Organická analýza - Spojení plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií (GC/MS)

7. SPOJENÍ CHROMATOGRAFICKÝCH TECHNIK A HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

7.1 Spojení plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií (GC/MS)

7.2 Instrumentace pro GC/MS

• 7.2.1 GC/MS s kvadrupólem
• 7.2.2 GC/MS se sférickou iontovou pastí
• 7.2.3 GC/MS s trojitým kvadrupólem
• 7.2.4 GC/MS se sektorovými analyzátory
• 7.2.5 GC/MS s analyzátorem doby letu
• 7.2.6 GC/MS s Orbitrapem
• 7.2.7 GC/FT-ICR MS
• 7.2.8 GC/Q-TOF

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Spojení chromatografických technik a hmotnostní spektrometrie

Spojení separačních technik s hmotnostní spektrometrií dnes představuje velmi významnou a velmi účinnou analytickou techniku pro charakterizaci organických látek, nacházejících se i v komplikovaných směsích ve velmi rozdílných koncentracích. Toto spojení úspěšně eliminuje slabinu chromatografických technik, kterou je spolehlivost identifikace založená na porovnání retenčního chování neznámé látky (nejčastěji retenčního času) v analyzovaném vzorku se standardem. Zde je ale jedinou jistotou konstatování, že pokud se retenční chování liší, nejsou standard a neznámá složka látky totožné. Pokud je však „v dobré shodě“, může se (ale nemusí) jednat o stejnou sloučeninu. Jistota konstatování o shodě samozřejmě závisí na konkrétních podmínkách separace (např. účinnost kolony – u kapilárních kolon v GC je daleko vyšší než u HPLC); lze ji výrazně zvýšit při ověření retenčního chování v druhém systému s odlišným mechanismem separace. Naproti tomu analýza směsi organických sloučenin pomocí hmotnostní spektrometrie s elektronovou ionizací zpravidla nevede k smysluplnému výsledku, neboť je zhusta nemožné přiřadit fragmenty příslušné složce směsi (pokud nebereme v úvahu několik výjimek jako například strukturně typová analýza ropy). Mimořádně malé nároky na množství vzorku u hmotnostní spektrometrie pak dovolují sejmout dostatečně kvalitní spektra i z takových množství sloučenin, která nepřetíží chromatografické kolony.

Spojení plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií (GC/MS)

Potenciál využití hmotnostní spektrometrie jako detekční metody u plynové chromatografie byl rozpoznán velice brzy. Plynová chromatografie jako analytická technika spatřila světlo světa v roce 1952, kdy byla popsána rozdělovací plynová chromatografie (Gas-Liquid Chromatography, GLC) [1], adsorpční plynová chromatografie (Gas-Solid Chromatography, GSC) pak byla objevena o rok později [2]. A již v roce 1956 byly provedeny první experimenty se spojením plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií [3], a tato technika byla pak velmi rychle rozvíjena [4] a využita v analytické praxi – např. [5-9].

Hmotnostní spektrometr jako detektor u plynové chromatografie (ale i u kapalinové chromatografie, superkritické fluidní chromatografie a elektromigračních technik) může obecně pracovat v následujících režimech:

SCAN – hmotnostní spektrometr skenuje (snímá kompletní hmotnostní spektra) v nastaveném rozsahu s nastavenou frekvencí. Tento mód je obecně využíván při analýze neznámých směsí látek a zpravidla neumožňuje dosažení výrazně nízkých mezí detekce.

SIM (Selected Ion Monitoring) – hmotnostní spektrometr sleduje pouze vybraný ion (je pevně nastaven na zvolenou hodnotu m/z). Tento mód je vhodný pro cílenou analýzu jedné vybrané sloučeniny na stopové hladině.

MID (Multiple Ion Detection) – hmotnostní spektrometr sleduje několik zvolených hodnot m/z. Stejně jako přechozí je vhodný pro cílenou analýzu vybraných sloučenin s tím, že se zvyšujícím se počtem sledovaných iontů se zhoršují meze detekce.

Při využití tandemové hmotnostně spektrometrické detekce lze využít čtyř základních režimů:

Sken produktů (Product Scan): první analyzátor vybírá zvolený prekurzor, který je v druhém kvadrupólu kolizně aktivován a třetí kvadrupól skenuje vzniklé produktové fragmenty.

