Fizzy Extraktion von flüchtigen organischen Verbindungen kombiniert mit atmosphärischem Druck Chemische Ionisation Quadrupol Massenspektrometrie

Zusammenfassung

Fizzy Extraktion ist eine neue Labortechnik zur Analyse von flüchtigen und semivolatilen Verbindungen. Ein Trägergas wird in der flüssigen Probe durch Aufbringen von Überdruck und Rühren der Probe gelöst. Die Probenkammer wird dann dekomprimiert. Die Analyt-Spezies werden durch Aufschäumen in die Gasphase freigesetzt.

Zusammenfassung

Die chemische Analyse von flüchtigen und semivolatilen Verbindungen, die in flüssigen Proben gelöst sind, kann herausfordernd sein. Die gelösten Komponenten müssen in die Gasphase gebracht und effizient auf ein Nachweissystem übertragen werden. Fizzy Extraktion nutzt das Sprudel Phänomen. Zuerst wird ein Trägergas (hier Kohlendioxid) in der Probe durch Aufbringen von Überdruck und Rühren der Probe gelöst. Zweitens wird die Probenkammer abrupt dekomprimiert. Die Dekompression führt zur Bildung zahlreicher Trägergasblasen in der Probenflüssigkeit. Diese Blasen unterstützen die Freisetzung der gelösten Analytspezies von der Flüssigkeit zur Gasphase. Die freigesetzten Analyten werden sofort auf die atmosphärische Druck-chemische Ionisationsschnittstelle eines Triple-Quadrupol-Massenspektrometers übertragen. Die ionisierbaren Analytspezies führen im Zeitbereich zu massenspektrometrischen Signalen. Denn die Freisetzung der Analyt-Spezies erfolgt über kurze Zeiträume (wenige SekOns) haben die zeitlichen Signale hohe Amplituden und hohe Signal-Rausch-Verhältnisse. Die Amplituden und Bereiche der zeitlichen Peaks können dann mit Konzentrationen der Analyten in den flüssigen Proben, die einer Fizzy-Extraktion unterworfen werden, korreliert werden, was eine quantitative Analyse ermöglicht. Die Vorteile der Fizzy-Extraktion sind: Einfachheit, Geschwindigkeit und begrenzte Verwendung von Chemikalien (Lösungsmittel).

Einleitung

Verschiedene Phänomene, die in der Natur und im Alltag beobachtet werden, sind mit Gas-Flüssigphasen-Äquilibriums verbunden. Kohlendioxid wird in weichen und alkoholischen Getränken unter erhöhtem Druck aufgelöst. Wenn eine Flasche eines solchen kohlensäurehaltigen Getränks geöffnet wird, fällt der Druck ab, und Gasblasen eilen auf die flüssige Oberfläche. In diesem Fall verbessert das Aufschäumen die organoleptischen Eigenschaften von Getränken. Die Freisetzung von Gasblasen ist auch die Hauptursache für Dekompressionskrankheit ("die Biegungen") ¹ . Durch plötzliche Dekompression bilden sich Blasen in Taucherkörper. Die Personen, die an der Dekompressionskrankheit leiden, werden in hyperbaren Kammern behandelt.

Gasbläschen haben verschiedene Anwendungen in der analytischen Chemie. Bemerkenswert ist, dass die Sparging-Methoden auf das Durchleiten von Gasblasen durch flüssige Proben angewiesen sind, um flüchtige Verbindungen zu extrahieren ² . Beispielsweise wird eine Methode mit der Bezeichnung "purge-closed loop" mit der Gaschromatographie kombiniert, um eine schnelle Analyse von di zu ermöglichenUngelöste flüchtige Bestandteile ³ . Während Sparging kann kontinuierlich extrahieren flüchtige über die Zeit, es beschränkt sie nicht in Raum oder Zeit. Die freigesetzten Gasphasenspezies müssen gefangen werden und - in einigen Fällen - durch Anwendung eines Temperaturprogramms oder unter Verwendung von Sorptionsmitteln konzentriert werden. So besteht die Notwendigkeit, neue Online-Behandlungsstrategien einzuführen, die die Anzahl der Schritte reduzieren und gleichzeitig die flüchtigen Analyten im Raum oder in der Zeit konzentrieren können.

