Name: chromatographic fingerprinting by template matching for data collected by comprehensive two-dimensional gas chromatography
Uploaded: 2020-09-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 14 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Chromatographic Fingerprinting by Template Matching for Data Collected by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography at JoVE.com

המחקר נתמך על ידי פרוגטו אגר - פונדזיוני ברוט לכל לה רייסרקה אגרואלימנטרה. פרויקט ראשי תיבות כינור - הגבורה של מוצרי זית איטלקיים באמצעות כלים אנליטיים חדשניים (https://olivoeolio.progettoager.it/index.php/i-progetti-olio-e-olivo/violin-valorization-of-italian-olive-products-through-innovative-analytical-tools/violin-il-progetto). תוכנת GC Image זמינה עבור גירסת ניסיון ללא תשלום עבור קוראים המעוניינים להדגים ולבדוק את הפרוטוקול.

<ol>
	<li>Tranchida, P. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+of+comprehensive+chromatography+in+food+analysis.">Potential of comprehensive chromatography in food analysis.</a> Trends in Analytical Chemistry. 52, 186-205 (2013).</li><li>Cordero, C., Kiefl, J., Reichenbach, S. E., Bicchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+odorant+patterns+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography:+A+challenge+in+omic+studies.">Characterization of odorant patterns by comprehensive two-dimensional gas chromatography: A challenge in omic studies.</a> Trends in Analytical Chemistry. 113, 364-378 (2019).</li><li>Cordero, C., Kiefl, J., Schieberle, P., Reichenbach, S. E., Bicchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+and+food+sensory+properties:+potential+and+challenges.">Comprehensive two-dimensional gas chromatography and food sensory properties: potential and challenges.</a> Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407, 169-191 (2015).</li><li>Adahchour, M., Beens, J., Vreuls, R. J. J., Brinkman, U. A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+in+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+(GC+&#215;+GC)+-+Introduction+and+instrumental+set-up.">Recent developments in comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC &#215; GC) - Introduction and instrumental set-up.</a> Trends in Analytical Chemistry. 25 (5), 438-454 (2006).</li><li>Prebihalo, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidimensional+gas+chromatography:+Advances+in+instrumentation,+chemometrics,+and+applications.">Multidimensional gas chromatography: Advances in instrumentation, chemometrics, and applications.</a> Analytical Chemistry. 90 (1), 505-532 (2018).</li><li>Cordero, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Profiling+food+volatiles+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+coupled+with+mass+spectrometry:+advanced+fingerprinting+approaches+for+comparative+analysis+of+the+volatile+fraction+of+roasted+hazelnuts+(Corylus+Avellana+L.)+from+different+origins.">Profiling food volatiles by comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled with mass spectrometry: advanced fingerprinting approaches for comparative analysis of the volatile fraction of roasted hazelnuts (Corylus Avellana L.) from different origins.</a> Journal of Chromatography A. 1217, 5848-5858 (2010).</li><li>Cordero, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+and+non-targeted+approaches+for+complex+natural+sample+profiling+by+GC&#215;GC-QMS.">Targeted and non-targeted approaches for complex natural sample profiling by GC&#215;GC-QMS.</a> Journal of Chromatography Sciences. 48 (4), 251-261 (2010).</li><li>Maio, D., Maltoni, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+gray-scale+minutiae+detection+in+fingerprints.">Direct gray-scale minutiae detection in fingerprints.</a> IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 19 (1), 27-40 (1997).</li><li>Jain, A. K., Hong, L., Pankanti, S., Bolle, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+identity-authentication+system+using+fingerprints.">An identity-authentication system using fingerprints.</a> Proceedings of IEEE. 85 (9), 1365-1388 (1997).</li><li>Parsons, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tile-based+fisher+ratio+analysis+of+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+time-of-flight+mass+spectrometry+(GC+&#215;+GC-TOFMS)+data+using+a+null+distribution+approach.">Tile-based fisher ratio analysis of comprehensive two-dimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometry (GC &#215; GC-TOFMS) data using a null distribution approach.</a> Analytical Chemistry. 87 (7), 3812-3819 (2015).</li><li>Pierce, K. M., Kehimkar, B., Marney, L. C., Hoggard, J. C., Synovec, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+chemometric+analysis+techniques+for+comprehensive+two+dimensional+separations+data.">Review of chemometric analysis techniques for comprehensive two dimensional separations data.</a> Journal of Chromatography A. 1255, 3-11 (2012).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alignment+for+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+with+dual+secondary+columns+and+detectors.">Alignment for comprehensive two-dimensional gas chromatography with dual secondary columns and detectors.</a> Analytical Chemistry. 87 (19), 10056-10063 (2015).</li><li>Rempe, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effectiveness+of+global,+low-degree+polynomial+transformations+for+GCxGC+data+alignment.">Effectiveness of global, low-degree polynomial transformations for GCxGC data alignment.</a> Analytical Chemistry. 88 (20), 10028-10035 (2016).</li><li>Stilo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Untargeted+and+targeted+fingerprinting+of+extra+virgin+olive+oil+volatiles+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+with+mass+spectrometry:+challenges+in+long-term+studies.">Untargeted and targeted fingerprinting of extra virgin olive oil volatiles by comprehensive two-dimensional gas chromatography with mass spectrometry: challenges in long-term studies.</a> Journal of Agricultural and Food Chemistry. 67 (18), 5289-5302 (2019).</li><li>Reichenbach, S. E., Carr, P. W., Stoll, D. R., Tao, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Smart+templates+for+peak+pattern+matching+with+comprehensive+two-dimensional+liquid+chromatography.">Smart templates for peak pattern matching with comprehensive two-dimensional liquid chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 1216 (16), 3458-3466 (2009).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Informatics+for+cross-sample+analysis+with+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+and+high-resolution+mass+spectrometry+(GCxGC-HRMS).">Informatics for cross-sample analysis with comprehensive two-dimensional gas chromatography and high-resolution mass spectrometry (GCxGC-HRMS).</a> Talanta. 83 (4), 1279-1288 (2011).</li><li>Reichenbach, S. E., Tian, X., Cordero, C., Tao, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Features+for+non-targeted+cross-sample+analysis+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">Features for non-targeted cross-sample analysis with comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 1226, 140-148 (2012).</li><li>Latha, I., Reichenbach, S. E., Tao, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+analysis+of+peak-detection+techniques+for+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">Comparative analysis of peak-detection techniques for comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 1218 (38), 6792-6798 (2011).</li><li>Reichenbach, S. E., Tao, Q., Cordero, C., Bicchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+data-challenge+case+study+of+analyte+detection+and+identification+with+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+with+mass+spectrometry+(GC&#215;GC-MS).">A data-challenge case study of analyte detection and identification with comprehensive two-dimensional gas chromatography with mass spectrometry (GC&#215;GC-MS).</a> Separations. 6 (3), 38 (2019).</li><li>Reichenbach, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+4+Data+Acquisition,+Visualization,+and+Analysis.">Chapter 4 Data Acquisition, Visualization, and Analysis.</a> Comprehensive Analytical Chemistry. , 77-106 (2009).</li><li>Reichenbach, S. E., Ni, M., Zhang, D., Ledford, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image+background+removal+in+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography.">Image background removal in comprehensive two-dimensional gas chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 985 (1-2), 47-56 (2003).</li><li>Kratz, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Generalization+of+the+retention+index+system+including+linear+temperature+programmed+gas-liquid+partition+chromatography.">A Generalization of the retention index system including linear temperature programmed gas-liquid partition chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 11, 463-471 (1963).</li><li>NIST Mass Spectrometry Data Center. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NIST+Standard+Reference+Database+1A:+NIST/EPA/NIH+Mass+Spectral+Library+(NIST+08)+and+NIST+Mass+Spectral+Search+Program+(Version+2.0f).">NIST Standard Reference Database 1A: NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (NIST 08) and NIST Mass Spectral Search Program (Version 2.0f).</a> National Institute of Standards and Technology (NIST). , (2005).</li><li>Magagna, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+untargeted+and+targeted+fingerprinting+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography+for+volatiles+and+ripening+indicators+in+olive+oil.">Combined untargeted and targeted fingerprinting with comprehensive two-dimensional chromatography for volatiles and ripening indicators in olive oil.</a> Analytica Chimica Acta. 936, 245-258 (2016).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benchmarking+machine+learning+methods+for+comprehensive+chemical+fingerprinting+and+pattern+recognition.">Benchmarking machine learning methods for comprehensive chemical fingerprinting and pattern recognition.</a> Journal of Chromatography A. 1595, 158-167 (2019).</li><li>Ciali&#232; Rosso, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adding+extra-dimensions+to+hazelnuts+primary+metabolome+fingerprinting+by+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+combined+with+time-of-flight+mass+spectrometry+featuring+tandem+ionization:+insights+on+the+aroma+potential.">Adding extra-dimensions to hazelnuts primary metabolome fingerprinting by comprehensive two-dimensional gas chromatography combined with time-of-flight mass spectrometry featuring tandem ionization: insights on the aroma potential.</a> Journal of Chromatography A. 1614 (460739), 1-11 (2020).</li><li>Cordero, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+coupled+with+time+of+flight+mass+spectrometry+featuring+tandem+ionization:+challenges+and+opportunities+for+accurate+fingerprinting+studies.">Comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled with time of flight mass spectrometry featuring tandem ionization: challenges and opportunities for accurate fingerprinting studies.</a> Journal of Chromatography A. 1597, 132-141 (2019).</li><li>Ni, M., Reichenbach, S. E., Visvanathan, A., TerMaat, J., Ledford, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Peak+pattern+variations+related+to+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+acquisition.">Peak pattern variations related to comprehensive two-dimensional gas chromatography acquisition.</a> Journal of Chromatography A. 1086, 165-170 (2005).</li><li>Reichenbach, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliable+peak+selection+for+multisample+analysis+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">Reliable peak selection for multisample analysis with comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Analytical Chemistry. 85 (10), 4974-4981 (2013).</li><li>Markes International. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Select-EV:+The+next+Generation+of+Ion+Source+Technology.">Select-EV: The next Generation of Ion Source Technology.</a> Technical Note. , (2016).</li><li>Tao, Q., Reichenbach, S. E., Heble, C., Wu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+investigator+tools+for+finding+unique+and+common+components+in+multiple+samples+with+comprehensive+two-dimensional+chromatography.">New investigator tools for finding unique and common components in multiple samples with comprehensive two-dimensional chromatography.</a> Chromatography Today. , (2018).</li><li>Seeley, J. V., Seeley, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidimensional+gas+chromatography:+fundamental+advances+and+new+applications.">Multidimensional gas chromatography: fundamental advances and new applications.</a> Analytical Chemistry. 85 (2), 557-578 (2013).</li><li>Tranchida, P. Q., Aloisi, I., Giocastro, B., Mondello, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+state+of+comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography-mass+spectrometry+with+focus+on+processes+of+ionization.">Current state of comprehensive two-dimensional gas chromatography-mass spectrometry with focus on processes of ionization.</a> Trends in Analytical Chemistry. 105, 360-366 (2018).</li></ol>

