GC-MS (gázkromatográfia-tömegspektrometria): definíció és alkalmazások

A gáz-folyadék kromatográfiával kapcsolatos első kutatási cikkek 1950-ben jelentek meg. A kémikusok különböző detektorokat használtak, hogy lássák, hogy a vegyületek kiáramlanak a kromatográf végéből. A legtöbb detektor megsemmisítette a vegyületeket, mert elégette vagy ionizálta őket. Ezek a detektorok a vegyészek számára csak találgatást hagytak a mintában lévő egyes vegyületek pontos azonosságát illetően. Az 1950-es években Roland Gohlke és Fred McLafferty kifejlesztett egy új kombinált készüléket. Tömegspektrométert használtak a gázkromatográfia detektoraként. Ezek a korai készülékek nagyok és törékenyek voltak, és eredetileg laboratóriumi körülményekre korlátozódtak.

A tervezés összetett volt. A kromatográfból kiáramló különböző vegyületek közötti időintervallumot nehéz volt szabályozni. Így a tömegspektrometernek be kellett fejeznie az egyik vegyület feldolgozását, mielőtt a következő kiáramlott volna a kromatográfból. A korai modellekben a tömegspektrométer méréseit grafikus papírra rögzítették. Magasan képzett vegyészek tanulmányozták a csúcsok mintázatát, hogy azonosítsák az egyes vegyületeket. Az 1970-es évekre a tömegspektrométereket analóg-digitális átalakítókkal egészítették ki. Ez lehetővé tette, hogy számítógépek tárolják és értelmezzék az eredményeket. A számítógépek gyorsabbá és kisebbé válásával a GC-MS gyorsabbá vált, és a laboratóriumokból a mindennapi életben is elterjedt. Ma a számítógépes GC-MS műszereket széles körben használják a víz, a levegő és a talaj környezeti monitorozásában. A mezőgazdaság szabályozásában, az élelmiszerbiztonságban és a gyógyszerek felfedezésében és előállításában is használják.

A kis számítógépek fejlődése segített a GC-MS gépek egyszerűsítésében. Ez nagymértékben csökkentette a minta elemzésére fordított időt is. Az Electronic Associates, Inc. (EAI) az analóg számítógépek vezető amerikai szállítója volt. Az EAI 1964-ben Robert E. Finnigan vezetésével megkezdte egy számítógép-vezérelt tömegspektrométer fejlesztését. 1966-ra több mint 500 gázelemző műszert adtak el. 1967-ben megalakult a Finnigan Instrument Corporation (FIC). 1968 elején leszállította az első négypólusú GC-MS műszerek prototípusát a Stanford és a Purdue Egyetemnek. A FIC-et végül átnevezték Finnigan Corporationre, és a GC-MS-rendszerek terén világszerte vezető szerepet töltött be.

A GC-MS képes megtalálni a mintában lévő összes vegyületet. A kezelő feloldja a mintát egy folyadékban. Ezután a kezelő a folyadékot egy gázáramba injektálja. (Leggyakrabban hélium-, hidrogén- vagy nitrogéngázt használnak.) A gáz egy speciális bevonattal ellátott csövön áramlik át. Mivel a mintában lévő minden egyes vegyület más-más módon tapad a bevonathoz, minden egyes vegyület más-más időpontban jön ki a csőből. A bevonat tehát arra szolgál, hogy a mintában összekeveredett egyes vegyületeket szétválassza. Ahogy az egyes vegyületek a cső végén kijönnek, ionizálódnak, és elektromos töltést kapnak. A legtöbb vegyület szétesik, amikor ionizálódik. A különböző darabok egy mágnes alá repülnek, amely a súlyuk és töltésük alapján szétválasztja a darabokat. Ezután egy számítógép megméri az egyes vegyületek összes darabját. A méréseket összehasonlítva az ismert vegyületeket tartalmazó számítógépes könyvtárral, a számítógép elkészíti a mintában lévő összes vegyület nevének listáját. A számítógép azt is meg tudja mondani, hogy az egyes vegyületekből mennyi volt a mintában.

