Gasskromatografi–massespektrometri

Gasskromatografi–massespektrometri (GC-MS) er en analysemetode som kombinerer egenskapene ved gasskromatografi og massespektrometri for å identifisere forskjellige stoffer i en testprøve.^[1] Anvendelser av GC-MS inkluderer narkotikadeteksjon, brannetterforskning, miljøanalyse, etterforskning av eksplosiver og identifisering av ukjente prøver, inkludert materialprøver innhentet fra planeten Mars under sondeoppdrag allerede på 1970-tallet. GC-MS kan også brukes i sikkerhet på flyplassen for å oppdage stoffer i bagasjen eller på mennesker. I tillegg kan den identifisere sporstoffer i materialer som tidligere ble antatt å ha gått i oppløsning utover identifikasjon. I likhet med væskekromatografi – massespektrometri tillater det analyse og påvisning av små mengder av et stoff.^[2]

GC-MS har blitt sett på som en «gullstandard» for rettsmedisinsk identifikasjon fordi den brukes til å utføre en 100% spesifikk test, som positivt identifiserer tilstedeværelsen av et bestemt stoff. En uspesifikk test indikerer bare at noen av flere i en kategori av stoffer er til stede. Selv om en uspesifikk test statistisk kunne antyde stoffets identitet, kan dette føre til falsk positiv identifikasjon. Imidlertid kan de høye temperaturene (300 ℃) som brukes i GC-MS-injeksjonsporten (og ovnen) resultere i termisk nedbrytning av injiserte molekyler,^[3] og dermed resultere i måling av nedbrytningsprodukter i stedet for selve molekylet/molekylene. av interesse.

Den første koblingen av gasskromatografi til et massespektrometer ble rapportert i 1959.^[4][5][6] Utviklingen av rimelige og miniatyriserte datamaskiner har bidratt til forenkling av bruken av dette instrumentet, samt tillatt store forbedringer i hvor lang tid det tar å analysere en prøve. I 1964 begynte Electronic Associates, Inc. (EAI), en ledende amerikansk leverandør av analoge datamaskiner, utviklingen av et datamaskinstyrt kvadrupol-massespektrometer under ledelse av Robert E. Finnigan.^[7] I 1966 hadde Finnigan og samarbeidspartner Mike Uthes EAI-divisjon solgt over 500 kvadrupol restgassanalysatorinstrumenter.^[7] I 1967 forlot Finnigan EAI for å danne Finnigan Instrument Corporation sammen med Roger Sant, T. Z. Chou, Michael Story, Lloyd Friedman og William Fies.^[8] Tidlig i 1968 leverte de den første prototypen kvadrupol GC/MS-instrumentet til Stanford og Purdue University.^[7] Da Finnigan Instrument Corporation ble kjøpt opp av Thermo Instrument Systems (senere Thermo Fisher Scientific) i 1990, ble det ansett som «verdens ledende produsent av massespektrometre».^[9]

GC-MS består av to store byggesteiner: gasskromatograf og massespektrometer. Gasskromatografen benytter en kapillær kolonne hvis egenskaper angående molekylseparasjon avhenger av kolonnens dimensjoner (lengde, diameter, filmtykkelse) så vel som faseegenskapene (for eksempel 5% fenylpolysiloksan). Forskjellen i de kjemiske egenskapene mellom forskjellige molekyler i en blanding og deres relative affinitet for kolonnens stasjonære fase vil fremme separasjon av molekylene når prøven beveger seg langs kolonnens lengde. Molekylene beholdes av kolonnen og elueres (kommer ut) fra kolonnen på forskjellige tidspunkter (kalt retensjonstid), og dette gjør at massespektrometeret nedstrøms kan fange, ionisere, akselerere, avbøye og oppdage de ioniserte molekylene separat. Massespektrometeret gjør dette ved å bryte hvert molekyl i ioniserte fragmenter og oppdage disse fragmentene ved hjelp av forholdet mellom masse og ladning.

