タトゥーインク成分および偽造製品の同定のための質量分光検出を用いた2段階熱分解-ガスクロマトグラフィー法

サマリー

質量分光検出およびデータ評価プロトコルを用いたガスクロマトグラフィーに結合された2段階熱分解のためのこの方法は、入れ墨インキの多成分分析および偽造製品の識別に使用することができる。

要約

入れ墨のインクは、成分の複雑な混合物です。それらの各々は、化学分析に対処しなければならない異なる化学的性質を有しています。この方法では、2段階熱分解のオンライン結合ガスクロマトグラフィー質量分析 (py − gc-ms) 揮発性化合物は、第1の脱着実行中に分析される。2回目の実行では、顔料およびポリマーなどの非揮発性化合物の分析のために、同じ乾燥サンプルが熱分解されます。これらは、特定の分解パターンによって識別できます。さらに、このメソッドは、偽造インクとオリジナルを区別するために使用できます。平均質量スペクトルおよび自己製熱分解ライブラリーを用いたデータ評価のための容易なスクリーニング方法が、物質識別を高速化するために適用される。熱分解の GS-MS データのための専門の評価ソフトウェアを使用して、完全なクロマトグラムの速く、信頼できる比較は達成することができます。GC − MS は分離技術として使用されるので、この方法は、試料の脱着時および熱分解時に揮発性物質に限定される。この方法は、サンプル調製工程を必要としないため、市場管理調査の迅速な物質スクリーニングに適用することができます。

概要

入れ墨のインクは、顔料、溶剤、結合剤、界面活性剤、増粘薬、場合によっては保存料¹からなる複雑な混合物である。過去数十年間に入れ墨の増加の人気は、ヨーロッパ全域の入れ墨のインクの安全性に対処する法律の確立につながっています。ほとんどの場合、顔料とその不純物の色を与えることは制限されているため、法律の遵守を制御するために、州の研究所市場調査によって監視する必要があります。

ここに記載されているオンライン熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析 (py-MS) のアプローチを使用して、複数の成分を同時に同定することができる。揮発性、半揮発性および非揮発性化合物を分離し、同じプロセス内で分析することができるので、入れ墨のインク分析のために使用される他の方法に比べてターゲット化合物の多様性が高いです。液体クロマトグラフィー法は、主に有機溶媒²に可溶化した顔料を用いて行われる。ラマン分光法、ならびにフーリエ変換赤外線 (FT-IR) 分光法は、顔料およびポリマーの同定に適したツールとして説明されているが、標準では分離技術が使用されていないため、多成分混合物に限定される実験室用アプリケーション^3,4.レーザー脱離/イオン化時間質量分析 (LDI) は、顔料およびポリマー識別^5,6にも使用されています。全体として、ほとんどの方法は、揮発性化合物の分析を欠いている。適切な商用スペクトルライブラリの欠如は、これらの方法のすべての一般的な欠点です。無機顔料の同定は、誘導結合プラズマ質量分析 (icp-ms)^7,8またはエネルギー分散型 X 線分光法 (EDX)^4,9のいずれかを用いて行われてきたことが多い。また、FT − IR およびラマン分光法は、他の研究分野^{10、11、12、13}における二酸化チタンまたは鉄酸化物などの無機顔料の分析に使用されてきた。

この研究の目的は、既存および共通のデバイスをアップグレードするために、中程度の財務コストを伴う標準分析ラボに適用可能な方法を確立することでした。以下に記載されている Py − MS は、混合物から有機成分を同定するための非定量的アプローチである。Py GC-MS スクリーニングにおいて疑わしい物質を同定することにより, 対象物質をより専門的な手法で定量化することができる.顔料およびポリマーのような非揮発性および非可溶性物質の分析のために特に興味深い。

記載された方法は、アプリケーションの他の分野におけるインクおよびワニスに適合することができる。記載されているデータ評価方法は、すべての熱分解調査に適用可能である。また、偽造品は、主にアジア市場から、消費者にリスクの潜在的な源と、製造業者に財政的負担を表示します (レーゲンスブルク、ドイツ、2017の 3^rd ECTP での個人的なコミュニケーション)。ここに記載されている方法を使用して、推定偽造インキの特性をオリジナルのボトルに比較することができますが、car ワニス識別¹⁴の公開フォレンジックアプローチと同様です。