לפרופ' סטיבן רייכנבך וד"ר צ'ינגפינג טאו יש אינטרסים כלכליים ב-GC Image, LLC. ד"ר דניאלה פרוני היא עובדת של SRA Instruments, מפיצה של GC Image באיטליה ובצרפת. ד"ר פדריקו סטילו, פרופ' קיארה קורדרו ופרופ' קרלו ביצ'י לא מצהירים על ניגודי עניינים.

הדמיה של נתוני MS ×GC-TOF היא צעד בסיסי להבנה נאותה של התוצאות שהושגו על ידי הפרדות דו-ממדיות מקיפות. עלילות תמונה עם צביעה מותאמת אישית מאפשרת לאנליסטים להעריך הבדלי תגובת גלאי ובכך את ההתפלגות הדיפרנציאלית של רכיבים לדוגמה. גישה חזותית זו משנה לחלוטין את נקודת המבט של האנליסטים על הפרשנות וההרחבה של כרומטוגרמות. צעד ראשון זה, לאחר שהובן ונ בשימוש בטוח על ידי כרומטוגרפים, פותח נקודת מבט חדשה בעיבוד נוסף.
היבט בסיסי נוסף של עיבוד נתונים הוא הנגישות למטריצת הנתונים המלאה (כלומר, נתונים ותגובות ספקטרליים של MS) עבור כל נקודות הדגימה, שכל אחת מהן תואמת לאירוע גלאי יחיד. במובן זה 2 D פסגות אינטגרציה, כךאוסף של אירועי גלאי המתאים ניתוח יחיד מייצגים צעד קריטי. בפרוטוקול הנוכחי, זיהוי פסגות דו-ממדיותמבוסס על אלגוריתם קו פרשת המים18 עם כמה התאמות הכלולות בשיפור רגישות הגילוי במקרה של תרכובות שיתוף-eluting חלקיות. כדי להפוך את התהליך הזה לספציפי יותר, יש לבצע דה-קונבולוציה, ולאמץ נהלים מתוחכמים יותר. הדבר אפשרי על-ידי ביצוע זיהוי שיא יון עבור נתוני MS; האלגוריתם מעבד את מערך הנתונים ומבודד את התגובה מניתוח יחיד המבוסס על פרופילים ספקטרליים19,31.
שלב חשוב אך קריטי של הפרוטוקול, ושל כל תהליך פרשנות נתונים GC×GC-MS, מתייחס לזיהוי אנליטים. הליך זה, המוצע בשלבים 8 ו -9, בהיעדר ניתוח מאשר עם סטנדרטים אותנטיים, חייב להתבצע בקפידה על ידי האנליסט. פעולות אוטומטיות זמינות בכל תוכנה מסחרית; הם כוללים הערכת דמיון לחתימה ספקטרלית של MS מול ספקטרום הייחוס שנאסף (כלומר, ספריות ספקטרליות) והערכת יחסי מאפיינים בין יונים מזהים/מכמתים. עם זאת, נדרשים קריטריונים מאשרים נוספים כדי להסיק זיהוי של isomers. הפרוטוקול מציע אימוץ מדדי שמירה ליניאריים כדי לתעדף את רשימת המועמדים; המגבלה כאן מתייחסת לזמינות של נתוני שמירה ולעקביות שלהם.
המאפיין העיקרי שהופך גישה זו לייחודית הוא התאמת תבנית12,13,15,29. התאמת תבניות מאפשרת זיהוי תבניות דו-ממדיבצורה יעילה, ספציפית ואינטואיטיבית מאוד. ניתן להגדיר אותו, במונחים של רגישות וספציפיות, על-ידי החלת ערכי סף ו/או פונקציות אילוץ מותאמים אישית בעוד האנליסט יכול לפקח על ההליך על-ידי אינטראקציה פעילה עם פרמטרי פונקציית שינוי צורה. הייחודיות של תהליך זה מסתמכת על האפשרות ליישר מידע פסגות ממוקדות ולא ממוקדות בין דגימות של אצווה אחידה, אלא גם בין דגימות שנרכשו באותם תנאים נומינליים למרות חוסר התאמה בינוני עד חמור. היתרונות של פעולה זו מתייחסים לאפשרות לשמר את כל זיהויי הניתוחים הממוקדים, שהיא משימה שגוזלת זמן רב עבור האנליסט, ואת כל המטה-נתונים שנשמרו עבור פסגות ממוקדות ולא ממוקדות מהפעלות פירוט קודמות.
התאמת תבניות היא גם יעילה מאוד במונחים של זמן חישובי; קבצי MS נתונים ברזולוציה נמוכה מורכבים מכ- 1-2 Gb של נתונים ארוזים בעוד שניתוחי MS ברזולוציה גבוהה עשויים להגיע ל- 10-15 Gb לכל הפעלה אנליטית יחידה. התאמת תבניות אינה מעבדת את מטריצת הנתונים המלאה בכל פעם, אך בתחילה, מבצעת יישור זמן שמירה בין כרומטוגרמות באמצעות פסגות תבנית לאחר מכן, מעבדת פסגות מועמדים בתוך חלון החיפוש עבור דמיון שלהם תואם עם הפניה בתבנית. במקרה של חוסר התאמה חמור, המצב המאתגר ביותר, טרנספורמציות פולינומיאליות מסדר שני גלובליות ביצעו ביצועים טובים יותר משיטות מקומיות תוך צמצום זמן חישובי13.
עבור טכניקת GC×GC להתפשט באופן נרחב מעבר לאקדמיה ומעבדות מחקר, כלי עיבוד נתונים צריכים להקל על פעולות בסיסיות לבדיקת הדמיה וכרומטוגרמות; זיהוי של אנליטים צריך להציע את האפשרות לאמץ אלגוריתמים ונהלים סטנדרטיים (למשל, אלגוריתם חיפוש NIST וכיול IT); וניתוח חוצה השוואתי צריך להיות אינטואיטיבי, יעיל ונתמך על ידי כלים אינטראקטיביים. הגישה המוצעת עונה על צרכים אלה תוך הצעת אפשרויות וכלים מתקדמים להתמודדות עם מצבים מורכבים כגון ניתוח אלוציה משותפת, כיול ניתוחים מרובים, ניתוח סוג קבוצה ויישור זיהוי מקבילי.
הספרות המוזכרת מכסה היטב תרחישים אפשריים רבים שבהם GC×GC, ובאופן כללי יותר, כרומטוגרפיה דו מימדית מקיפה, מציעים פתרונות ייחודיים ותוצאות אמינות שלא ניתן להשיג על ידי 1D-כרומטוגרפיה בניתוח ריצה אחת. 5,32,33 למרות GC×GC הוא הכלי החזק ביותר המגביר את יכולת ההפרדה ורגישות, תמיד יש מגבלות כוח ההפרדה, רגישות, ויכולות מערכתיות אחרות. ככל שהתקרבו לגבולות מערכתיים אלה, ניתוח הנתונים הופך בהדרגה לקשה יותר. לכן, המחקר והפיתוח חייבים להמשיך ולשפר את הכלים האנליטיים העומדים לרשותנו.

