Gāzu hromatogrāfija–masu spektrometrija (GC–MS): definīcija un pielietojumi

Pirmie pētījumi par gāzu-šķidrumu hromatogrāfiju tika publicēti 1950. gadā. Ķīmiķi izmantoja dažādus detektorus, lai redzētu, ka savienojumi izplūst no hromatogrāfa gala. Lielākā daļa detektoru iznīcināja savienojumus, jo tie tos sadedzināja vai jonizēja. Šie detektori lika ķīmiķiem uzminēt katra paraugā esošā savienojuma precīzu identitāti. Pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados Rolands Gohlke un Freds Maklafertijs izstrādāja jaunu kombinētu iekārtu. Viņi izmantoja masspektrometru kā gāzes hromatogrāfijas detektoru. Šīs agrīnās ierīces bija lielas, trauslas un sākotnēji bija paredzētas tikai laboratorijām.

Dizains bija sarežģīts. Bija grūti kontrolēt laika intervālu starp dažādu savienojumu izplūšanu no hromatogrāfa. Tāpēc masas spektrometram bija jāpabeidz darbs ar vienu savienojumu, pirms no hromatogrāfa izplūst nākamais savienojums. Agrīnajos modeļos masas spektrometra mērījumus reģistrēja uz grafiskā papīra. Augsti apmācīti ķīmiķi pētīja pīķu raksturus, lai identificētu katru savienojumu. Līdz 20. gadsimta 70. gadiem masspektrometriem pievienoja analogo ciparu pārveidotājus. Tas ļāva datoriem saglabāt un interpretēt rezultātus. Tā kā datori kļuva ātrāki un mazāki, GC-MS kļuva ātrāka un izplatījās no laboratorijām ikdienas dzīvē. Mūsdienās datorizētus GC-MS instrumentus plaši izmanto ūdens, gaisa un augsnes vides monitoringā. Tos izmanto arī lauksaimniecības regulēšanā, pārtikas drošībā un zāļu atklāšanā un ražošanā.

Mazo datoru attīstība ir palīdzējusi vienkāršot GC-MS iekārtas. Tas arī ievērojami samazināja laiku, kas nepieciešams parauga analīzei. Electronic Associates, Inc. (EAI) bija vadošais analogo datoru piegādātājs ASV. EAI 1964. gadā Roberta E. Finnigana (Robert E. Finnigan) vadībā sāka izstrādāt ar datoru vadāmu masspektrometru. Līdz 1966. gadam tika pārdoti vairāk nekā 500 gāzu analizatoru. 1967. gadā tika izveidota Finnigan Instrument Corporation (FIC). 1968. gada sākumā piegādāja Stenfordas un Purdue universitātei pirmos četru polu GC-MS instrumentu prototipus. Galu galā FIC tika pārdēvēta par Finnigan Corporation un kļuva par pasaules līderi GC-MS sistēmu jomā.

GC-MS var atrast visus savienojumus, kas ir sajaukti kopā parauga objektā. Operators izšķīdina paraugu šķidrumā. Pēc tam operators šķidrumu iesmidzina gāzes plūsmā. (Visbiežāk izmanto hēlija, ūdeņraža vai slāpekļa gāzi.) Gāze plūst caur caurulīti ar īpašu pārklājumu. Tā kā katrs paraugā esošais savienojums pie pārklājuma pieķeras atšķirīgā veidā, katrs savienojums izplūst no caurules atšķirīgā laikā. Tādējādi pārklājumu izmanto, lai atdalītu katru savienojumu, kas paraugā bija sajaukts kopā. Kad katrs savienojums iziet caurules galā, tas jonizējas un iegūst elektrisko lādiņu. Lielākā daļa savienojumu sadalās, kad tie tiek jonizēti. Dažādie gabaliņi lido zem magnēta, kas tos atdala atkarībā no to svara un lādiņa. Pēc tam dators mēra visus katra savienojuma gabaliņus. Salīdzinot mērījumus ar zināmo savienojumu datorizētu bibliotēku, dators izveido sarakstu ar visu paraugā esošo savienojumu nosaukumiem. Dators var arī noteikt, cik daudz katra savienojuma bija paraugā.

