Газовая хроматография-масс-спектрометрия ( ГХ-МС ) — это аналитический метод, который объединяет особенности газовой хроматографии и масс-спектрометрии для идентификации различных веществ в тестовом образце. [1] Приложения ГХ-МС включают обнаружение наркотиков , расследование пожаров , анализ окружающей среды, расследование взрывчатых веществ , анализ продуктов питания и вкусов, а также идентификацию неизвестных образцов, включая образцы материалов, полученные с планеты Марс во время миссий зондов еще в 1970-х годах. ГХ-МС также может использоваться в службах безопасности аэропортов для обнаружения веществ в багаже или на людях. Кроме того, он может определять следовые элементы в материалах, которые ранее считались распавшимися до неузнаваемости. Как и жидкостная хроматография-масс-спектрометрия , он позволяет анализировать и обнаруживать даже крошечные количества вещества. [2]
ГХ-МС считается « золотым стандартом » для судебной идентификации веществ, поскольку он используется для проведения 100% специфического теста, который положительно идентифицирует присутствие определенного вещества. Неспецифический тест просто указывает на присутствие любого из нескольких веществ в категории. Хотя неспецифический тест может статистически предполагать идентичность вещества, это может привести к ложноположительной идентификации. Однако высокие температуры (300 °C), используемые в порту для инъекций ГХ-МС (и печи), могут привести к термической деградации инжектированных молекул, [3] таким образом, приводя к измерению продуктов деградации вместо фактической молекулы(молекул), представляющей интерес.
Первое соединение газовой хроматографии с масс-спектрометром в режиме реального времени было описано в конце 1950-х годов. [4] [5] Интерес к соединению методов был предложен еще в декабре 1954 года. [6] Разработка доступных и миниатюрных компьютеров помогла упростить использование этого прибора, а также позволила значительно сократить время, необходимое для анализа образца. В 1964 году Electronic Associates, Inc. (EAI) , ведущий американский поставщик аналоговых компьютеров, начала разработку управляемого компьютером квадрупольного масс-спектрометра под руководством Роберта Э. Финнигана . [7] К 1966 году подразделение EAI Финнигана и его соавтора Майка Уте продало более 500 квадрупольных анализаторов остаточного газа. [7] В 1967 году Финниган покинул EAI, чтобы основать Finnigan Instrument Corporation вместе с Роджером Сэнтом, TZ Chou, Майклом Стори, Ллойдом Фридманом и Уильямом Файсом. [8] В начале 1968 года они поставили первый прототип квадрупольных приборов ГХ/МС в Стэнфорд и Университет Пердью. [7] Когда Finnigan Instrument Corporation была приобретена Thermo Instrument Systems (позже Thermo Fisher Scientific ) в 1990 году, она считалась «ведущим мировым производителем масс-спектрометров». [9]
ГХ-МС состоит из двух основных строительных блоков: газового хроматографа и масс-спектрометра . Газовый хроматограф использует капиллярную колонку, свойства которой относительно разделения молекул зависят от размеров колонки (длины, диаметра, толщины пленки), а также свойств фазы (например, 5% фенилполисилоксана). Разница в химических свойствах между различными молекулами в смеси и их относительное сродство к неподвижной фазе колонки будут способствовать разделению молекул по мере того, как образец проходит по всей длине колонки. Молекулы удерживаются колонкой, а затем элюируются (выделяются) из колонки в разное время (называемое временем удерживания), и это позволяет масс-спектрометру ниже по потоку захватывать, ионизировать, ускорять, отклонять и обнаруживать ионизированные молекулы по отдельности. Масс-спектрометр делает это, разбивая каждую молекулу на ионизированные фрагменты и обнаруживая эти фрагменты, используя их отношение массы к заряду.
Эти два компонента, используемые вместе, обеспечивают гораздо более тонкую степень идентификации вещества, чем каждый из блоков, используемых по отдельности. Невозможно провести точную идентификацию конкретной молекулы только с помощью газовой хроматографии или масс-спектрометрии. Процесс масс-спектрометрии обычно требует очень чистого образца, в то время как газовая хроматография с использованием традиционного детектора (например, пламенно-ионизационного детектора ) не может различать несколько молекул, которые, как оказалось, тратят одинаковое количество времени на прохождение через колонку ( т. е. имеют одинаковое время удерживания), что приводит к тому, что две или более молекул совместно элюируют. Иногда две разные молекулы также могут иметь схожий рисунок ионизированных фрагментов в масс-спектрометре (масс-спектр). Объединение 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. Поэтому, когда идентифицирующий масс-спектр появляется при характерном времени удерживания в анализе ГХ–МС, это обычно повышает уверенность в том, что интересующее аналит находится в образце.