כרומטוגרפיית גז דו מימדית מקיפה בשילוב עם זיהוי ספקטרומטרי מסה בזמן הטיסה (GC×GC-TOF MS) היא כיום הגישה האנליטית האינפורמטיבית ביותר לאפיון כימי של דגימות מורכבות1,2,3,4,5. ב- GC×GC, עמודות מחוברות באופן סדרתי ומתממשקות על-ידי אפנן (למשל, ממשק מיקוד תרמי או מבוסס שסתום) הלכוד רכיבים מרחפים מעמודת המימד הראשון(1D) לפני הזרקתן מחדש לעמודת המימד השני (2D). פעולה זו מתבצעת בתוך פרק זמן אפנון קבוע (PM), בדרך כלל נע בין 0.5-8 שניות. על ידי אפנון תרמי, התהליך כולל לכידת קריו והתמקדות של הלהקה eluting עם כמה יתרונות עבור כוח ההפרדה הכולל.
למרות ש- GC×GC היא טכניקת הפרדה דו-ממדית, התהליך מייצר ערכי נתונים רציפים. ממיר הגלאי אנלוגי לדיגיטלי (A/D) משיג את פלט האות הכרומטוגרפי בתדר מסוים. לאחר מכן, הנתונים מאוחסנים בתבניות קנייניות ספציפיות אשר לא רק מכיל את הנתונים הדיגיטליים אלא גם מטה-נתונים קשורים (מידע אודות הנתונים). ממיר A/D המועסקים במערכות GC×GC מסייע במיפוי עוצמת האות הכרומטוגרפי למספר דיגיטלי (DN) כפונקציה של זמן בשני הממדים האנליטיים. גלאים חד-ערוציים (למשל, גלאי יינון להבות (FID), גלאי לכידת אלקטרונים (ECD), גלאי כימילומינות גופרית (SCD) מייצרים ערכים בודדים לכל זמן דגימה, ואילו גלאים רב-ערוציים (למשל, גלאי ספקטרומטרי מסה (MS)) מייצרים ערכים מרובים (בדרך כלל, על פני טווח ספקטרלי) לכל זמן דגימה לאורך הריצה האנליטית.
כדי להציג נתונים דו-ממדייםבאופן חזותי, ההרחבה מתחילה ברסטר של ערכי נתונים בודדים של תקופת אפנון (או מחזור) כעמודת פיקסלים (רכיבי תמונה המתאימים לאירועי גלאי). לאורך זמן ההפרדה הדו-ממדית (ציר Y, מלמטה למעלה) מוצגת באופן חזותי זמן ההפרדה הדו-ממדי. עמודות פיקסל מעובדות ברצף כך שה-abscissa (ציר X, משמאל לימין) מדווח על זמן הפרדתצבע 1 D. הזמנה זו מציגה את הנתונים הדו-ממדיים במערכת קואורדינטות קרטזית ימנית, כאשר פקודתהשמירה הדו-ממדית היא האינדקס הראשון למערך.
עיבוד נתונים של כרומטוגרמות דו-ממדיותמעניק גישה לרמה גבוהה יותר של מידע מאשר נתונים גולמיים, ומאפשר זיהוי שיא דו-ממדי,זיהוי שיא, חילוץ נתוני תגובה לניתוח כמותי וניתוח חוצה השוואות.
ניתן להתייחס לדפוסי השיא הדו-ממדייםכאל טביעת האצבע הייחודית של הדגימה ולזהות תרכובות כתכונות minutiae לניתוח חוצה השוואתי יעיל. גישה זו, המכונה טביעת אצבע מבוססת תבנית6,7, נוצרה בהשראת טביעת אצבע ביומטרית6. מערכות אימות טביעות אצבע ביומטריות אוטומטיות, למעשה, מסתמכות על מאפיינים ייחודיים של קצות האצבעות: bifurcations רכס וסופים, מקומיים ומופקים מחשיפות בדיו או תמונות מפורטות. מאפיינים אלה, הנקראים תכונות minutiae, הם לאחר מכן מוצלבים עם תבניות מאוחסנות זמינות8,9.
כפי שהוזכר לעיל, כל דפוס הפרדת GC×GC מורכב מפסגות דו-ממדיותהמופצות באופן רציונלי על פני מישור דו-ממדי. כל פסגה תואמת לניתוח יחיד, בעלת הפוטנציאל האינפורמטיבי שלה, וניתן להתייחס אליה כאל תכונה אחת לניתוח דפוסים השוואתי.
כאן, אנו מציגים גישה יעילה עבור טביעת אצבע כימית על ידי GC×GC-TOF MS שמציעות יינון טנדם. המטרה היא לקטלג באופן מקיף וכמותי תכונות מתוך קבוצה של כרומטוגרמות.
בהשוואה לתוכנה מסחרית קיימת או לשגרה פנימית10,11 המשתמשים בגישה של תכונות שיא, טביעת אצבע מבוססת תבנית מאופיינת בספציפיות גבוהה, יעילות וזמן חישובי מוגבל. בנוסף, יש לו גמישות מהותית המאפשרת יישור צולב של תכונות minutia (כלומר, פסגות 2D) בין כרומטוגרמות לא מיושרות באופן חמור כמו אלה שנרכשו על ידי מכשור שונה או במחקרי מסגרת ארוכים12,13,14.
הפעולות הבסיסיות של השיטה המוצעת מתוארות בקצרה כדי להנחות את הקורא להבנה טובה של מורכבות התבנית הדו-ממדיתוכוח המידע. לאחר מכן, על ידי חקירת מטריצת נתוני פלט המכשיר, מתבצע זיהוי כימי וניתוחים ממוקדים ידועים הממוקמים מעל החלל הדו-ממדי. התבנית של פסגות ממוקדות נבנית ומוחלת על סדרה של כרומטוגרמות שנרכשו באותה אצווה אנליטית. מטה-נתונים הקשורים לשעות שמירה, חתימות ספקטרליות ותגובות (מוחלטות ויחסיות) מופקים מדפוסים מיושרים מחדש של פסגות ייעודיות ומאומצים כדי לחשוף הבדלים קומפוזיציוניים בערכת המדגם.
כשלב נוסף וייחודי של התהליך, מתבצעת גם טביעת אצבע משולבת לא ממוקדת וממוקדת (UT) על כרומטוגרמות ממוקדות מראש כדי להרחיב את פוטנציאל טביעת האצבע לניתוחים ידועים ולא ידועים כאחד. התהליך מייצר תבנית UT לניתוח השוואתי מקיף באמת שניתן להפוך לאוטומטי ברובו.
כצעד אחרון, השיטה מבצעת את היישור הצולב של תכונות בשני אותות גלאי מקבילים המיוצרים באנרגיות ייחון אלקטרונים גבוהות ונמוכות (70 ו-12 eV).
הפרוטוקול די גמיש בניתוחים תומכים של כרומטוגרמה אחת או קבוצה של כרומטוגרמות ועם כרומטוגרפיה משתנה ו /או גלאים מרובים. כאן, הפרוטוקול מוצג עם חבילת תוכנות GC×GC זמינה מסחרית (ראה טבלת חומרים)המשולבת לספריית MS ותוכנת חיפוש (ראה טבלת חומרים). חלק מהכלים הדרושים זמינים בתוכנות אחרות וכלים דומים יכולים להיות מיושמים באופן עצמאי מתיאורים בספרות על ידי רייכנבך ועמיתים לעבודה15,16,17,18,19. נתונים גולמיים להדגמה נגזרים ממחקר על שמן זית כתית מעולה (EVO) שנערך במעבדת המחברים14. בפרט, השבר הנדיף (כלומר, וולטילום) של שמני EVO איטלקיים נדגם על ידי מיקרו-אקסטרציה של פאזה מוצקה (HS-SPME) ומנותח על ידי GC×GC-TOF MS כדי ללכוד טביעות אצבעות אבחון לאיכות והסמכה חושית של דגימות. פרטים על דוגמאות, תנאי דגימה והגדרה אנליטית מסופקים בטבלת החומרים.
שלבים 1-6 מתארים עיבוד מקדים של הכרומטוגרמות. שלבים 7-9 מתארים עיבוד וניתוח של כרומטוגרמות בודדות. שלבים 10-12 מתארים יצירה והתאמה של תבניות, שהן הבסיס לניתוח בין מדגמים. שלבים 13-16 מתארים החלת הפרוטוקול על-פני קבוצה של כרומטוגרמות, עם שלבים 14-16 לניתוח UT.

