Artículo de método

Fizzy Extracción de Compuestos Orgánicos Volátiles Combinado con la Presión Atmosférica Ionización Química Espectrometría de Masa Cuadrupolar

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DOI:

10.3791/56008

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14 de julio de 2017

 ,  , 
1Department of Applied Chemistry, National Chiao Tung University

En este artículo

Resumen

La extracción de Fizzy es una nueva técnica de laboratorio para el análisis de compuestos volátiles y semivolátiles. Se disuelve un gas portador en la muestra líquida aplicando sobrepresión y agitando la muestra. La cámara de muestra se descomprime a continuación. Las especies de analito se liberan a la fase gaseosa debido a la efervescencia.

Resumen

El análisis químico de compuestos volátiles y semivolátiles disueltos en muestras líquidas puede ser un reto. Los componentes disueltos necesitan ser llevados a la fase gaseosa, y transferidos eficientemente a un sistema de detección. La extracción de Fizzy aprovecha el fenómeno de la efervescencia. En primer lugar, se disuelve un gas portador (en este caso, dióxido de carbono) en la muestra aplicando sobrepresión y agitando la muestra. En segundo lugar, la cámara de muestras se descomprime abruptamente. La descompresión conduce a la formación de numerosas burbujas de gas portador en el líquido de muestra. Estas burbujas ayudan a la liberación de las especies de analito disueltas del líquido a la fase gaseosa. Los analitos liberados se transfieren inmediatamente a la interfase de ionización química de presión atmosférica de un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo. Las especies de analito ionizables dan lugar a señales de espectrometría de masas en el dominio del tiempo. Debido a que la liberación de la especie de analito ocurre durante cortos períodos de tiempo (unos pocos segundos), Las señales temporales tienen amplitudes elevadas y altas relaciones señal-ruido. Las amplitudes y áreas de los picos temporales pueden correlacionarse con las concentraciones de los analitos en las muestras líquidas sometidas a extracción con gas, lo que permite un análisis cuantitativo. Las ventajas de la extracción con gas incluyen: simplicidad, velocidad y uso limitado de productos químicos (disolventes).

Introducción

Diversos fenómenos observados en la naturaleza y en la vida cotidiana están vinculados a los equilibrios de fase gas-líquido. El dióxido de carbono se disuelve en bebidas suaves y alcohólicas bajo presión elevada. Cuando se abre una botella de tal bebida gaseosa, la presión cae y las burbujas de gas se precipitan hacia la superficie del líquido. En este caso, la efervescencia mejora las propiedades organolépticas de las bebidas. La liberación de burbujas de gas es también la principal causa de enfermedad de descompresión ("las curvas") 1 . Debido a la súbita descompresión, las burbujas se forman en los cuerpos de los buzos. Las personas que sufren la enfermedad de descompresión se tratan en cámaras hiperbáricas.

Las burbujas de gas tienen varias aplicaciones en química analítica. En particular, los métodos de burbujeo se basan en pasar burbujas de gas a través de muestras líquidas para extraer compuestos volátiles 2 . Por ejemplo, se combina un método denominado "bucle cerrado de purga" con cromatografía de gases para permitir el análisis rápido de diVolátiles ssolvidos 3 . Mientras que el burbujeo puede extraer continuamente volátiles con el tiempo, no los confina en el espacio ni en el tiempo. Las especies de fase gaseosa liberadas necesitan ser atrapadas y -en algunos casos- concentradas aplicando un programa de temperatura o usando sorbentes. Por lo tanto, existe la necesidad de introducir nuevas estrategias de tratamiento en línea de la muestra, que podrían reducir el número de pasos y, al mismo tiempo, concentrar analitos volátiles en el espacio o el tiempo.

