Войти
Пример прибора ГХ-МС Газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ- MS ) - это аналитический метод, который сочетает в себе функции газовой хроматографии и масс-спектрометрии для идентификации различных веществ в исследуемом образце. Применения ГХ-МС включают обнаружение наркотиков, расследование пожара, анализ окружающей среды, исследование взрывчатых веществ и идентификацию неизвестных образцов, в том числе образцов материалов, полученных с планеты. Марс во время космических миссий еще в 1970-х годах. ГХ-МС также можно использовать в службах безопасности аэропортов для обнаружения веществ в багаже или на людях. Кроме того, он может идентифицировать микроэлементы в материалах, которые ранее считались распавшимися без возможности идентификации. Подобно жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии, он позволяет анализировать и обнаруживать даже крошечные количества вещества.
ГХ-МС считается «золотым стандартом » для судебно-медицинской идентификации вещества, потому что он используется для выполнения 100% специфического теста, который положительно определяет наличие определенного вещества. Неспецифический тест просто указывает на присутствие любого из нескольких веществ в той или иной категории. Хотя неспецифический тест может статистически предположить идентичность вещества, это может привести к ложноположительной идентификации.
Первое онлайн-соединение газовой хроматографии к масс-спектрометру было сообщено в 1959 году. Разработка доступных и миниатюрных компьютеров помогла в упрощении использования этого прибора, а также позволила значительно улучшить в зависимости от количества времени, необходимого для анализа образца. В 1964 году Electronic Associates, Inc. (EAI), ведущий поставщик аналоговых компьютеров в США, начала разработку квадрупольного масс-спектрометра с компьютерным управлением под руководством Роберта Э. Финниган. К 1966 году подразделение EAI Финнигана и его соавтора Майка Ута продало более 500 квадрупольных анализаторов остаточных газов. В 1967 году Финниган покинул EAI и вместе с Роджером Сэнтом, Т.З. Чоу, Майклом Стори и Уильямом Файсом основал Finnigan Instrument Corporation. В начале 1968 года они доставили первый прототип квадрупольных приборов ГХ / МС в Стэнфордский университет и университет Пердью. Когда Finnigan Instrument Corporation была приобретена компанией Thermo Instrument Systems (позже Thermo Fisher Scientific ) в 1990 году, она считалась «ведущим мировым производителем масс-спектрометров».
Внутренности ГХ-МС, с колонкой газового хроматографа в печи справа. ГХ-МС состоит из двух основных строительных блоков: газового хроматографа и масс спектрометр. В газовом хроматографе используется капиллярная колонка, свойства которой в отношении разделения молекул зависят от размеров колонки (длина, диаметр, толщина пленки), а также от фазовых свойств (например, 5% фенилполисилоксана). Разница в химических свойствах между различными молекулами в смеси и их относительное сродство к неподвижной фазе колонки будет способствовать разделению молекул по мере того, как образец перемещается по длине колонки. Молекулы удерживаются колонкой, а затем элюируются (выходят) из колонки в разное время (так называемое время удерживания), и это позволяет масс-спектрометру ниже по потоку улавливать, ионизировать, ускорять, отклонять и обнаруживать ионизированные молекулы по отдельности. Масс-спектрометр делает это, разбивая каждую молекулу на ионизированные фрагменты и обнаруживая эти фрагменты с использованием их отношения массы к заряду.
Схема ГХ-МС Эти два компонента, используемые вместе, обеспечивают более точную идентификацию вещества, чем любое устройство, используемое по отдельности. Невозможно провести точную идентификацию конкретной молекулы только с помощью газовой хроматографии или масс-спектрометрии. Для процесса масс-спектрометрии обычно требуется очень чистый образец, в то время как газовая хроматография с использованием традиционного детектора (например, детектор ионизации пламени ) не может различить несколько молекул, которым требуется одинаковое количество времени для прохождения через колонку (т. Е. имеют одинаковое время удерживания), что приводит к совместному элюированию двух или более молекул. Иногда две разные молекулы также могут иметь похожий образец ионизированных фрагментов в масс-спектрометре (масс-спектр). Объединение этих двух процессов снижает вероятность ошибки, поскольку крайне маловероятно, что две разные молекулы будут вести себя одинаково как в газовом хроматографе, так и в масс-спектрометре. Следовательно, когда идентифицирующий масс-спектр появляется при характерном времени удерживания в анализе ГХ-МС, это обычно повышает уверенность в том, что интересующий аналит находится в образце.