プロトコル

1. 入れ墨のインク準備およびサンプル土台

1. サンプルホルダーとして 25 mm 中空ガラスの熱分解チューブを使用して、サンプル調製のための石英ウール。
   1. 熱分解チューブのための特殊なピンセットで熱分解チューブをつかむ (除染のために焼く) とチューブに尖ったピンセットで石英ウールの必要量を挿入します。
   2. 熱分解チューブの両側に2つの鋼棒 (除染のために焼く) を挿入し、1〜2ミリメートルの厚いストッパーにウールを圧縮します。ストッパーは、熱分解プロセス中に適切な加熱を達成するために熱分解チューブの下三分の一に配置されなければなりません。
   3. ガスバーナーを点火し、熱分解チューブを焼くと汚染物質を除去するために、各側から2〜 3 s のために充填します。
      注: きれいな手袋を使用し、熱分解チューブとウールを処理する前に、任意の項目に触れないでください。目の保護を使用して、熱分解チューブの間にすべての可燃性の液体やアイテムを取り除きます。プロトコルはここで停止することができます。さらに使用するまで、準備された熱分解チューブをきれいなガラス皿に保管してください。
2. 入れ墨のインクボトルを手で1分間激しく振って均質性を確保します。さらに、それらは1分の超音波水浴に置くことができる。インクによっては、両方の手順を実行してもセジメント顔料が表示される場合があり、長時間の均質化が必要です。
3. 熱分解チューブの内径以下の直径を有する2μ l の microcapillary を得た。毛管先端をインクに浸し、毛細血管の半分を充填することにより約1μ l のインクを吸引する。
4. 熱分解チューブに毛細管を挿入し、インクで石英ウールストッパーを染色します。明確な色の染色は、サンプルにあまりにも多くのインクを追加することなく表示する必要があります。
5. 自動化された射出ユニット用の鋼鉄搬送アダプターを入手し、準備された熱分解チューブを、熱分解チューブ用ピンセットを使用して取り付けます。
   1. 熱分解チューブが完全に垂直であり、振とう中に脱落しないことを確認してください。
   2. トランスポートアダプタをトレイの所定の位置に置きます。
      注: インクは熱分解チューブが取り付けられている鋼輸送アダプタを汚染する可能性があります。したがって、これは、後でより完全なクリーニングが必要です。

2. py GC-MS によるインクサンプルの分析

1. 加熱脱着ユニット (在) と・パイロライザーモジュールを、メーカーの指示に従って冷間注入システム (CI) の上に装着した GC-MS システムをセットアップします。70 eV およびヘリウムでは不活性電子衝撃 (EI) イオン源を、キャリアガス (1ml/min) として 99.999% の純度で使用してください。CI の分割比率を1:50 に設定します。
2. 5MS カラムとガードカラムを取り付けて分離します。計器の制御ソフトウェアで以下の分析パラメータを設定します: オーブン温度を50° c で開始し、2分間保持して、10° c/分のランプを320° c にします。最後の温度をさらに5分間保持します。転送ラインの温度を320° c に設定します。
3. 半揮発性化合物を分析するために熱分解することなく溶媒ベントモードで各サンプルを実行します。
   1. 在/インジェクターの溶剤ベントオプションを使用し、50° c ~ 90 ° c で開始0.5 分後に、100° c/min の速度で在温度をランプします。溶剤ベントは1.9 分後に遮断されます。
   2. 在の温度を3.5 分間で720° c/min のレートで320° c に加熱します。揮発性化合物は、-150 ° c で CIS に捕捉される。
   3. CIS 温度を2分間、ランプを12° c/min レートで320° c に維持します。
      注: サンプル調製と分析の間の延長時間は、サンプルホルダが開いているため揮発性化合物の蒸発につながります。揮発性化合物が標的にされている場合は、調製後数時間以内にサンプルを分析します。
4. 熱分解ユニットが非揮発性化合物を調査するために使用される同じサンプルの第二の実行を行う。
   1. 最初の脱着実行と同じオーブンプログラムを使用します。
   2. CIS の温度を320° c で維持し、1:100 の分割比率を使用します。
   3. 在を50° c から720° c/min のレートで320° c に直接傾斜させ、1.6 min で一定に保ちます。
   4. 在の最終温度セグメントで所望の温度 (ここでは800° c) で 6 s 熱分解をプログラムします。
      注: カラムおよび MS の汚染を防ぐために十分な量のサンプルおよび分割比を使用するようにしてください。必要に応じて、個々の機器の分割比率を調整します。
5. 器械の性能を点検するのにポリスチレン標準を使用しなさい。各実験の前後に少なくとも3つのポリスチレンサンプルを実行する。グラスウールにジクロロメタンで 4 mg/mL のポリスチレン標準の2μ l を挿入し、0.33 分の500° c で熱分解を行います。
6. ポリスチレンモノマーのピーク面積率と二量体が 3 ~ 4 の間であるかを確認し、得られたクロマトグラム (pyrogram とも呼ばれる) において二量体のテーリングが2以下であるかどうかを調べます。ポリスチレンパラメータの履歴データを保持し、ピーク比が範囲外であれば熱分解温度を較正します。
   注: ポリスチレンモノマーとダイマーの比率とテーリングの値は、良好なオペレーティングシステムの履歴値から取得する必要があります。