Disse to komponentene, brukt sammen, tillater en mye finere grad av stoffidentifikasjon enn hver enhet som brukes separat. Det er ikke mulig å foreta en nøyaktig identifikasjon av et bestemt molekyl ved gasskromatografi eller massespektrometri alene. Massespektrometri-prosessen krever normalt en veldig ren prøve mens gasskromatografi ved bruk av en tradisjonell detektor (for eksempel flammeionisasjonsdetektor) ikke kan skille mellom flere molekyler som tilfeldigvis tar like lang tid å reise gjennom kolonnen (det vil si har samme retensjonstid), som resulterer i to eller flere molekyler som sameluerer. Noen ganger kan to forskjellige molekyler også ha et lignende mønster av ioniserte fragmenter i et massespektrometer (massespektrum). Å kombinere de to prosessene reduserer muligheten for feil, da det er ekstremt usannsynlig at to forskjellige molekyler vil oppføre seg på samme måte i både en gasskromatograf og et massespektrometer. Derfor, når et identifiserende massespektrum dukker opp ved en karakteristisk retensjonstid i en GC-MS-analyse, øker det vanligvis sikkerheten om at analytten av interesse er i prøven.

For analyse av flyktige forbindelser kan et rens og felle (ofte forkortet som «P&T» fra engelsk purge and trap) konsentratorsystem brukes til å introdusere prøver. Målanalytene ekstraheres ved å blande prøven med vann og rense med inert gass (for eksempel nitrogengass) i et lufttett kammer, dette er kjent som rensing eller spyling. De flyktige forbindelsene beveger seg inn i luftrommet over vannet og trekkes langs en trykkgradient (forårsaket av innføring av rensegassen) ut av kammeret. De flyktige forbindelsene trekkes langs en oppvarmet linje til en «felle». Fellen er en kolonne av adsorberende materiale ved omgivelsestemperatur som holder forbindelsene ved å føre dem tilbake til væskefasen. Fellen blir deretter oppvarmet og prøveforbindelsene blir introdusert i GC-MS-kolonnen via et flyktig grensesnitt, som er et delt innløpssystem. P&T GC-MS er spesielt egnet for flyktige organiske forbindelser (VOC) og BTX-forbindelser (aromatiske forbindelser assosiert med petroleum).^[10]

Et raskere alternativ er «rens-lukket sløyfe»-systemet. I dette systemet bobles den inerte gassen gjennom vannet til konsentrasjonene av organiske forbindelser i dampfasen er i likevekt med konsentrasjoner i den vandige fasen. Gassfasen blir deretter analysert direkte.^[11]

Den vanligste typen massespektrometer (MS) assosiert med en gasskromatograf (GC) er kvadrupolmassespektrometeret, noen ganger referert til av Hewlett-Packard (nå Agilent) handelsnavn^[klargjør] Mass Selective Detector (MSD). En annen relativt vanlig detektor er massespektrometeret for ionefeller. I tillegg kan man finne et magnetisk sektor massespektrometer, men disse spesielle instrumentene er dyre og klumpete og finnes vanligvis ikke i laboratorier med høy gjennomstrømning. Andre detektorer kan oppstå som flyvetid (TOF), tandem kvadrupol (MS-MS) (se nedenfor^[hvor?]), eller i tilfelle av en ionefelle MSⁿ der n angir antall massespektrometri-trinn.

Når en annen fase med massefragmentering tilsettes, for eksempel ved bruk av en andre kvadrupol i et kvadrupolinstrument, kalles den tandem MS (MS/MS). MS/MS kan noen ganger brukes til å kvantifisere lave nivåer av målforbindelser i nærvær av en høy matrisebakgrunn.