Для анализа летучих соединений может использоваться система концентратора (PT) для ввода образцов. Целевые аналиты извлекаются путем смешивания образца с водой и продувки инертным газом (например, газообразным азотом ) в герметичную камеру, это называется продувкой или барботированием. Летучие соединения перемещаются в свободное пространство над водой и выводятся из камеры по градиенту давления (вызванному введением продувочного газа). Летучие соединения вытягиваются по нагретой линии в «ловушку». Ловушка представляет собой колонку из адсорбирующего материала при температуре окружающей среды, которая удерживает соединения, возвращая их в жидкую фазу. Затем ловушка нагревается, и образцы соединений вводятся в колонку ГХ-МС через границу раздела летучих веществ, которая представляет собой систему с разделенным входом. PT GC-MS особенно подходит для летучих органических соединений (VOCs) и BTEX соединений (ароматических соединений, связанных с нефтью).
Более быстрой альтернативой является «продувка» замкнутый контур "системы". В этой системе инертный газ барботируется через воду до тех пор, пока концентрации органических соединений в паровой фазе не достигнут равновесия с концентрациями в водной фазе. Затем газовая фаза анализируется непосредственно.
Наиболее распространенным типом масс-спектрометра (МС), связанным с газовым хроматографом (ГХ), является квадрупольный масс-спектрометр, иногда упоминается под торговым названием Hewlett-Packard (теперь Agilent ) «Mass Selective Detector» (MSD). Другой относительно распространенный детектор - масс-спектрометр с ионной ловушкой. Кроме того, можно найти масс-спектрометр с магнитным сектором, однако эти конкретные инструменты дороги и громоздки и обычно не встречаются в лабораториях обслуживания с высокой производительностью. Могут встречаться и другие детекторы, такие как времяпролетные (TOF), тандемные квадруполи (MS-MS) (см. Ниже) или в случае MS с ионной ловушкой, где n указывает количество стадий масс-спектрометрии.
Когда добавляется вторая фаза массовой фрагментации, например, с использованием второго квадруполя в квадрупольном приборе, это называется тандемной МС (МС / МС). МС / МС иногда можно использовать для количественного определения низких уровней целевых соединений в присутствии высокого фона матрицы образца.
Первый квадруполь (Q1) связан с коллизионной ячейкой (Q2) и другим квадруполем (Q3). Оба квадруполя могут использоваться в сканирующем или статическом режиме, в зависимости от типа выполняемого МС / МС анализа. Типы анализа включают сканирование ионов продукта, сканирование ионов-предшественников, мониторинг выбранных реакций (SRM) (иногда называемый мониторингом множественных реакций (MRM)) и сканирование нейтральных потерь. Например: когда Q1 находится в статическом режиме (глядя только на одну массу, как в SIM), а Q3 находится в режиме сканирования, получается так называемый спектр ионов-продуктов (также называемый «дочерним спектром»). Из этого спектра можно выбрать заметный ион-продукт, который может быть ионом-продуктом для выбранного иона-предшественника. Эта пара называется «переходной» и составляет основу SRM. SRM очень специфичен и практически исключает матричный фон.
После того, как молекулы пройдут длину колонки, пройдут по транспортной линии и войдут в масс-спектрометр, они ионизируются различными методами, обычно в любой момент используется только один метод. время. После того, как образец фрагментирован, он будет обнаружен, обычно с помощью электронного умножителя , который по существу превращает фрагмент ионизированной массы в электрический сигнал, который затем обнаруживается.
Выбранный метод ионизации не зависит от использования полного сканирования или SIM-карты.
Блок-схема газовой хроматографии с использованием электронной ионизации для сбора масс-спектра Самой распространенной и, возможно, стандартной формой ионизации является электронная ионизация (EI). Молекулы попадают в МС (источник - квадруполь или сама ионная ловушка в ионной ловушке МС), где они бомбардируются свободными электронами, испускаемыми из нити накала, мало чем отличающейся от нити накала, которую можно найти в стандартной лампочке. Электроны бомбардируют молекулы, заставляя молекулу фрагментироваться характерным и воспроизводимым образом. Этот метод «жесткой ионизации» приводит к созданию большего количества фрагментов с низким отношением массы к заряду (m / z) и небольшим количеством молекул, приближающихся к единице молекулярной массы, если таковые имеются. Масс-спектрометры рассматривают жесткую ионизацию как использование молекулярной электронной бомбардировки, тогда как «мягкая ионизация» - это заряд путем столкновения молекул с введенным газом. Картина молекулярной фрагментации зависит от энергии электронов, приложенной к системе, обычно 70 эВ (электронвольт). Использование 70 эВ облегчает сравнение полученных спектров с библиотечными спектрами с использованием программного обеспечения, поставляемого производителем, или программного обеспечения, разработанного Национальным институтом стандартов (NIST-США). При поиске в спектральной библиотеке используются алгоритмы сопоставления, такие как сопоставление на основе вероятности и сопоставление по скалярным произведениям, которые используются с методами анализа, разработанными многими агентствами по стандартизации методов. Источники библиотек включают NIST, Wiley, AAFS и производителей приборов.