Для анализа летучих соединений может использоваться система концентратора продувки и ловушки (P&T) для ввода образцов. Целевые аналиты извлекаются путем смешивания образца с водой и продувки инертным газом (например, азотом ) в герметичную камеру, это известно как продувка или барботаж . Летучие соединения перемещаются в свободное пространство над водой и вытягиваются по градиенту давления (вызванному введением продувочного газа) из камеры. Летучие соединения вытягиваются по нагретой линии в «ловушку». Ловушка представляет собой колонку адсорбционного материала при температуре окружающей среды, которая удерживает соединения, возвращая их в жидкую фазу. Затем ловушка нагревается, и соединения образца вводятся в колонку ГХ-МС через интерфейс летучих веществ, который представляет собой систему разделенного впуска. P&T ГХ-МС особенно подходит для летучих органических соединений (ЛОС) и соединений BTEX (ароматические соединения, связанные с нефтью). [10]
Более быстрой альтернативой является система «продувки с замкнутым контуром». В этой системе инертный газ барботируется через воду до тех пор, пока концентрации органических соединений в паровой фазе не придут в равновесие с концентрациями в водной фазе. Затем газовая фаза анализируется напрямую. [11]
Наиболее распространенным типом масс-спектрометра (МС), связанным с газовым хроматографом (ГХ), является квадрупольный масс-спектрометр, иногда называемый по торговому наименованию Hewlett-Packard (теперь Agilent ) «Масс-селективный детектор» (МСД). Другим относительно распространенным детектором является масс-спектрометр с ионной ловушкой. Кроме того, можно найти масс-спектрометр с магнитным сектором, однако эти конкретные приборы дороги и громоздки и обычно не встречаются в высокопроизводительных сервисных лабораториях. Могут встречаться и другие детекторы, такие как времяпролетные (TOF), тандемные квадруполи (МС-МС) (см. ниже) или в случае МС с ионной ловушкой n , где n указывает количество стадий масс-спектрометрии.
Когда добавляется вторая фаза фрагментации масс, например, с использованием второго квадруполя в квадрупольном приборе, это называется тандемной МС (МС/МС). МС/МС иногда может использоваться для количественного определения низких уровней целевых соединений в присутствии высокого фона матрицы образца.
Первый квадруполь (Q1) соединен с ячейкой соударений (Q2) и другим квадруполем (Q3). Оба квадруполя могут использоваться в сканирующем или статическом режиме в зависимости от типа проводимого анализа MS/MS. Типы анализа включают сканирование ионов-продуктов, сканирование ионов-предшественников, мониторинг выбранной реакции (SRM) (иногда называемый мониторингом множественных реакций (MRM)) и сканирование нейтральных потерь. Например: когда Q1 находится в статическом режиме (рассматривает только 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. Пара называется «переходом» и составляет основу для SRM. SRM является высокоспецифичным и практически устраняет фон матрицы.
После того, как молекулы пройдут всю длину колонки, пройдут через линию передачи и войдут в масс-спектрометр, они ионизируются различными методами, причем обычно в любой момент времени используется только один метод. После того, как образец фрагментирован, он будет обнаружен, обычно электронным умножителем , который по сути превращает ионизированный фрагмент массы в электрический сигнал, который затем обнаруживается.
Выбранный метод ионизации не зависит от использования полного сканирования или SIM.
Наиболее распространенной и, возможно, стандартной формой ионизации является электронная ионизация (EI). Молекулы попадают в MS (источником является квадруполь или сама ионная ловушка в MS с ионной ловушкой), 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 небольшого количества молекул, если таковые вообще имеются, приближающихся к молекулярной единице массы. Жесткая ионизация рассматривается масс-спектрометристами как применение 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 сгенерированных спектров со спектрами библиотеки с использованием программного обеспечения, поставляемого производителем, или программного обеспечения, разработанного Национальным институтом стандартов (NIST-USA). Поиск в спектральной библиотеке использует алгоритмы сопоставления, такие как сопоставление на основе вероятности [12] и сопоставление скалярного произведения [13] , которые используются с методами анализа, написанными многими агентствами по стандартизации методов. Источниками библиотек являются NIST, [14] Wiley, [15] AAFS, [16] и производители приборов.