GC-MS sastāv no diviem galvenajiem komponentiem: gāzu hromatogrāfa un masspektrometra. Gāzu hromatogrāfā izmanto kapilāro kolonnu, kas ir atkarīga no kolonnas izmēriem (garums, diametrs, plēves biezums), kā arī fāzes īpašībām (piemēram, 5 % fenil polisiloksāns). Dažādu maisījuma molekulu ķīmisko īpašību atšķirība atdalīs molekulas, paraugam pārvietojoties pa kolonnas garumu. Molekulām nepieciešams atšķirīgs laiks (ko sauc par aiztures laiku), lai izietu no gāzes hromatogrāfa (eluētu no tā). Tas ļauj masas spektrometram, kas atrodas tālāk, atsevišķi uztver, jonizē, paātrina, novirza un nosaka jonizētās molekulas. Masas spektrometrs to dara, sadalot katru molekulu jonizētos fragmentos un detektējot šos fragmentus, izmantojot to masas un lādiņa attiecību.

Abas šīs iekārtas, ko izmanto kopā, ļauj daudz precīzāk identificēt vielas nekā jebkura no tām, ko izmanto atsevišķi. Ar gāzu hromatogrāfiju vai masspektrometriju vien nav iespējams precīzi identificēt konkrētu molekulu. Masas spektrometrijas procesam parasti nepieciešams ļoti tīrs paraugs. Agrāk gāzu hromatogrāfijā izmantoja citus detektorus, piemēram, liesmas jonizācijas detektoru. Šie detektori nespēj nošķirt dažādas molekulas, kuru ceļš caur kolonnu aizņem vienādu laiku. (Ja divām dažādām molekulām ir vienāds aiztures laiks, tās sauc par "līdzizdalīšanos"). Līdzās esošās molekulas maldina datorprogrammas, kas nolasa vienu masas spektru abām molekulām.

Dažreiz divām dažādām molekulām masas spektrometrā (masas spektrā) var būt arī līdzīgs jonizēto fragmentu modelis. Abu procesu apvienošana samazina kļūdu iespējamību. Ir ļoti maz ticams, ka divas dažādas molekulas uzvedīsies vienādi gan gāzes hromatogrāfā, gan masspektrometrā. Tāpēc, ja masas spektrs atbilst interesējošajai analizējamai vielai, šā spektra aiztures laiku var salīdzināt ar raksturīgo GC aiztures laiku, lai palielinātu pārliecību, ka analizējamā viela ir paraugā.

Masas spektrometru detektoru veidi

Visizplatītākais MS veids, kas saistīts ar GC, ir kvadrupola masspektrometrs. Hewlett-Packard (tagad Agilent) to tirgo ar tirdzniecības nosaukumu "Mass Selective Detector" (MSD). Cits samērā izplatīts detektors ir jonu slazds masspektrometrs. Papildus tam var atrast arī magnētiskā sektora masspektrometru. Tomēr šie konkrētie instrumenti ir dārgi un apjomīgi, un parasti tos nevar atrast augstas veiktspējas pakalpojumu laboratorijās. Tiek izmantoti arī citi detektori, piemēram, lidojuma laika (TOF), tandēma kvadrupoli (MS-MS) (sk. turpmāk) vai jonu slazds MS ⁿ. N norāda masu spektrometrijas posmu skaitu.

Masas spektrometru parasti izmanto vienā no diviem veidiem: Pilna skenēšana vai selektīvā jonu monitorēšana (SIM). Tipisks GC-MS var darboties vienā vai otrā veidā vai abos vienlaicīgi.