A GC-MS két fő építőelemből áll: a gázkromatográfból és a tömegspektrométerből. A gázkromatográf kapilláris oszlopot használ, amely az oszlop méreteitől (hossz, átmérő, filmvastagság), valamint a fázis tulajdonságaitól (pl. 5% fenil-polisziloxán) függ. A keverékben lévő különböző molekulák kémiai tulajdonságainak különbsége szétválasztja a molekulákat, ahogy a minta az oszlop hosszán halad. A molekuláknak különböző időre van szükségük (ezt nevezzük retenciós időnek) ahhoz, hogy kilépjenek (eluálódjanak) a gázkromatográfból. Ez lehetővé teszi, hogy az utána következő tömegspektrométer az ionizált molekulákat külön-külön befogja, ionizálja, gyorsítsa, eltérítse és kimutassa. A tömegspektrométer ezt úgy végzi, hogy minden molekulát ionizált fragmentumokra bont, és ezeket a fragmentumokat a tömeg-töltés arányuk alapján detektálja.

Ez a két gép együttesen használva sokkal pontosabb anyagazonosítást tesz lehetővé, mint bármelyik külön-külön használt egység. Egy adott molekula pontos azonosítása önmagában gázkromatográfiával vagy tömegspektrometriával nem lehetséges. A tömegspektrometriás eljáráshoz általában nagyon tiszta mintára van szükség. Korábban a gázkromatográfia más detektorokat, például lángionizációs detektort használt. Ezek a detektorok nem tudják szétválasztani a különböző molekulákat, amelyeknek történetesen ugyanannyi időbe telik, amíg áthaladnak az oszlopon. (Amikor két különböző molekula retenciós ideje megegyezik, akkor azt mondják, hogy "együttelutálódnak".) A koelutáló molekulák összezavarják a számítógépes programokat, amelyek mindkét molekula egyetlen tömegspektrumát olvassák le.

Néha két különböző molekula ionizált fragmentumainak mintázata is hasonló lehet a tömegspektrométerben (tömegspektrum). A két eljárás kombinálása csökkenti a hiba lehetőségét. Rendkívül valószínűtlen, hogy két különböző molekula ugyanúgy viselkedjen a gázkromatográfban és a tömegspektrométerben is. Ezért, ha egy tömegspektrum megegyezik a keresett analitával, akkor a spektrum retenciós ideje összevethető a GC jellegzetes retenciós idejével, és így nagyobb a bizonyosság, hogy az analit a mintában van.

A tömegspektrométer-detektorok típusai

A GC-hez kapcsolódó leggyakoribb MS-típus a négypólusú tömegspektrométer. A Hewlett-Packard (ma Agilent) "Mass Selective Detector" (MSD) néven forgalmazza. Egy másik viszonylag gyakori detektor az ioncsapdás tömegspektrométer. Emellett megtalálható a mágneses szektoros tömegspektrométer is. Ezek a műszerek azonban drágák és terjedelmesek, és jellemzően nem találhatók meg a nagy áteresztőképességű szolgáltató laboratóriumokban. Más detektorokat is használnak, mint például a repülési idő (TOF), a tandem kvadrupolok (MS-MS) (lásd alább), vagy az ioncsapdás MS esetében ⁿ. Az n a tömegspektrometriás szakaszok számát jelzi.

A tömegspektrométert általában kétféleképpen használják: Full Scan vagy szelektív ionfigyelés (SIM). A tipikus GC-MS önmagában is működhet mindkét módon, vagy mindkettővel egyszerre.

