Газовая хроматография-масс-спектрометрия ( ГХ-МС ) — это аналитический метод, сочетающий в себе особенности газовой хроматографии и масс-спектрометрии для идентификации различных веществ в исследуемом образце. [1] Применения ГХ-МС включают обнаружение наркотиков , расследование пожаров , анализ окружающей среды, исследование взрывчатых веществ , анализ пищевых продуктов и вкусов, а также идентификацию неизвестных образцов, в том числе образцов материалов, полученных с планеты Марс во время исследовательских 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 до невозможности идентификации. Как и жидкостная хроматография-масс-спектрометрия , она позволяет анализировать и обнаруживать даже небольшие количества вещества. [2]
ГХ-МС считается « золотым стандартом » судебно-медицинской идентификации веществ, поскольку он используется для проведения 100% специфического теста, который положительно определяет присутствие определенного вещества. Неспецифический тест просто указывает на наличие любого из нескольких веществ из категории. Хотя неспецифический тест может статистически подтвердить идентичность вещества, это может привести к ложноположительной идентификации. Однако высокие температуры (300°C), используемые в инжекторном порте ГХ-МС (и в печи), могут привести к термическому разложению инжектированных молекул, [3] , что приводит к измерению продуктов разложения вместо фактической молекулы(ов). представляет интерес.
О первом онлайн-соединении газовой хроматографии с масс-спектрометром было сообщено в конце 1950-х годов. [4] [5] Интерес к объединению этих методов был предложен еще в декабре 1954 года. [6] Разработка доступных и миниатюрных компьютеров помогла упростить использование этого инструмента, а также позволила значительно улучшить количество времени, необходимое 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. Финнигана . [7] К 1966 году подразделение EAI Финнигана и его коллеги Майка Уте продало более 500 квадрупольных приборов для анализа остаточных газов. [7] В 1967 году Финниган покинул EAI и основал Finnigan Instrument Corporation вместе с Роджером Сэнтом, Т. З. Чоу, Майклом Стори, Ллойдом Фридманом и Уильямом Файсом. [8] В начале 1968 года они поставили первый прототип квадрупольного ГХ/МС прибора в Стэнфорд и Университет Пердью. [7] Когда Finnigan Instrument Corporation была приобретена компанией Thermo Instrument Systems (позже Thermo Fisher Scientific ) в 1990 году, она считалась «ведущим в мире производителем масс-спектрометров». [9]
ГХ-МС состоит из двух основных строительных блоков: газового хроматографа и масс-спектрометра . В газовом хроматографе используется капиллярная колонка, свойства которой относительно разделения молекул зависят от размеров колонки (длина, диаметр, толщина пленки), а также от свойств фазы (например, 5% фенилполисилоксан). Разница в химических свойствах разных молекул в смеси и их относительное сродство к неподвижной фазе колонки будет способствовать разделению молекул по мере прохождения образца по длине колонки. Молекулы удерживаются колонкой, а затем элюируются (уходят) из колонки в разное время (так называемое время удерживания), и это позволяет расположенному ниже масс-спектрометру 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 соотношение их массы к заряду.
Эти два компонента, используемые вместе, позволяют гораздо точнее идентифицировать вещество, чем любой из компонентов, используемый отдельно. Невозможно точно идентифицировать конкретную молекулу 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 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 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. Следовательно, когда идентифицирующий масс-спектр появляется в характерное время удерживания в анализе ГХ-МС, это обычно увеличивает уверенность в том, что интересующий аналит находится в образце.
