Nový detektor iontů pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s dlouhou životností a mezí detekce v řádu subfemtogramů
LECO: Nový detektor iontů pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s dlouhou životností a mezí detekce v řádu subfemtogramů
Matthew Soyk1 , Viatcheslav Artaev1 , Semyon Shofman2 , Amit Weingarten2 | 1 LECO Corporation, St. Joseph, MI; 2 El Mul Technologies, Rehovot, Israel
Účinnost detekce iontů a rychlá odezva jsou klíčovými parametry detektorů iontů používaných v hmotnostní spektrometrii s časem doby letu (TOFMS). Díky moderním pokrokům v oblasti ionizace, iontové optiky a přenosu iontů jsou TOFMS systémy schopny generovat vysoký tok iontů dopadajících na detektory. Vývoj detektoru iontů, který dokáže dlouhodobě udržet optimální výkon i při vysokém iontovém zatížení, představuje významnou výzvu při konstrukci přístrojů TOFMS. Zvýšení životnosti detektoru přispívá ke snížení nákladů na údržbu a ke zlepšení uživatelského komfortu. Ve spolupráci se společností El-Mul Technologies byl vyvinut nový detektor iontů s dlouhou životností, určený pro použití v přístrojích LECO Pegasus® BTX GC a GC×GC-TOFMS. Systém byl důkladně otestován z hlediska citlivosti, odolnosti a zejména dlouhodobé stability detektoru.
Metody
MS akvizice byla nastavena na extrakční frekvenci 32 kHz z přímého extrakčního iontového zdroje, udržovaného na teplotě 250 °C, s energií elektronů 70 eV a emisním proudem vlákna 1 mA. U experimentů GC-TOFMS byla použita rychlost sběru 10 spekter za sekundu, u GC×GC-TOFMS 200 spekter za sekundu.
Standardy oktafluornaftalenu (OFN) zakoupené od společnosti Ultra Scientific byly použity ke stanovení meze detekce a linearity dynamického rozsahu. Měření GC-TOFMS i GC×GC-TOFMS byla provedena se stejnou konfigurací GC kolon: primární kolona Rxi-5MS (30 m × 0,25 mm × 0,25 μm) byla spojena pomocí ferule Siltite se sekundární kolonou Rxi-17SilMS (2 m × 0,25 mm × 0,25 μm). Z této délky bylo 0,1 m kolony umístěno v modulátoru LECO QuadJet a 0,3 m v sekundární peci.
V experimentech GC-TOFMS byl do systému dávkován 1 μL roztoku OFN při splitu 200:1. Konstantní průtok helia byl nastaven na 1,4 mL/min a teplotní program pece byl 20 °C/min z 50 °C (držení 0,5 min) na 160 °C (držení 2,5 min). Sekundární pec byla nastavena s teplotním offsetem +5 °C vůči hlavní GC peci a modulátor s offsetem +15 °C vůči sekundární peci.
Při měřeních GC×GC-TOFMS byl do systému dávkován 1 μL OFN při dělení 500:1. Průtok helia byl rovněž 1,4 mL/min. Teplota pece byla zvyšována rychlostí 60 °C/min z 50 °C (držení 1 min) na 160 °C (držení 2,5 min). Sekundární pec měla offset +5 °C vůči hlavní GC peci a modulátor offset +15 °C vůči sekundární peci. Modulační perioda činila 2 s.
Vzorky konopných extraktů byly připraveny metodou QuEChERS bez dalšího čištění. Nástřiky pro GC-TOFMS byly provedeny při splitu 100:1 do split/splitless inletu (Agilent 8890 GC). Ochranná kolona o rozměrech 5 m × 0,10 mm byla pomocí ferule Siltite napojena na kolonu 9,5 m × 0,25 mm. Při těchto měřeních nebyla použita žádná analytická separace, aby se maximalizovala propustnost analýzy. Teplota GC pece byla zvyšována rychlostí 20 °C/min z 150 °C na 320 °C.
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Obrázek 1. Pegasus BTX GCxGC-TOFMS.
Nový detektor iontů s dlouhou životností
Pro systémy Pegasus BTX GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS byl vyvinut nový detektor, jehož konstrukce maximalizuje citlivost, lineární dynamický rozsah, rozlišovací schopnost a životnost zařízení. Ionty vystupující z letové dráhy jsou urychleny na 8,1 keV a dopadají na konverzní elektrodu. Při dopadu dochází k uvolnění velkého množství sekundárních elektronů, které jsou izochronně přeneseny na povrch scintilátoru s rychlou odezvou. Tím dochází k uvolnění fotonů, jež jsou dále vedeny světlovodem na fotonásobič (PMT), kde dojde k zesílení signálu. Výstupní signál z PMT je digitalizován pomocí 15bitového datového akvizičního systému s frekvencí 500 MHz, vyvinutého společností LECO. Výsledná spektra jsou po součtu přenesena do řídicího počítače přístroje.
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Obrázek 2. Nový iontový detektor s dlouhou životností.
Optimalizace zesílení
Systém Pegasus BTX GC-TOFMS využívá statistický výpočet na základě infuzních dat PFTBA ke stanovení, kolik jednotek plochy signálu (area counts) odpovídá zásahu jednoho iontu. Následně se pracovní napětí detektoru (bias) upravuje směrem nahoru nebo dolů tak, aby odpovídalo požadované cílové hodnotě plochy na iont (API – area per ion). Pro stanovení optimální cílové hodnoty API u nového iontového detektoru byla naměřena data z PFTBA při nastaveních API od 60 do 110 v krocích po 10. Výsledky byly analyzovány vynesením vypočtené hodnoty izotopové věrnosti (Isotope Fidelity = naměřený izotopový poměr / teoretický izotopový poměr) fragmentu C₈F₁₄N⁺ (m/z 376) z PFTBA.