Pilna skenēšana MS

Vācot datus pilnas skenēšanas režīmā, tiek izvēlēts mērķa masas fragmentu diapazons, kas tiek ievadīts instrumenta metodē. Piemēram, tipisks plašais vērojamo masas fragmentu diapazons ir no m/z 50 līdz m/z 400. To, kādu diapazonu izmantot, lielā mērā nosaka pēc tā, ko sagaida paraugā, vienlaikus ņemot vērā šķīdinātāju un citus iespējamos traucējumus. Ja MS meklē masas fragmentus ar ļoti zemu m/z, tas var atklāt gaisu vai citus iespējamos traucējošos faktorus. Liela skenēšanas diapazona izmantošana samazina instrumenta jutību. Ierīce veiks mazāk skenēšanu sekundē, jo katra skenēšana aizņems vairāk laika, lai noteiktu plašāku masas fragmentu diapazonu.

Pilna skenēšana ir noderīga nezināmu savienojumu noteikšanai paraugā. Tas sniedz vairāk informācijas nekā SIM, lai apstiprinātu vai noteiktu savienojumus paraugā. Lielāko daļu instrumentu vada dators, kas darbojas ar datorprogrammu, ko sauc par "instrumenta metodi". Instrumenta metode kontrolē temperatūru GC, MS skenēšanas ātrumu un nosakāmo fragmentu izmēru diapazonu. Kad ķīmiķis izstrādā instrumenta metodi, viņš sūta testa šķīdumus caur GS-MS pilnas skenēšanas režīmā. Tādējādi tiek pārbaudīts GC aiztures laiks un masas fragmentu pirkstu nospiedums, pirms pāriet uz SIM instrumenta metodi. Specializētiem GC-MS instrumentiem, piemēram, sprāgstvielu detektoriem, instrumenta metode ir iepriekš ielādēta rūpnīcā.

Izvēlēto jonu monitorings

Izvēlēto jonu monitoringā (SIM) instrumenta metode koncentrējas uz noteiktiem jonu fragmentiem. Tikai šos masas fragmentus masas spektrometrs uztver. SIM priekšrocības ir tādas, ka noteikšanas robeža ir zemāka, jo katrā skenēšanas reizē instruments pārbauda tikai nelielu skaitu fragmentu (piemēram, trīs fragmentus). Katru sekundi var veikt vairāk skenēšanu. Tā kā tiek novēroti tikai daži interesējošie masas fragmenti, matricas traucējumi parasti ir mazāki. Lai uzlabotu izredzes pareizi nolasīt pozitīvu rezultātu, dažādu masas fragmentu jonu attiecības ir salīdzināmas ar zināmu references standartu.

Jonizācijas veidi

Pēc tam, kad molekulas ir izgājušas kolonnas garumu, izgājušas cauri pārvades līnijai un nonākušas masspektrometrā, tās tiek jonizētas ar dažādām metodēm. Parasti vienā brīdī izmanto tikai vienu jonizācijas metodi. Kad paraugs ir sadrumstalots, to nosaka, parasti ar elektronu reizinātāja diodi. Diode jonizēto masas fragmentu apstrādā kā elektrisko signālu, ko pēc tam nosaka.

Ķīmiķi izvēlas jonizācijas tehniku atsevišķi no pilnas skenēšanas vai SIM monitoringa izvēles.