Den første kvadrupolen (Q1) er forbundet med en kollisjonscelle (q2) og en annen kvadrupole (Q3). Begge firepolene kan brukes i skanning eller statisk modus, avhengig av hvilken type MS/MS-analyse som utføres. Typer av analyser inkluderer produktionskanning, forløperionskanning, valgt reaksjonsovervåking (SRM) (noen ganger referert til som multireaksjonsovervåking (MRM)) og nøytral tapskanning. For eksempel: Når Q1 er i statisk modus (ser på en masse bare som i SIM), og Q3 er i skannemodus, får man et såkalt produktionspektrum (også kalt "dattspektrum"). Fra dette spekteret kan man velge et fremtredende produktion som kan være produktionet for det valgte forløperionet. Paret kalles en "overgang" og danner grunnlaget for SRM. SRM er svært spesifikk og eliminerer praktisk talt matrisebakgrunn.

Etter at molekylene har beveget seg langs kolonnens lengde, passerer de gjennom overføringslinjen og går inn i massespektrometeret der de blir ionisert ved forskjellige metoder, hvor vanligvis bare en metode brukes til enhver tid. Når prøven er fragmentert, blir den oppdaget, vanligvis av en elektronmultiplikator, som i det vesentlige gjør det ioniserte massefragmentet til et elektrisk signal som deretter blir oppdaget.

Den valgte ioniseringsteknikken er uavhengig av bruk av full skanning eller SIM.

Den klart vanligste og kanskje standardiserte formen for ionisering er elektronionisering (EI). Molekylene kommer inn i MS (kilden er en kvadrupol eller selve ionefellen i en ionfelle MS) hvor de bombarderes med frie elektroner som sendes ut fra en glødetråd, ikke ulikt glødetråden man vil finne i en standard lyspære. Elektronene bombarderer molekylene og får molekylet til å fragmentere på en karakteristisk og reproduserbar måte. Denne «harde ionisering»-teknikken resulterer i dannelsen av flere fragmenter med lavt masse-ladningsforhold (m/z) og få, om noen, molekyler som nærmer seg molekylmasseenheten. Hard ionisering betraktes av massespektrometrister som bruk av molekylær elektronbombardement, mens «myk ionisering» er ladet ved molekylær kollisjon med en innført gass. Det molekylære fragmenteringsmønsteret er avhengig av elektronenergien som påføres systemet, typisk 70 eV (elektronvolt). Bruken av 70 eV muliggjør sammenligning av genererte spektre med biblioteksspektre ved bruk av produsent-levert programvare eller programvare utviklet av National Institute of Standards (NIST-USA). Spektralbibliotekssøk bruker matchende algoritmer som sannsynlighetsbasert matching^[12] og punktprodukt^[13] matching som brukes med analysemetoder skrevet av mange metodestandardiseringsbyråer. Kilder til biblioteker inkluderer NIST,^[14] Wiley,^[15] AAFS,^[16] og instrumentprodusenter.

Den «harde ioniseringsprosessen» med elektronionisering kan mykgjøres ved avkjøling av molekylene før ioniseringen, noe som resulterer i massespektre som er rikere på informasjon.^[17] I denne metoden kalt kald elektronionisering (kald-EI) går molekylene ut av GC-kolonnen, blandet med tilsatt heliumfyllingsgass og utvides til vakuum gjennom en spesialdesignet supersonisk dyse, og danner en supersonisk molekylstråle (SMB). Kollisjoner med gassen ved den ekspanderende supersoniske strålen reduserer den indre vibrasjonsenergien (og rotasjonsenergien) til analytmolekylene, og reduserer dermed graden av fragmentering forårsaket av elektronene under ioniseringsprosessen.^[17] Kald-EI massespektre er preget av et rikelig molekylært ion mens det vanlige fragmenteringsmønsteret blir beholdt, og dermed blir kald-EI massespektre kompatible med bibliotekssøkidentifikasjonsteknikker. De forbedrede molekylionene øker identifiseringssannsynlighetene for både kjente og ukjente forbindelser, forsterker isomere massespektrale effekter og muliggjør bruk av isotop overflodanalyse for å belyse elementære formler.^[18]

