GC‑MS (gaasikromatograafia‑massispektromeetria) — määratlus ja kasutusalad

Esimesed gaasi-vedelik kromatograafia alased teadustööd avaldati 1950. aastal. Keemikud kasutasid erinevaid detektoreid, et näha, et ühendid voolavad kromatograafi otsast välja. Enamik detektoreid hävitas ühendid, sest need põletasid neid või ioniseerisid neid. Need detektorid jätsid keemikud arvama iga proovis oleva ühendi täpset identiteeti. 1950. aastatel töötasid Roland Gohlke ja Fred McLafferty välja uue kombineeritud masina. Nad kasutasid gaaskromatograafias detektorina massispektromeetrit. Need varajased seadmed olid suured, haprad ja algselt piiratud laboratooriumidega.

Disain oli keeruline. Kromatograafist välja voolavate erinevate ühendite vahelist ajavahemikku oli raske kontrollida. Seega pidi massispektromeeter lõpetama ühe ühendi töötamise enne, kui järgmine ühend kromatograafist välja voolab. Varajastel mudelitel registreeriti massispektromeetri mõõtmised graafikapaberile. Kõrgelt koolitatud keemikud uurisid piikide mustreid, et iga ühendit identifitseerida. 1970. aastateks lisati massispektromeetritele analoog-digitaalmuundurid. See võimaldas arvutitel tulemusi salvestada ja tõlgendada. Kuna arvutid muutusid kiiremaks ja väiksemaks, muutus GC-MS kiiremaks ja levis laboratooriumidest igapäevaellu. Tänapäeval kasutatakse arvutipõhiseid GC-MS-seadmeid laialdaselt vee, õhu ja pinnase keskkonnaseires. Samuti kasutatakse seda põllumajanduse reguleerimisel, toiduohutuse tagamisel ning ravimite avastamisel ja tootmisel.

Väikeste arvutite areng on aidanud lihtsustada GC-MS-aparaate. Samuti vähendas see oluliselt proovi analüüsimiseks kuluvat aega. Electronic Associates, Inc. (EAI) oli USA juhtiv analoogarvutite tarnija. 1964. aastal alustas EAI Robert E. Finnigani juhtimisel arvutiga juhitava massispektromeetri arendamist. Aastaks 1966 müüdi üle 500 gaasianalüsaatori seadme. 1967. aastal moodustati Finnigan Instrument Corporation (FIC). 1968. aasta alguses tarniti Stanfordi ja Purdue'i ülikoolile esimesed neljapooluselised GC-MS-aparaatide prototüübid. FIC nimetati lõpuks ümber Finnigan Corporationiks ja saavutas ülemaailmse juhtpositsiooni GC-MS-süsteemide valdkonnas.

GC-MS suudab leida kõik prooviobjektis segunenud ühendid. Operaator lahustab proovi vedelikus. Seejärel süstib operaator vedeliku gaasivoolu. (Kõige sagedamini kasutatakse heeliumi-, vesinik- või lämmastikgaasi.) Gaas voolab läbi spetsiaalse kattega toru. Kuna iga proovis sisalduv ühend kleepub katte külge erinevalt, siis tuleb iga ühend torust välja erineval ajal. Seega kasutatakse katet iga proovis kokku segunenud ühendi eraldamiseks. Kui iga ühend tuleb toru lõpus välja, ioniseerub see ja saab elektrilaengu. Enamik ühendeid laguneb ioniseerimisel. Erinevad tükid lendavad magneti alla, mis eraldab tükid nende kaalu ja laengu alusel. Seejärel mõõdab arvuti iga ühendi kõik tükid. Võrreldes mõõtmisi teadaolevate ühendite arvutipõhise raamatukoguga, koostab arvuti nimekirja kõigi proovis olevate ühendite nimedest. Arvuti saab ka öelda, kui palju iga ühendit proovis oli.

GC-MS koosneb kahest peamisest ehitusplokist: gaasikromatograafist ja massispektromeetrist. Gaasikromatograaf kasutab kapillaarkolonni, mis sõltub kolonni mõõtmetest (pikkus, läbimõõt, kile paksus) ning faasi omadustest (nt 5% fenüülpolüsiloksaan). Keemiliste omaduste erinevus segu erinevate molekulide vahel eraldab molekulid, kui proov läbib kolonni pikkuse. Molekulidel kulub gaasikromatograafist väljumiseks (elueerumiseks) erinev aeg (mida nimetatakse retentsiooniajaks). See võimaldab järgneval massispektromeetril ioniseeritud molekule eraldi kinni püüda, ioniseerida, kiirendada, kõrvale juhtida ja detekteerida. Massispektromeeter teeb seda, lõhkudes iga molekuli ioniseeritud fragmentideks ja detekteerides neid fragmente, kasutades nende massi ja laengu suhet.

