Estrazione frizzante di composti organici volatili combinati con pressioni atmosferiche Ionizzazione chimica quadrupole spettrometria di massa

Riepilogo

L'estrazione frizzante è una nuova tecnica di laboratorio per l'analisi di composti volatili e semivolatili. Un gas di trasporto viene sciolto nel campione liquido applicando sovrapressione e mescolando il campione. La camera di campione viene quindi decompresso. Le specie dell'analita sono liberate alla fase del gas a causa di effervescenza.

Abstract

L'analisi chimica dei composti volatili e semivolatili disciolti in campioni liquidi può essere difficile. I componenti disciolti devono essere portati alla fase del gas e trasferiti in modo efficiente ad un sistema di rilevazione. L'estrazione frizzante sfrutta il fenomeno dell'effervescenza. In primo luogo, un gas di trasporto (qui, anidride carbonica) viene sciolto nel campione applicando la sovrapressione e mescolando il campione. In secondo luogo, la camera di campione viene decompressa bruscamente. La decompressione porta alla formazione di numerose bolle di gas di trasporto nel liquido di campionamento. Queste bolle aiutano il rilascio della specie di analita disciolta dal liquido alla fase gas. Gli analiti liberati vengono immediatamente trasferiti all'interfaccia ionizzante chimica a pressione atmosferica di un triplo quadrupolo di spettrometro di massa. Le specie di analita ionizzabili danno origine a segnali spettrometrici di massa nel dominio temporale. Poiché il rilascio della specie dell'analita si verifica in brevi periodi di tempo (alcuni secOnds), i segnali temporali hanno elevate ampiezze e rapporti segnali-rumore elevati. Le ampiezze e le aree dei picchi temporali possono quindi essere correlati con le concentrazioni degli analiti nei campioni liquidi sottoposti ad estrazione frizzante, che consente l'analisi quantitativa. I vantaggi dell'estinzione frizzante includono: semplicità, velocità e utilizzo limitato di sostanze chimiche (solventi).

Introduzione

Vari fenomeni osservati nella natura e nella vita quotidiana sono legati a equilibri di fase gas-liquidi. L'anidride carbonica viene sciolta in bevande morbide e alcoliche sotto pressione elevata. Quando viene aperta una bottiglia di tale bevanda frizzante, la pressione scende e le bolle di gas corrono verso la superficie liquida. In questo caso, l'effervescenza migliora le proprietà organolettiche delle bevande. Il rilascio delle bolle di gas è anche la causa principale della malattia di decompressione ("le curve") ¹ . A causa di una decompressione improvvisa, le bolle si formano nei corpi dei subacquei. Le persone affette da decompressione sono trattate in camere iperbariche.

Le bolle di gas hanno diverse applicazioni nella chimica analitica. In particolare, i metodi di spargimento si basano sulle bolle di gas passanti attraverso campioni liquidi per estrarre i composti volatili ² . Ad esempio, un metodo chiamato "loop purge-closed" è combinato con la gascromatografia per consentire un'analisi rapida di diVolatili ssolved ³ . Mentre la spargatura può continuamente estrarre i volatili nel tempo, non li limita nello spazio o nel tempo. Le specie di fase gas liberate devono essere intrappolate e, in alcuni casi, concentrate applicando un programma di temperatura o utilizzando sorbenti. Pertanto, è necessario introdurre nuove strategie di trattamento del campione on-line, che potrebbero ridurre il numero di passi e allo stesso tempo concentrare gli analiti volatili nello spazio o nel tempo.

Per affrontare la sfida di estrarre composti volatili da campioni liquidi e effettuare analisi in linea, abbiamo recentemente introdotto "estrazione frizzante" ⁴ . Questa nuova tecnica sfrutta il fenomeno dell'effervescenza. Brevemente, un gas di trasporto (qui, anidride carbonica) viene prima disciolto nel campione applicando sovrapressione e mescolando il campione. Quindi, la camera di campione viene decompressa bruscamente. La decompressione improvvisa porta alla formazione di numerose bolle di gas di trasporto Nel liquido campione. Queste bolle aiutano il rilascio di specie analitiche disciolte dal liquido alla fase gas. Gli analiti liberati vengono immediatamente trasferiti allo spettrometro di massa, producendo segnali nel dominio temporale. Poiché il rilascio della specie dell'analita è limitato a un breve periodo di tempo (alcuni secondi), i segnali temporali hanno elevate ampiezze e elevati rapporti segnale-rumore.

Le pressioni coinvolte nel processo di estrazione frizzante sono molto basse (~ 150 kPa) ⁴ ; Molto più basso che nell'estrazione del liquido supercritico ⁵ ( ad esempio , ≥10 MPa). La tecnica non richiede l'uso di oggetti speciali di consumo (colonne, cartucce). Solo i piccoli volumi di solventi vengono utilizzati per la diluizione e la pulizia. Il dispositivo di estrazione può essere assemblato da chimici con abilità tecniche medie utilizzando parti ampiamente disponibili ⁴ ; Per esempio, i moduli elettronici open-source"> 6 ^{, 7. L'} estrazione frizzante può essere accoppiata on-line con moderni spettrometri di massa dotati di interfaccia di ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI), poiché gli estratti di fase gas vengono trasferiti alla fonte ionica, l'operazione di estrazione frizzante non contamina sostanzialmente le vulnerabili Parti dello spettrometro di massa.