Sken prekurzorů (Precursor Scan): Třetí kvadrupól je nastavený na m/z zvoleného produktového iontu a první kvadrupól skenuje. Tímto způsobem se ke zvolenému produktu vyhledá jeho prekurzor (příp. prekurzory).

Sken konstantní neutrální ztráty (Constant Neutral Loss Scan): Skenuje první i třetí kvadrupól při zachování konstantní diference mezi nimi, která určuje sledovanou neutrální ztrátu.

Sledování vybrané fragmentace/vybraných fragmentací (Multiple Reaction Monitoring, MRM) – první i třetí kvadrupól jsou nastavené na zvolený prekurzor a produkt (případně přepínají mezi zvolenými dvojicemi); tento mód je nejvhodnější pro cílenou analýzu na stopové a ultrastopové úrovni.

Instrumentace pro GC/MS

GC/MS s kvadrupólem

• Literatura GC/MS s kvadrupólem v knihovně LabRulezGCMS

Tyto přístroje patří k nejpopulárnějším. Díky malým rozměrům kvadrupólu jsou ve stolním provedení a nezabírají příliš mnoho místa. Kvadrupól jakožto robustní a spolehlivý analyzátor nepříliš náročný na obsluhu dává těmto systémům značnou užitnou hodnotu. Tandemy tohoto typu jsou v portfoliu prakticky všech firem dodávajících GC/MS instrumentaci a pro svoji spolehlivost jsou využívány v řadě laboratoří zejména pro rutinní analýzu.

GC/MS se sférickou iontovou pastí

• Literatura GC/IT v knihovně LabRulezGCMS

Tyto systémy umožňovaly využití tandemové (a teoreticky i vícestupňové) hmotnostní spektrometrie při detekci separovaných sloučenin, což významně přispívalo k minimalizaci chemického šumu a tím ke zlepšení mezí detekce. Sférické iontové pasti byly poněkud náročnější na obsluhu a zkušenost operátora při optimalizaci příslušných parametrů.

GC/MS s trojitým kvadrupólem

• Literatura GC/QQQ v knihovně LabRulezGCMS

Trojitý kvadrupól je nejčastěji využíván v režimu tandemové hmotnostní spektrometrie. Jeho nejsilnější stránkou je cílená detekce vybraných sloučenin v režimu MRM (Multiple Reaction Monitoring) na stopové a ultrastopové úrovni.

GC/MS se sektorovými analyzátory

Systémy tohoto typu využívají analyzátorů s dvojí fokusací (většinou konfigurace EB), umožňují MS detekci s vysokým rozlišením. Ta může významným způsobem přispět k minimalizaci chemického šumu a ke zvýšení selektivity detekce.

GC/MS s analyzátorem doby letu

• Literatura GC/TOF v knihovně LabRulezGCMS

Analyzátor doby letu (TOF) byl historicky vůbec prvním analyzátorem využitým ve spojení GC/MS. Analyzátor doby letu z principu není schopen pracovat v režimu detekce vybraných iontů (SIM), neboť vždy zpracovává všechny ionty do něho vyslané. Díky tomu jsou kompletní spektra registrována s mezemi detekce porovnatelnými s režimem SIM.

GC/MS s Orbitrapem

• Literatura GC/Orbitrap v knihovně LabRulezGCMS

Tandemy tohoto typu jsou komerčně dostupné od roku 2015, když se předtím podařilo optimalizací algoritmu Fourierovy transformace a využitím elektrického pole vysoké intenzity u „kompaktního“ Orbitrapu zvýšit frekvenci skenování až na 40 Hz, což bylo dostačující i pro štíhlé píky u kapilární plynové chromatografie.

GC/FT-ICR MS

Tento tandem je poměrně exotický díky extrémně vysokému rozlišení hmotnostního spektrometru i jeho pořizovacím a provozním nákladům, a rovněž komplikovaný vzhledem k nutnosti udržení extrémně kvalitního vakua v měrné cele hmotnostního spektrometru (10-7 Pa a méně). Nevýhodou je rovněž poměrně malá frekvence registrace hmotnostních spekter (typicky cca 1 Hz).

GC/Q-TOF

• Literatura GC/Q-TOF v knihovně LabRulezGCMS

V podstatě se jedná o trojitý kvadrupól, v němž je třetího kvadrupólu použit analyzátor doby letu s orthogonální pulsní akcelerací iontů.