JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Полное испарение Твердофазная микроэкстракция (TV-SPME) полностью испаряет жидкий образец, в то время как аналиты сорбируются на волокно SPME. Это позволяет разделить анализируемый материал только между парами растворителя и покрытием волокна SPME.

Аннотация

Газовая хроматография - Масс-спектрометрия (GC-MS) является часто используемым методом для анализа многочисленных аналитов, представляющих криминалистический интерес, включая контролируемые вещества, воспламеняющиеся жидкости и взрывчатые вещества. GC-MS может быть соединен с твердофазной микроэкстракцией (SPME), при которой волокно с сорбционным покрытием помещается в пространство над образцом или погружается в жидкий образец. Аналиты сорбируются на волокно, которое затем помещается внутрь нагретого входного входа GC для десорбции. Полное испарение твердофазной микроэкстракции (TV-SPME) использует ту же технику, что и погружной SPME, но погружает волокно в полностью испарительный экстракт образца. Это полное испарение приводит к разделению только между паровой фазой и волокном SPME без вмешательства жидкой фазы или любых нерастворимых материалов. В зависимости от температуры кипения используемого растворителя, TV-SPME допускает большие объемы образцов (например, до сотен микролитров). Дериватизация на волокне также может быть выполнена с использованием TV-SPME. TV-SPME используется для анализа лекарств и их метаболитов в волосах, моче и слюне. Этот простой метод также был применен к уличным наркотикам, липидам, образцам топлива, остаткам взрывчатых веществ после взрыва и загрязняющим веществам в воде. В настоящем документе освещается использование TV-SPME для выявления незаконных фальсифициров в очень маленьких образцах (количествах микролитров) алкогольных напитков. Как гамма-гидроксибутират (ГОМК), так и гамма-бутиролактон (ГБЛ) были идентифицированы на уровнях, которые можно было бы обнаружить в напитках с шипами. Дериватизация триметилсилильным агентом позволила превратить водный матрикс и ГОМК в их производные ТМС. В целом, TV-SPME работает быстро, легко и не требует подготовки образцов, кроме помещения образца во флакон с пространством над головой.

Введение

Твердофазная микроэкстракция (SPME) представляет собой метод отбора проб, при котором жидкий или твердый образец помещается во флакон с пространством над головой, а волокно SPME, покрытое полимерным материалом, затем вводится в пространство над головы образца (или погружается в жидкий образец). Анализируемый сорбируется на волокно, а затем волокно помещается внутрь входного входа GC для десорбции1,2. Полное испарение Твердофазная микроэкстракция (TV-SPME) является аналогичной техникой, как погружная SPME, но полностью испаряет жидкий образец до того, как аналиты адсорбируются на волокно. Это позволяет разделить анализируемый материал только между парами растворителя и покрытием волокна, что позволяет адсорбировать больше аналита на волокно и приводит к хорошей чувствительности3. Существуют различные волокна SPME, и волокно должно быть выбрано на основе интересуемого аналита, растворителя / матрицы и агента дериватизации. В таблице 1 приведены установленные аналиты TV-SPME.

образецАналит(ы)Рекомендуемое волокно SPMEСправка(и)
Человеческие волосыНикотин, котининПолидиметилсилоксан/дивинилбензол (PDMS/DVB), полиакрилат (PA)3
бездымный порохНитроглицерин, дифениламинПолидиметилсилоксан (PDMS), полиэтиленгликоль (PEG)7, 8
Гоночное топливоМетанол, нитрометанколышек9
ВодаПолициклические ароматические углеводородыПДМС10
Напиткиɣ-гидроксимасляная кислота, ɣ-бутиролактонПДМСЭта работа
Твердый порошокМетамфетамин, амфетаминПДМС/ДВБнеопубликованный

Таблица 1. Рекомендуемые волокна SPME с установленными аналитами TV-SPME.