Процесс «жесткой ионизации» электронной ионизации можно смягчить путем охлаждения молекул перед их ионизацией, в результате чего масс-спектры станут более богатыми. в информации. В этом методе, называемом холодной электронной ионизацией (холодная электронная ионизация), молекулы выходят из колонки GC, смешиваются с добавленным газом-гелием и расширяются в вакуум через специально разработанное сверхзвуковое сопло, образуя сверхзвуковой молекулярный пучок (SMB). Столкновения с подпитывающим газом в расширяющейся сверхзвуковой струе уменьшают внутреннюю колебательную (и вращательную) энергию молекул анализируемого вещества, тем самым уменьшая степень фрагментации, вызываемой электронами в процессе ионизации. Масс-спектры холодного ЭУ характеризуются обилием молекулярных ионов, в то время как обычная картина фрагментации сохраняется, что делает масс-спектры холодного ЭУ совместимыми с методами идентификации поиска в библиотеке. Улучшенные молекулярные ионы увеличивают вероятность идентификации как известных, так и неизвестных соединений, усиливают масс-спектральные эффекты изомеров и позволяют использовать анализ изотопного состава для выяснения формул элементов.
In химическая ионизация (ХИ) газ-реагент, обычно метан или аммиак, вводится в масс-спектрометр. В зависимости от выбранного метода (положительный или отрицательный) этот газ-реагент будет взаимодействовать с электронами и анализируемым веществом и вызывать «мягкую» ионизацию интересующей молекулы. Более мягкая ионизация фрагментирует молекулу в меньшей степени, чем жесткая ионизация EI. Одно из основных преимуществ использования химической ионизации состоит в том, что образуется массовый фрагмент, близко соответствующий молекулярной массе исследуемого аналита.
При положительной химической ионизации (PCI) газ-реагент взаимодействует с целевой молекулой, чаще всего с протонным обменом. Это производит вид в относительно больших количествах.
При отрицательной химической ионизации (NCI) газ-реагент снижает воздействие свободных электронов на целевой аналит. Эта уменьшенная энергия обычно оставляет фрагмент в большом количестве.
Масс-спектрометр обычно используется одним из двух способов: полное сканирование или селективный ионный мониторинг (SIM). Типичный прибор ГХ-МС может выполнять обе функции по отдельности или одновременно, в зависимости от настройки конкретного прибора.
Основная цель инструментального анализа - количественное определение количества вещества. Это делается путем сравнения относительных концентраций между атомными массами в сгенерированном спектре. Возможны два вида анализа: сравнительный и оригинальный. Сравнительный анализ по существу сравнивает данный спектр с библиотекой спектров, чтобы увидеть, присутствуют ли его характеристики для некоторого образца в библиотеке. Лучше всего это выполнять с помощью компьютера, потому что существует множество визуальных искажений, которые могут возникнуть из-за вариаций масштаба. Компьютеры также могут одновременно сопоставлять больше данных (например, время удерживания, определенное ГХ), чтобы более точно соотносить определенные данные. Было показано, что глубокое обучение приводит к многообещающим результатам в идентификации ЛОС по необработанным данным ГХ-МС
Другой метод анализа измеряет пики относительно друг друга. В этом методе самому высокому пику назначается 100% значения, а другим пикам назначаются пропорциональные значения. Присваиваются все значения выше 3%. Общая масса неизвестного соединения обычно указывается исходным пиком. Значение этого родительского пика можно использовать для согласования с химической формулой, содержащей различные элементы, которые, как предполагается, присутствуют в соединении. Образец изотопа в спектре, который является уникальным для элементов, которые имеют много природных изотопов, также можно использовать для идентификации различных присутствующих элементов. После того, как химическая формула сопоставлена со спектром, можно определить молекулярную структуру и связи, которые должны соответствовать характеристикам, зарегистрированным с помощью ГХ-МС. Как правило, эта идентификация выполняется автоматически программами, поставляемыми с прибором, с учетом списка элементов, которые могут присутствовать в образце.