Процесс «жесткой ионизации» электронной ионизации можно смягчить охлаждением молекул перед их ионизацией, что приводит к более информативным масс-спектрам. [17] [18] В этом методе, называемом холодной электронной ионизацией (холодная ЭИ), молекулы выходят из колонки ГХ, смешиваются с добавленным гелиевым составным газом и расширяются в вакуум через специально разработанное сверхзвуковое сопло, образуя сверхзвуковой молекулярный пучок (СМП). Столкновения с составным газом в расширяющейся сверхзвуковой струе снижают внутреннюю колебательную (и вращательную) энергию молекул аналита, тем самым снижая степень фрагментации, вызванной электронами в процессе ионизации. [ 17] [18] Масс-спектры холодной ЭИ характеризуются обильным молекулярным ионом, в то время как обычная картина фрагментации сохраняется, что делает масс-спектры холодной ЭИ совместимыми с методами идентификации библиотечного поиска. Усиленные молекулярные ионы увеличивают вероятность идентификации как известных, так и неизвестных соединений, усиливают масс-спектральные эффекты изомеров и позволяют использовать анализ изотопного содержания для выяснения элементарных формул. [19]
При химической ионизации (ХИ) в масс-спектрометр вводится газ-реагент, обычно метан или аммиак . В зависимости от выбранной методики (положительная ХИ или отрицательная ХИ), этот газ-реагент будет взаимодействовать с электронами и аналитом и вызывать «мягкую» ионизацию интересующей молекулы. Более мягкая ионизация фрагментирует молекулу в меньшей степени, чем жесткая ионизация ЭИ. Одним из главных преимуществ использования химической ионизации является то, что получается массовый фрагмент, близко соответствующий молекулярной массе интересующего аналита. [20]
При положительной химической ионизации (PCI) реагентный газ взаимодействует с целевой молекулой, чаще всего с протонным обменом. Это приводит к образованию видов в относительно больших количествах.
При отрицательной химической ионизации (NCI) реагентный газ уменьшает воздействие свободных электронов на целевой аналит. Это уменьшение энергии обычно оставляет фрагмент в большом количестве.
Масс-спектрометр обычно используется одним из двух способов: полное сканирование или селективный мониторинг ионов (SIM). Типичный прибор ГХ–МС способен выполнять обе функции либо по отдельности, либо одновременно, в зависимости от настройки конкретного прибора.
Основная цель анализа прибора — количественно определить количество вещества. Это делается путем сравнения относительных концентраций атомных масс в сгенерированном спектре. Возможны два вида анализа: сравнительный и исходный. Сравнительный анализ по сути сравнивает заданный спектр с библиотекой спектров, чтобы увидеть, присутствуют ли его характеристики для некоторого образца в библиотеке. Лучше всего это выполняется компьютером, поскольку существует множество визуальных искажений, которые могут иметь место из-за изменений в масштабе. Компьютеры также могут одновременно коррелировать больше данных (например, время удерживания, определенное ГХ), чтобы более точно связать определенные данные. Было показано, что глубокое обучение приводит к многообещающим результатам в идентификации ЛОС из необработанных данных ГХ–МС. [21]
Другой метод анализа измеряет пики по отношению друг к другу. В этом методе самому высокому пику присваивается 100% значения, а другим пикам присваиваются пропорциональные значения. Назначаются все значения выше 3%. Общая масса неизвестного соединения обычно указывается родительским пиком. Значение этого родительского пика может использоваться для сопоставления с химической формулой, содержащей различные элементы , которые, как предполагается, присутствуют в соединении. Изотопный рисунок в спектре, который является уникальным для элементов, имеющих много природных изотопов, также может использоваться для идентификации различных присутствующих элементов. После сопоставления химической формулы со спектром можно определить молекулярную структуру и связь, и они должны соответствовать характеристикам, зарегистрированным с помощью ГХ-МС. Обычно эта идентификация выполняется автоматически программами, которые поставляются с прибором, с учетом списка элементов, которые могут присутствовать в образце.