Для выполнения TV-SPME аналиты растворяют в растворителе и аликвота этой смеси помещается во флакон с пространством над головой. Образцы не нужно фильтровать, потому что испаряются только растворитель и летучие аналиты. Для обеспечения полного испарения образца должны использоваться определенные объемы жидких образцов. Эти объемы определяются с помощью закона идеального газа для вычисления числа молей растворителя, умноженного на молярный объем жидкости (уравнение 1).
figure-introduction-2851 Уравнение 1

где Vo - объем образца (мл), P - давление пара растворителя (бар), Vv - объем флакона (L), R - постоянная идеального газа (0,083145), figure-introduction-3115 M - молярная масса растворителя (г/моль), T - температура (K) и figure-introduction-3247 плотность растворителя (г/мл). 3 3

Чтобы использовать правильное давление пара, уравнение Антуана (уравнение 2) используется для учета влияния температуры:4
figure-introduction-3551 Уравнение 2

где T — температура, а A, B и C — константы Антуана для растворителя. Уравнение 2 может быть заменено в уравнение 1, что дает:
figure-introduction-3789 Уравнение 3

Уравнение 3 дает объем образца (Vo),который может быть полностью испариться в функции температуры и используемого растворителя.

Для выполнения дериватизации с помощью TV-SPME волокно SPME сначала подвергают воздействию флакона, содержащего агент дериватизации, в течение заранее определенного периода времени в зависимости от анализируемого вещества. Затем волокно SPME подвергается воздействию нового флакона, содержащего интересующих анализируемый продукт. Этот флакон нагревается внутри нагреваемой мешалки. Затем анализируемый адсорбируется на клетчатке с помощью агента дериватизации. Дериватизация анализируемого материала и/или матрицы происходит на волокне перед введением во вход GC для десорбции. На рисунке 1 показано изображение процесса TV-SPME с дериватизацией.

figure-introduction-4805
Рисунок 1: Изображение процесса TV-SPME с дериватизацией. Волокно SPME сначала попадает во флакон дериватизации, где агент дериватизации (желтые круги) сорбируется на волокно. Затем волокно вводят в образец (синие круги) и нагревают. Образование производной (зеленых кругов) происходит на волокне во время экстракции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

TV-SPME полезен, потому что он позволяет дериватировать анализируемый в процессе экстракции, что сокращает время анализа. Другие способы, такие как жидкая инъекция, требуют, чтобы анализируемый агент реагировал с дериватизирующим агентом в растворе перед введением в ГК. TV-SPME также практически не требует пробоподготовки. Матрица, содержащая анализируемый материал, может быть помещена непосредственно во флакон с пространством над головой и проанализирована. Многие интересующих соединения совместимы с TV-SPME. Соединения должны быть растворимыми в растворителе и достаточно летучими, чтобы обеспечить испарение. Кроме того, соединения должны быть термически стабильными для анализа GC-MS. TV-SPME был использован для анализа лекарственных средств и метаболитов лекарств, гоночного топлива, полициклических ароматических углеводородов и взрывчатых веществ3,5,6,7,8,9,10.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Общая пробоподготовка TV-SPME и анализ GC-MS

ПРИМЕЧАНИЕ: Если образец уже растворен в матрице, перейдите к шагу 1.2.