Para abordar el desafío de extraer compuestos volátiles de muestras líquidas y realizar análisis en línea, recientemente introdujimos la "extracción con gas" 4 . Esta nueva técnica aprovecha el fenómeno de la efervescencia. Brevemente, primero se disuelve un gas portador (aquí, dióxido de carbono) en la muestra aplicando sobrepresión y agitando la muestra. A continuación, la cámara de muestra se descomprime abruptamente. La súbita descompresión conduce a la formación de numerosas burbujas de gas portador En el líquido de muestra. Estas burbujas ayudan a la liberación de las especies de analito disueltas del líquido a la fase gaseosa. Los analitos liberados son inmediatamente transferidos al espectrómetro de masas, produciendo señales en el dominio del tiempo. Debido a que la liberación de la especie de analito se limita a un corto período de tiempo (unos pocos segundos), las señales temporales tienen amplitudes altas y relaciones señal / ruido elevadas.

Las presiones implicadas en el proceso de extracción con gas son muy bajas (~ 150 kPa) 4 ; Mucho menor que en la extracción de fluido supercrítico 5 ( por ejemplo , ≥ 10 MPa). La técnica no requiere el uso de artículos consumibles especiales (columnas, cartuchos). Solamente se usan pequeños volúmenes de solventes para la dilución y limpieza. El dispositivo de extracción puede ser ensamblado por químicos con habilidades técnicas medias utilizando partes ampliamente disponibles 4 ; Por ejemplo, módulos electrónicos de código abierto"> 6 , 7. La extracción de Fizzy se puede acoplar en línea con los espectrómetros de masas modernos equipados con la interfaz de ionización química de presión atmosférica (APCI). Debido a que los extractos en fase gaseosa se transfieren a la fuente de iones, Partes del espectrómetro de masas.

El propósito de este artículo de experimento visualizado es guiar a los espectadores sobre cómo implementar la extracción con gas en una tarea analítica simple. Si bien el núcleo del sistema de extracción de gas es como se describe en nuestro informe anterior 4 , se han introducido varias mejoras para hacer la operación más directa. En el sistema se ha incorporado un microcontrolador dotado de pantalla LCD para visualizar en tiempo real los parámetros de extracción de las teclas. Todas las funciones están programadas en los scripts del microcontrolador, y ya no es necesario usar un ordenador externo para cControlar el sistema de extracción.

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Protocolo

Este protocolo supone que todos los pasos se realizan de acuerdo con las normas de seguridad de laboratorio pertinentes. Algunas de las etapas utilizan instrumentos comerciales - en esos casos, las pautas del fabricante deben ser seguidas. Cuando se manipulan productos químicos tóxicos, se deben seguir las guías de MSDS. El equipo a medida 4 debe ser operado con precaución; Especialmente, cuando se manipulan gases presurizados y cableado eléctrico activo.

1. Preparación de la solución estándar

  1. Preparar 6,2 x 10 -2 M de solución madre de limoneno en etanol mezclando 10 μL de limoneno con 990 μl de etanol.
  2. Preparar 10 ml de solución de limoneno 6,2 x 10 -5 M mezclando 10 μl de limoneno 6,2 x 10 -2 , 490 μl de etanol y añadiendo agua pura al volumen final de 10 ml. Agitar bien el frasco volumétrico.
  3. Transfiera la solución estándar preparada a un vial de vidrio de 20 ml con tapa roscada con septuM tapa La solución estándar diluida puede usarse para probar el sistema.

2. Preparación de una muestra real

  1. Obtenga el jugo de lima apretando la fruta fresca de la lima (cortada por la mitad) en un exprimidor de la cocina.
  2. Prepare 10 ml de jugo de limón diluido mezclando 2 ml de jugo de limón, 500 μl de etanol y agregando agua pura al volumen final de 10 ml. Agitar bien el frasco volumétrico.
  3. Transfiera la muestra preparada a un vial de 20 ml con tapa de septum.

