Comparison of Different Approaches to Rapid Screening of Headspace Samples: Pros and Cons of Using MS-Based Electronic Noses versus Fast Chromatography

Význam tématu

Rostoucí potřeba rychlého a spolehlivého screeningu vzorků na základě jejich těkavých látek nachází uplatnění zejména v potravinářském, lahůdkářském i farmaceutickém průmyslu. Hloubková analýza hlavy plynu (headspace) umožňuje identifikovat a klasifikovat vzorky podle jejich vůně nebo složení bez nutnosti složité přípravy. Porovnání různých instrumentálních přístupů – rychlá chromatografie (Fast GC), elektronické čichy založené na hmotnostní spektrometrii (e-nose) a klasický headspace GC-MS – přináší přehled výhod a omezení každé metody, což je klíčové pro volbu optimální diagnostické strategie v praxi.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo zhodnotit výkonnost třech přístupů pro rychlý screening vzorků hlavy plynu: konvenční headspace GC-MS, Fast GC s FID detektorem a elektronickou čichovou jednotku ChemSensor (e-nose). Studie byla rozdělena do dvou kol: první část se zaměřila na schopnost rozlišit mezi 19 ovocnými příchutěmi (tréninková sada), druhá část ověřila schopnost detekovat známé falešné vzorky u čtyř příchutí (testovací sada). Výsledky každé techniky byly vyhodnoceny pomocí chemometrického softwaru (SIMCA), aby se zjistila diskriminační síla a predikční spolehlivost.

Použitá instrumentace

V průběhu studie byly využity následující konfigurace:

• Conventional Headspace GC-MS (Gerstel MPS2 + Agilent 6890/5973N) – skenovací režim 35–200 amu, DB-Wax kolona 30 m × 0,25 mm × 0,25 μm, ohřev 10 °C/min.
• Fast GC (Agilent 6890 + FID + Gerstel MPS2) – DB-Wax kolona 10 m × 0,10 mm × 0,20 μm, ohřev 55 °C/min.
• Fast GC-MS (stejná sestava jako headspace GC-MS se zkrácenou kolónou a rychlým rampováním 50 °C/min).
• Elektronický nos ChemSensor 4440 (Gerstel 7694 + Agilent 5973 MSD) – scan 35–200 amu, vzorky injektovány každé 3 minuty, jednotné „otiskové“ spektrum bez chromatografické separace.

Použitá metodika

Vzorky ovocných příchutí (1 mL aroma v 10 mL vialce) byly zahřívány na 70 °C po dobu 15 minut pro vyrovnání páry. Následně byl odebírán headspace buď do kolony (GC-FID/GC-MS) nebo přímo do MSD (ChemSensor), přičemž objem injekce byl 1 mL (u ChemSensor 3 mL). Pro chemometrické vyhodnocení byla použita softwarová sada Pirouette 3.04 (Infometrix), která zpracovala jak kompletní chromatogramy, tak spektrogramy e-nose. Modely SIMCA byly předzpracovány buď metodou mean-center nebo autoscaling podle potřeby.

Hlavní výsledky a diskuse

Časová náročnost:

• Konvenční headspace GC-MS: ~40 min na vzorek.
• Fast GC a Fast GC-MS: 10–11 min na vzorek.
• ChemSensor e-nose: 3 min na vzorek.

Diskriminační výkon (SIMCA, první kolo): všechny metody rozlišily většinu příchutí, kromě dvou blízce příbuzných vzorků (lesní plody vs. lesní směs), které vykazovaly velmi podobné chromatogramy i masové otisky. Predikce falešných vzorků (druhé kolo) prokázala, že headspace GC-MS i Fast GC-MS detekovaly všechny nekonzistentní vzorky, Fast GC s autoscalingem měl několik falešných pozitiv a e-nose vykazovalo nejvíce omylů u citrusových a jablečných vzorků.

Přínosy a praktické využití metody

• Headspace GC-MS poskytuje nejvyšší univerzálnost, plnou separaci a možnost retrospektivní identifikace neznámých látek.
• Fast GC zkracuje dobu analýzy bez výrazné ztráty výkonu, vhodná pro QC aplikace s vysokou propustností.
• ChemSensor e-nose nabízí nejrychlejší screening, minimální přípravu a jednoduchou automatizaci pro rutinní kontrolu kvality, avšak s omezenou citlivostí a selektivitou.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace inline headspace sampling v provozních linkách pro 100% kontrolu kvality.
• Rozvoj adaptivních chemometrických modelů umožňujících dlouhodobou stabilitu bez častých kalibrací.
• Pokročilé retenční time alignment a transferový algoritmus pro minimalizaci variability mezi kolónami a přístroji.
• Kombinace e-nose a rychlé chromatografie pro získání spektrálních a časově-diferenčních dat (hybridní přístupy).

Závěr

Porovnání tří přístupů ukázalo, že výběr optimální metody závisí na kompromisu mezi rychlostí, citlivostí a cenou instrumentace. Pro nejvyšší diskriminaci a flexibilitu zůstává standardní headspace GC-MS referenční metodou. Fast GC a Fast GC-MS nabízí významné zkrácení času analýzy při zachování separační síly. Elektronický nos je ideální pro vysoce propustné, rutinní aplikace, kde je přípustná mírně nižší selektivita. Plně automatizovaná chemometrická vyhodnocení usnadňují použití ve výrobní praxi i výzkumu bez nutnosti hluboké odborné expertizy.

Reference

• Heiden A. C., Gil C., Ramos L. S. Comparison of Different Approaches to Rapid Screening of Headspace Samples: Pros and Cons of Using MS-Based Electronic Noses versus Fast Chromatography. Gerstel AppNote 8/2002.