Um die Herausforderung zu lösen, flüchtige Verbindungen aus flüssigen Proben zu extrahieren und Analysen on-line durchzuführen, haben wir vor kurzem "Fizzy Extraction" ^{4 eingeführt} . Diese neue Technik nutzt das Eindringen Phänomen. Kurz gesagt wird ein Trägergas (hier Kohlendioxid) zuerst in der Probe durch Aufbringen von Überdruck und Rühren der Probe gelöst. Dann wird die Probenkammer plötzlich dekomprimiert. Die plötzliche Dekompression führt zur Bildung zahlreicher Trägergasblasen In der Probenflüssigkeit. Diese Blasen unterstützen die Freisetzung von gelösten Analytspezies von der Flüssigkeit in die Gasphase. Die freigegebenen Analyten werden sofort auf das Massenspektrometer übertragen und erzeugen im Zeitbereich Signale. Da die Freisetzung der Analyt-Spezies auf eine kurze Zeitspanne (wenige Sekunden) beschränkt ist, weisen die zeitlichen Signale hohe Amplituden und hohe Signal-Rausch-Verhältnisse auf.

Die Drücke, die an dem Fizzy-Extraktionsprozess beteiligt sind, sind sehr niedrig (~ 150 kPa) ⁴ ; Viel niedriger als bei der überkritischen Flüssigkeitsextraktion ⁵ ( zB ≥10 MPa). Die Technik erfordert nicht die Verwendung von speziellen Verbrauchsartikeln (Säulen, Patronen). Für die Verdünnung und Reinigung werden nur geringe Lösungsmittel verwendet. Die Extraktionsvorrichtung kann von Chemikern mit mittleren technischen Fähigkeiten mit weit verbreiteten Teilen ^{4 zusammengebaut werden} ; Zum Beispiel Open-Source-Elektronikmodule"> 6 ^{, 7.} Fizzy-Extraktion kann online mit modernen Massenspektrometern gekoppelt werden, die mit einer atmosphärischen Druck-chemischen Ionisations- (APCI) -Schnittstelle ausgestattet sind. Da Gasphasen-Extrakte auf die Ionenquelle übertragen werden, ist der Betrieb der Fizzy-Extraktion im Wesentlichen nicht anfällig Teile des Massenspektrometers.

Der Zweck dieses visualisierten Experiment Artikels ist es, die Zuschauer auf, wie man fizzy Extraktion in einer einfachen analytischen Aufgabe zu implementieren. Während der Kern des Fizzy-Extraktionssystems wie in unserem vorherigen Bericht ^{4 beschrieben ist} , wurden mehrere Verbesserungen eingeführt, um den Betrieb einfacher zu machen. Ein Mikrocontroller, der mit einem LCD-Bildschirm ausgestattet ist, wurde in das System integriert, um die Schlüsselabzugsparameter in Echtzeit anzuzeigen. Alle Funktionen sind in den Mikrocontroller-Skripten programmiert, und es ist nicht mehr nötig, einen externen Rechner auf c zu verwendenOntrol das Extraktionssystem.

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Protokoll

Dieses Protokoll setzt voraus, dass alle Schritte nach den einschlägigen Laborsicherheitsvorschriften durchgeführt werden. Einige der Schritte verwenden kommerzielle Instrumente - in diesen Fällen müssen die Herstellerrichtlinien beachtet werden. Bei der Handhabung von toxischen Chemikalien müssen MSDS-Richtlinien beachtet werden. Die maßgeschneiderte Ausrüstung ⁴ muss vorsichtig betrieben werden; Insbesondere bei der Handhabung von Druckgasen und der elektrischen Verdrahtung.

1. Vorbereitung der Standardlösung

1. 6,2 x 10 & supmin; ^² M Stammlösung von Limonen in Ethanol durch Mischen von 10 & mgr; l Limonen mit 990 & mgr; l Ethanol zubereiten.
2. Herstellung von 10 ml von 6,2 × 10 ^-5 M Limonen - Lösung durch Mischen von 10 & mgr; l 6,2 x 10 ^-2 Limonen, 490 & mgr; L Ethanol und Zugabe von reinem Wasser auf das Endvolumen von 10 mL. Schütteln Sie den Messkolben gründlich.
3. Übertragen Sie die vorbereitete Standardlösung auf eine 20-ml-Schrauboberflächen-Glasfläschchen mit SeptuM Kappe Die verdünnte Standardlösung kann zum Testen des Systems verwendet werden.

2. Vorbereitung der realen Probe

1. Erhalten Sie Limettensaft, indem Sie frische Limettenfrucht (Schnitt in der Hälfte) auf eine Küchenpresse drücken.
2. 10 ml verdünnter Limettensaft durch Mischen von 2 ml Kalksaft, 500 ul Ethanol und Zugabe von reinem Wasser zum Endvolumen von 10 ml zubereiten. Schütteln Sie den Messkolben gründlich.
3. Übertragen Sie die vorbereitete Probe auf eine 20-ml-Schraubdeckel-Schaftglas-Durchstechflasche mit Septumkappe.