Teljes szkennelés MS

A teljes pásztázási üzemmódban történő adatgyűjtéskor a tömegdarabok céltartományát választja ki és helyezi be a műszer módszerébe. Egy példa a tömegfragmentek tipikusan széles tartományára, amelyet nyomon kell követni, az m/z 50 és m/z 400 között van. A használandó tartomány meghatározását nagyrészt az határozza meg, hogy mit várunk a mintában, miközben figyelembe vesszük az oldószert és más lehetséges interferenciákat. Ha az MS nagyon alacsony m/z tömegű fragmentumokat keres, akkor levegő vagy más lehetséges zavaró tényezők észlelésére is képes. Nagy letapogatási tartomány használata csökkenti a műszer érzékenységét. A készülék másodpercenként kevesebb letapogatást végez, mivel minden egyes letapogatás több időt vesz igénybe a tömegfragmentumok szélesebb tartományának kimutatásához.

A teljes letapogatás hasznos a mintában lévő ismeretlen vegyületek meghatározásához. Több információt nyújt, mint a SIM, amikor a mintában lévő vegyületek megerősítéséről vagy felbontásáról van szó. A legtöbb műszert számítógép vezérli, amely egy számítógépes programot működtet, amelyet "műszer-módszernek" neveznek. A műszer módszere szabályozza a GC hőmérsékletét, az MS letapogatási sebességet és a detektálandó fragmensméretek tartományát. Amikor egy kémikus műszeres módszert dolgoz ki, a kémikus a GS-MS-en teljes letapogatás üzemmódban küld át tesztoldatokat. Ez ellenőrzi a GC retenciós időt és a tömegfragmentum-ujjlenyomatot, mielőtt áttérne a SIM műszeres módszerre. A speciális GC-MS műszerekre, például a robbanóanyag-detektorokra gyárilag előre be van töltve egy műszer-módszer.

Kijelölt ionok megfigyelése

A szelektált ionfigyelés (SIM) során a műszeres módszer bizonyos ionfragmentumokra összpontosít. A tömegspektrométer csak ezeket a tömegfragmentumokat érzékeli. A SIM előnye, hogy a kimutatási határ alacsonyabb, mivel a műszer minden egyes letapogatás során csak kevés fragmentumot (pl. három fragmentumot) vizsgál. Másodpercenként több letapogatást lehet végezni. Mivel csak néhány érdekes tömegű fragmentumot figyelnek, a mátrixinterferenciák jellemzően kisebbek. A pozitív eredmény helyes leolvasásának esélyét javítja, ha a különböző tömegű fragmentumok ionarányai összehasonlíthatók egy ismert referenciastandarddal.

Az ionizáció típusai

Miután a molekulák végighaladnak az oszlop hosszán, áthaladnak az átvezető vonalon és belépnek a tömegspektrométerbe, különböző módszerekkel ionizálják őket. Jellemzően mindig csak egy ionizációs módszert használnak. Miután a minta fragmentálódott, ezután detektálásra kerül, általában egy elektronsokszorozó dióda segítségével. A dióda az ionizált tömegdarabot elektromos jelként kezeli, amelyet aztán detektál.

A vegyészek a Full Scan vagy a SIM-monitorozás választásától függetlenül választják ki az ionizációs technikát.

Elektron ionizáció

Az ionizáció leggyakoribb típusa az elektronionizáció (EI). A molekulák belépnek az MS-be (a forrás egy kvadrupol vagy maga az ioncsapda az ioncsapda MS-ben), ahol egy izzószálból kibocsátott szabad elektronok érik őket. Ez olyan, mint a hagyományos izzólámpában található izzószál. Az elektronok eltalálják a molekulákat, és a molekula jellegzetes módon fragmentálódik, ami megismételhető. Ez a "kemény ionizációs" technika azt eredményezi, hogy több alacsony tömeg-töltésarányú (m/z) fragmentum keletkezik. Az EI kevés olyan fragmentumot eredményez, amelyek tömege közel van az eredeti molekula tömegéhez, ha egyáltalán van ilyen. A kémikusok a kemény ionizációt úgy tekintik, hogy elektronokat lőnek a minta molekuláiba. Ezzel szemben a "lágy ionizálás" a mintamolekulára töltést helyez egy bevezetett gázzal való ütközéssel. A molekulák fragmentálódási mintázata a rendszerre alkalmazott elektronenergiától függ, ami általában 70 eV (elektronvolt). A 70 eV használata segít a vizsgálati mintából generált spektrumok összehasonlításában az ismert könyvtári spektrumokkal. (A könyvtári spektrumok származhatnak a gyártó által biztosított szoftverből vagy a Nemzeti Szabványügyi Intézet (NIST-USA) által kifejlesztett szoftverből). A szoftver a könyvtári spektrumokat egy olyan megfeleltetési algoritmus segítségével keresi, mint a valószínűségalapú megfeleltetés vagy a pont-produktum megfeleltetés. Ma már számos módszer-szabványosítási ügynökség ellenőrzi ezeket az algoritmusokat és módszereket, hogy biztosítsa azok objektivitását.