Elektronu jonizācija

Visizplatītākais jonizācijas veids ir elektronu jonizācija (EI). Molekulas nonāk MS (avots ir kvadrupoli vai pati jonu slazds jonu slazdā MS), kur uz tām iedarbojas brīvi elektroni, ko emitē pavediens. Tas ir līdzīgs kvēldiega spuldzītei, kāda ir standarta kvēlspuldzei. Elektroni trāpa molekulām, izraisot molekulas sadrumstalošanos raksturīgā veidā, ko var atkārtot. Šīs "cietās jonizācijas" metodes rezultātā rodas vairāk fragmentu ar zemu masas un lādiņa attiecību (m/z). EI ir tikai daži fragmenti, kuru masa ir tuva sākotnējās molekulas masai, ja vispār ir. Ķīmiķi uzskata, ka cietā jonizācija ir elektronu raidīšana parauga molekulās. Turpretī "mīkstā jonizācija" ir lādiņa uzlikšana parauga molekulai, triecot to ar ievadītu gāzi. Molekulārās fragmentācijas modelis ir atkarīgs no sistēmai pievadītās elektronu enerģijas, kas parasti ir 70 eV (elektronvolti). Izmantojot 70 eV, var salīdzināt no testa parauga iegūtos spektrus ar zināmiem bibliotēkas spektriem. (Bibliotēkas spektrus var iegūt no ražotāja piegādātās programmatūras vai Nacionālā standartu institūta (NIST-USA) izstrādātās programmatūras). Programmatūra meklē bibliotēkas spektrus, izmantojot atbilstības algoritmu, piemēram, uz varbūtību balstītu atbilstības algoritmu vai punktu-produktu atbilstības algoritmu. Daudzas metožu standartizācijas aģentūras tagad kontrolē šos algoritmus un metodes, lai nodrošinātu to objektivitāti.

Ķīmiskā jonizācija

Veicot ķīmisko jonizāciju (ĶJ), masspektrometrā ievada reaģenta gāzi, parasti metānu vai amonjaku. Ir divu veidu KI: pozitīvā KI vai negatīvā KI. Jebkurā gadījumā reaģenta gāze mijiedarbojas ar elektroniem un analizējamo vielu un izraisa interesējošās molekulas "mīkstu" jonizāciju. Mīkstāka jonizācija fragmentē molekulu mazākā mērā nekā EI cietā jonizācija. Ķīmiķi dod priekšroku CI, nevis EI. Tas ir tāpēc, ka CI rada vismaz vienu masas fragmentu, kura masa ir gandrīz vienāda ar interesējošās analizējamās vielas molekulmasu.

Pozitīva ķīmiskā jonizācija

Pozitīvās ķīmiskās jonizācijas (PCI) gadījumā reaģenta gāze mijiedarbojas ar mērķa molekulu, visbiežāk ar protonu apmaiņu. Tā rezultātā jonu sugas veidojas relatīvi lielā daudzumā.

Negatīvā ķīmiskā jonizācija

Negatīvās ķīmiskās jonizācijas (NCI) gadījumā reaģenta gāze samazina brīvo elektronu ietekmi uz mērķa analizējamo vielu. Šī samazinātā enerģija parasti atstāj fragmentu lielā daudzumā. (Fragmenti tālāk nesadalās.)

Tulkošana

Instrumentu analīzes galvenais mērķis ir izmērīt vielas daudzumu. Tas tiek darīts, salīdzinot relatīvās koncentrācijas starp atomu masām ģenerētajā masas spektrā. Ir iespējami divi analīzes veidi - salīdzinošā un sākotnējā analīze. Salīdzinošā analīze būtībā salīdzina doto spektru ar spektru bibliotēku, lai noskaidrotu, vai tā īpašības piemīt kādam zināmam paraugam bibliotēkā. To vislabāk veic ar datoru, jo mērogu variāciju dēļ var rasties daudz vizuālu izkropļojumu. Datori var arī korelēt vairāk datu (piemēram, ar GC noteiktos aiztures laikus), lai precīzāk sasaistītu konkrētus datus.

Cita analīzes metode mēra virsotnes attiecībā vienu pret otru. Izmantojot šo metodi, augstākais maksimums ir 100 %. Pārējiem pīķiem piešķir vērtību, kas vienāda ar pīķa augstuma attiecību pret augstākā pīķa augstumu. Visām vērtībām, kas pārsniedz 3 %, tiek piešķirtas šādas vērtības. Parasti nezināmā savienojuma kopējo masu parasti norāda ar vecāko pīķi. Šī vecākā maksimuma vērtību var izmantot, lai to saskaņotu ar ķīmisko formulu, kurā ir dažādi elementi, kas, domājams, ir savienojuma sastāvā. Izotopu modelis spektrā ir unikāls elementiem, kuriem ir daudz izotopu. Tāpēc to var izmantot arī, lai identificētu dažādos esošos elementus. Tas norāda nezināmās molekulas kopējo ķīmisko formulu. Tā kā molekulas struktūra un saites sadalās raksturīgā veidā, tās var identificēt pēc maksimumu masas atšķirības. Identificētās molekulas struktūrai ir jāsaskan ar GC-MS reģistrētajām īpašībām. Parasti šo identifikāciju veic automātiski ar datorprogrammām, kas tiek piegādātas kopā ar instrumentu. Šīs programmas salīdzina spektrus ar zināmu savienojumu bibliotēku, kurā ir tāds pats saraksts ar elementiem, kas varētu būt paraugā.