  1. Извлеките или растворите твердый образец в достаточном количестве растворителя (вода, метанол, ацетон и т.д.) для достижения желаемой концентрации. Жидкие образцы можно использовать «как есть».
    ПРИМЕЧАНИЕ: Количество используемого твердого образца зависит от желаемой концентрации образца. Концентрации ниже 1 ppm (w/v) рекомендуются во избежание перегрузки колонки GC. Анализируемый продукт должен быть растворим в выбранном органическом растворителе.
    1. Убедитесь, что образец полностью растворился.
  2. Рассчитайте объем, необходимый для полного испарения образца, используя уравнение 3 при выбранной температуре. Например, если эксперимент должен быть выполнен при 60 °C, рассчитайте объем, необходимый для полного испарения растворителя при 60 °C.
    1. Перенесите этот объем образца во флакон с пространством для головы и закрепите крышку. Приемлемые методы передачи жидких образцов в масштабе микролитров включают ручной с помощью стеклянного шприца, электронного стеклянного шприца или робота-автосамплера, способного передавать жидкость для подготовки образцов.
  3. При дериватизации образца приготовьте соответствующий агент дериватизации, поместив ~1 мл агента во флакон с пространством над головой.
    1. Выберите агент дериватизации в зависимости от типа необходимой дериватизации: алкилирование, ацилирование или силиация. В этом случае рекомендуемым агентом дериватизации для функциональных групп карбоновой кислоты и спирта, обнаруженных на ГОМК, является O-бис(триметилсилил)трифторацетамид (BSTFA). Дериватизационный агент может использоваться «как есть» и не требует разбавления. Одного мл дериватизационного агента достаточно для обеспечения полного насыщения волокна SPME.
      ВНИМАНИЕ: Агенты дериватизации токсичны и должны обрабатываться в вытяжном капюшоне.
  4. Установите надлежащую температуру инкубации/экстракции на основе расчета на этапе 1.2. Эта температура обеспечивает полное испарение, достаточную извлечение проб и полную дериватизацию (при необходимости).
    1. Выберите параметры GC-MS (температурная программа печи, расход, температура на входе и т. д.) в зависимости от класса интересуемого соединения (соединений). Пример набора параметров см. в шаге 3.
    2. Убедитесь, что соответствующий впускной вкладыш (например, внутренний диаметр 2 мм или менее) находится на входе GC.
  5. Убедитесь, что волокно SPME было должным образом кондиционировано и находится в хорошем рабочем состоянии перед началом анализа.
    1. Варьируете параметры кондиционирования в зависимости от типа используемого волокна SPME. Пожалуйста, ознакомьтесь с инструкциями по волокну SPME для правильной температуры и времени кондиционирования. В общем, анализа нескольких заготовок волокна SPME до тех пор, пока они не будут воспроизводимыми, достаточно, чтобы охарактеризовать волокно SPME как полностью кондиционированное.

2. Пробоподготовка гамма-гидроксибутирата (ГОМК) и гамма-бутиролактона (ГБЛ)

  1. Подготовьте образец ГОМК и/или ГБЛ в воде с концентрацией менее 1 ppm.
  2. Перенесите 1 мкл этого образца в флакон с пространством над головой 20 мл с помощью одного из способов, описанных в разделе 1.2.1.
    1. Отметим, что для анализа водных образцов требуются наименьшие объемы проб. Например, один мкл воды полностью испарится в 20 мл промезжая при 60 °C.
    2. Сразу же замыкаете флакон крышкой.
  3. Поместите ~1 мл BSTFA + 1% триметилхлорсилана (TMCS) в отдельный флакон и колпачок в 20 мл.
    ПРИМЕЧАНИЕ: GBL не дериватируется. Однако этап дериватизации по-прежнему необходим для обеспечения того, чтобы водный растворитель дериватизировался и не мешал образцу.
    ВНИМАНИЕ: BSTFA токсичен и должен обрабатываться в вытяжном капюшоне.

