipel reaktionsövervakning (MRM)) och neutral förlustsökning. Till exempel: När Q1 är i statiskt läge (tittar bara på en massa som i SIM), och Q3 är i skanningsläge, får man ett så kallat produkt-jonspektrum (även kallat "dotter-spektrum"). Från detta spektrum kan man välja en framstående produktjon som kan vara produktjonen för den valda prekursorjonen. Paret kallas en "övergång" och utgör grunden för SRM. SRM är mycket specifik och eliminerar praktiskt taget matrisbakgrund.

Jonisering

Efter att molekylerna har färdats längs kolonnens längd, passerat genom överföringsledningen och gått in i masspektrometern joniseras de med olika metoder med vanligtvis endast en metod som används vid varje given tidpunkt. När väl provet är fragmenterat kommer det sedan att detekteras, vanligtvis av en elektronmultiplikator , som i huvudsak gör det joniserade massfragmentet till en elektrisk signal som sedan detekteras.

Den valda joniseringstekniken är oberoende av att använda full skanning eller SIM.

Blockdiagram för gaskromatografi med elektronjonisering för att samla masspektrum

Elektronjonisering

Den absolut vanligaste och kanske vanligaste formen av jonisering är elektronjonisering (EI). Molekylerna kommer in i MS (källan är en fyrdubbel eller själva jonfällan i en jonfälla MS) där de bombarderas med fria elektroner som avges från ett glödtråd, inte till skillnad från glödtråden man skulle hitta i en vanlig glödlampa. Elektronerna bombarderar molekylerna och får molekylen att fragmentera på ett karakteristiskt och reproducerbart sätt. Denna "hårda jonisering" -teknik resulterar i skapandet av fler fragment med låg massa-till-laddningsförhållande (m/z) och få, om några, molekyler som närmar sig molekylmassan. Hård jonisering betraktas av masspektrometrar som användning av molekylärt elektronbombardering, medan "mjuk jonisering" laddas genom molekylär kollision med en införd gas. Molekylfragmenteringsmönstret är beroende av elektronenergin som appliceras på systemet, typiskt 70 eV (elektronvolt). Användningen av 70 eV underlättar jämförelse av genererade spektra med biblioteksspektra med hjälp av programvara eller mjukvara utvecklad av National Institute of Standards (NIST-USA). Spektralbibliotekssökningar använder matchningsalgoritmer som sannolikhetsbaserad matchning och matchning av prickprodukt som används med analysmetoder skrivna av många metodstandardiseringsbyråer. Källor till bibliotek inkluderar NIST, Wiley, AAFS och instrumenttillverkare.

Kall elektronjonisering

Den "hårda joniserings" processen för elektronjonisering kan mjukas upp genom kylning av molekylerna före joniseringen, vilket resulterar i masspektra som är rikare på information. I denna metod som kallas kall elektronjonisering (kall-EI) lämnar molekylerna GC-kolonnen, blandad med tillsatt helium bildar gas och expanderar till vakuum genom ett specialdesignat supersoniskt munstycke som bildar en supersonisk molekylär stråle (SMB). Kollisioner med sminkgasen vid den expanderande överljudsstrålen minskar analysmolekylernas inre vibrations (och rotations) energi, vilket minskar graden av fragmentering som orsakas av elektronerna under joniseringsprocessen. Kall-EI-masspektra kännetecknas av en riklig molekyljon medan det vanliga fragmenteringsmönstret bibehålls, vilket gör kall-EI-masspektra kompatibla med tekniker för bibliotekssökning. De förstärkta molekyljonerna ökar identifieringssannolikheterna för både kända och okända föreningar, förstärker isomermasspektraleffekter och möjliggör användning av isotopöverflödesanalys för belysning av grundformler.

Kemisk jonisering

Huvudartikel: Kemisk jonisering

Vid kemisk jonisering (CI) införs en reagensgas, typiskt metan eller ammoniak, i masspektrometern. Beroende på vilken teknik (positiv CI eller negativ CI) som väljs kommer denna reagensgas att interagera med elektronerna och analyten och orsaka en "mjuk" jonisering av molekylen av intresse. En mjukare jonisering fragmenterar molekylen i en lägre grad än den hårda joniseringen av EI. En av de främsta fördelarna med att använda kemisk jonisering är att ett massfragment som nära motsvarar molekylvikten för den intressanta analyten produceras.