Анализ «полного спектра» рассматривает все «пики» в спектре. Напротив, селективный мониторинг ионов (SIM) отслеживает только выбранные ионы, связанные с определенным веществом. Это делается на основе предположения, что при заданном времени удерживания набор ионов характерен для определенного соединения. Это быстрый и эффективный анализ, особенно если у аналитика есть предыдущая информация об образце или он ищет только несколько определенных веществ. Когда объем собранной информации об ионах в данном газохроматографическом пике уменьшается, чувствительность анализа увеличивается. Таким образом, анализ SIM позволяет обнаружить и измерить меньшее количество соединения, но степень уверенности в идентичности этого соединения снижается.
При сборе данных в режиме полного сканирования определяется целевой диапазон массовых фрагментов и вводится в метод прибора. Примером типичного широкого диапазона массовых фрагментов для мониторинга будет m/z 50 - m/z 400. Определение того, какой диапазон использовать, в значительной степени диктуется тем, что ожидается в образце, при этом осознавая наличие растворителя и других возможных помех. МС не следует настраивать на поиск массовых фрагментов слишком низко, иначе можно обнаружить воздух (обнаруженный как m/z 28 из-за азота), углекислый газ ( m/z 44) или другие возможные помехи. Кроме того, если нужно использовать большой диапазон сканирования, то чувствительность прибора снижается из-за выполнения меньшего количества сканирований в секунду, поскольку каждое сканирование должно будет обнаруживать широкий диапазон массовых фрагментов.
Полное сканирование полезно для определения неизвестных соединений в образце. Оно предоставляет больше информации, чем SIM, когда дело доходит до подтверждения или разрешения соединений в образце. Во время разработки метода прибора может быть принято сначала анализировать тестовые растворы в режиме полного сканирования, чтобы определить время удерживания и отпечаток фрагмента массы, прежде чем переходить к методу прибора SIM.
В селективном ионном мониторинге (SIM) определенные фрагменты ионов вводятся в метод прибора, и только эти массовые фрагменты обнаруживаются масс-спектрометром. Преимущества SIM заключаются в том, что предел обнаружения ниже, поскольку прибор просматривает только небольшое количество фрагментов (например, три фрагмента) во время каждого сканирования. Каждую секунду может выполняться больше сканирований. Поскольку отслеживаются только несколько массовых фрагментов, представляющих интерес, помехи матрицы , как правило, ниже. Чтобы дополнительно подтвердить вероятность потенциально положительного результата, относительно важно убедиться, что ионные соотношения различных массовых фрагментов сопоставимы с известным эталонным стандартом.
ГХ-МС становится инструментом выбора для отслеживания органических загрязнителей в окружающей среде. Стоимость оборудования ГХ-МС значительно снизилась, а надежность в то же время возросла, что способствовало его более широкому внедрению в исследованиях окружающей среды .
ГХ-МС может анализировать частицы из человеческого тела, чтобы помочь связать преступника с преступлением . Анализ остатков пожара с использованием ГХ-МС хорошо известен, и существует даже установленный стандарт Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM) для анализа остатков пожара. ГХ-МС/МС особенно полезен в этом случае, поскольку образцы часто содержат очень сложные матрицы, а результаты, используемые в суде, должны быть очень точными.
ГХ-МС все чаще используется для обнаружения нелегальных наркотиков и в конечном итоге может вытеснить собак, ищущих наркотики. [1] Простой и селективный метод ГХ-МС для обнаружения употребления марихуаны был недавно разработан Институтом Роберта Коха в Германии. Он включает в себя идентификацию кислотного метаболита тетрагидроканнабинола (ТГК), активного ингредиента марихуаны, в образцах мочи путем использования дериватизации при подготовке образца. [22] ГХ-МС также широко используется в судебной токсикологии для обнаружения наркотиков и/или ядов в биологических образцах подозреваемых, жертв или умерших. При скрининге наркотиков методы ГХ-МС часто используют экстракцию жидкость-жидкость как часть подготовки образца, при которой целевые соединения извлекаются из плазмы крови. [23]
ГХ-МС является основным инструментом, используемым в спортивных антидопинговых лабораториях для проверки образцов мочи спортсменов на наличие запрещенных препаратов, повышающих работоспособность, например, анаболических стероидов . [24]
Системы обнаружения взрывчатых веществ , появившиеся после 11 сентября, стали частью всех аэропортов США . Эти системы работают на основе множества технологий, многие из которых основаны на ГХ-МС. Только три производителя сертифицированы FAA для поставки этих систем, [ требуется ссылка ] один из которых — Thermo Detection (ранее Thermedics), который производит EGIS, линейку детекторов взрывчатых веществ на основе ГХ-МС. Два других производителя — Barringer Technologies, теперь принадлежащая Smith's Detection Systems, и Ion Track Instruments, часть General Electric Infrastructure Security Systems.