3. Spiking la muestra real con la solución estándar

  1. Primera adición estándar: Preparar 10 ml de muestra con punta mezclando 2 ml de jugo de limón, 10 μl de solución de limoneno 6,2 x 10 -2 M, 490 μl de etanol y añadiendo agua pura al volumen final de 10 ml. Agitar bien el frasco volumétrico.
  2. Segunda adición estándar: Preparar 10 ml de muestra con punta mezclando 2 ml de jugo de limón, 20 μL de limonen 6,2 x 10 -2 ME, 480 mu l de etanol, y añadiendo agua pura al volumen final de 10 ml. Agitar bien el frasco volumétrico.

4. Configuración del sistema de extracción Fizzy

  1. Poner el sistema de extracción de gaseosas ( Figura 1 ) 4 junto a la fuente APCI del espectrómetro de masas de triple cuadrupolo.
  2. Conecte el cilindro de gas de dióxido de carbono a la entrada de suministro de gas del sistema de extracción de gas. Abra la válvula en el regulador de gas. Ajuste la presión de salida a 1,5 bar (150 kPa).
  3. Conecte la salida de la cámara de extracción a la entrada de la fuente de iones.
  4. Conecte el sistema de extracción de gas a la fuente de alimentación de 12 V.
  5. Configure el software de adquisición de datos del espectrómetro de masas de triple cuadrupolo ( Figura 2 ). Operar el instrumento con la fuente APCI, en el modo de monitoreo de reacción múltiple de iones positivos (MRM), con argón como colisióngas.
    1. Ejecute el software de adquisición de datos.
    2. Seleccione la opción "LCMS8030 solamente".
    3. Seleccione la opción "MS On / Off".
    4. Ajustar la temperatura de la línea de desolvatación a 250 ° C y el caudal de gas de secado a 15 L min -1 . Espere hasta que el valor de cada parámetro del instrumento sea igual al valor preestablecido.
    5. Seleccione el archivo del método de adquisición de datos de MS.
    6. Asegúrese de que el voltaje de colisión es -20 V, el ión precursor m / z es 137 y el ión del fragmento m / z es 81 y 95
    7. Haga clic en el botón "Iniciar ejecución única".
    8. Escriba el nombre del archivo.
    9. Seleccione la ruta del archivo.
    10. Vaya a la sección 5 ("Realización de la extracción con gas").
    11. Seleccione la opción "MS On / Off".
    12. Cierre la ventana del software.
    13. Marque los ítems "Gas nebulizador apagado", "Calentador DL ​​apagado", "Bloque calor apagado" y "Gas seco desactivado". Haga clic en Aceptar&# 34 ;.

5. Realización de Fizzy Extraction

  1. Coloque un vial de muestra en el sistema de extracción de gas con el tornillo de montaje. El sistema de extracción funciona a temperatura ambiente (~ 25 ° C).
  2. Presione el botón "Inicio" en la pantalla LCD del sistema de extracción de gas.
  3. Espere mientras se ejecuta el proceso automatizado de extracción con gas ( Figura 3 ). Observe el desarrollo de las señales de iones en la pantalla del espectrómetro de masas de triple cuadrupolo.
    NOTA: Los siguientes pasos se ejecutan automáticamente: El espacio de cabeza de la muestra se limpia con dióxido de carbono durante 60 s. La muestra se presuriza con dióxido de carbono durante 60 s. El motor del agitador está encendido. La muestra se despresuriza. Se forman múltiples burbujas. En la fase posterior, el motor agitador está encendido para mejorar el burbujeo.
  4. Sacar (desatornillar) el vial de la muestra.
  5. Limpie el huso de agitación de la muestra con papel de celulosa.
  6. Lave la agitación spIndle con etanol, y limpie con tejido de celulosa de nuevo.
  7. El sistema está listo para el análisis de otra muestra (repita los pasos 5.1-5.6).
  8. Apague la fuente de alimentación.
  9. Desconecte el tubo de salida de la extracción de gas de la fuente de iones.
  10. Cierre la válvula del cilindro de gas y desconecte la tubería de gas.