3. Spiking der realen Probe mit Standardlösung

1. Erste Standardzusatz: 10 ml Stachelprobe durch Mischen von 2 mL Limettensaft, 10 μl 6,2 x 10 ^-2 M Limonenlösung, 490 μl Ethanol und Zugabe von reinem Wasser zum Endvolumen von 10 mL vorbereiten. Schütteln Sie den Messkolben gründlich.
2. Zweite Standardzusatz: 10 mL Stachelprobe durch Mischen von 2 mL Limettensaft, 20 μl 6,2 x 10 ^-2 M Limonen zubereitenE-Lösung, 480 μl Ethanol und Zugabe von reinem Wasser zum Endvolumen von 10 ml. Schütteln Sie den Messkolben gründlich.

4. Einrichten des Fizzy Extraction Systems

1. Setzen Sie das Fizzy-Extraktionssystem ( Abbildung 1 ) ⁴ neben die APCI-Quelle des Triple-Quadrupol-Massenspektrometers.
2. Verbinden Sie die Kohlendioxid-Gasflasche mit dem Gaszufuhr-Einlass des Fizzy-Extraktionssystems. Öffnen Sie das Ventil im Gasregler. Stellen Sie den Ausgangsdruck auf 1,5 bar (150 kPa) ein.
3. Verbinden Sie den Auslasskammerauslass mit dem Ionenquelleneingang.
4. Verbinden Sie das Fizzy-Extraktionssystem mit dem 12-V-Netzteil.
5. Richten Sie die Datenerfassungssoftware des Triple Quadrupol Massenspektrometers ein ( Abbildung 2 ). Betreiben Sie das Instrument mit der APCI-Quelle, in der positiven Ionen-Mehrfachreaktionsüberwachung (MRM) -Modus, mit Argon als KollisionGas.
   1. Führen Sie die Datenerfassungssoftware aus.
   2. Wählen Sie die Option "Nur LCMS8030".
   3. Wählen Sie die Option "MS On / Off".
   4. Stellen Sie die Temperatur der Desolvationslinie auf 250 ° C und die Durchflussmenge des Trocknungsgases auf 15 L min ^{-1 ein} . Warten Sie, bis der Wert jedes Instrumentparameters mit dem voreingestellten Wert übereinstimmt.
   5. Wählen Sie die MS-Datenerfassungsmethode aus.
   6. Stellen Sie sicher, dass die Kollisionsspannung -20 V beträgt, das Vorläufer-Ion m / z 137 ist und das Fragment-Ion m / z 81 und 95 ist
   7. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Einzellauf starten".
   8. Geben Sie den Dateinamen ein.
   9. Wählen Sie den Dateipfad aus.
   10. Gehe zu Abschnitt 5 ("Fizzy-Extraktion ausführen").
   11. Wählen Sie die Option "MS On / Off".
   12. Schließen Sie das Softwarefenster.
   13. Zutreffendes ankreuzen "Zerstören Sie Gas aus", "DL Heater aus", "Heat Block Off" und "Dry Gas Off". OK klicken&# 34 ;.

5. Fizzy-Extraktion durchführen

1. Legen Sie eine Probenfläschchen in die fizzy Extraktion System mit der Schraube montieren. Das Extraktionssystem wird bei Raumtemperatur (~ 25 ° C) betrieben.
2. Drücken Sie die Taste "Start" auf dem LCD-Schild des Fizzy-Extraktionssystems.
3. Warten Sie, bis der automatisierte Fizzy-Extraktionsprozess ausgeführt wird ( Abbildung 3 ). Beobachten Sie die Entwicklung von Ionensignalen auf dem Bildschirm des Triple-Quadrupol-Massenspektrometers.
   HINWEIS: Die folgenden Schritte werden automatisch ausgeführt: Beispiel-Headspace wird mit Kohlendioxid während 60 s gespült. Die Probe wird während 60 s mit Kohlendioxid beaufschlagt. Rührermotor ist eingeschaltet. Die Probe ist drucklos. Mehrere Blasen werden gebildet. In der späteren Phase ist der Rührermotor zur Verbesserung der Blasenbildung.
4. Herausnehmen (abschrauben) der Probenfläschchen.
5. Die Rührspindel mit Zellstoffgewebe abwischen.
6. Das Rühren spMit Ethanol einfüllen und mit Zellstoffgewebe wieder abwischen.
7. Das System ist zur Analyse einer weiteren Probe bereit (wiederholen Sie die Schritte 5.1-5.6).
8. Schalten Sie die Stromversorgung aus.
9. Trennen Sie das Fizzy-Extraktionsauslassrohr von der Ionenquelle.
10. Schließen Sie das Ventil der Gasflasche und trennen Sie den Gasschlauch.