3. データ評価アプローチ

注: データの評価は、個々の分析的な質問、例えば、揮発性物質、不揮発性化合物の検索、アゾ顔料からの有害切断製品、または類似のものに応じて適合する必要があります。

1. 揮発性化合物のデータ評価
   1. 揮発性化合物のデータ評価のために、GC-MS 分析/MS ライブラリの検索ソフトウェア (材料の表を参照) を開始し、脱着実行のクロマトグラムを開きます。
   2. スペクトラムをクリックし、ライブラリを選択して、商用ライブラリを選択します。目的のライブラリをロードします。
   3. [スペクトラムとライブラリの検索] レポートをクリックして、統合パラメータを選択し、ライブラリ検索を実行します。
      注: 推定同定された化合物のライブラリーのスペクトルを、インクの分析で得られるスペクトルと比較するために特別な注意をしてください。場合によっては、未知のスペクトルに追加の分子量ピークが存在するにもかかわらず、良好な一致が得られます。明確な識別のために、保存時間およびスペクトルを確認するために設定および器械の変数を使用して分析的な標準を分析しなければならない。
2. 不揮発性化合物の高速スクリーニング
   注: 熱分解からの不揮発性化合物の同定は、同 pyrogram 内の親化合物の複数の特異的分解産物の存在に基づく。Pyrograms には数百の化合物を含めることができるため、手動による評価はほとんど不可能です。平均質量スペクトル (AMS) を使用して、クイックデータ評価アプローチから始めます。これはサンプルの中で最も豊富な顔料またはポリマーの同定に役立ちます。このアプローチは、インク申告の不正を迅速にスクリーニングする場合や、手動 pyrogram 評価の開始点を持つ場合にのみ適しています。
   1. 熱分解データ評価のために、GC − MS 評価ソフトウェアの全クロマトグラム (材料表参照) を下に押して AMS を得た。
   2. スペクトルおよび編集ライブラリをクリックして、興味のあるすべての化合物 (例えば、顔料およびポリマー) の既知の参照物質の取得されたスペクトルのライブラリを作成します ([なし] が存在する場合は [新しいライブラリを作成] をクリックします)。
   3. [新規エントリを追加] を選択し、関心のあるすべての情報を入力します。
      注: 標準またはインクの AMS スペクトルを選択し、MS ライブラリ検索が可能な別のソフトウェアに転送する必要がある場合は、スペクトラムおよびNIST 検索をクリックします。
   4. 調査されたインク pyrogram の AMS を生成し、自作の AMS ライブラリ¹⁵と比較するためにライブラリ検索を使用する。列の裁ち落としやその他の列のノイズからマスを除外します。
      注: ライブラリ検索リストの中で最も一致するものは、インクの中で最も豊富な顔料またはポリマーである可能性が高いです。これを確認するために、分析されたインクの pyrogram における標準物質の熱分解に見られる物質の単特性分解産物を比較する (第3.4 項および補足表 1参照)。
3. 特殊 pyrogram 評価ソフトウェアを用いた不揮発性化合物の同定
   1. ソフトウェアの指示に従って、目的の pyrograms を必要な形式に変換します。最大200の化合物が検出されるように、pyrogram を統合します。そうしないと、pyrogram 評価 sofware のデータ評価時間が大幅に増加します。
   2. 顔料を識別するための顔料 pyrogram ライブラリ、または元のインクの pyrograms である偽造品と比較するために、ライブラリとして機能する必要のあるすべての pyrogram エントリを使用して、コンピュータ上にフォルダを作成します。