Анализ «полного спектра» рассматривает все «пики» в пределах спектра. И наоборот, селективный ионный мониторинг (SIM) отслеживает только выбранные ионы, связанные с определенным веществом. Это делается в предположении, что при заданном времени удерживания набор ионов является характеристикой определенного соединения. Это быстрый и эффективный анализ, особенно если аналитик имеет предыдущую информацию об образце или ищет только несколько конкретных веществ. Когда количество информации, собранной об ионах в данном газохроматографическом пике, уменьшается, чувствительность анализа увеличивается. Таким образом, SIM-анализ позволяет обнаруживать и измерять меньшее количество соединения, но степень уверенности в идентичности этого соединения снижается.
При сборе данных в режиме полного сканирования целевой диапазон масс фрагментов определяется и вводится в метод прибора. Примером типичного широкого диапазона массовых фрагментов, подлежащих мониторингу, может быть m / z 50 - m / z 400. Определение того, какой диапазон использовать, в значительной степени продиктовано тем, что ожидается в образце, учитывая растворитель и другие параметры. возможные помехи. МС не следует настраивать на поиск фрагментов с слишком низкой массой, иначе можно будет обнаружить воздух (найденный как m / z 28 из-за азота), диоксид углерода (m / z 44) или другие возможные помехи. Кроме того, если нужно использовать большой диапазон сканирования, тогда чувствительность инструмента снижается из-за выполнения меньшего количества сканирований в секунду, поскольку каждое сканирование должно будет обнаруживать широкий диапазон фрагментов массы.
Полное сканирование полезно для определения неизвестных соединений в образце. Когда дело доходит до подтверждения или определения соединений в образце, он предоставляет больше информации, чем SIM. Во время разработки метода инструмента может быть обычным сначала проанализировать тестовые растворы в режиме полного сканирования, чтобы определить время удерживания и отпечаток пальца массового фрагмента, прежде чем переходить к методу инструмента SIM.
При селективном ионном мониторинге (SIM) определенные ионные фрагменты вводятся в метод прибора, и только эти массовые фрагменты обнаруживаются масс-спектрометром. Преимущества SIM-карты заключаются в том, что предел обнаружения ниже, поскольку инструмент просматривает только небольшое количество фрагментов (например, три фрагмента) во время каждого сканирования. Каждую секунду может выполняться больше сканирований. Поскольку отслеживаются только несколько представляющих интерес массовых фрагментов, матричные помехи обычно ниже. Чтобы дополнительно подтвердить вероятность потенциально положительного результата, относительно важно убедиться, что соотношение ионов различных массовых фрагментов сопоставимо с известным эталонным стандартом.
ГХ-МС становится предпочтительным инструментом для отслеживания органических загрязнителей в окружающей среде. Стоимость оборудования ГХ-МС значительно снизилась, и в то же время повысилась надежность, что способствовало его более широкому применению в исследованиях окружающей среды.
ГХ-МС может анализировать частицы человеческого тела, чтобы помочь связать преступника с преступлением. Анализ пожара мусора с помощью ГХ-МС хорошо известен, и даже существует установленный стандарт Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM) для анализа горящего мусора. GCMS / MS особенно полезен здесь, поскольку образцы часто содержат очень сложные матрицы, а результаты, используемые в суде, должны быть очень точными.
GC-MS все чаще используется для обнаружения незаконных наркотиков и может в конечном итоге вытеснить собак, вынюхивающих наркотики. Простой и селективный метод GC-MS для определения употребления марихуаны был недавно разработан Институтом Роберта Коха в Германии. Он включает в себя определение кислотного метаболита тетрагидроканнабинола (ТГК), активного ингредиента марихуаны, в образцах мочи путем использования дериватизации в пробоподготовке. ГХ-МС также широко используется в судебной токсикологии для поиска наркотиков и / или ядов в биологических образцах подозреваемых, жертв или умерших. При скрининге лекарств методы ГХ-МС часто используют жидкостно-жидкостную экстракцию как часть подготовки образцов, при которой целевые соединения извлекаются из плазмы крови.
ГХ- РС является основным инструментом, используемым в спортивных антидопинговых лабораториях для тестирования образцов мочи спортсменов на наличие запрещенных препаратов, повышающих спортивные результаты, например, анаболических стероидов.