<table><tbody><tr><td>&lt;sup&gt;1&lt;/sup&gt;D SolGel-Wax column (100% polyethylene glycol; 30 m &amp;times; 0.25 mm dc &amp;times; 0.25 &amp;mu;m df). Carrier gas helium at a constant nominal flow of 1.3 mL/min.</td><td>Trajan SGE Analytical Science, Ringwood, Australia</td><td>PN 054796</td><td>Carrier gas helium at a constant nominal flow of 1.3 mL/min. Oven temperature programming set as follows: 40&amp;deg;C (2 min) to 240&amp;deg;C (10 min) at 3.5&amp;deg;C/min.</td></tr><tr><td>&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;D OV1701 column (86% polydimethylsiloxane, 7% phenyl, 7% cyanopropyl; 1 m &amp;times; 0.1 mm dc &amp;times; 0.10 &amp;mu;m df) from .</td><td>Mega, Legnano, Milan, Italy</td><td>PN MEGA-1701</td><td></td></tr><tr><td>Automated system for sample preparation: SPR Autosampler for GC</td><td>SepSolve-Analytical, Llantrisant, UK</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Extra Virgin Olive oils: Sicily and Tuscany, Italy</td><td>Project VIOLIN (Ager - Fondazioni in rete per la ricerca agroalimentare)</td><td></td><td>Samples (n=10) were collected during the production year 2018 within the &quot;Violin&quot; project sampling campaign. Oils were submitted to HS-SPME to sample volatiles according to a reference protocol validated in a previous study of Stilo et al.14</td></tr><tr><td>Gas chromatograph: Model 7890B GC</td><td>Agilent Technologies Wilmington DE, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GC Image GC&amp;times;GC edition V 2.9</td><td>GC Image LLC, Lincoln, Nebraska</td><td></td><td>https://www.gcimage.com/gcxgc/trial.html</td></tr><tr><td>Image processing software</td><td>GC Image LLC, Lincoln, Nebraska</td><td></td><td>https://www.gcimage.com/gcxgc/trial.html</td></tr><tr><td>Mass spectrometer: BenchTOF-Select</td><td>Markes International Llantrisant, UK</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Methyl-2-octynoate (CAS 111-12-6)</td><td>Merck-Millipore/Supelco</td><td>PN: 68982</td><td></td></tr><tr><td>Modulator controller: Optimode v2.0</td><td>SRA Intruments, Cernusco sul Naviglio, Milan, Italy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Modulator: KT 2004 loop type</td><td>Zoex Corporation Houston, TX, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MS library and search software: NIST Library V 2017, Software V 2.3</td><td>National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg MD</td><td></td><td>https://www.nist.gov/srd/nist-standard-reference-database-1a-v17</td></tr><tr><td>&lt;em&gt;n&lt;/em&gt;-alkanes C8-C40 for retention indexing</td><td>Merck-Millipore/Supelco</td><td>PN: 40147-U</td><td></td></tr><tr><td>&lt;em&gt;n&lt;/em&gt;-hexane (CAS 110-54-3) gas chromatography MS SupraSolv</td><td>Merck-Millipore/Supelco</td><td>PN: 100795</td><td></td></tr><tr><td>Solid Phase Microextraction fiber</td><td>Merck-Millipore/Supelco</td><td>PN 57914-U</td><td></td></tr><tr><td>&amp;alpha;- /&amp;beta;-thujone (CAS 546-80-5)</td><td>Merck-Millipore/Sigma Aldrich</td><td>PN: 04314</td><td></td></tr></tbody></table>

chromatographic fingerprinting by template matching for data collected by comprehensive two-dimensional gas chromatography

עיבוד והערכת נתונים הם צעדים קריטיים של כרומטוגרפיית גז דו מימדית מקיפה (GCxGC), במיוחד כאשר הם מצמדים לספקטרומטריית מסה. המידע העשיר המוצפן בנתונים עשוי להיות בעל ערך רב אך קשה לגשת אליו ביעילות. צפיפות הנתונים ומורכבותם עלולים להוביל לזמנים ארוכים של פירוט ולדרוש הליכים מייגעים ותלויי אנליסטים. כלי עיבוד נתונים יעילים אך נגישים, אם כן, הם המפתח המאפשר התפשטות וקבלה של טכניקה רב ממדית מתקדמת זו במעבדות לשימוש יומיומי. פרוטוקול ניתוח הנתונים המוצג בעבודה זו משתמש בטביעות אצבע כרומטוגרפיות והתאמת תבניות כדי להשיג את המטרה של פירוק אוטומטי ביותר של כרומטוגרמות דו-ממדיות מורכבות לתכונות כימיות בודדות לזיהוי מתקדם של דפוסים אינפורמטיביים בתוך כרומטוגרמות בודדות ולאורך קבוצות של כרומטוגרמות. הפרוטוקול מספק עקביות ואמינות גבוהות עם התערבות מועטה. במקביל, פיקוח אנליסטים אפשרי במגוון הגדרות ופונקציות אילוץ שניתן להתאים אישית כדי לספק גמישות ויכולת להסתגל לצרכים ויעדים שונים. התאמת תבניות מוצגת כאן כגישה רבת עוצמה לחקור וולטילום שמן זית כתית מעולה. יישור צולב של פסגות מבוצע לא רק עבור מטרות ידועות, אלא גם עבור תרכובות untargeted, אשר מגדיל באופן משמעותי את כוח האפיון עבור מגוון רחב של יישומים. דוגמאות מוצגות כדי להדגים את הביצועים עבור סיווג והשוואה של דפוסים כרומטוגרפיים מקבוצות מדגם שנותחו בתנאים דומים.