   3. [参照] をクリックして、タブライブラリ検索で不明な pyrogram を読み込みます。
   4. 全体の豊かさは、参照顔料の pyrogram に比べて変化するので、ライブラリフォルダをロードし、検索オプションで唯一のMS マッチングとRT マッチングを選択します。
   5. 検索オプションの [詳細] をクリックします。「指定された MS スペクトルを持つピークのみを使用する」パラメーターを選択し、pyrogram 評価ソフトウェアの適合しきい値として850を使用します。
   6. [追加] をクリックして、詳細検索オプションのライブラリから参照顔料またはポリマーの各 pyrogram から、指定された MS スペクトル (最も豊富なピークの 3 ~ 5 MS スペクトル) を保存します (Cf.補足表 1)。このようにして、顔料関連のピークだけが、高豊富なピークを妨害するような多成分インクでも比較されます。
   7. [OK ] をクリックしてメインウィンドウに戻ります。
   8. [検索] をクリックして比較を開始します。
   9. 必要に応じて、[クロマトグラム一致] タブに移動し、コンパウンドを選択し、[ NIST に送信] をクリックしてスペクトルを MS ライブラリソフトウェアに転送し、化合物を識別します。
      注: 詳細検索オプション(cf. ステップ 3.3.6) にスペクトルを含めるには、[ MS に送信] オプションをクリックします。
4. 手動物質識別
   注: 専門の pyrogram 評価ソフトウェアが利用可能でない場合は、報告されたフラグメント (補足表 1) および熱分解ライブラリー¹⁵とともに標準 MS ライブラリ検索プログラムおよび商業ライブラリによるデータ評価を使用する。既知の分解産物との pyrogram 化合物の手動比較もまた、AMS において与えられたヒットを検証するために実施される。
   1. 不揮発性化合物のデータ評価のために、GC − MS 分析/MS ライブラリの検索ソフトウェアを起動し、熱分解ランのクロマトグラムを開く。
   2. 選択した商業および (自己製) 熱分解ライブラリ (例えば、私たちの提供する熱分解ライブラリ¹⁵)スペクトルをクリックして、ライブラリを選択します。対象のすべてのライブラリをロードします。
   3. GC-MS 評価ソフトウェアの pyrogram を統合し、全領域の面積≥ 0.2% のすべてのピークを考慮します (管理可能なピークの量が統合されるように適合させることができます)。
   4. [スペクトラムとライブラリの検索] レポートをクリックして、ライブラリ検索を開始します。
   5. 補足表 1または文献^16、17、18に記載の断片に含まれる特定の顔料およびポリマー分解製品に対するすべてのライブラリ一致を手動で比較し^{、19,20,21,22,23,24,25,26}. 顔料の場合、使用する顔料を明確に識別するために 2 ~ 3 個の分解生成物が必要です。
      注: 対応するライブラリとのすべてのスペクトルマッチは慎重に評価されなければなりません。質量ピークよりも高い追加のピークは、多くの場合、追加のサイドグループと同様の構造を占めています。可能であれば、参照物質を分析して、解析設定で個々の保持時間を取得する必要があります。

結果

この方法は、各サンプルに対して2段階のクロマトグラフィーアプローチを含む (図 1)。最初の実行では、揮発性化合物がカラムに転写される前に、サンプルは90° c でインジェクターシステム内で乾燥されます。ほとんどの場合、乾燥工程が不完全なため、残留溶媒や揮発性化合物が転写・分析されます。第2の実行では、以前に乾燥されたサンプルは、その後熱分解、非揮発性有機成分の分析を容易にする。

図 1: 熱分解ワークフローの模式図。こ...