Need kaks masinat koos kasutatuna võimaldavad aine tuvastamist palju täpsemalt kui kumbki eraldi kasutatav seade. Konkreetse molekuli täpset identifitseerimist ei ole võimalik teha ainult gaasikromatograafia või massispektromeetria abil. Massispektromeetria protsess nõuab tavaliselt väga puhast proovi. Varem kasutati gaasikromatograafias muid detektoreid, näiteks leekionisatsioonidetektorit. Need detektorid ei suuda eristada erinevaid molekule, mille läbimine läbi kolonni juhtub võtma sama palju aega. (Kui kahel erineval molekulil on sama peetumisaeg, siis nimetatakse neid "kooseluteeruvateks"). Kooselueeruvad molekulid ajavad segadusse arvutiprogrammid, mis loevad mõlema molekuli jaoks ühte massispektrit.

Mõnikord võib ka kahel erineval molekulil olla sarnane ioniseeritud fragmentide muster massispektromeetris (massispekter). Kahe protsessi kombineerimine vähendab vea võimalust. On äärmiselt ebatõenäoline, et kaks erinevat molekuli käituvad nii gaasikromatograafis kui ka massispektromeetris ühtemoodi. Seetõttu, kui massispektri puhul on tegemist huvipakkuva analüüdiga, saab selle spektri retentsiooniaega võrrelda GC iseloomuliku retentsiooniajaga, et suurendada kindlustunnet, et analüüdi on proovis.

Massispektromeetri detektorite tüübid

Kõige tavalisem GC-ga seotud MS-tüüp on kvadrupoolne massispektromeeter. Hewlett-Packard (praegu Agilent) turustab seda kaubanime "Mass Selective Detector" (MSD) all. Teine suhteliselt levinud detektor on ioonilõksuga massispektromeeter. Lisaks võib leida magnetilise sektori massispektromeetri. Need konkreetsed seadmed on siiski kallid ja mahukad ning neid ei leidu tavaliselt suure läbilaskevõimega teeninduslaboratooriumides. Kasutatakse ka muid detektoreid, näiteks lennuajal põhinevaid detektoreid (TOF), tandem-kvadrupooli (MS-MS) (vt allpool) või ioonilõksuga MS ⁿ. N tähistab massispektromeetria etappide arvu.

Massispektromeetrit kasutatakse tavaliselt kahel viisil: Täielik skaneerimine või selektiivne ioonide jälgimine (SIM). Tüüpiline GC-MS võib töötada kas üksinda või mõlemal viisil korraga.

Täielik skaneerimine MS

Andmete kogumisel täieliku skaneerimise režiimis valitakse massifragmentide sihtvaldkond ja sisestatakse seadme meetodisse. Tüüpiline jälgitav massfragmentide lai vahemik on näiteks m/z 50 kuni m/z 400. Kasutatava vahemiku kindlaksmääramine sõltub suures osas sellest, mida proovis eeldatavasti leidub, arvestades samal ajal lahustit ja muid võimalikke häireid. Kui MS otsib väga madala m/z-ga massifragmente, võib see tuvastada õhku või muid võimalikke segavaid tegureid. Suure skaneerimisulatuse kasutamine vähendab seadme tundlikkust. Seade teeb vähem skaneerimisi sekundis, sest iga skaneerimine võtab rohkem aega, et tuvastada laiemat massifragmentide vahemikku.

Täielik skaneerimine on kasulik tundmatute ühendite määramiseks proovis. See annab rohkem teavet kui SIM, kui tegemist on proovis sisalduvate ühendite kinnitamise või eraldamisega. Enamikku seadmeid juhib arvuti, mis töötab arvutiprogrammiga, mida nimetatakse "seadme meetodiks". Seadme meetod kontrollib GC temperatuuri, MS-skaneerimiskiirust ja tuvastatavate fragmentide suuruse vahemikku. Kui keemik töötab välja seadme meetodit, saadab keemik katselahused läbi GS-MS-i täiskaalumisrežiimis. See kontrollib GC retentsiooniaega ja massifragmentide sõrmejälge enne SIM-meetodile üleminekut. Spetsialiseeritud GC-MS-seadmetel, näiteks lõhkeainete detektoritel, on seadme meetod juba tehases ette laetud.