Lo scopo di questo articolo di esperimento visualizzato è quello di guidare gli spettatori su come implementare l'estrazione frizzante in un semplice compito analitico. Mentre il nucleo del sistema di estrazione frizzante è come descritto nel nostro precedente rapporto ⁴ , sono stati introdotti diversi miglioramenti per rendere l'operazione più diretta. Un microcontrollore dotato di uno schermo schermo LCD è stato incorporato nel sistema per visualizzare i parametri di estrazione chiave in tempo reale. Tutte le funzioni sono programmate negli script del microcontrollore e non c'è più bisogno di utilizzare un computer esterno a cControllare il sistema di estrazione.

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Protocollo

Questo protocollo presuppone che tutti i passaggi siano eseguiti in conformità alle pertinenti normative di sicurezza del laboratorio. Alcuni dei passaggi utilizzano strumenti commerciali - in questi casi è necessario seguire le linee guida del produttore. Quando si manipolano con sostanze chimiche tossiche, è necessario rispettare le linee guida della MSDS. L'attrezzatura su misura ⁴ deve essere attuata con cautela; Soprattutto quando si tratta di gas pressurizzati e cablaggi elettrici in tensione.

1. Preparazione della soluzione standard

1. Preparare 6,2 x 10 ^-2 M stock solution di limonene in etanolo mescolando 10 μL di limonene con 990 μL di etanolo.
2. Preparare 10 ml di soluzione di limonene 6.2 x 10 ^-5 M mescolando 10 μL di 6.2 x 10 ^-2 limonene, 490 μL di etanolo e aggiungendo acqua pura al volume finale di 10 ml. Agitare accuratamente la bombola volumetrica.
3. Trasferire la soluzione standard preparata a un flacone di vetro a testa di testa da 20 ml con settoM cap. La soluzione standard diluita può essere usata per testare il sistema.

2. Preparazione del campione reale

1. Ottenete il succo di lime spremendo frutta fresca di limone (tagliata a metà) su una spremuta della cucina.
2. Preparare 10 ml di succo di calce diluito mescolando 2 ml di succo di calce, 500 μL di etanolo e aggiungendo acqua pura al volume finale di 10 ml. Agitare accuratamente la bombola volumetrica.
3. Trasferire il campione preparato a una fiala di vetro a testa di vetro superiore da 20 ml con tappo a seppia.

3. Spingere il campione reale con la soluzione standard

1. Prima aggiunta standard: Preparare 10 ml di campione spezzato mescolando 2 ml di succo di calce, 10 μL di soluzione di limonene 6.2 x 10 ^-2 M, 490 μL di etanolo e aggiungendo acqua pura al volume finale di 10 ml. Agitare accuratamente la bombola volumetrica.
2. Seconda aggiunta standard: Preparare 10 ml di campione spezzato mescolando 2 ml di succo di calce, 20 μL di 6.2 x 10 ^-2 M limonenSoluzione 480 μl di etanolo e l'aggiunta di acqua pura al volume finale di 10 ml. Agitare accuratamente la bombola volumetrica.

4. Impostazione del sistema di estrazione frizzante

1. Mettere il sistema di estrazione frizzante ( Figura 1 ) ⁴ accanto alla sorgente APCI del triplo quadrupolo spettrometro di massa.
2. Collegare il cilindro di gas di anidride carbonica alla presa di alimentazione del gas del sistema di estrazione frizzante. Aprire la valvola nel regolatore del gas. Impostare la pressione di uscita a 1,5 bar (150 kPa).
3. Collegare la presa della camera di estrazione all'ingresso della sorgente di ioni.
4. Collegare il sistema di estrazione frizzante all'alimentatore 12 V.
5. Impostare il software di acquisizione dati del triplo quadrupolo di spettrometro di massa ( Figura 2 ). Azionare lo strumento con la sorgente APCI, nel modo di monitoraggio della reazione multiplo positiva (MRM), con argon come collisionegas.
   1. Eseguire il software di acquisizione dati.
   2. Selezionare l'opzione "Solo LCMS8030".
   3. Selezionare l'opzione "MS On / Off".
   4. Impostare la temperatura della linea di decolorazione a 250 ° C e la portata del gas di essiccazione a 15 L min ^-1 . Attendere che il valore di ogni parametro dello strumento diventa lo stesso del valore predefinito.
   5. Selezionare il file di metodo di acquisizione dati MS.
   6. Assicurarsi che la tensione di collisione sia -20 V, l'ione precursore m / z è 137 e l'ione di frammento m / z è 81 e 95
   7. Fai clic sul pulsante "Start Single Run".
   8. Digitare il nome del file.
   9. Selezionare il percorso del file.
   10. Passare alla sezione 5 ("Eseguire l'estrazione frizzante").
   11. Selezionare l'opzione "MS On / Off".
   12. Chiudere la finestra del software.
   13. Selezionare le voci "Spegnimento del gas nebulizzato", "Riscaldamento DL spento", "Riscaldamento bloccato" e "Gas asciutto spento". Fare clic su "OK &# 34 ;.