6. Análisis de datos

  1. Exportar las corrientes iónicas extraídas para el m / z 81 desde el software de adquisición de datos del espectrómetro de masas de triple cuadrupolo a los archivos ASCII ( Figura 4 ).
    NOTA: La corriente de iones en el m / z 95 no se utiliza en esta demostración.
    1. Ejecute el software de adquisición de datos. Seleccione la opción "Postrun".
    2. Seleccione la opción "Seleccionar proyecto (carpeta)" y elija el archivo de datos.
    3. Haga clic en el menú "Archivo" y seleccione "Exportar datos" / "Exportar datos como ASCII".
    4. Seleccione & #34 "Archivo de salida" y seleccione la ruta del archivo Seleccione "MS Chromatogram (MC)".
  2. Importe los conjuntos de datos sin procesar en software de integración de pico y mida las áreas de pico ( Figura 5 ). Ajustes: línea de base lineal; Función HVL.
    1. Ejecute el software de integración de picos.
    2. Seleccione la opción "Importar" en el menú "Archivo". Haga clic en el botón "Sí".
    3. Seleccione los datos en las columnas X e Y. Haga clic en el botón "Aceptar". Seleccione la opción "AutoFit Peaks I Residuals".
    4. Montar el pico de extracción de forma semiautomática. Asegúrese de que la curva ajustada sigue los puntos de datos experimentales. Seleccione la opción "List Peak Estimates". Seleccione la opción "Editor ASCII".
    5. Copie los resultados de ajuste en "Portapapeles".
  3. Introduzca las áreas de pico medidas en una hoja de cálculo en el software de análisis de datos ( Figura 6 ).
      Ejecute el software de análisis de datos.
    1. Introduzca los valores de concentración en la columna X y los valores del área del pico en la columna Y. Seleccione la opción "Symbol" / "Scatter" en el menú "Plot". Seleccione la opción "Fitting" / "Fit Linear" en el menú "Análisis".
  4. Calcular la concentración de limoneno en la muestra real diluida basada en la fórmula:
    figure-protocol-1
    Donde I es la intersección de la función lineal, mientras que S es la pendiente.
  5. Calcular la concentración de limoneno en la muestra real original (antes de la dilución) en base a la fórmula:
    figure-protocol-2
    Donde DF es el factor de dilución (aquí, 5).

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Resultados

Al principio, el sistema de extracción con gas se prueba con una solución estándar. Posteriormente, se analizan la muestra real y la muestra real marcada con estándar. Las áreas de los picos temporales de los eventos de extracción están correlacionadas con las concentraciones de los analitos en las muestras líquidas sometidas a extracción con gas, lo que permite un análisis cuantitativo. Aquí, hemos realizado doble adición estándar para demostrar capacidades cuantitativas de la técnica (...

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Discusión

Varias formas inteligentes de entregar muestras a un espectrómetro de masas se desarrollaron en los estudios realizados durante las últimas tres décadas ( por ejemplo , las referencias 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ). Uno de los objetivos de estos estudios fue simplificar la...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Quisiéramos agradecer al Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (número de la subvención: MOST 104-2628-M-009-003-MY4) por el apoyo financiero de este trabajo.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
AguaFisher W6212Diluyente
EtanolSigma-Aldrich32221-2.5LDiluyente
(R)-(+)-LimonenoSigma-Aldrich183164-100ML
Estándar Dióxido de carbonoChiaLungn/aGas portador
celulosa, Kimwipes KimtechKimberly-Clark34120Utilizado para la limpieza
Espectrómetro de masas de triple cuadrupoloShimadzuLCMS-8030Sistema de detección
Interfaz de ionización química a presión atmosféricaShimadzuDuisFuente
de iones Frasco de vidrio de 20 ml con tapón de tabiqueThermo Fisher ScientificD-52379Frasco de muestra
LabSolutionsShimadzun/aversión 5.82
Software PeakFitSystat Softwaren/aversión 4.12
Software OriginProOriginLabn/aversión 8
Tejido de Software

Referencias

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