GC×GC-TOF MS דפוסים של שמן זית כתית מעולה באיכות גבוהה להציג על 500 2D פסגות מעל סף יחס אות לרעש (SNR) של 100. סף כזה הוגדר על ידי חקירות קודמות על תנודתיות מזון14,27 כאות היחסי המינימלי מעל הסף כדי להשיג ספקטרום אמין לניתוח חוצה השוואתי. הרכיבים מפוזרים על פני המרחב הכרומטוגרפי בהתאם לשימור היחסי שלהם בשני הממדים הכרומטוגרפיים, ובאופן ספציפי בהתבסס על התנודתיות/הקוטביות שלהם ב-1D והתנודתיות בשתי ה-2D. כאן, שילוב העמודות הוא קוטבי × חצי קוטבי (כלומר, קרבוואקס 20M × OV1701).
תבנית הדו-ממדיתמראה רמה גבוהה של סדר. דפוסי שמירה יחסיים עבור סדרות ומחלקות הומולוגיות מוצגות באיור 1A עם ביאורים (גרפיקה לקבוצות ובועות לפסגות) עבור פחמימנים רוויים ליניאריים (שחור), פחמימנים בלתי רוויים (צהוב), קו אלדהידים רוויים (כחול), אלדהידים חד בלתי רוויים (אדום), אלדהידים רב בלתי רוויים (סלמון), אלכוהול ראשוני (ירוק) וחומצות שומן קצרות שרשרת (ציאנו).
לאחר מכן ניתן לזהות פסגות דו-ממדיותשזוהו על-ידי השוואת ספקטרום ה- MS הממוצע המופק מכל הספקטרום הדו-ממדי(ספקטרוםהכתמים) או מהספקטרום הגדול ביותר (ספקטרוםהשיא). איור 2 מדגים את הפלט של חיפוש ספקטרום השיא עבור Blob 5 ומחזיר התאמה של דמיון גבוה (10 הלהיטים הראשונים) עבור (E)-2-hexenal. מסדי נתונים שנחקרו הם אלה שנבחרו מראש על ידי האנליסט בשלב 8 של השיטה.
הזיהוי מאומת על-ידי יצירת אינדקס שמירה פעילה. ערך IT הניסיוני חושב עבור הפסגות הדו-ממדיות, כךשבשלב זה החיפוש בספריה מתעדף תוצאות עם ערכים קוהרנטיים של ITעם כרטיסיות . ניתן להתאים אישית חלונות רגישות בהתבסס על ניסיון אנליסט, מהימנות ערכי מסד נתונים של הפניות בהתאם לשלב הנייח ותנאים אנליטיים המוחלים. כלים חדשים לכיול חכם של מדדי שימור ליניארי ללא כיול ניסיוני עם n-alkanes, פותחו לאחרונה ונדונו במחקר של רייכנבאך ואח'19.
ניתן לאמץ את האוסף של פסגות דו-ממדיותשזוהו (כלומר, פסגות ממוקדות) כדי לבנות תבנית של פסגות ממוקדות כדי ליצור באופן מיידי התכתבויות אמינות בין אותו תרכובת בכל הכרומטוגרמות לדוגמה. אוסף פסגות התבניות הייעודיות מוצג באופן חזותי באיור 1B. עיגולים אדומים תואמים ל-196 התרכובות הממוקדות, כולל שני תקנים פנימיים (IS) המקושרים לפסגות תבניות עם קווי חיבור. IS משמש לנורמליזציה של תגובה וקווי חיבור מסייעים לדמיין איזו מה- IS הכלול תאומץ כדי לנרמל כל תגובת שיא/blob דו-ממדית.
באיור 1B, עיגולים מלאים מציינים התאמות חיוביות בין שיא התבנית לבין התבנית בפועל, בעוד עיגולים ריקים מיועדים לפסגות תבנית שעבורן ההתאמה לא אומתה. התאמות שליליות כוזבות יכולות להיות מוגבלות על ידי בחירה מתאימה של פרמטרי סף, ספקטרום הפניה ופונקציות אילוץ13,14,18,19. עבור דפוסים מורכבים עם co-elutions מרובים, פונקציות זיהוי שיא יונים המבוססים על deconvolution ספקטרלי מומלץ יכול להיות אופציה תקפה19. מטא-נתונים של שיא תבנית מוצגים בחלונית המוגדלת של איור 1B עבור (E)-2-hexenal.
הספציפיות של התאמת תבניות מסתמכת על האפשרות להחיל פונקציות אילוץ המגבילות התכתבות חיובית לאותם פסגות מועמדים, כי, נופל בתוך חלון החיפוש של האלגוריתם, יש דמיון ספקטרלי MS מעל סף מסוים. במקרה זה, בשלב 11, סף הדמיון23 נקבע על 700 על פי ניסויים קודמים שמטרתם להגדיר פרמטרים אופטימליים המגבילים התאמות שליליות כוזבות14. אזורים מסומנים במאפייני שיא התבנית באיור 1B מציגים את המידע אודות מחרוזת ספקטרום MS של ההפניה ופונקציית האילוץ qCLIC (כלומר, (match("<ms>") >= 700.0) ו- (RMatch("<ms>") >= 700.0)).
על ידי החלת התבנית על כל הכרומטוגרמות של קבוצה, אפשר להיתקל במצבים מאתגרים כמו במקרה של אי התאמה חלקית של דפוסים. זה יכול להיות בגלל חוסר עקביות בטמפרטורת התנור, זרימת גז נושא / אי יציבות לחץ, או בגלל התערבות ידנית במערכת כמו במקרה של החלפת טורים או החלפת לולאת אפנןנימי 14,28. איור 3 מציג מצב של אי-התאמות חלקיות בין התבנית הייעודית לכרומטוגרמה עצמה. עבור אי-התאמות מינימליות, המרות תבנית אינטראקטיביות(איור 3, לוח הבקרה) יכולות למקם מחדש פסגות תבנית להתאמה טובה יותר. לאחר מיקום מחדש, ניתן להתאים את התבנית כדי ליצור התכתבויות. בדוגמה, שיאי התבנית (איור 3, שלב 12) תואמים כראוי לתבנית הדו-ממדיתבפועל. במקרה של אי-התאמות חמורות, שלא נדונו כאן, החזרה על פעולות התאמה-שינוי-עדכון יכולה להתאים באופן איטרטיבי את מיקום פסגות התבנית לתבנית השיא בפועל12,13,14.
כאן, הפסגות הממוקדות (כלומר, ניתוחים ידועים) מספקות כ-40% מהתוצאה הכרומטוגרפית (196 פסגות ממוקדות של כ-500 פסגות הניתנות לגילוי בממוצע). 60% האחרים של תרכובות, יחד עם המידע שהם מביאים, אינם נלקחים בחשבון בניתוח ממוקד. כדי להפוך את החקירה באמת מקיף, יישור צולב עקבי של פסגות 2D untargeted צריך גם להיות מוקם. היישום הראשון שבו התאמת תבניות הורחבה לכל האנליסטים הניתנים לגילוי עסק בתנודתיות המורכבת של קפה קלוי7. תהליך זה הוא אוטומטי עם תוכנה (למשל, חוקר), המוצגת כאן בשלבים 14-15.
בתהליך זה, תמונות ממוקדות מראש השייכות למדגם שנקבע במחקר (20 דגימות) משמשות להגדרת פסגות אמינות על ידי הצלבת כל תבניות התמונה29. לאחר מכן, כרומטוגרמה מורכבת בנויה שממנה ניתן לזהות פסגות ואזורי שיא אמינים של UT (כלומר, טביעת רגל של פסגות דו-ממדיות)במה שמכונה תבנית תכונה17.
עבור ניתוחים שנרכשו ב 70 eV, התהליך קבע 144 פסגות אמינות עם אמינות רגועה29, 76 מהם שייכים לרשימת הפסגות הממוקדות. בהתבסס על 144 פסגות אמינות אלה, התהליך מיישר את כל הכרומטוגרמות באופן עקבי עם זמני השמירה הממוצעים של הפסגות האמינות ולאחר מכן משלב אותן כדי ליצור כרומטוגרמה מרוכבת. איור 4 מציג רשימה של כל הדגימות המסומנות לפי אזור הייצור של השמן (משמאל) ורשימת הפסגות/נפחי הכתמים האמינים בכל מדגם (מימין).
תבנית התכונות הלא מאוטרת מורכבת מפסגות דו-ממדיותמאנליטים שזוהו בכרומטוגרמה המשולבת, המוצגת באיור 5A, המותאמות לתבנית הפסגות האמינות (n = 168 – עיגולים אדומים לפסגות ממוקדות ועיגולים ירוקים לפסגות לא ממוקדות). ספקטרום המסה של הפסגות המורכבות, כמו גם זמני השמירה שלהן, נרשמים בתבנית התכונה כפי שמוצג עבור (Z)-3-hexenol אצטט באזור המוגדל. אזורי שיא מוצגים באיור 5B כגרפיקה בצבע אדום; במקום זאת הם מוגדרים על ידי קווי המתאר של כל הפסגות הדו-ממדיותשזוהו בכרומטוגרמה המשולבת (n = 3578).
כאשר זיהוי דפוסים ללא השגחה על ידי ניתוח רכיבים ראשי מוחל על התפלגות פסגות ממוקדות בתוך 20 הדגימות המנותחות, השמנים הסיציליאניים והטוסקניים מקובצים בנפרד ומציעים שתנאי פדו-אקלים וטרואר ישפיעו על השכיחות היחסית של תנודתיות. התוצאות מוצגות באיור 6A ותוצאות PCA מהתפלגות הפסגות האמינות מוצגות באיור 6B. שתי הגישות נותנות תוקף צולב לכך שלשמנים מאזורים גיאוגרפיים שונים יש חתימות כימיות שונות, בעוד שחתימות כימיות קוהרנטיות, בין אם הן תרכובות ממוקדות או לא מאופות, או שתיהן, ממופות.
לבסוף, התוכנה מאפשרת יישור מחדש מהיר ויעיל של דפוסים בערוצי זיהוי מקביליים. ביישום זה, היישור מחדש מוצע עבור אותות יינון טנדם. מקור היונים של מולטיפלקסים MS בין שתי אנרגיות יינון (כלומר, 70 ו 12 eV) בתדר רכישה של 50 הרץ לכלערוץ 30. שני הדפוסים הכרומטוגרפיים המתקבלים מיושרים באופן הדוק בעוד נתונים ספקטרליים (כלומר, חתימות ותגובות ספקטרליות) מביאים מידע משלים עם טווחי תגובה דינמיים שונים26,27. התבניות המיושרות מאפשרותחילוץ תכונות (פסגות דו-ממדיות ואזורי שיא) עם מזהים חד-משמעיים (כלומר, שמות כימיים לפסגות ממוקדות ומספר מספור ייחודי עבור פסגות ואזורי שיא לא מפורקים).
התאמת תבניות מאפשרת יישור צולב יעיל. במצב זה, אין הרבה חוסר התאמה, אבל אילוצי MS חייב להיות רגוע כדי לאפשר התאמות עבור פסגות UT. מצד שני, אזורי שיא נבחרים של UT, ללא אילוצי MS, מותאמים באופן מיידי ללא התאמות שליליות כוזבות. איור 5C מציג שטח מוגדל של כרומטוגרמה של 12 eV שבה תבנית התכונה הבנויה מנתוני 70 eV תואמת. פסגות UT אמינות מותאמות באופן חיובי בגלל אילוצי qCLIC שהורדו (למשל, סף DMF ב- 600). יש לציין, ב 12 eV, יש פחות פסגות זוהו בשל הפיצול המוגבל המושרה על ידי אנרגיית יינון נמוכה.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61529/61529fig01.jpg"> איור 1: התוויית מתאר של Bidimensional ותבנית ממוקדת. (A)חלקת מתאר של החלק הנדיף של שמן זית כתית מעולה מטוסקנה. דפוסים מסודרים של סדרות ומעמדות הומולוגיים מודגשים בצבעים וקווים שונים: פחמימנים רוויים ליניאריים (קו שחור וקווי מתאר דו-ממדיים) פחמימנים בלתירוויים (צהוב), אלדהידים רוויים ליניאריים (כחולים) אלדהידים חד בלתי רוויים (אדום), אלדהידים רב בלתי רוויים (סלמון), אלכוהול ראשוני (ירוק) וחומצות שומן קצרות שרשרת (צ'יאנו). (B)תבנית ייעודית מוגזמת של ניתוחים ידועים (עיגולים בצבע אדום) עם קווי חיבור המקשרים בין תקנים פנימיים (ISS). לוחות מציגים מאפייני שיא/Blob דו-ממדיים(Decanal) או מאפייני שיא תבנית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61529/61529fig01large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61529/61529fig02.jpg"> איור 2: חיפוש איפקס טרשת נפוצה. הפלט של חיפוש MS איפקס עבור Blob 5. רשימת ערכי מסד הנתונים עם התאמת הדמיון הגבוהה ביותר ומטה-נתונים קשורים הזמינים מהספריה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61529/61529fig02large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61529/61529fig03.jpg"> איור 3: יישור מחדש של תבנית. זרימת עבודה הממחישה את השלבים המאפשרים יישור מחדש של התבנית על-ידי המרה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61529/61529fig03large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61529/61529fig04.jpg"> איור 4: ממשק חוקר GC. פאנל חוקרים עם כל התמונות שנבחרו המסומנות לפי אזור הייצור של השמן (משמאל) ורשימת הפסגות/נפחי הכתמים האמינים בכל דגימה (מימין). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61529/61529fig04large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61529/61529fig05.jpg"> איור 5: תבנית ממוקדת ותבנית UT. (A)פסגות אמינות כתוצאה מהעיבוד האוטומטי בשלב 11; עיגולים אדומים תואמים לניתוחים ידועים בעוד עיגולים ירוקים אינם ידועים. בחלונית 'על-גבי תבנית', מאפייני אובייקט תבנית מוצגים עבור (Z)-3-הקסלתי. (B) אזור מוגדל המציג את פסגות UT (עיגולים אדומים וירוקים) ואזורי שיא (גרפיקה אדומה) של תבנית UT תואמים לשמן לדוגמה שנרכש באנרגיית יינון של 70 eV. (C) תבנית UT תואמת על שמן מדגם שנרכש ב 12 אנרגיית יינון eV. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61529/61529fig05large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61529/61529fig06.jpg"> איור 6: PCA טוען חלקות. הם מראים את ההתאמה הטבעית של דגימות (שמנים מטוסקנה וסיציליה) כפי שהם וכתוצאה מכך (A) הפצת פסגות ממוקדות או (B) UT פסגות הפצה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61529/61529fig06large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
קבצים משלימים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61529/Supplemental_Files.zip" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קבצים אלה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Chromatographic Fingerprinting by Template Matching for Data Collected by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography at JoVE.com