Разработка после 11 сентября, системы обнаружения взрывчатых веществ вошли в состав всех US аэропортов. Эти системы работают на множестве технологий, многие из которых основаны на ГХ-МС. Есть только три производителя, сертифицированные FAA для предоставления этих систем, одним из которых является Thermo Detection (ранее Thermedics), которая производит линейку детекторов взрывчатых веществ на основе ГХ-МС. Двумя другими производителями являются Barringer Technologies, теперь принадлежащая Smith's Detection Systems, и Ion Track Instruments, входящая в состав General Electric Infrastructure Security Systems.
В рамках кампании после 11 сентября, направленной на повышение потенциала национальной безопасности и готовности общественного здравоохранения, традиционные блоки ГХ-МС с трансмиссионными квадрупольными масс-спектрометрами, а также масс-спектрометры с цилиндрической ионной ловушкой (CIT-MS) и тороидальной ионной ловушкой (T-ITMS) были модифицированы для полевой переносимости и обнаружения боевых отравляющих веществ (CWA), таких как зарин, зоман и VX, в режиме реального времени. Эти сложные и большие системы ГХ-МС были модифицированы и сконфигурированы с использованием резистивно нагретых газовых хроматографов с низкой термической массой (НТМ), которые сокращают время анализа до менее чем десяти процентов времени, необходимого в традиционных лабораторных системах. Кроме того, системы меньше по размеру и более мобильны, включая блоки, которые устанавливаются в мобильных аналитических лабораториях (MAL), например, те, которые используются MAL Корпуса морской пехоты США по реагированию на химические и биологические инциденты и другие аналогичные лаборатории, а также системы, которые переносятся группами из двух человек или отдельными людьми, что значительно усугубляет меньшие массовые детекторы. В зависимости от системы аналиты могут вводиться путем впрыска жидкости, десорбироваться из трубок сорбента посредством процесса термодесорбции или с помощью твердофазной микроэкстракции (ТФМЭ).
ГХ-МС используется для анализа смесей неизвестных органических соединений. Одним из важных применений этой технологии является использование ГХ-МС для определения состава биомасел, обработанных из сырой биомассы. ГХ-МС также используется для идентификации компонента непрерывной фазы в интеллектуальном материале, магнитореологической (MR) жидкости.
Продукты питания и напитки содержат многочисленные ароматические соединения, некоторые из которых естественным образом присутствуют в сырье, а некоторые образуются во время обработки. ГХ-МС широко используется для анализа этих соединений, которые включают сложные эфиры, жирные кислоты, спирты, альдегиды, терпены и др. Он также используется для обнаружения и измерения загрязняющих веществ от порчи или фальсификации, которые могут быть вредными и часто контролируются государственными органами, например, пестициды.
Несколько GC -МС покинули землю. Два были доставлены на Марс по программе Викинг. Венера 11 и 12 и Пионер Венера проанализировали атмосферу Венеры с помощью ГХ-МС. Зонд Гюйгенс миссии Кассини-Гюйгенс посадил одну ГХ-МС на самый большой спутник Сатурна, Титан. Прибор для анализа проб марсохода MSL Curiosity на Mars (SAM) содержит газовый хроматограф и квадрупольный масс-спектрометр, которые можно использовать в тандеме в качестве ГХ-МС. Материал в комете 67P / Чурюмов – Герасименко был проанализирован миссией Rosetta с помощью хиральной ГХ-МС в 2014 году.
Десятки врожденных заболеваний обмена веществ, также известных как врожденные ошибки метаболизма (IEM), теперь обнаруживаются с помощью скрининговых тестов новорожденных, особенно тестирования с использованием газовой хроматографии-масс-спектрометрии.. ГХ-МС может определять соединения в моче даже в незначительной концентрации. Эти соединения обычно не присутствуют, но появляются у людей, страдающих метаболическими нарушениями. Это становится все более распространенным способом диагностики IEM для более ранней диагностики и начала лечения, что в конечном итоге приводит к лучшему результату. Теперь можно проверить новорожденного на наличие более 100 генетических нарушений обмена веществ с помощью анализа мочи при рождении на основе ГХ-МС.
В сочетании с изотопным мечением метаболических соединений, ГХ-МС используется для определения метаболической активности. Большинство приложений основаны на использовании C в качестве метки и измерении соотношений C-C с помощью масс-спектрометра изотопного отношения (IRMS); МС с детектором, предназначенным для измерения нескольких выбранных ионов и возврата значений в виде отношений.