Kémiai ionizáció

A kémiai ionizáció (CI) során a tömegspektrométerbe egy reagensgázt, általában metánt vagy ammóniát juttatnak. A CI-nek két típusa van: pozitív CI vagy negatív CI. A reagensgáz mindkét esetben kölcsönhatásba lép az elektronokkal és az analitával, és az érdeklődésre számot tartó molekula "lágy" ionizációját okozza. A lágyabb ionizáció kisebb mértékben fragmentálja a molekulát, mint az EI kemény ionizációja. A kémikusok a CI-t részesítik előnyben az EI-vel szemben. Ennek oka, hogy a CI legalább egy olyan tömegű fragmentumot eredményez, amelynek tömege közel azonos az érdeklődésre számot tartó analit molekulatömegével.

Pozitív kémiai ionizáció

A pozitív kémiai ionizáció (PCI) során a reagensgáz kölcsönhatásba lép a célmolekulával, leggyakrabban protoncserével. Ezáltal az ionfajok viszonylag nagy mennyiségben keletkeznek.

Negatív kémiai ionizáció

A negatív kémiai ionizáció (NCI) során a reagensgáz csökkenti a szabad elektronok hatását a célelemre. Ez a csökkent energia jellemzően nagy mennyiségben hagyja meg a fragmentumot. (A fragmentumok nem bomlanak tovább.)

Tolmácsolás

A műszeres analízis elsődleges célja egy anyagmennyiség mérése. Ez úgy történik, hogy a generált tömegspektrumban az atomtömegek közötti relatív koncentrációkat összehasonlítjuk. Kétféle elemzés lehetséges, az összehasonlító és az eredeti elemzés. Az összehasonlító elemzés lényegében egy spektrumkönyvtárral hasonlítja össze az adott spektrumot, hogy megnézze, hogy annak jellemzői jelen vannak-e a könyvtárban található valamely ismert minta esetében. Ezt a legjobb számítógépen elvégezni, mivel a méretarányok változása miatt sok vizuális torzítás történhet. A számítógépek több adatot (például a GC által azonosított retenciós időket) is korrelálni tudnak, hogy bizonyos adatokat pontosabban tudjanak egymáshoz viszonyítani.

Egy másik elemzési módszer a csúcsokat egymáshoz viszonyítva méri. Ennél a módszernél a legmagasabb csúcsot 100%-ra állítjuk. A többi csúcs a csúcsmagasság és a legmagasabb csúcsmagasság arányának megfelelő értéket kap. Minden 3% feletti értéket hozzárendelünk. Az ismeretlen vegyület teljes tömegét általában az alapcsúcs jelzi. Ennek az alapcsúcsnak az értéke felhasználható egy olyan kémiai képlethez, amely tartalmazza a vegyületben feltételezhetően jelen lévő különböző elemeket. Az izotópmintázat a spektrumban a sok izotóppal rendelkező elemek esetében egyedi. Így a jelenlévő különböző elemek azonosítására is felhasználható. Ez megmondja az ismeretlen molekula általános kémiai képletét. Mivel a molekulák szerkezete és kötései jellegzetes módon bomlanak szét, a csúcstömegek különbségéből azonosíthatók. Az azonosított molekula szerkezetének összhangban kell lennie a GC-MS által rögzített jellemzőkkel. Ezt az azonosítást általában a műszerhez mellékelt számítógépes programok végzik el automatikusan. Ezek a programok összevetik a spektrumokat egy ismert vegyületekből álló könyvtárral, amely a mintában esetlegesen jelen lévő elemek azonos listáját tartalmazza.