Chromatographic Fingerprinting by Template Matching for Data Collected by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography

פרוטוקול זה מציג גישה לטביעת אצבע ולחקור נתונים רב מימדיים שנאספו על ידי כרומטוגרפיית גז דו מימדית מקיפה יחד עם ספקטרומטריית מסה. אלגוריתמים ייעודיים לזיהוי תבניות (התאמת תבניות) מוחלים כדי לחקור את המידע הכימי המוצפן בשבר הנדיף של שמן זית כתית מעולה (כלומר, וולטילום).

טביעת אצבע כרומטוגרפית לפי התאמת תבניות לנתונים שנאספו על ידי כרומטוגרפיית גז דו-ממדית מקיפה

Data processing and evaluation are critical steps of comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCxGC), particularly when coupled to mass ...

chromatographic-fingerprinting-template-matching-for-data-collected

Research

JoVE Journal

Chemistry

4.7K Views.  Università degli Studi di Torino. פרוטוקול זה מציג גישה לטביעת אצבע ולחקור נתונים רב מימדיים שנאספו על ידי כרומטוגרפיית גז דו מימדית מקיפה יחד עם ספקטרומטריית מסה. אלגוריתמים ייעודיים לזיהוי תבניות (התאמת תבניות) מוחלים כדי לחקור את המידע הכימי המוצפן בשבר הנדיף של שמן זית כתית מעולה (כלומר, וול...