Valitud ioonide seire

Valitud ioonide seire (SIM) puhul keskendub seadme meetod teatud ioonifragmentidele. Massispektromeeter tuvastab ainult need massifragmendid. SIMi eelised seisnevad selles, et avastamispiir on madalam, kuna seade vaatleb iga skaneerimise ajal ainult väikest arvu fragmente (nt kolm fragmenti). Igal sekundil võib toimuda rohkem skaneerimisi. Kuna jälgitakse ainult mõnda huvipakkuvat massifragmenti, on maatriksi häired tavaliselt väiksemad. Positiivse tulemuse õige lugemise tõenäosuse parandamiseks on erinevate massifragmentide ioonisuhted võrreldavad tuntud standardiga.

Ioniseerimise tüübid

Pärast seda, kui molekulid läbivad kolonni pikkuse, läbivad ülekandeliini ja sisenevad massispektromeetrisse, ioniseeritakse nad erinevate meetoditega. Tavaliselt kasutatakse korraga ainult ühte ionisatsioonimeetodit. Kui proov on killustunud, siis tuvastatakse see tavaliselt elektronkordisti dioodi abil. Diood käsitleb ioniseeritud massifragmenti nagu elektrilist signaali, mis seejärel tuvastatakse.

Keemikud valivad ionisatsioonitehnika eraldi sellest, kas nad valivad Full Scan või SIM-monitooringu.

Elektronide ionisatsioon

Kõige tavalisem ionisatsioonitüüp on elektronionisatsioon (EI). Molekulid sisenevad MS-i (allikaks on kvadrupool või ioonilõksu MS-i puhul ioonilõksu ise), kus neid tabavad vabad elektronid, mis emiteeritakse hõõgniidist. See on nagu tavalises hõõglambis olev hõõgniit. Elektronid tabavad molekule, põhjustades molekuli killustumist iseloomulikul viisil, mida saab korrata. Selle "kõva ioniseerimise" tehnika tulemusel tekib rohkem väikese massi ja laengu suhtega (m/z) fragmente. EI puhul on vähe või üldse mitte, kui üldse, fragmente, mille mass on originaalmolekuli massi lähedal. Keemikud peavad kõva ioniseerimist elektronide tulistamiseks proovimolekulidesse. Seevastu "pehme ioniseerimine" on laengu asetamine proovimolekulile, tabades seda sissetoodud gaasiga. Molekuli fragmenteerumise muster sõltub süsteemi rakendatud elektronide energiast, mis on tavaliselt 70 eV (elektronvolt). 70 eV kasutamine aitab võrrelda testproovist genereeritud spektreid teadaolevate raamatukogu spektritega. (Raamatukogu spektrid võivad pärineda tootja poolt pakutavast tarkvarast või riikliku standardite instituudi (NIST-USA) poolt välja töötatud tarkvarast). Tarkvara otsib raamatukogu spektreid, kasutades sobitusalgoritmi, näiteks tõenäosuspõhist sobitamist või punkt-produkti sobitamist. Paljud meetodite standardimisasutused kontrollivad nüüd neid algoritme ja meetodeid, et tagada nende objektiivsus.

Keemiline ionisatsioon

Keemilise ioniseerimise (CI) puhul pannakse massispektromeetrisse reaktiivgaas, tavaliselt metaan või ammoniaak. CI on kahte tüüpi: positiivne CI või negatiivne CI. Mõlemal juhul reageerib reaktiivgaas elektronide ja analüüdiga ning põhjustab huvipakkuva molekuli "pehme" ionisatsiooni. Pehmem ionisatsioon fragmenteerib molekuli vähem kui EI kõva ionisatsioon. Keemikud eelistavad CI-d EI-le. Seda seetõttu, et CI tekitab vähemalt ühe massifragmendi, mille mass on peaaegu sama suur kui huvipakkuva analüüdi molekulmass.

Positiivne keemiline ioniseerimine

Positiivse keemilise ioniseerimise (PCI) puhul reageerib reaktiivgaas sihtmolekuliga, enamasti prootonivahetusega. See tekitab iooniliike suhteliselt suurtes kogustes.

Negatiivne keemiline ioniseerimine

Negatiivse keemilise ioniseerimise (NCI) puhul vähendab reaktiivgaas vabade elektronide mõju sihtanalüüdile. See vähenenud energia jätab tavaliselt fragmendi suure varu. (Fragmendid ei purune edasi.)