A "teljes spektrum" elemzés a spektrumon belüli összes "csúcsot" figyelembe veszi. A szelektív ionmonitorozás (SIM) azonban csak egy adott anyaghoz kapcsolódó kiválasztott csúcsokat figyel meg. A kémikusok feltételezik, hogy egy adott retenciós időnél az ionok egy csoportja jellemző egy bizonyos vegyületre. A SIM gyors és hatékony elemzés. A SIM akkor működik a legjobban, ha az elemzőnek korábbi információi vannak a mintáról, vagy csak néhány konkrét anyagot keres. Ha egy adott gázkromatográfiás csúcsban lévő ionokról gyűjtött információ mennyisége csökken, az elemzés érzékenysége nő. Így a SIM-elemzés lehetővé teszi, hogy egy vegyületből kisebb mennyiséget lehessen kimutatni és mérni. Az adott vegyület azonosságának bizonyossága azonban csökken.

GC-tandem MS

Ha a tömegdarabolás második fázisát is hozzáadjuk, például egy második kvadrupol használatával egy kvadrupolos műszerben, akkor tandem MS-nek (MS/MS) nevezzük. Az MS/MS jól alkalmazható a célvegyületek alacsony szintjének mérésére egy olyan mintában, amelynek mátrixában olyan háttérvegyületek vannak, amelyek nem érdekesek.

Az első kvadrupol (Q1) egy ütközési cellával (q2) és egy másik kvadrupollal (Q3) van összekötve. Mindkét kvadrupol pásztázó vagy statikus üzemmódban használható, az alkalmazott MS/MS analízis típusától függően. Az analízis típusai közé tartozik a termékionok pásztázása, a prekurzorionok pásztázása, a szelektált reakciófigyelés (SRM) és a semleges veszteség pásztázása. Például: Ha a Q1 statikus üzemmódban van (csak egy tömeget vizsgál, mint a SIM-ben), és a Q3 pásztázó üzemmódban van, akkor egy úgynevezett termékion-spektrumot (más néven "leány-spektrumot") kapunk. Ebből a spektrumból ki lehet választani egy kiemelkedő termékiont, amely a kiválasztott prekurzorion termékionja lehet. Ezt a párt "átmenetnek" nevezzük, és ez képezi az SRM alapját. Az SRM rendkívül specifikus, és szinte teljesen kiküszöböli a mátrixháttért.

Környezetvédelmi felügyelet és tisztítás

Sok vegyész úgy véli, hogy a GC-MS a legjobb eszköz a környezetben lévő szerves szennyező anyagok nyomon követésére. A GC-MS berendezések ára sokat csökkent. Ezzel egyidejűleg a GC-MS megbízhatósága is nőtt. Mindkét fejlesztés megnövelte a környezeti vizsgálatokban való felhasználást. Egyes vegyületek, mint például bizonyos peszticidek és gyomirtó szerek, nem azonosíthatók GS-MS-sel. Túlságosan hasonlítanak más rokon vegyületekhez. De a környezeti minták legtöbb szerves elemzésére, beleértve a peszticidek számos fő osztályát, a GC-MS nagyon érzékeny és hatékony.