Video: Chromatographic Fingerprinting by Template Matching for Data Collected by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography

Quantitative Detection of Trace Explosive Vapors by Programmed Temperature Desorption Gas Chromatography-Electron Capture Detector

The direct liquid deposition of solution standards onto sorbent-filled thermal desorption tubes is used for the quantitative analysis of trace explosive vapor samples. The direct liquid deposition method yields a higher fidelity between the analysis of vapor samples and the analysis of solution standards than using separate injection methods for vapors and solutions, i.e., samples collected on vapor collection tubes and standards prepared in solution vials. Additionally, the method can account for instrumentation losses, which makes it ideal for minimizing variability and quantitative trace chemical detection. Gas chromatography with an electron capture detector is an instrumentation configuration sensitive to nitro-energetics, such as TNT and RDX, due to their relatively high electron affinity. However, vapor quantitation of these compounds is difficult without viable vapor standards. Thus, we eliminate the requirement for vapor standards by combining the sensitivity of the instrumentation with a direct liquid deposition protocol to analyze trace explosive vapor samples.

Trace explosive vapors of TNT and RDX collected on sorbent-filled thermal desorption tubes were analyzed using a programmed temperature desorption system coupled to GC with an electron capture detector. The instrumental analysis is combined with direct liquid deposition method to reduce sample variability and account for instrumentation drift and losses.

כמותי איתור של אדי נפץ Trace ידי טמפרטורת מתוכנת Desorption גלאי גז לכידת כרומטוגרפיה-אלקטרונים

The direct liquid deposition of solution standards onto sorbent-filled thermal desorption tubes is used for the quantitative analysis of trace explosive ...

On-line Analysis of Nitrogen Containing Compounds in Complex Hydrocarbon Matrixes

The shift to heavy crude oils and the use of alternative fossil resources such as shale oil are a challenge for the petrochemical industry. The composition of heavy crude oils and shale oils varies substantially depending on the origin of the mixture. In particular they contain an increased amount of nitrogen containing compounds compared to the conventionally used sweet crude oils. As nitrogen compounds have an influence on the operation of thermal processes occurring in coker units and steam crackers, and as some species are considered as environmentally hazardous, a detailed analysis of the reactions involving nitrogen containing compounds under pyrolysis conditions provides valuable information. Therefore a novel method has been developed and validated with a feedstock containing a high nitrogen content, i.e., a shale oil. First, the feed was characterized offline by comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC &#215; GC) coupled with a nitrogen chemiluminescence detector (NCD). In a second step the on-line analysis method was developed and tested on a steam cracking pilot plant by feeding pyridine dissolved in heptane. The former being a representative compound for one of the most abundant classes of compounds present in shale oil. The composition of the reactor effluent was determined via an in-house developed automated sampling system followed by immediate injection of the sample on a GC &#215; GC coupled with a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS), flame ionization detector (FID) and NCD. A novel method for quantitative analysis of nitrogen containing compounds using NCD and 2-chloropyridine as an internal standard has been developed and demonstrated.

A method combining comprehensive two-dimensional gas chromatography with nitrogen chemiluminescence detection has been developed and applied to on-line analysis of nitrogen containing compounds in a complex hydrocarbon matrix.

ניתוח אונליין של חנקן המכיל תרכובות ב מטריצות פחמימן Complex

The shift to heavy crude oils and the use of alternative fossil resources such as shale oil are a challenge for the petrochemical industry. The ...

A Two-Step Pyrolysis-Gas Chromatography Method with Mass Spectrometric Detection for Identification of Tattoo Ink Ingredients and Counterfeit Products

Tattoo inks are complex mixtures of ingredients. Each of them possesses different chemical properties which have to be addressed upon chemical analysis. In this method for two-step pyrolysis online coupled to gas chromatography mass spectrometry (py-GC-MS) volatile compounds are analyzed during a first desorption run. In the second run, the same dried sample is pyrolyzed for analysis of non-volatile compounds such as pigments and polymers. These can be identified by their specific decomposition patterns. Additionally, this method can be used to differentiate original from counterfeit inks. Easy screening methods for data evaluation using the average mass spectra and self-made pyrolysis libraries are applied to speed up substance identification. Using specialized evaluation software for pyrolysis GS-MS data, a fast and reliable comparison of the full chromatogram can be achieved. Since GC-MS is used as separation technique, the method is limited to volatile substances upon desorption and after pyrolysis of the sample. The method can be applied for quick substance screening in market control surveys since it requires no sample preparation steps.

This method for two-step pyrolysis online coupled to gas chromatography with mass spectrometric detection and data evaluation protocol can be used for multi-component analysis of tattoo inks and discrimination of counterfeit products.

דו-שלב פירוליזה-גז כרומטוגרפיה שיטה עם זיהוי ספקטרומטרי המוני לזיהוי של החומרים דיו קעקועים מוצרים מזויפים

Tattoo inks are complex mixtures of ingredients. Each of them possesses different chemical properties which have to be addressed upon chemical analysis. ...

Qualitative Characterization of the Aqueous Fraction from Hydrothermal Liquefaction of Algae Using 2D Gas Chromatography with Time-of-flight Mass Spectrometry

Two-dimensional gas chromatography coupled with time-of-flight mass spectrometry is a powerful tool for identifying and quantifying chemical components in complex mixtures. It is often used to analyze gasoline, jet fuel, diesel, bio-diesel and the organic fraction of bio-crude/bio-oil. In most of those analyses, the first dimension of separation is non-polar, followed by a polar separation. The aqueous fractions of bio-crude and other aqueous samples from biofuels production have been examined with similar column combinations. However, sample preparation techniques such as derivatization, solvent extraction, and solid-phase extraction were necessary prior to analysis. In this study, aqueous fractions obtained from the hydrothermal liquefaction of algae were characterized by two-dimensional gas chromatography coupled with time-of-flight mass spectrometry without prior sample preparation techniques using a polar separation in the first dimension followed by a non-polar separation in the second. Two-dimensional plots from this analysis were compared with those obtained from the more traditional column configuration. Results from qualitative characterization of the aqueous fractions of algal bio-crude are discussed in detail. The advantages of using a polar separation followed by a non-polar separation for characterization of organics in aqueous samples by two-dimensional gas chromatography coupled with time-of-flight mass spectrometry are highlighted.

A two-dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry method is described for characterization of the aqueous fraction of bio-crude produced from hydrothermal liquefaction of algae. This protocol can also be employed to analyze the aqueous fraction of liquid products from fast pyrolysis, catalytic fast pyrolysis, catalytic deoxygenation and hydro-treating.

אפיון איכותי של השבר מימית מ הידרותרמיות עיבוי של אצות באמצעות גז כרומטוגרפיה 2D עם זמן של הטיסה ספקטרומטריית מסה

Two-dimensional gas chromatography coupled with time-of-flight mass spectrometry is a powerful tool for identifying and quantifying chemical components in ...

Bioengineering

Nitrogen Compound Characterization in Fuels by Multidimensional Gas Chromatography

Certain nitrogen-containing compounds can contribute to fuel instability during storage. Hence, detection and characterization of these compounds is crucial. There are significant challenges to overcome when measuring trace compounds in a complex matrix such as fuels. Background interferences and matrix effects can create limitations to routine analytical instrumentation, such as GC-MS. In order to facilitate specific and quantitative measurements of trace nitrogen compounds in fuels, a nitrogen-specific detector is ideal. In this method, a nitrogen chemiluminescence detector (NCD) is used to detect nitrogen compounds in fuels. NCD utilizes a nitrogen-specific reaction that does not involve the hydrocarbon background. Two-dimensional (GCxGC) gas chromatography is a powerful characterization technique as it provides superior separation capabilities to one-dimensional gas chromatography methods. When GCxGC is paired with a NCD, the problematic nitrogen compounds found in fuels can be extensively characterized without background interference. The method presented in this manuscript details the process for measuring different nitrogen-containing compound classes in fuels with little sample preparation. Overall, this GCxGC-NCD method has been shown to be a valuable tool to enhance the understanding of the chemical composition of nitrogen-containing compounds in fuels and their impact on fuel stability. The % RSD for this method is &#60;5% for intraday and &#60;10% for interday analyses; the LOD is 1.7 ppm and the LOQ is 5.5 ppm.