Vid positiv kemisk jonisering (PCI) reagerar reagensgasen med målmolekylen, oftast med en protonbyte. Detta producerar arten i relativt höga mängder.

Vid negativ kemisk jonisering (NCI) minskar reagensgasen de fria elektronernas inverkan på målanalyten. Denna minskade energi lämnar vanligtvis fragmentet i stort utbud.

Analys

En masspektrometer används vanligtvis på ett av två sätt: full scan eller selektiv jonövervakning (SIM). Det typiska GC-MS-instrumentet kan utföra båda funktionerna antingen individuellt eller samtidigt, beroende på inställningen av det specifika instrumentet.

Det primära målet med instrumentanalys är att kvantifiera en mängd substans. Detta görs genom att jämföra de relativa koncentrationerna bland atommassorna i det genererade spektrumet. Två typer av analyser är möjliga, jämförande och original. Jämförande analys jämför i huvudsak det givna spektrumet med ett spektrumbibliotek för att se om dess egenskaper finns för vissa prov i biblioteket. Detta utförs bäst av en dator eftersom det finns en myriad av visuella snedvridningar som kan ske på grund av variationer i skalan. Datorer kan också samtidigt korrelera mer data (till exempel lagringstider som identifierats av GC), för att mer exakt relatera vissa data. Djupinlärning visade sig leda till lovande resultat vid identifiering av VOC från råa GC-MS-data

En annan analysmetod mäter topparna i förhållande till varandra. I denna metod tilldelas den högsta toppen 100% av värdet, och de andra topparna tilldelas proportionella värden. Alla värden över 3% tilldelas. Den totala massan av den okända föreningen indikeras normalt av modertoppen. Värdet av denna överordnade topp kan användas för att passa med en kemisk formel som innehåller de olika element som man tror finns i föreningen. Den isotopmönstret i spektrumet, vilket är unikt för element som har många naturliga isotoper, kan även användas för att identifiera de olika elementen närvarande. När en kemisk formel har matchats med spektrumet kan molekylstrukturen och bindningen identifieras och måste överensstämma med de egenskaper som registrerats av GC-MS. Normalt görs denna identifiering automatiskt av program som följer med instrumentet, med en lista över de element som kan finnas i provet.

En "fullspektrum" -analys överväger alla "toppar" inom ett spektrum. Omvänt övervakar selektiv jonövervakning (SIM) endast utvalda joner associerade med ett specifikt ämne. Detta görs med antagandet att vid en given retentionstid är en uppsättning joner karakteristisk för en viss förening. Detta är en snabb och effektiv analys, särskilt om analytikern har tidigare information om ett prov eller bara letar efter några specifika ämnen. När mängden information som samlas in om jonerna i en given gaskromatografisk topp minskar, ökar analysens känslighet. SIM -analys gör det möjligt att detektera och mäta en mindre mängd av en förening, men graden av säkerhet om föreningens identitet minskar.

Full scan MS

När data samlas in i full skanningsläge bestäms ett målintervall av massfragment och sätts in i instrumentets metod. Ett exempel på ett typiskt brett spektrum av massfragment att övervaka skulle vara m/z 50 till m/z 400. Bestämningen av vilket intervall som ska användas dikteras i stor utsträckning av vad man förväntar sig vara i provet samtidigt som man känner till lösningsmedlet och andra eventuella störningar. En MS bör inte ställas in för att leta efter massfragment för lågt annars kan man upptäcka luft (som m/z 28 på grund av kväve), koldioxid ( m/z 44) eller annan möjlig störning. Dessutom, om man ska använda ett stort avsökningsintervall, minskas känsligheten för instrumentet på grund av att man utför färre skanningar per sekund eftersom varje genomsökning måste detektera ett brett spektrum av massfragment.

Fullständig genomsökning är användbar för att bestämma okända föreningar i ett prov. Den ger mer information än SIM när det gäller att bekräfta eller lösa föreningar i ett prov. Under utvecklingen av instrumentmetoder kan det vara vanligt att först analysera testlösningar i full skanningsläge för att bestämma lagringstiden och massfragmentets fingeravtryck innan man går över till en SIM -instrumentmetod.