Для анализа летучих соединений для ввода проб можно использовать систему концентратора с продувкой и ловушкой (P&T). Целевые аналиты извлекаются путем смешивания пробы с водой и продувки инертным газом (например, газообразным азотом ) в герметичную камеру, это называется продувкой или барботажем . Летучие соединения перемещаются в свободное пространство над водой и вытягиваются по градиенту давления (вызванному введением продувочного газа) из камеры. Летучие соединения по нагретой линии вытягиваются в «ловушку». Ловушка представляет собой столбик адсорбента при температуре окружающей среды, который удерживает соединения, возвращая их в жидкую фазу. Затем ловушку нагревают, и соединения пробы вводятся в колонку ГХ-МС через интерфейс летучих веществ, который представляет собой разделенную систему впуска. P&T GC–MS особенно подходит для анализа летучих органических соединений (ЛОС) и соединений БТЭК (ароматических соединений, связанных с нефтью). [10]
Более быстрой альтернативой является система «замкнутого контура продувки». 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. Газовую фазу затем анализируют непосредственно. [11]
Наиболее распространенным типом масс-спектрометра (МС), связанного с газовым хроматографом (ГХ), является квадрупольный масс-спектрометр, иногда называемый торговым названием Hewlett-Packard (ныне 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 ионной ловушки MS n , 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) соединен с ячейкой столкновений (Q2) и другим квадруполем (Q3). Оба квадруполя можно использовать в сканирующем или статическом режиме, в зависимости от типа проводимого МС/МС-анализа. Типы анализа включают сканирование продуктовых ионов, сканирование ионов-предшественников, мониторинг выбранных реакций (SRM) (иногда называемый мониторингом множественных реакций (MRM)) и сканирование нейтральных потерь. Например: когда Q1 находится в статическом режиме (просматривается только одна масса, как в SIM), а Q3 находится в режиме сканирования, получается так называемый спектр дочерних ионов (также называемый «дочерним спектром»). Из этого спектра можно выбрать заметный ион-продукт, который может быть ионом-продуктом выбранного иона-предшественника. Пара называется «переходной» и составляет основу SRM. SRM высокоспецифичен и практически исключает матричный фон.
После того, как молекулы проходят всю длину колонки, проходят через линию передачи и попадают в масс-спектрометр, они ионизируются различными методами, причем обычно в любой момент времени используется только один метод. После фрагментации образца он будет обнаружен, обычно с помощью электронного умножителя , который по существу превращает фрагмент ионизированной массы в электрический сигнал, который затем детектируется.
Выбранный метод ионизации не зависит от использования полного сканирования или SIM.
Безусловно, наиболее распространенной и, возможно, стандартной формой ионизации является электронная ионизация (ЭИ). Молекулы входят в МС (источником является квадруполь или сама ионная ловушка в МС с ионной ловушкой), где они бомбардируются свободными электронами, испускаемыми нитью накаливания, мало чем отличающейся от нити накаливания, 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, приближающихся к единице молекулярной массы, если таковые имеются. Масс-спектрометристы рассматривают жесткую ионизацию как использование бомбардировки молекулярных электронов, тогда как «мягкая ионизация» представляет собой заряд в результате столкновения молекул с введенным газом. Характер молекулярной фрагментации зависит от энергии электронов, приложенной к системе, обычно 70 эВ (электронвольт). Использование 70 эВ облегчает сравнение полученных спектров со спектрами библиотеки с использованием программного обеспечения, поставляемого производителем, или программного обеспечения, разработанного Национальным институтом стандартов (NIST-США). При поиске в спектральных библиотеках используются 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. Источники библиотек включают NIST, [14] Wiley, [15] AAFS, [16] и производителей инструментов.
Процесс «жесткой ионизации» электронной ионизации можно смягчить за счет охлаждения молекул перед их ионизацией, в результате чего масс-спектры становятся более информативными. [17] [18] В этом методе, называемом ионизацией холодными электронами (холодный ЭУ), молекулы выходят из колонки ГХ, смешиваются с добавленным гелием и расширяются в вакуум через специально разработанное сверхзвуковое сопло, образуя сверхзвуковой молекулярный пучок (SMB). ). Столкновения с подпиточным газом в расширяющейся сверхзвуковой струе уменьшают внутреннюю колебательную (и вращательную) энергию молекул аналита, следовательно, уменьшая степень фрагментации, вызываемой электронами в процессе ионизации. [17] [18] Масс-спектры холодного ЭУ характеризуются обильным молекулярным ионом, при этом сохраняется обычная картина фрагментации, что делает масс-спектры холодного ЭУ 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 содержания изотопов для выяснения формул элементов. [19]
При химической ионизации (ХИ) в масс-спектрометр вводится газ-реагент, обычно метан или аммиак . В зависимости от выбранного метода (положительный ХИ или отрицательный 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 ЭУ. Одним из основных преимуществ использования химической ионизации является то, что образуется фрагмент массы, близко соответствующий молекулярной массе интересующего аналита. [20]
При положительной химической ионизации (PCI) газ-реагент взаимодействует с молекулой-мишенью, чаще всего посредством протонного обмена. Это дает вид в относительно больших количествах.
При отрицательной химической ионизации (NCI) газ-реагент уменьшает воздействие свободных электронов на целевой аналит. Эта уменьшенная энергия обычно оставляет фрагмент в большом запасе.