Suuline tõlge

Mõõteseadme analüüsi esmane eesmärk on mõõta aine kogust. Selleks võrreldakse aatommasside suhtelisi kontsentratsioone genereeritud massispektris. Võimalik on kahte liiki analüüs, võrdlevat ja algset analüüsi. Võrdleva analüüsi puhul võrreldakse antud spektrit sisuliselt spektriraamatukoguga, et näha, kas selle omadused esinevad mõne teadaoleva proovi puhul spektriraamatukogus. Seda on kõige parem teha arvuti abil, sest skaala erinevuste tõttu võib esineda palju visuaalseid moonutusi. Arvutid saavad ka rohkem andmeid (näiteks GC abil tuvastatud retentsiooniaegu) korreleerida, et teatud andmeid täpsemalt seostada.

Teine analüüsimeetod mõõdab piike üksteise suhtes. Selle meetodi puhul määratakse kõrgeim tipp 100 %-le. Teistele piikidele antakse väärtus, mis on võrdne piigi kõrguse ja kõrgeima piigi kõrguse suhtega. Kõik väärtused, mis on suuremad kui 3%, määratakse. Tundmatu ühendi kogumass märgitakse tavaliselt lähtepiigi järgi. Selle lähtepiigi väärtust saab kasutada keemilise valemi sobitamiseks, mis sisaldab mitmesuguseid elemente, mida arvatakse ühendis olevat. Isotoopide muster spektris on ainulaadne elementide puhul, millel on palju isotoope. Seega saab seda kasutada ka erinevate esinevate elementide identifitseerimiseks. See ütleb tundmatu molekuli üldise keemilise valemi. Kuna molekuli struktuur ja sidemed lagunevad iseloomulikul viisil, saab neid tuvastada piikide masside erinevuse põhjal. Identifitseeritud molekuli struktuur peab olema kooskõlas GC-MS-i poolt registreeritud karakteristikutega. Tavaliselt tehakse see identifitseerimine automaatselt seadmega kaasas olevate arvutiprogrammide abil. Need programmid võrdlevad spektreid teadaolevate ühendite raamatukoguga, millel on sama nimekiri elementidest, mis võivad proovis esineda.

"Täieliku spektri" analüüsis võetakse arvesse kõiki spektri "piike". Kuid selektiivne ioonide seire (SIM) jälgib ainult valitud piike, mis on seotud konkreetse ainega. Keemikud eeldavad, et teataval retentsiooniajal on teatavale ühendile iseloomulik ioonide kogum. SIM on kiire ja tõhus analüüs. SIM töötab kõige paremini, kui analüütikul on proovi kohta varasem teave või kui ta otsib ainult mõnda konkreetset ainet. Kui antud gaasikromatograafilise piigi ioonide kohta kogutud teabe hulk väheneb, suureneb analüüsi tundlikkus. Seega võimaldab SIM-analüüs tuvastada ja mõõta väiksemat kogust ühendit. Kuid kindlus selle ühendi identiteedi suhtes väheneb.

GC-tandem MS

Kui lisatakse teine faas massifragmenteerimiseks, näiteks kasutades teist kvadrupooli kvadrupoolseadmes, nimetatakse seda tandem-MS (MS/MS). MS/MS sobib hästi sihtühendite madala taseme mõõtmiseks proovis, mille maatriksis on huvipakkuvad taustühendid.

Esimene kvadrupool (Q1) on ühendatud kokkupõrkeelemendi (q2) ja teise kvadrupooliga (Q3). Mõlemat kvadrupooli võib kasutada skaneerivas või staatilises režiimis, sõltuvalt kasutatava MS/MS-analüüsi tüübist. Analüüsitüübid on tooteioonide skaneerimine, eelkursoriioonide skaneerimine, valitud reaktsiooni jälgimine (SRM) ja neutraalsete kadude skaneerimine. Näiteks: Kui Q1 on staatilises režiimis (vaadeldakse ainult ühte massi nagu SIMi puhul) ja Q3 on skaneerimisrežiimis, saadakse nn tooteioonide spekter (mida nimetatakse ka "tütrispektriks"). Sellest spektrist saab valida silmapaistva tooteiooni, mis võib olla valitud lähteiooni tooteiooniks. Seda paari nimetatakse "üleminekuks" ja see on SRM-i aluseks. SRM on väga spetsiifiline ja kõrvaldab peaaegu täielikult maatriksifooni.