Selektiv jonövervakning

Vid selektiv jonövervakning (SIM) införs vissa jonfragment i instrumentmetoden och endast de massfragmenten detekteras av masspektrometern. Fördelarna med SIM är att detektionsgränsen är lägre eftersom instrumentet bara tittar på ett litet antal fragment (t.ex. tre fragment) under varje skanning. Fler skanningar kan ske varje sekund. Eftersom endast några få massfragment av intresse övervakas är matrisstörningar vanligtvis lägre. För att dessutom bekräfta sannolikheten för ett potentiellt positivt resultat är det relativt viktigt att vara säker på att jonförhållandena för de olika massfragmenten är jämförbara med en känd referensstandard.

Ansökningar

Miljöövervakning och sanering

GC-MS blir det valda verktyget för att spåra organiska föroreningar i miljön. Kostnaden för GC-MS-utrustning har minskat avsevärt och tillförlitligheten har ökat samtidigt, vilket har bidragit till dess ökade användning i miljöstudier .

Kriminalteknik

GC-MS kan analysera partiklarna från en människokropp för att hjälpa koppla en brottsling till ett brott . Analysen av brand skräp med användning av GC-MS är väl etablerat, och det finns även en etablerad American Society for Testing and Materials (ASTM) standard för brand skräp analys. GCMS/MS är särskilt användbart här eftersom prover ofta innehåller mycket komplexa matriser och resultat, som används i domstol, måste vara mycket exakta.

Rättsväsende

GC-MS används alltmer för upptäckt av olagliga narkotika och kan så småningom ersätta narkotikasniffande hundar. [1] En enkel och selektiv GC-MS-metod för att upptäcka marijuanaanvändning utvecklades nyligen av Robert Koch-institutet i Tyskland. Det handlar om att identifiera en sur metabolit av tetrahyhydrocannabinol (THC), den aktiva ingrediensen i marijuana, i urinprov genom att använda derivatisering i provberedningen. GC-MS används också ofta inom rättsmedicinsk toxikologi för att hitta läkemedel och/eller gifter i biologiska exemplar av misstänkta, offer eller avlidna. Vid läkemedelsscreening använder GC-MS-metoder ofta extraktion av vätska-vätska som en del av provberedningen, där målföreningar extraheras från blodplasma.

Idrottsanalys av sport

GC-MS är det främsta verktyget som används i idrottslaboratorier för att testa idrottares urinprov för förbjudna prestationshöjande läkemedel, till exempel anabola steroider .

säkerhet

En utveckling efter 11 september, explosiva detektionssystem har blivit en del av alla amerikanska flygplatser . Dessa system körs på en mängd tekniker, många av dem baserade på GC-MS. Det finns bara tre tillverkare som är certifierade av FAA för att tillhandahålla dessa system, varav en är Thermo Detection (tidigare Thermedics), som producerar EGIS , en GC-MS-baserad serie av explosiva detektorer. De andra två tillverkarna är Barringer Technologies, som nu ägs av Smiths Detection Systems, och Ion Track Instruments, en del av General Electric Infrastructure Security Systems.

Detektering av kemiskt krigföringsmedel

Som en del av den 11 september-strävan mot ökad kapacitet inom hemländsk säkerhet och folkhälsovårdsberedskap, traditionella GC-MS-enheter med överföring av fyrpoliga masspektrometrar, såväl som de med cylindrisk jonfälla (CIT-MS) och toroidal jonfälla (T -ITMS) masspektrometrar har modifierats för fältportabilitet och nära detektering av kemiska krigföringsmedel (CWA) som sarin, soman och VX. Dessa komplexa och stora GC-MS-system har modifierats och konfigurerats med resistivt uppvärmda gaskromatografer med låg termisk massa (LTM) som reducerar analystiden till mindre än tio procent av den tid som krävs i traditionella laboratoriesystem. Dessutom är systemen mindre och mer rörliga, inklusive enheter som är monterade i mobila analytiska laboratorier (MAL), till exempel de som används av United States Marine Corps Chemical and Biological Incident Response Force MAL och andra liknande laboratorier, och system som är handburen av tvåpersonslag eller individer, mycket om de mindre massdetektorerna. Beroende på system kan analyterna införas via vätskeinjektion, desorberas från sorberande rör genom en termisk desorptionsprocess eller med fastfas-mikroextraktion (SPME).