ディスカッション

他の製品の分析にも使用できる、タトゥーインキの幅広い物質に対して便利なスクリーニング方法です。他の方法と比較して、py GC-MS は最小限のサンプル調製で行うことができます。GC-MS デバイスは、ほとんどの分析ラボで、MALDI − ToF − MS および EDX などのより特殊な方法と比較して見出すことができます。

可能な成分のリストは、また、ライブラリ内の親化合物に向かって物質の組み合わせを説明する理論とライブラリの検索で無限であるため、pyrograms のデータ評価は、挑戦的なことがあります。ここに記載されているデータ評価方法は、標準の pyrogram ライブラリに追加した物質の高速で信頼性の高いスクリーニングを可能にします。反対に、偽造製品のテストは、単一の物質の識別が無関係であるため、ビルド前のライブラリなしで行うことができる高速で簡単なアプローチです。

最良の結果を得るには、熱分解に添加されるインクの量が高すぎることも低すぎることもない。これにより、熱分解ユニット、ライナーまたはカラムの汚染、または適切な...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
99.999%ヘリウムキャリアガス	エアリキード、Düドイツ、セルドルフ	-
5975C 不活性 XL MSD with Triple-Axis Detectors	Agilent Technologies, Waldbronn,
gas chromatograph	Agilent Technologies, Waldbronn,	Germany-AMDIS
software (Version 2.7)	The National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA-		GC/MSピークの積分、例えばパイログラム評価ソフトウェア
Cold Injection System(CIS)	Gerstel、Müへの転送に使用できます。hlheim,	Germany-electron
impact (EI) source	Agilent Technologies, Waldbronn,	Germany-Enhanced
ChemStation (E02.02.1431)	Agilent Technologies, Waldbronn, Germany	-	平均質量Spektra(AMS)の生成に使用、ピーク積分および標準GC/MSライブラリ検索に使用可能
J&W HP-5MS GC カラム、30 m、0.25 mm、0.25 µm, 5975T カラム トロイド アセンブリ	Agilent Technologies, Waldbronn, Germany	29091S-433LTM
MassHunter Software	Agilent Technologies, Waldbronn,	Germany-no	バージョン指定, GC/MS ピーク積分および標準 GC/MS ライブラリ検索に使用できます
マイクロキャピラリーチューブ Drummond Microcaps, volume 2 & micro;L	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA	P1549-1PAK
MS ChromSearch (Version 4.0.0.11)	Axel Semrau GmbH & Co. KG, Sprockhövel,	Germany-specialized	pyrogram evaluation software
NIST MS Search Program (MS Search version 2.0g)	The National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA-used		for MS and AMS library generation and corresponding substance search with selfmade and commercial libraries
NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (EI) mainlib & replib (Data version: NIST v11)	米国国立標準技術研究所(NIST)国立標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology)、メリーランド州ゲーサーズバーグ、米国		で使用された商用質量スペクトルライブラリ
ポリスチレン(平均MW ~192,000)	Sigma-Aldrich、セントルイス、ミズーリ州、米国	430102-1KG
熱分解チューブ、チューブタイプ-石英ガラス-長さ25 mm; 100ユニット	Gerstel、Mühlheim、ドイツ	018131-100-00
のためのPyrolyzerモジュール	;hlheim、ドイツ	-
クォーツウール	Gerstel、Mühlheim、ドイツ	009970-076-00
鋼棒	Gerstel、Mühlheim,	Germany-Thermal
Desorption, Unit (TDU 2)	Gerstel, Mühlheim、ドイツ	-
トランスポート	アダプターGerstel、Mühlheim、ドイツ	018276-010-00
熱分解管用ピンセット	Gerstel、Mühlheim, Germany	009970-074-00
Zebron Z-Guard Hi-Temp Guard Column, GC Cap. Column 10 m x 0.25 mm, Ea	Phenomenex Ltd. Deutschland, Aschaffenburg, Germany	7CG-G000-00-GH0