Ved kjemisk ionisering (CI) blir en reagensgass, vanligvis metan eller ammoniakk, introdusert i massespektrometeret. Avhengig av hvilken teknikk (positiv CI eller negativ CI) som er valgt, vil denne reagensgassen samhandle med elektronene og analytten og forårsake en 'myk' ionisering av molekylet av interesse. En mykere ionisering, fragmenterer molekylet i lavere grad enn hard ionisering av EI. En av de viktigste fordelene ved å bruke kjemisk ionisering er at det produseres et massefragment som tilsvarer molekylvekten til analytten av interesse.

Ved positiv kjemisk ionisering (PCI) samhandler reagensgassen med målmolekylet, ofte med en protonutveksling. Dette produserer specier i relativt store mengder.

Ved negativ kjemisk ionisering (NCI) reduserer reagensgassen effekten av de frie elektronene på målanalytten. Denne reduserte energien etterlater vanligvis fragmentet i stor forsyning.

Et massespektrometer brukes vanligvis på en av to måter: full skanning eller selektiv ionovervåking (SIM). Det typiske GC-MS-instrumentet er i stand til å utføre begge funksjonene hver for seg eller samtidig, avhengig av oppsettet til det bestemte instrumentet.

Det primære målet med instrumentanalyse er å kvantifisere en mengde stoff. Dette gjøres ved å sammenligne de relative konsentrasjonene mellom atommassene i det genererte spekteret. To typer analyser er mulige, komparative og originale. Sammenlignende analyse sammenligner i det vesentlige det gitte spekteret med et spektrumbibliotek for å se om dets egenskaper er til stede for noen prøver i biblioteket. Dette utføres best av en datamaskin fordi det er et utall visuelle forvrengninger som kan finne sted på grunn av variasjoner i skala. Datamaskiner kan også samtidig korrelere flere data (for eksempel retensjonstidene som er identifisert av GC), for mer nøyaktig å relatere visse data. Dyp læring ble vist å føre til lovende resultater i identifiseringen av VOC fra rå GC-MS-data^[19]

En annen analysemetode måler toppene i forhold til hverandre. I denne metoden tildeles den høyeste toppen 100% av verdien, og de andre toppene tildeles proporsjonale verdier. Alle verdier over 3% er tildelt. Den totale massen av den ukjente forbindelsen er normalt angitt av foreldretoppen. Verdien av denne foreldretoppen kan brukes til å passe med en kjemisk formel som inneholder de forskjellige elementene som antas å være i forbindelsen. Isotopmønsteret i spekteret, som er unikt for grunnstoffer som har mange naturlige isotoper, kan også brukes til å identifisere de forskjellige elementene som er tilstede. Når en kjemisk formel er blitt matchet med spekteret, kan molekylær struktur og binding identifiseres, og må være i samsvar med karakteristikkene registrert av GC-MS. Vanligvis gjøres denne identifiseringen automatisk av programmer som følger med instrumentet, gitt en liste over elementene som kan være til stede i prøven.

En «fullspektrum»-analyse vurderer alle «toppene» i et spektrum. Omvendt overvåker selektiv ionovervåking (SIM) bare utvalgte ioner assosiert med et bestemt stoff. Dette gjøres under forutsetning av at et sett med ioner ved en gitt retensjonstid er karakteristisk for en bestemt forbindelse. Dette er en rask og effektiv analyse, spesielt hvis analytikeren har tidligere informasjon om en prøve eller bare leter etter noen få spesifikke stoffer. Når mengden informasjon som samles inn om ionene i en gitt gasskromatografisk topp synker, øker sensitiviteten til analysen. Så, SIM-analyse tillater at en mindre mengde av en forbindelse kan oppdages og måles, men graden av sikkerhet om identiteten til den forbindelsen er redusert.