Kemiteknik

GC-MS används för analys av okända blandningar av organiska föreningar. En kritisk användning av denna teknik är användningen av GC-MS för att bestämma sammansättningen av biooljor som bearbetas från rå biomassa. GC-MS används också för identifiering av kontinuerlig faskomponent i ett smart material, magnetoreologisk (MR) vätska .

Mat, dryck och parfymanalys

Mat och dryck innehåller många aromatiska föreningar , vissa finns naturligt i råvarorna och en del bildas under bearbetningen. GC-MS används i stor utsträckning för analys av dessa föreningar som inkluderar estrar , fettsyror , alkoholer , aldehyder , terpener etc. Det används också för att detektera och mäta föroreningar från förstörelse eller förfalskning som kan vara skadliga och som ofta kontrolleras av myndigheter myndigheter, till exempel bekämpningsmedel .

Astrokemi

Flera GC-MS har lämnat jorden. Två togs till Mars av Viking -programmet . Venera 11 och 12 och Pioneer Venus analyserade atmosfären i Venus med GC-MS. Den Huygens sond av Cassini-Huygens uppdrag landade en GC-MS på Saturnus största måne Titan . Den MSL Nyfikenhet rover s Prov analys vid Mars (SAM) instrumentet innehåller både en gaskromatograf och quadrupol-masspektrometer som kan användas i tandem som ett GC-MS. Materialet i kometen 67P/Churyumov – Gerasimenko analyserades av Rosetta- uppdraget med en kiral GC-MS 2014.

Medicin

Dussintals medfödda metabola sjukdomar, även kända som medfödda metaboliska fel (IEM), kan nu detekteras med nyfödda screeningtester , särskilt tester med hjälp av gaskromatografi - masspektrometri. GC-MS kan bestämma föreningar i urinen även i mindre koncentration. Dessa föreningar är normalt inte närvarande men förekommer hos individer som lider av metaboliska störningar. Detta blir alltmer ett vanligt sätt att diagnostisera IEM för tidigare diagnos och behandling som så småningom leder till ett bättre resultat. Det är nu möjligt att testa en nyfödd för över 100 genetiska metaboliska störningar genom ett urintest vid födseln baserat på GC-MS.

I kombination med isotopmärkning av metaboliska föreningar används GC-MS för att bestämma metabolisk aktivitet . De flesta applikationer är baserade på användningen av 13 C som märkning och mätning av 13 C- 12 C-förhållanden med en isotopförhållande masspektrometer (IRMS); en MS med en detektor utformad för att mäta några utvalda joner och returnera värden som förhållanden.

Se även

Referenser

Bibliografi

  • Adams RP (2007). Identifiering av eteriska oljekomponenter genom gaskromatografi/masspektrometri . Allured Pub Corp. ISBN 978-1-932633-21-4.
  • Adlard ER, Handley AJ (2001). Gaskromatografiska tekniker och applikationer . London: Sheffield Academic. ISBN 978-0-8493-0521-4.
  • Barry EF, Grob RE (2004). Modern praxis för gaskromatografi . New York: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-22983-4.
  • Eiceman GA (2000). "Gaskromatografi". I Meyers RA (red.). Encyclopedia of Analytical Chemistry: Applications, Theory, and Instrumentation . Chichester: Wiley. sid. 10627. ISBN 0-471-97670-9.
  • Giannelli PC, Imwinkelried EJ (1999). "Läkemedelsidentifiering: Gaskromatografi.". Vetenskapliga bevis . 2 . Charlottesville: Lexis Law Publishing. sid. 362. ISBN 0-327-04985-5.
  • McEwen CN, Kitson FG, Larsen BS (1996). Gaskromatografi och masspektrometri: en praktisk guide . Boston: Academic Press. ISBN 978-0-12-483385-2.
  • McMaster C, McMaster MC (1998). GC/MS: en praktisk användarhandbok . New York: Wiley. ISBN 978-0-471-24826-2.
  • Meddelande GM (1984). Praktiska aspekter av gaskromatografi/masspektrometri . New York: Wiley. ISBN 978-0-471-06277-6.
  • Niessen WM (2001). Nuvarande praxis för gaskromatografi - masspektrometri . New York, NY: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-0473-5.
  • Weber A, Maurer HW, Pfleger K (2007). Masspektral- och GC -data för läkemedel, gifter, bekämpningsmedel, föroreningar och deras metaboliter . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31538-3.

externa länkar