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Obrázek 3. Izotopová věrnost fragmentu C₈F₁₄N⁺ z PFTBA v závislosti na hodnotě plochy na iont (API), která představuje statistické měření zesílení detektoru.
Jako optimální cílová hodnota API pro nový iontový detektor byla zvolena hodnota 90, neboť při tomto nastavení se detektor nachází v oblasti křivky izotopové věrnosti s hodnotou vyšší než 1, avšak bez nadměrného zesílení, které by vedlo k nežádoucímu opotřebení detektoru.
Životnost detektoru
Za účelem ověření, jaký celkový náboj je detektor schopen přijmout před dosažením maximálního pracovního napětí fotonásobiče (PMT), byla na systému Pegasus BTX GC-TOFMS s novým detektorem po dobu několika měsíců opakována následující akviziční sekvence:
- Optimalizace zesílení detektoru pro nastavení a zaznamenání napětí PMT
- 24-hodinová akvizice s kontinuální infuzí PFTBA
- Opakování kroků 1–2
Celkové množství náboje akumulovaného na novém detektoru bylo vypočteno pomocí řídicího softwaru ChromaTOF® od společnosti LECO. Odhad životnosti detektoru byl získán extrapolací z těchto dat pomocí lineární regrese, jak je znázorněno na obrázku 4. Za předpokladu, že stárnutí detektoru probíhá lineárně, byla maximální hodnota akumulovaného náboje odhadnuta na přibližně 3200 C, než napětí PMT dosáhne hranice -1000 V. Při zjištěné rychlosti akumulace by to odpovídalo odhadované životnosti detektoru 4–5 let při běžném použití v režimu analýzy s vysokou citlivostí.
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Obrázek 4. Závislost pracovního napětí detektoru na celkovém akumulovaném náboji.
Detekční limity
Detekční limit systému Pegasus BTX s novým iontovým detektorem byl stanoven výpočtem meze detekce přístroje (IDL – Instrument Detection Limit) pro OFN v režimech GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS. V každém režimu bylo provedeno osm opakovaných nástřiků OFN a hodnoty IDL byly vypočteny podle následujícího vzorce:
IDL = (%RSD / 100) × t (Student, 99% spolehlivost) × množství na koloně
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Tabulka 1. Meze detekce (IDL) pro OFN v GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS, vypočtené z osmi opakovaných injekcí – 5 fg pro GC-TOFMS a 2 fg pro GC×GC-TOFMS.
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Obrázek 5. (a) Extrahovaný iontový chromatogram (EIC) z analýzy GC×GC-TOFMS při injekci 2 fg OFN na koloně. (b) Hmotnostní spektrum s přesnou hmotností pro detekovaný pík cílového analytu (2 fg OFN).
Lineární dynamický rozsah
Lineární dynamický rozsah systému Pegasus BTX GC-TOFMS s novým detektorem iontů byl demonstrován dávkováním OFN na koloně v rozmezí od 5 fg do 500 pg (5 řádů) pro měření GC-TOFMS a od 2 fg do 50 pg (více než 4 řády) pro měření GC×GC-TOFMS.
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Obrázek 6. (a) Kalibrační křivka lineárního dynamického rozsahu v režimu GC-TOFMS pro nástřiky OFN na koloně v rozmezí 5 fg–500 pg. (b) Kalibrační křivka lineárního dynamického rozsahu v režimu GC×GC-TOFMS pro nástřiky OFN na koloně v rozmezí 2 fg–50 pg.
Robustnost systému
Pro vyhodnocení stability a robustnosti systému Pegasus BTX GC-TOFMS s novým detektorem iontů byly před a po 900 nástřicích vzorku konopného extraktu testovány základní provozní parametry systému. Sledována a zaznamenávána byla plocha píku pro 10 fg a 100 fg OFN na koloně a rovněž pracovní napětí detektoru. Prokázaná robustnost je výsledkem nejen konstrukce nového detektoru, ale také vlastností iontového zdroje StayClean®.
LECO: Nový detektor iontů s dlouhou životností pro GC-TOFMS a GC×GC-TOFMS s mezí detekce v řádu subfemtogramů: Obrázek 7. Plocha píku opakovaných nástřiků OFN naměřených před (vlevo) a po (vpravo) 900 nástřicích konopného extraktu. Zesílení detektoru bylo optimalizováno před oběma sadami nástřiků OFN a pracovní napětí detektoru zůstalo po celou dobu experimentu konstantní na hodnotě -481 V. Celkový akumulovaný náboj byl odhadnut na 11,4 C.
Závěry
Systém Pegasus BTX GC(GC×GC)-TOFMS s novým detektorem iontů s dlouhou životností prokázal následující výkonnostní parametry:
- Mez detekce pod 2 fg v režimu GC-TOFMS a pod 1 fg v režimu GC×GC-TOFMS
- Lineární dynamický rozsah pěti řádů v GC-TOFMS a čtyř řádů v GC×GC-TOFMS
- Robustní provoz: pracovní napětí detektoru zůstává stabilní a intenzita píku BTX konzistentní i při dlouhodobém provozu, vysokém počtu vzorků a významné akumulaci náboje na detektoru.
Poděkování
Autoři děkují Samantě Norlock za její pomoc při získávání dat o robustnosti extraktu z konopí.