"Pilna spektra" analīzē tiek ņemti vērā visi "maksimumi" spektrā. Bet selektīvā jonu monitoringa (SIM) metode uzrauga tikai atsevišķus pīķus, kas saistīti ar konkrētu vielu. Ķīmiķi pieņem, ka noteiktā aiztures laikā jonu kopums ir raksturīgs konkrētam savienojumam. SIM ir ātra un efektīva analīze. SIM vislabāk darbojas, ja analītiķim ir iepriekšēja informācija par paraugu vai ja viņš meklē tikai dažas konkrētas vielas. Kad samazinās savāktās informācijas apjoms par joniem konkrētā gāzu hromatogrāfijas pīķī, palielinās analīzes jutīgums. Tādējādi SIM analīze ļauj noteikt un izmērīt mazāku savienojuma daudzumu. Taču samazinās pārliecības pakāpe par šī savienojuma identitāti.

GC-tandēma MS

Ja tiek pievienots otrs masas fragmentācijas posms, piemēram, izmantojot otru kvadrupolu kvadrupolā instrumentā, to sauc par tandēmmasu MS (MS/MS). MS/MS ir labs risinājums, lai izmērītu zemu mērķa savienojumu līmeni paraugā ar fona savienojumu matricu, kas nav interesējoši.

Pirmais kvadrupoli (Q1) ir savienots ar sadursmju šūnu (q2) un otru kvadrupoli (Q3). Abus kvadrupolus var izmantot skenēšanas vai statiskā režīmā atkarībā no izmantotā MS/MS analīzes veida. Analīzes veidi ir produktu jonu skenēšana, prekursoru jonu skenēšana, izvēlētās reakcijas monitorings (SRM) un neitrālo zudumu skenēšana. Piemēram: Ja Q1 darbojas statiskā režīmā (skatot tikai vienu masu, kā SIM), bet Q3 darbojas skenēšanas režīmā, iegūst tā saukto produkta jonu spektru (ko sauc arī par "meitas spektru"). No šī spektra var atlasīt izteiktu produkta jonu, kas var būt izvēlētā prekursora jona produkta jons. Šo pāri sauc par "pāreju", un tas veido SRM pamatu. SRM ir ļoti specifiska un gandrīz pilnībā novērš matricas fonu.

Vides monitorings un attīrīšana

Daudzi ķīmiķi uzskata, ka GC-MS ir labākais instruments organisko piesārņotāju monitoringam vidē. GC-MS iekārtu izmaksas ir ievērojami samazinājušās. Vienlaikus ir palielinājusies GC-MS uzticamība. Abi uzlabojumi ir palielinājuši izmantošanu vides pētījumos. Dažus savienojumus, piemēram, dažus pesticīdus un herbicīdus, nevar identificēt ar GS-MS. Tie ir pārāk līdzīgi citiem radniecīgiem savienojumiem. Taču lielākajai daļai vides paraugu organisko analīžu, tostarp daudzām galvenajām pesticīdu klasēm, GC-MS ir ļoti jutīga un efektīva.