Keskkonnaseire ja puhastamine

Paljud keemikud usuvad, et GC-MS on parim vahend orgaaniliste saasteainete seireks keskkonnas. GC-MS-seadmete maksumus on palju vähenenud. Samal ajal on GC-MS-i usaldusväärsus suurenenud. Mõlemad parandused on suurendanud kasutamist keskkonnauuringutes. Mõned ühendid, nagu teatavad pestitsiidid ja herbitsiidid, ei ole GS-MSiga tuvastatavad. Need on liiga sarnased teiste sarnaste ühenditega. Kuid enamiku keskkonnaproovide, sealhulgas paljude peamiste pestitsiidiklasside orgaaniliste ainete analüüsiks on GC-MS väga tundlik ja tõhus.

Kriminalistika

GC-MS võib analüüsida inimkeha osakesi, et aidata siduda kurjategijat kuriteoga. Seadus aktsepteerib GC-MS-i kasutamist tulekahjujäätmete analüüsimiseks. Tegelikult on Ameerika Katsematerjalide Ühingul (ASTM) olemas standard tulekahjujäätmete analüüsiks. GCMS/MS on siinkohal eriti kasulik, kuna proovid sisaldavad sageli väga keerulisi matriksid ja kohtus kasutatavad tulemused peavad olema väga täpsed.

Õiguskaitse

GC-MS-i kasutatakse ebaseaduslike narkootikumide avastamiseks ja see võib lõpuks asendada narkokoerad. Seda kasutatakse tavaliselt ka kohtuekspertiisi toksikoloogias. See aitab leida narkootikume ja/või mürke bioloogilistes proovides, mis on võetud kahtlustatavatelt, ohvritelt või surnukehalt.

Turvalisus

Pärast 11. septembri 2001. aasta terrorirünnakuid on lõhkeainete avastamise süsteemid saanud osaks kõikides USA lennujaamades. Need süsteemid töötavad mitmesuguste tehnoloogiate abil, millest paljud põhinevad GC-MSil. FAA on sertifitseerinud ainult kolm tootjat, kes pakuvad neid süsteeme. Esimene neist on Thermo Detection (endine Thermedics), kes toodab EGISi, GC-MS-põhist lõhkeainete detektorit. Teine on Barringer Technologies, mis nüüd kuulub Smith's Detection Systems'ile. Kolmas on Ion Track Instruments (osa General Electric Infrastructure Security Systems'ist).

Toiduainete, jookide ja parfüümide analüüs

Toidud ja joogid sisaldavad palju aromaatseid ühendeid, millest osa on looduslikult tooraines ja osa moodustub töötlemise käigus. GC-MS-i kasutatakse laialdaselt nende ühendite analüüsimiseks, mille hulka kuuluvad estrid, rasvhapped, alkoholid, aldehüüdid, terpeenid jne. Seda kasutatakse ka riknenud või võltsitud saasteainete tuvastamiseks ja mõõtmiseks, mis võivad olla kahjulikud. Saasteaineid, näiteks pestitsiide, kontrollivad sageli valitsusasutused.

Astrokeemia

Mitmed GC-MS on maalt lahkunud. Kaks neist läksid Marsile Viking-programmi raames. Venera 11 ja 12 ning Pioneer Venus analüüsisid Veenuse atmosfääri GC-MSiga. Cassini-Huygensi missiooni Huygens sond maandas ühe GC-MSi Saturni suurimale kuule Titanile. Rosetta missioon analüüsib 2014. aastal komeedi 67P/Churyumov-Gerasimenko materjali kiraalse GC-MS-iga.

Meditsiin

GC-MS kasutatakse vastsündinute sõeltestides. Nende testidega saab leida kümneid kaasasündinud ainevahetushaigusi (tuntud ka kui kaasasündinud ainevahetusvead). GC-MS võimaldab määrata uriinis olevaid ühendeid isegi väga väikestes kogustes. Neid ühendeid tavaliselt ei esine, kuid need esinevad ainevahetushäiretega inimestel. See on muutumas üldlevinud viisiks IEMi diagnoosimiseks, et diagnoosida ja alustada ravi varem. See toob lõpuks kaasa parema tulemuse. Nüüd on võimalik kontrollida vastsündinut üle 100 geneetilise ainevahetushäire suhtes sünni ajal tehtud uriiniprooviga, mis põhineb GC-MS-il.

GC-MS-i kasutatakse koos metaboolsete ühendite isotoopide märgistamisega metaboolse aktiivsuse määramiseks. Enamik rakendusi põhineb ¹³C-märgistuse kasutamisel ja ¹³C-¹² C-suhete mõõtmisel isotoopide suhte massispektromeetriga (IRMS). IRMS on massispektromeeter koos detektoriga, mis on ette nähtud mõne valitud iooni mõõtmiseks ja väärtuste tagastamiseks suhtarvudena.