Here, we present a method utilizing two-dimensional gas chromatography and nitrogen chemiluminescence detection (GCxGC-NCD) to extensively characterize the different classes of nitrogen-containing compounds in diesel and jet fuels.

אפיון של מתחם חנקן בדלקים על ידי כרומטוגרפיה גז רב מימדית

Certain nitrogen-containing compounds can contribute to fuel instability during storage. Hence, detection and characterization of these compounds is ...

Gas Chromatography-Mass Spectrometry Paired with Total Vaporization Solid-Phase Microextraction as a Forensic Tool

Gas Chromatography &#8211; Mass Spectrometry (GC-MS) is a frequently used technique for the analysis of numerous analytes of forensic interest, including controlled substances, ignitable liquids, and explosives. GC-MS can be coupled with Solid-Phase Microextraction (SPME), in which a fiber with a sorptive coating is placed into the headspace above a sample or immersed in a liquid sample. Analytes are sorbed onto the fiber which is then placed inside the heated GC inlet for desorption. Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME) utilizes the same technique as immersion SPME but immerses the fiber into a completely vaporized sample extract. This complete vaporization results in a partition between only the vapor phase and the SPME fiber without interference from a liquid phase or any insoluble materials. Depending upon the boiling point of the solvent used, TV-SPME allows for large sample volumes (e.g., up to hundreds of microliters). On-fiber derivatization may also be performed using TV-SPME. TV-SPME has been used to analyze drugs and their metabolites in hair, urine, and saliva. This simple technique has also been applied to street drugs, lipids, fuel samples, post-blast explosive residues, and pollutants in water. This paper highlights the use of TV-SPME to identify illegal adulterants in very small samples (microliter quantities) of alcoholic beverages. Both gamma-hydroxybutyrate (GHB) and gamma-butyrolactone (GBL) were identified at levels that would be found in spiked drinks. Derivatization by a trimethylsilyl agent allowed for conversion of the aqueous matrix and GHB into their TMS derivatives. Overall, TV-SPME is quick, easy, and requires no sample preparation aside from placing the sample into a headspace vial.

Total Vaporization Solid Phase Microextraction (TV-SPME) completely vaporizes a liquid sample whilst analytes are sorbed onto a SPME fiber. This allows for partitioning of the analyte between only the solvent vapor and the SPME fiber coating.

ספקטרומטריית כרומטוגרפיה-מסה של גז בשילוב עם מיקרו-אקסטרציה מוצקה של אידוי מוחלט ככלי משפטי

Gas Chromatography &#8211; Mass Spectrometry (GC-MS) is a frequently used technique for the analysis of numerous analytes of forensic interest, including ...

Gas Chromatography (GC) with Flame-Ionization Detection

Source: Laboratory of Dr. B. Jill Venton - University of Virginia
Gas chromatography (GC) is used to separate and detect small molecular weight compounds in the gas phase. The sample is either a gas or a liquid that is vaporized in the injection port. Typically, the compounds analyzed are less than 1,000 Da, because it is difficult to vaporize larger compounds. GC is popular for environmental monitoring and industrial applications because it is very reliable and can be run nearly continuously. GC is typically used in applications where small, volatile molecules are detected and with non-aqueous solutions. Liquid chromatography is more popular for measurements in aqueous samples and can be used to study larger molecules, because the molecules do not need to vaporize. GC is favored for nonpolar molecules while LC is more common for separating polar analytes.
The mobile phase for gas chromatography is a carrier gas, typically helium because of its&#160;low molecular weight and being chemically inert. Pressure is applied and the mobile phase moves the analyte through the column. The separation is accomplished using a column coated with a stationary phase. Open tubular capillary columns are the most popular columns and have the stationary phase coated on the walls of the capillary. Stationary phases are often derivatives of polydimethylsiloxane, with 5&#8211;10% of the groups functionalized to tune the separation. Typical functional groups are phenyl, cyanopropyl, or trifluoropropyl groups. Capillary columns are usually 5&#8211;50 m&#160;long. Narrower columns have higher resolution but require higher pressures. Packed columns can also be used where the stationary phase is coated onto beads packed in the column. Packed columns are shorter, 1&#8211;5 m. Open tubular capillaries are generally preferred because they allow higher efficiencies, faster analyses, and have higher capacities.
Flame-ionization detection (FID) is a good general detector for organic compounds in GC that detects the amount of carbon in a sample. After the column, samples are burned in a hot, hydrogen-air flame. Carbon ions are produced by the combustion. While the overall efficiency of the process is low (only 1 in 105 carbon ions produce an ion in the flame) the total amount of ions is directly proportional to the amount of carbon in the sample. Electrodes are used to measure the current from the ions. FID is a destructive detector, as the entire sample is pyrolyzed. FID is unaffected by noncombustible gases and water.

Gas Chromatography GC with Flame-Ionization Detection

כרומטוגרפיה של גז (GC) עם גילוי יינון להבה

Source: Laboratory of Dr. B. Jill Venton - University of Virginia
Gas chromatography (GC) is used to separate and detect small molecular weight compounds ...

Education

JoVE Science Education

Analytical Chemistry

Gas Chromatography: Introduction

Gas chromatography (GC) is a technique for separating and analyzing volatile compounds in a sample. Its primary purpose is to identify and quantify components in complex mixtures, making it essential in fields such as environmental analysis, pharmaceuticals, and petrochemicals. GC is also called vapor-phase chromatography (VPC) or gas-liquid partition chromatography (GLPC).
In GC,&#160; a sample is vaporized and mixed with an inert carrier gas (the mobile phase), which transports it through a column. The column is packed or coated with a stationary phase, either a liquid or solid material. Compounds in the sample are separated based on their boiling points, and compounds with lower boiling points elute first. The elution order- the sequence in which the compound exits the column- is visible on a chromatogram, where each peak corresponds to a specific compound.
There are two main types of gas chromatography:
1. Gas-liquid chromatography (GLC): In GLC, the stationary phase is a nonvolatile, thermally stable, chemically inert liquid, while the mobile phase is a carrier gas, typically helium. This technique is commonly used to separate compounds based on their boiling points.
&#160; 2. Gas-solid chromatography (GSC): GSC uses solid particulates like diatomaceous earth as the stationary phase and a carrier gas like helium as the mobile phase. GSC is primarily used for permanent gases and small polar molecules not retained by gas-liquid columns due to severe tailing of elution peaks.

כרומטוגרפיית גז: מבוא

Gas chromatography (GC) is a technique for separating and analyzing volatile compounds in a sample. Its primary purpose is to identify and quantify ...

JoVE Core

Unit 1

Principles of Chromatography

KEY TERMS AND CONCEPTS

כרומטוגרפיה גזית: מבוא

Gas Chromatography&ndash;Mass Spectrometry (GC&ndash;MS)

Gas chromatography&#8211;mass spectrometry (GC&#8211;MS) is the combination of analytical techniques of gas chromatography and mass spectrometry in a single instrument for analyzing a mixture of compounds. The gas chromatograph separates the compounds in the mixture, and the mass spectrometer analyzes each compound separately to determine the molecular masses and molecular structures.
A gas chromatograph consists of a long, narrow capillary column with a polysiloxane coating on the inner wall. The coating material features a high boiling point, low viscosity, and low polarity and functions as the stationary phase of the chromatograph. The analyte is injected into one end of the column and flushed through the column using an inert gas flow as the mobile phase. The boiling point of each compound and its interaction with the stationary phase determines the speed of movement through the column. Consequently, each compound in the mixture reaches the other end of the column at a different time. Eventually, the mass spectrometer connected to the column&#39;s end analyzes each compound separately.

Gas Chromatography&amp;#8211;Mass Spectrometry GC&amp;#8211;MS

כרומטוגרפיית גז – ספקטרומטריית מסות (GC–MS)

Gas chromatography&#8211;mass spectrometry (GC&#8211;MS) is the combination of analytical techniques of gas chromatography and mass spectrometry in a ...

טביעת אצבע כרומטוגרפית לפי התאמת תבניות לנתונים שנאספו על ידי כרומטוגרפיית גז דו-ממדית מקיפה

Summary

Explore More Videos

PLAYLIST