Bűnügyi helyszínelés

A GC-MS képes elemezni az emberi testből származó részecskéket, hogy segítsen a bűnözőt a bűncselekményhez kapcsolni. A törvény elfogadja a GC-MS használatát a tűzmaradványok elemzésére. Valójában az Amerikai Anyagvizsgáló Társaság (ASTM) rendelkezik a tűzmaradványok elemzésére vonatkozó szabványokkal. A GCMS/MS itt különösen hasznos, mivel a minták gyakran nagyon összetett mátrixokat tartalmaznak, és a bíróságon használt eredményeknek rendkívül pontosnak kell lenniük.

Rendőrség

A GC-MS-t illegális kábítószerek kimutatására használják, és idővel felválthatja a kábítószer-kereső kutyákat. Az igazságügyi toxikológiában is gyakran használják. Segít megtalálni a kábítószereket és/vagy mérgeket a gyanúsítottakból, áldozatokból vagy holttestből vett biológiai mintákban.

Biztonság

A 2001. szeptember 11-i terrortámadások után a robbanóanyag-érzékelő rendszerek az összes amerikai repülőtér részévé váltak. Ezek a rendszerek számos technológiával működnek, amelyek közül sok GC-MS-en alapul. Az FAA csak három gyártónak adta ki a tanúsítványát e rendszerek biztosítására. Az első a Thermo Detection (korábban Thermedics), amely az EGIS-t, a GC-MS-alapú robbanóanyag-érzékelőket gyártja. A második a Barringer Technologies, amely jelenleg a Smith's Detection Systems tulajdonában van. A harmadik az Ion Track Instruments (a General Electric Infrastructure Security Systems része).

Élelmiszerek, italok és parfümök elemzése

Az élelmiszerek és italok sok aromás vegyületet tartalmaznak, amelyek egy része természetes módon jelen van a nyersanyagokban, más részük pedig a feldolgozás során képződik. A GC-MS-t széles körben használják e vegyületek elemzésére, amelyek közé tartoznak az észterek, zsírsavak, alkoholok, aldehidek, terpének stb. Használják továbbá a romlásból vagy hamisításból származó szennyező anyagok kimutatására és mérésére, amelyek károsak lehetnek. A szennyeződéseket gyakran kormányzati szervek ellenőrzik, például a peszticideket.

Asztrokémia

Számos GC-MS elhagyta a Földet. Kettő a Viking-programban a Marsra ment. A Venera 11 és 12, valamint a Pioneer Venus a Vénusz légkörét elemezte GC-MS-szel. A Cassini-Huygens misszió Huygens szondája egy GC-MS-t szállított a Szaturnusz legnagyobb holdjára, a Titánra. A 67P/Csurjumov-Geraszimenko üstökös anyagát 2014-ben a Rosetta küldetés fogja elemezni egy királis GC-MS-szel.

Gyógyszer

A GC-MS-t az újszülöttkori szűrővizsgálatokban használják. Ezekkel a tesztekkel több tucat veleszületett anyagcsere-betegség (más néven veleszületett anyagcsere-hiba) kimutatható. A GC-MS képes a vizeletben lévő vegyületek meghatározására még nagyon kis mennyiségben is. Ezek a vegyületek normális esetben nincsenek jelen, de anyagcserezavarban szenvedő egyéneknél megjelennek. Ez az IEM diagnosztizálásának általános módszerévé válik a korábbi diagnózis és a kezelés megkezdése érdekében. Ez végül jobb kimenetelhez vezet. Ma már lehetséges, hogy az újszülötteket több mint 100 genetikai anyagcserezavarra teszteljék születéskor egy GC-MS-en alapuló vizeletvizsgálattal.

Az anyagcsere-vegyületek izotópos jelölésével kombinálva a GC-MS-t az anyagcsere-aktivitás meghatározására használják. A legtöbb alkalmazás a ¹³C jelölésen és a ¹³C-¹² C arányok izotóparányos tömegspektrométerrel (IRMS) történő mérésén alapul. Az IRMS egy detektorral ellátott tömegspektrométer, amelyet néhány kiválasztott ion mérésére és az értékek arányok formájában történő visszaadására terveztek.