3. Параметры GC-MS и настройка для ГОМК и ГБЛ в воде

  1. Создайте метод, используя следующие параметры GC-MS:
    Начальная температура духовки: 60 °C держится в течение 1 минуты.
    Программа духовки: 15 °C/мин.
    Конечная температура духовки: 280 °C, удерживается в течение 1 минуты.
    Расход: 2,5 мл/мин (оптимизированный расход для колонны 0,25 мм).
    Температура на входе: 250 °C.
    Температура передаточной линии: 280 °C.
  2. Убедитесь, что узкий (2 мм в/д. или менее) впускной вкладыш SPME помещен внутрь входного входа GC.
  3. Убедитесь, что волокно PDMS/DVB SPME было должным образом кондиционировано и находится в хорошем рабочем состоянии перед анализом.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Волокна PDMS/DVB SPME должны быть кондиционированы на входе GC при 250 °C в течение 30 минут. Волокна PDMS/DVB SPME должны быть небелого цвета.
  4. Запустите GC-MS на примере.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Было проведено объемное исследование GBL, чтобы продемонстрировать чувствительность TV-SPME по сравнению с пространством над головой и погружением SPME. Образец ГБЛ объемом 100 pmv в воде готовили и помещали в флаконы с объемом 1, 3, 10, 30, 100, 100, 100, 1000, 3000 и 10 000 мкл. Фазовое соотношение образцов ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

TV-SPME имеет некоторые преимущества по сравнению с жидким впрыском GC в том, что большие размеры выборки (например, 100 мкл) могут использоваться без модификации прибора. TV-SPME также имеет некоторые из тех же преимуществ, что и SPME в головном пространстве. SPME headspace не требует какой-либо экстракц?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Это исследование было поддержано Национальным институтом юстиции (премия No 2015-DN-BX-K058 и 2018-75-CX-0035). Мнения, выводы и выводы, выраженные здесь, являются мнениями автора и не обязательно отражают мнения финансирующих организаций.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
10 µL SyringeGerstel100111-014-00
BSTFA + 1% TMCS (10 x 1 GM)Regis Technologies Inc.50442882
eVol XR Sample Dispensing System KitThermoFisher Scientific66002-024
figure-materials-323-Butyrolactone (GBL)Sigma-AldrichB103608-26G
figure-materials-480-Hydroxy Butyric Acid (GHB)Cayman Chemicals9002506
Headspace Screw-Thread Vials, 18 mmRestek23083
Magnetic Screw-Thread Caps, 18 mmRestek23091
Optima water for HPLCFisher ChemicalW71
SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane (PDMS)Supelco57341-U
SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane/Divinylbenzene (PDMS/DVB)Supelco57293-U
Topaz 2.0 mm ID Straight Inlet LinerRestek23313

Ссылки

  1. Pawliszyn, J. B. Method and Device for Solid Phase Microextraction and Desorption. United States patent. , (2005).
  2. Pawliszyn, J. Solid phase microextraction: theory and practice. , John Wiley & Sons. (1997).
  3. Rainey, C. L., Bors, D. E., Goodpaster, J. V. Design and optimization of a total vaporization technique coupled to solid-phase microextraction. Analytical Chemistry. 86 (22), 11319-11325 (2014).
  4. Sinnott, R. Chemical Engineering Design: Chemical Engineering. 6, Elsevier. (2005).
  5. Davis, K. Detection of Illicit Drugs in Various Matrices Via Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME). , Indiana University - Purdue University Indianapolis. Master of Science thesis (2019).
  6. Ash, J., Hickey, L., Goodpaster, J. Formation and identification of novel derivatives of primary amine and zwitterionic drugs. Forensic Chemistry. 10, 37-47 (2018).
  7. Sauzier, G., Bors, D., Ash, J., Goodpaster, J. V., Lewis, S. W. Optimisation of recovery protocols for double-base smokeless powder residues analysed by total vaporisation (TV) SPME/GC-MS. Talanta. 158, 368-374 (2016).
  8. Bors, D., Goodpaster, J. Mapping smokeless powder residue on PVC pipe bomb fragments using total vaporization solid phase microextraction. Forensic science international. 276, 71-76 (2017).
  9. Bors, D., Goodpaster, J. Chemical analysis of racing fuels using total vaporization and gas chromatography mass spectrometry (GC/MS). Analytical Methods. 8 (19), 3899-3902 (2016).
  10. Beiranvand, M., Ghiasvand, A. Design and optimization of the VA-TV-SPME method for ultrasensitive determination of the PAHs in polluted water. Talanta. 212, 120809(2020).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

171GC MSSPME

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены