Газовая хроматография-масс-спектрометрия в сочетании с полной испаряемой твердофазной микроэкстракцией в качестве судебного инструмента

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 десорбции^1,2. 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 чувствительности^3. 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.

образец	Аналит(ы)	Рекомендуемое волокно SPME	Справка(и)
Человеческие волосы	Никотин, котинин	Полидиметилсилоксан/дивинилбензол (PDMS/DVB), полиакрилат (PA)	3
бездымный порох	Нитроглицерин, дифениламин	Полидиметилсилоксан (PDMS), полиэтиленгликоль (PEG)	7, 8
Гоночное топливо	Метанол, нитрометан	колышек	9
Вода	Полициклические ароматические углеводороды	ПДМС	10
Напитки	ɣ-гидроксимасляная кислота, ɣ-бутиролактон	ПДМС	Эта работа
Твердый порошок	Метамфетамин, амфетамин	ПДМС/ДВБ	неопубликованный

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).
Уравнение 1

где V_o - объем образца (мл), P - давление пара растворителя (бар), V_v - объем флакона (L), R - постоянная идеального газа (0,083145), M - молярная масса растворителя (г/моль), T - температура (K) и плотность растворителя (г/мл). ^{3 3}

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

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

Уравнение 3 дает объем образца (V_o),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.

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 веществ^{3,5,6,7,8,9,10.}

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.

Результаты

Было проведено объемное исследование GBL, чтобы продемонстрировать чувствительность TV-SPME по сравнению с пространством над головой и погружением SPME. Образец ГБЛ объемом 100 pm_v 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 ...

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?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
10 µL Syringe	Gerstel	100111-014-00
BSTFA + 1% TMCS (10 x 1 GM)	Regis Technologies Inc.	50442882
eVol XR Sample Dispensing System Kit	ThermoFisher Scientific	66002-024
-Butyrolactone (GBL)	Sigma-Aldrich	B103608-26G
-Hydroxy Butyric Acid (GHB)	Cayman Chemicals	9002506
Headspace Screw-Thread Vials, 18 mm	Restek	23083
Magnetic Screw-Thread Caps, 18 mm	Restek	23091
Optima water for HPLC	Fisher Chemical	W71
SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane (PDMS)	Supelco	57341-U
SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane/Divinylbenzene (PDMS/DVB)	Supelco	57293-U
Topaz 2.0 mm ID Straight Inlet Liner	Restek	23313