6. Datenanalyse

1. Exportieren Sie extrahierte Ionenströme für die m / z 81 aus der Datenerfassungssoftware des Triple Quadrupol Massenspektrometers in ASCII-Dateien ( Abbildung 4 ).
   HINWEIS: Der Ionenstrom bei der m / z 95 wird bei dieser Demonstration nicht verwendet.
   1. Führen Sie die Datenerfassungssoftware aus. Wählen Sie die Option "Postrun".
   2. Wählen Sie die Option "Projekt auswählen (Ordner)" und wählen Sie die Datendatei aus.
   3. Klicken Sie auf das Menü "Datei" und wählen Sie "Daten exportieren" / "Daten als ASCII exportieren".
   4. Wählen " "Ausgabedatei" und wählen Sie den Dateipfad aus. Wählen Sie "MS Chromatogramm (MC)".
2. Importieren Sie die Rohdatensätze in Peak-Integrationssoftware und messen Sie Peak-Bereiche ( Abbildung 5 ). Einstellungen: lineare Grundlinie; HVL-Funktion.
   1. Führen Sie die Peak Integration Software.
   2. Wählen Sie im Menü "Datei" die Option "Importieren". Klicken Sie auf die Schaltfläche "Ja".
   3. Wählen Sie die Daten in der Spalte X und Y aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche "OK". Wählen Sie die Option "AutoFit Peaks I Residuals".
   4. Bringen Sie die Extraktionsspitze halbautomatisch an. Vergewissern Sie sich, dass die eingepasste Kurve den experimentellen Datenpunkten folgt. Wählen Sie die Option "Peak Estimates". Wählen Sie die Option "ASCII-Editor".
   5. Kopiere die passenden Ergebnisse in "Zwischenablage".
3. Geben Sie die gemessenen Peak-Bereiche in eine Tabellenkalkulation in der Datenanalyse-Software ein ( Abbildung 6 ).
   1. Führen Sie die Datenanalyse-Software aus.
   2. Geben Sie die Konzentrationswerte in X-Spalten- und Peak-Flächen-Werten in Y-Spalte ein. Wählen Sie im Menü "Plot" die Option "Symbol" / "Scatter". Wählen Sie im Menü "Analyse" die Option "Anpassen" / "Linear anpassen".
4. Berechnen Sie die Konzentration von Limonen in der verdünnten realen Probe, basierend auf der Formel:
   
   Wo ich die Abgrenzung der linearen Funktion ist, während S die Steigung ist.
5. Berechnen Sie die Konzentration von Limonen in der ursprünglichen realen Probe (vor der Verdünnung), basierend auf der Formel:
   
   Wobei DF der Verdünnungsfaktor ist (hier 5).

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Ergebnisse

Zu Beginn wird das Fizzy-Extraktionssystem mit einer Standardlösung getestet. Anschließend werden die eigentliche Probe und die echte Probe mit dem Standard analysiert. Die Bereiche der zeitlichen Peaks von Extraktionsereignissen korrelieren mit Konzentrationen der Analyten in den flüssigen Proben, die einer Fizzy-Extraktion unterworfen werden, was eine quantitative Analyse ermöglicht. Hier haben wir doppelte Standard-Addition durchgeführt, um quantitative Fähigkeiten der Technik z...

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Diskussion

In den in den letzten drei Jahrzehnten durchgeführten Studien wurden mehrere intelligente Wege zur Probenahme an ein Massenspektrometer entwickelt ( z. B. Referenzen ^{8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} ). Eines der Ziele dieser Studien war es, die Vorbereitung der Proben für die...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Water	Fisher	W6212	Diluent
Ethanol	Sigma-Aldrich	32221-2.5L	Diluent
(R)-(+)-Limonene	Sigma-Aldrich	183164-100ML	Standard
Carbon dioxide	ChiaLung	n/a	Carrier gas
Cellulose tissue, Kimwipes Kimtech	Kimberly-Clark	34120	Used for cleaning
Triple quadrupole mass spectrometer	Shimadzu	LCMS-8030	Detection system
Atmospheric pressure chemical ionization interface	Shimadzu	Duis	Ion source
20-mL screw top headspace glass vial with septum cap	Thermo Fisher Scientific	D-52379	Sample vial
LabSolutions software	Shimadzu	n/a	version 5.82
PeakFit software	Systat Software	n/a	version 4.12
OriginPro software	OriginLab	n/a	version 8