Kriminālistikas ekspertīze

GC-MS var analizēt cilvēka ķermeņa daļiņas, lai palīdzētu saistīt noziedznieku ar noziegumu. Likums pieļauj GC-MS izmantošanu ugunsgrēka atlieku analīzei. Patiesībā Amerikas Materiālu testēšanas biedrībai (ASTM) ir standarts ugunsgrēka atlieku analīzei. GCMS/MS ir īpaši noderīga šajā jomā, jo paraugi bieži satur ļoti sarežģītas matricas, un rezultātiem, ko izmanto tiesā, jābūt ļoti precīziem.

Tiesībaizsardzības iestādes

GC-MS izmanto nelegālo narkotiku atklāšanai, un ar laiku tā var aizstāt narkotiku meklēšanas suņus. To plaši izmanto arī tiesu toksikoloģijā. Tā palīdz atrast narkotikas un/vai indes bioloģiskajos paraugos, kas ņemti no aizdomās turētajiem, upuriem vai mirušajiem.

Drošība

Pēc 2001. gada 11. septembra teroristu uzbrukumiem sprāgstvielu atklāšanas sistēmas ir kļuvušas par daļu no visām ASV lidostām. Šajās sistēmās izmanto daudzas tehnoloģijas, no kurām daudzas balstās uz GC-MS. FAA ir sertificējusi tikai trīs ražotājus, kas nodrošina šīs sistēmas. Pirmais ir Thermo Detection (agrāk Thermedics), kas ražo EGIS - uz GC-MS balstītu sprāgstvielu detektoru līniju. Otrais ir Barringer Technologies, kas tagad pieder Smith's Detection Systems. Trešā ir Ion Track Instruments (daļa no General Electric Infrastructure Security Systems).

Pārtikas, dzērienu un smaržu analīze

Pārtika un dzērieni satur daudz aromātisko savienojumu, no kuriem daži dabiski atrodas izejvielās, bet daži veidojas pārstrādes laikā. GC-MS plaši izmanto šo savienojumu, tostarp esteru, taukskābju, spirtu, aldehīdu, terpēnu u. c., analīzei. To izmanto arī, lai noteiktu un izmērītu piesārņotājus, kas radušies bojāšanās vai viltojumu rezultātā un var būt kaitīgi. Piesārņotājus bieži kontrolē valsts aģentūras, piemēram, pesticīdus.

Astroķīmija

Vairāki GC-MS ir pametuši zemi. Divi no tiem devās uz Marsu Vikingu programmas ietvaros. Venera 11 un 12 un Pioneer Venus analizēja Veneras atmosfēru ar GC-MS. Cassini-Huygens misijas zonde Huygens nogādāja vienu GC-MS uz Saturna lielākā mēness, Titāna. Komētas 67P/Churyumov-Gerasimenko materiālu 2014. gadā analizēs Rosetta misija, izmantojot hirālo GC-MS.

Medicīna

GC-MS izmanto jaundzimušo skrīninga testos. Ar šiem testiem var atklāt desmitiem iedzimtu vielmaiņas slimību (pazīstamas arī kā iedzimtas vielmaiņas kļūdas). GC-MS var noteikt savienojumus urīnā pat ļoti mazos daudzumos. Šie savienojumi parasti nav sastopami, bet parādās personām ar vielmaiņas traucējumiem. Tas kļūst par izplatītu veidu, kā diagnosticēt IEM, lai agrāk diagnosticētu un sāktu ārstēšanu. Tas galu galā noved pie labāka iznākuma. Pašlaik ir iespējams pārbaudīt jaundzimušo jaundzimušo vairāk nekā 100 ģenētisko vielmaiņas traucējumu, veicot urīna testu dzimšanas brīdī, pamatojoties uz GC-MS.

Kombinācijā ar metabolisko savienojumu izotopu marķēšanu GC-MS izmanto metabolisma aktivitātes noteikšanai. Lielākā daļa lietojumu balstās uz ¹³C kā marķējuma izmantošanu un ¹³C-¹² C attiecības mērīšanu ar izotopu attiecības masspektrometru (IRMS). IRMS ir masspektrometrs ar detektoru, kas paredzēts dažu izvēlētu jonu mērīšanai un vērtību atdošanai kā attiecību.