В рамках усилий после 11 сентября по повышению возможностей в области внутренней безопасности и готовности общественного здравоохранения традиционные установки ГХ-МС с квадрупольными масс-спектрометрами пропускания, а также установки с цилиндрической ионной ловушкой (CIT-MS) и тороидальной ионной ловушкой (T-ITMS) были модифицированы для обеспечения портативности в полевых условиях и обнаружения боевых отравляющих веществ (БОВ), таких как зарин, зоман и VX, практически в режиме реального времени. [25] Эти сложные и большие системы ГХ-МС были модифицированы и сконфигурированы с использованием резистивно-нагреваемых газовых хроматографов с низкой теплоемкостью (LTM), которые сокращают время анализа до менее чем десяти процентов от времени, необходимого в традиционных лабораторных системах. [26] Кроме того, системы меньше по размеру и более мобильны, включая устройства, которые монтируются в мобильных аналитических лабораториях (MAL), например, те, которые используются силами реагирования на химические и биологические инциденты Корпуса морской пехоты США (MAL) и другими подобными лабораториями, а также системы, которые переносятся вручную группами из двух человек или отдельными лицами, что значительно уступает детекторам масс меньшего размера. [27] В зависимости от системы аналиты могут вводиться посредством впрыскивания жидкости, десорбироваться из сорбционных трубок посредством процесса термической десорбции или с помощью твердофазной микроэкстракции (SPME).
ГХ–МС используется для анализа неизвестных смесей органических соединений. Одним из важнейших применений этой технологии является использование ГХ–МС для определения состава биомасел, полученных из сырой биомассы. [28] ГХ–МС также используется для идентификации компонента непрерывной фазы в интеллектуальном материале, магнитореологической (МР) жидкости . [29]
Пищевые продукты и напитки содержат многочисленные ароматические соединения , некоторые из которых естественным образом присутствуют в сырье, а некоторые образуются в процессе обработки. ГХ-МС широко используется для анализа этих соединений, которые включают эфиры , жирные кислоты , спирты , альдегиды , терпены и т. д. Он также используется для обнаружения и измерения загрязняющих веществ, образующихся в результате порчи или фальсификации , которые могут быть вредными и которые часто контролируются государственными органами, например, пестициды .
Несколько систем ГХ-МС покинули Землю. Две были доставлены на Марс программой Viking . [30] Venera 11 и 12 и Pioneer Venus проанализировали атмосферу Венеры с помощью ГХ-МС. [31] Зонд Huygens миссии Cassini-Huygens высадил один ГХ-МС на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане . [ 32] Инструмент анализа образцов на Марсе (SAM) марсохода MSL Curiosity содержит как газовый хроматограф, так и квадрупольный масс-спектрометр, которые могут использоваться в тандеме в качестве ГХ-МС. [33] Материал в комете 67P/Чурюмова-Герасименко был проанализирован миссией Rosetta с помощью хирального ГХ-МС в 2014 году. [34]
Десятки врожденных метаболических заболеваний, также известных как врожденные нарушения метаболизма (ВНМ), теперь можно обнаружить с помощью скрининговых тестов новорожденных , особенно тестирования с использованием газовой хроматографии и масс-спектрометрии. ГХ-МС может определять соединения в моче даже в незначительной концентрации. Эти соединения обычно отсутствуют, но появляются у людей, страдающих метаболическими нарушениями. Это все чаще становится распространенным способом диагностики ВНМ для более ранней диагностики и назначения лечения, что в конечном итоге приводит к лучшему результату. Теперь можно проверить новорожденного на более чем 100 генетических нарушений метаболизма с помощью анализа мочи при рождении на основе ГХ-МС. [ необходима цитата ]
В сочетании с изотопной маркировкой метаболических соединений ГХ-МС используется для определения метаболической активности . Большинство приложений основано на использовании 13 C в качестве маркировки и измерении соотношений 13 C- 12 C с помощью масс-спектрометра изотопного отношения (IRMS); МС с детектором, предназначенным для измерения нескольких выбранных ионов и возврата значений в виде соотношений.