Масс-спектрометр обычно используется одним из двух способов: полное сканирование или селективный ионный мониторинг (SIM). Типичный прибор ГХ-МС способен 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 атомных масс 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 какого-либо образца в библиотеке. Лучше всего это сделать с помощью компьютера , потому что из-за изменений в масштабе может возникнуть множество визуальных искажений. Компьютеры также могут одновременно сопоставлять больше данных (например, время хранения, определенное GC), чтобы более точно связать определенные данные. Было показано, что глубокое обучение приводит к многообещающим результатам при идентификации ЛОС на основе необработанных данных ГХ-МС. [21]
Другой метод анализа измеряет пики относительно друг друга. В этом методе самому высокому пику присваивается 100% значения, а остальным пикам присваиваются пропорциональные значения. Присваиваются все значения выше 3%. Общая масса неизвестного соединения обычно указывается по исходному пику. Значение этого исходного пика можно использовать для соответствия химической формуле , содержащей различные элементы , которые предположительно присутствуют в соединении. Изотопная картина в спектре, уникальная для элементов, имеющих множество природных изотопов, также может использоваться для идентификации различных присутствующих элементов . После того как химическая формула сопоставлена со спектром, можно идентифицировать молекулярную структуру и связи, которые должны соответствовать характеристикам, зарегистрированным с помощью ГХ-МС. Обычно эта идентификация выполняется автоматически программами, поставляемыми вместе с прибором, на основании 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 конкретным веществом. Это делается в предположении, что при данном времени удерживания набор ионов характерен для определенного соединения. Это быстрый и эффективный анализ, особенно если у аналитика есть предварительная информация об образце или он ищет только несколько конкретных веществ. Когда количество собранной информации об ионах в данном газохроматографическом пике уменьшается, чувствительность анализа увеличивается. Таким образом, SIM-анализ 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 масс фрагментов и заносится в методику прибора. Примером типичного широкого диапазона массовых фрагментов для мониторинга может быть m/z от 50 до m/z 400. Определение того, какой диапазон использовать, во многом продиктовано тем, что ожидается в образце, зная при этом растворитель и другие вещества. возможные помехи. МС не следует настраивать на поиск фрагментов слишком низкой массы, иначе можно обнаружить воздух (находится как m/z 28 из-за азота), углекислый газ ( m/z 44) или другие возможные помехи. Кроме того, если необходимо использовать большой диапазон сканирования, чувствительность прибора снижается из-за выполнения меньшего количества сканирований в секунду, поскольку при каждом сканировании придется обнаруживать широкий диапазон фрагментов массы.
Полное сканирование полезно при определении неизвестных соединений в образце. Он предоставляет больше информации, чем SIM, когда дело доходит до подтверждения или определения соединений в образце. При разработке инструментального метода может быть обычным сначала анализировать тестовые растворы в режиме полного сканирования, чтобы определить время удерживания и отпечаток массового фрагмента, прежде чем переходить к инструментальному методу SIM.
При селективном ионном мониторинге (SIM) определенные фрагменты ионов вводятся в приборный метод, 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 лишь несколько представляющих интерес фрагментов массы, матричные помехи обычно ниже. Чтобы дополнительно подтвердить вероятность потенциально положительного результата, относительно важно быть уверенным, что соотношения ионов различных массовых фрагментов сопоставимы с известным эталонным стандартом.
ГХ-МС становится предпочтительным инструментом для отслеживания органических загрязнителей в окружающей среде. Стоимость оборудования ГХ-МС значительно снизилась, а надежность повысилась, что способствовало его более широкому использованию в экологических исследованиях .
ГХ-МС может анализировать частицы 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. ГХМС/МС здесь особенно полезен, поскольку образцы часто содержат очень сложные матрицы, а результаты, используемые в суде, должны быть очень точными.