5. Eseguire l'estrazione frizzante

1. Posizionare un flaconcino di campionamento nel sistema di estrazione frizzante utilizzando il supporto a vite. Il sistema di estrazione viene azionato a temperatura ambiente (~ 25 ° C).
2. Premere il pulsante "Start" sullo schermo LCD del sistema di estrazione frizzante.
3. Attendere il processo automatico di estrazione frizzante ( Figura 3 ). Osservare lo sviluppo di segnali ionici sullo schermo del triplo quadrupolo spettrometro di massa.
   NOTA: Le seguenti operazioni vengono eseguite automaticamente: lo spazio di testa del campione viene lavato con anidride carbonica durante 60 s. Il campione è pressurizzato con anidride carbonica durante 60 s. Il motore di stiratura è acceso. Il campione è depressurizzato. Sono formate bolle multiple. Nella fase successiva, il motore di agitazione si accende per migliorare il bubbling.
4. Estrarre (svitare) il flaconcino di campionamento.
5. Pulire il mandrino di mescolamento del campione con il tessuto di cellulosa.
6. Lavare la miscelazione spIndle con l'etanolo e pulirlo di nuovo con il tessuto di cellulosa.
7. Il sistema è pronto per l'analisi di un altro campione (ripetere i punti 5.1-5.6).
8. Spegnere l'alimentazione elettrica.
9. Scollegare il tubo di scarico di estrazione frizzante dalla fonte ionica.
10. Chiudere la valvola del cilindro del gas e scollegare il tubo del gas.

6. Analisi dei dati

1. Esportare le correnti di ioni estratte per il m / z 81 dal software di acquisizione dati dello spettrometro di massa quadrupolare a tre file ASCII ( Figura 4 ).
   NOTA: la corrente ionica al m / z 95 non viene utilizzata in questa dimostrazione.
   1. Eseguire il software di acquisizione dati. Selezionare l'opzione "Postrun".
   2. Selezionare l'opzione "Seleziona progetto (cartella)" e scegliere il file di dati.
   3. Fai clic sul menu "File" e seleziona "Esporta dati" / "Esporta dati come ASCII".
   4. Seleziona & #34; File di output "e selezionare il percorso del file. Selezionare" MS Chromatogram (MC) ".
2. Importa i set di dati grezzi in software di integrazione di picco e misurare le aree di picco ( Figura 5 ). Impostazioni: lineare lineare; Funzione HVL.
   1. Esegui il software di integrazione di punta.
   2. Selezionare l'opzione "Importa" dal menu "File". Fai clic sul pulsante "Sì".
   3. Selezionare i dati nella colonna X e Y. Fare clic sul pulsante "OK". Selezionare l'opzione "AutoFit Peaks I Residuals".
   4. Montare il picco di estrazione semi-automaticamente. Assicurarsi che la curva montata segua i punti sperimentali dei dati. Selezionare l'opzione "Elenco delle stime peak". Selezionare l'opzione "Editor ASCII".
   5. Copiare i risultati di montaggio su "Appunti".
3. Inserisci le aree di picco misurate in un foglio di calcolo nel software di analisi dei dati ( Figura 6 ).
   1. Eseguire il software di analisi dei dati.
   2. Immettere i valori di concentrazione nelle colonne X e nei valori delle aree di picco nella colonna Y. Selezionare l'opzione "Symbol" / "Scatter" dal menu "Plot". Selezionare l'opzione "Fitting" / "Fit Linear" dal menu "Analysis".
4. Calcolare la concentrazione di limonene nel campione reale diluito in base alla formula:
   
   dove I è l'intercetta della funzione lineare, mentre S è la pendenza.
5. Calcolare la concentrazione di limonene nel campione reale originale (prima della diluizione) in base alla formula:
   
   Dove DF è il fattore di diluizione (qui, 5).

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Risultati

All'inizio, il sistema di estrazione frizzante viene testato con una soluzione standard. Successivamente, vengono analizzati il ​​campione reale e il campione reale dotati di standard. Le aree dei picchi temporali degli eventi di estrazione sono correlati con le concentrazioni degli analiti nei campioni liquidi sottoposti a estrazione frizzante, che consente l'analisi quantitativa. Qui abbiamo eseguito doppia aggiunta standard per dimostrare capacità quantitative della tecni...

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Discussione

Diversi modi intelligenti per trasportare campioni in uno spettrometro di massa sono stati sviluppati negli studi condotti negli ultimi tre decenni ( ad esempio , riferimenti ^{8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} ). Uno degli obiettivi di questi studi è stato quello di semplificare...

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Materiali

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