ГХ-МС все чаще используется для обнаружения незаконных наркотиков и может в конечном итоге вытеснить собак, вынюхивающих 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 проб. [22] ГХ-МС также широко используется в судебной токсикологии для обнаружения наркотиков и/или ядов в биологических образцах подозреваемых, жертв или умерших. При скрининге лекарственных средств методы ГХ-МС часто используют жидкостно-жидкостную экстракцию как часть подготовки проб, при которой целевые соединения экстрагируются из плазмы крови. [23]
ГХ-МС — основной инструмент, используемый в спортивных антидопинговых лабораториях для проверки образцов мочи спортсменов на наличие запрещенных препаратов, улучшающих спортивные результаты, например анаболических стероидов . [24]
После событий 11 сентября системы обнаружения взрывчатых веществ стали частью всех аэропортов США . Эти системы используют множество технологий, многие из которых основаны на ГХ-МС. Есть только три производителя, сертифицированных FAA для предоставления этих систем, [ нужна ссылка ] один из которых — Thermo Detection (ранее Thermedics), который производит EGIS, линейку детекторов взрывчатых веществ на основе ГХ-МС. Двумя другими производителями являются Barringer Technologies, ныне принадлежащая Smith's Detection Systems, и Ion Track Instruments, входящая в состав General Electric Infrastructure Security Systems.
В рамках усилий после 11 сентября, направленных на повышение потенциала национальной безопасности и готовности общественного здравоохранения, традиционные устройства ГХ-МС с трансмиссионными квадрупольными масс-спектрометрами, а также устройства с цилиндрической ионной ловушкой (CIT-MS) и тороидальной ионной ловушкой (T -ITMS) масс-спектрометры были модифицированы для обеспечения портативности в полевых условиях и обнаружения боевых отравляющих веществ (ХОВ) практически в реальном времени, таких как зарин, зоман и VX. [25] Эти сложные и большие системы ГХ-МС были модифицированы и оснащены низкотермическими газовыми хроматографами с резистивным нагревом (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 устанавливаются в передвижных аналитических лабораториях (MAL), таких как те, которые используются Силами реагирования на химические и биологические инциденты Корпуса морской пехоты США MAL и другими аналогичными лабораториями, и системы, которые переносят вручную команды из двух человек или отдельные лица, много шума по сравнению с меньшими масс-детекторами. [27] В зависимости от системы аналиты могут вводиться посредством жидкостной инъекции, десорбироваться из сорбентных трубок посредством процесса термодесорбции или с помощью твердофазной микроэкстракции (ТФМЭ).
ГХ-МС используется для анализа смесей неизвестных органических соединений. Одним из важнейших применений этой технологии является использование ГХ-МС для определения состава биомасла, полученного из сырой биомассы. [28] ГХ-МС также используется для идентификации компонента непрерывной фазы в интеллектуальном материале, магнитореологической (МР) жидкости . [29]
Продукты питания и напитки содержат множество ароматических соединений , некоторые из которых естественным образом присутствуют в сырье, а некоторые образуются в процессе переработки. ГХ-МС широко используется для анализа этих соединений, которые включают сложные эфиры , жирные кислоты , спирты , альдегиды , терпены и т. д. Он также используется для обнаружения и измерения примесей, вызванных порчей или фальсификацией , которые могут быть вредными и часто контролируются государственными органами. агентства, например, пестициды .
Несколько систем ГХ-МС покинули Землю. Двое были доставлены на Марс по программе «Викинг» . [30] «Венера -11» и «Венера-12» и « Венера-Пионер» проанализировали атмосферу Венеры с помощью ГХ-МС. [31] Зонд «Гюйгенс» миссии « Кассини -Гюйгенс» посадил один ГХ-МС на самый большой спутник Сатурна , Титан . [32] Прибор для анализа проб на Марсе (SAM) марсохода MSL Curiosity содержит как газовый хроматограф, так и квадрупольный масс-спектрометр, которые можно использовать в тандеме в качестве ГХ-МС. [33] Материал кометы 67P /Чурюмова–Герасименко анализировался миссией Rosetta с киральным ГХ–МС в 2014 году. [34]
Десятки врожденных заболеваний обмена веществ, также известных как врожденные нарушения обмена веществ (ВОМ), в настоящее время выявляются с помощью скрининговых тестов новорожденных , особенно с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии. ГХ-МС позволяет определять соединения в моче даже в незначительных концентрациях. Эти соединения обычно отсутствуют, но появляются у людей, страдающих метаболическими нарушениями. Это становится все более распространенным способом диагностики ИЭМ для более ранней диагностики и назначения 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 изотопной маркировкой метаболических соединений ГХ-МС используется для определения метаболической активности . Большинство применений основано на использовании 13 C в качестве метки и измерении соотношений 13 C- 12 C с помощью масс-спектрометра изотопных соотношений (IRMS); МС с детектором, предназначенным для измерения нескольких выбранных ионов и возврата значений в виде соотношений.