Methodenartikel

Fizzy Extractie van vluchtige organische verbindingen gecombineerd met atmosferische druk Chemische ionisatie Quadrupole Mass Spectrometry

7.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56008

⸱

14 juli 2017

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

In dit artikel

Samenvatting

Fizzy extractie is een nieuwe laboratorium techniek voor de analyse van vluchtige en semivolatiele verbindingen. Een draaggas wordt opgelost in het vloeibare monster door overdruk toe te passen en het monster te roeren. De monsterkamer wordt dan gedecomprimeerd. De analysesoort wordt bevrijd aan de gasfase door bruising.

Samenvatting

Chemische analyse van vluchtige en semivolatiele verbindingen opgelost in vloeibare monsters kan uitdagend zijn. De opgeloste componenten moeten naar de gasfase gebracht worden, en worden efficiënt overgebracht naar een detectiesysteem. Fizzy extractie maakt gebruik van het effervescence fenomeen. Ten eerste wordt een draaggas (hier koolstofdioxide) opgelost in het monster door overdruk toe te passen en het monster te roeren. Ten tweede wordt de monsterkamer abrupt afgebroken. Decompressie leidt tot de vorming van talrijke draaggasbellen in de monstervloeistof. Deze bellen helpen de vrijgave van de opgeloste analytensoort van de vloeistof naar de gasfase. De vrijgekomen analyten worden direct overgebracht naar de atmosferische druk chemische ionisatie interface van een triple quadrupole massaspectrometer. De ioniseerbare analytsoort leidt tot massaspectrometrische signalen in het tijddomein. Omdat de afgifte van de analysesoort over korte tijdsperioden voorkomt (een paar secondenOnds) hebben de tijdelijke signalen hoge amplitudes en hoge signaal-ruisverhoudingen. De amplitudes en gebieden van de temporale pieken kunnen dan gecorreleerd worden met concentraties van de analyten in de vloeibare monsters die worden blootgesteld aan koolzuurwinning, waardoor kwantitatieve analyse mogelijk is. De voordelen van fizzy-extractie zijn: eenvoud, snelheid en beperkte gebruik van chemicaliën (oplosmiddelen).

Inleiding

Verschillende fenomenen die in de natuur en het dagelijkse leven worden waargenomen, zijn gekoppeld aan gas-vloeistof-fase-evenwichten. Kooldioxide wordt opgelost in zachte en alcoholische dranken onder verhoogde druk. Wanneer een fles zo'n drankdrankje wordt geopend, druppelt de druk naar beneden en gasbellen rennen naar het vloeibare oppervlak. In dit geval verbetert de bruising van organoleptische eigenschappen van dranken. De vrijgave van gasbellen is ook de belangrijkste oorzaak van decompressieziekte ("de bochten") 1 . Door plotselinge decompressie vormen bellen in diverse lichamen. De personen die lijden aan de decompressieziekte worden behandeld in hyperbarische kamers.

Gasbellen hebben verschillende toepassingen in analytische chemie. Met name spuitmethoden zijn afhankelijk van het doorgeven van gasbellen door vloeibare monsters om vluchtige verbindingen 2 te extraheren. Bijvoorbeeld, een methode genaamd "purge-closed loop" wordt gecombineerd met gaschromatografie om een ​​snelle analyse van di te mogelijk makenOpgeloste vluchtige stoffen 3 . Terwijl het spoelen continu kan onttrekken aan vluchtige stoffen, beperkt het ze niet in de ruimte of tijd. De vrijgegeven gasfasesoorten moeten gevangen worden, en-in sommige gevallen-geconcentreerd door het toepassen van een temperatuurprogramma of het gebruik van sorbenten. Zo is er behoefte aan nieuwe online behandeling strategieën, die het aantal stappen kunnen verminderen en tegelijkertijd concentreren vluchtige analyten in ruimte of tijd.

Om de uitdaging aan te pakken om vluchtige stoffen uit vloeibare monsters te extraheren en online analyses uit te voeren, introduceerden we onlangs "fizzy-extractie" 4 . Deze nieuwe techniek maakt gebruik van het effervescence fenomeen. In het kort wordt een draaggas (hier koolstofdioxide) eerst opgelost in het monster door overdruk toe te passen en het monster te roeren. Dan wordt de monsterkamer abrupt afgebroken. De plotselinge decompressie leidt tot de vorming van talrijke draaggasbellen In de monster vloeistof. Deze bellen helpen de vrijgave van opgeloste analytensoorten van de vloeistof naar de gasfase. De vrijgegeven analyten worden onmiddellijk overgebracht naar de massaspectrometer, die signalen in het tijddomein produceren. Omdat de vrijlating van de analysesoort beperkt is tot een korte periode (enkele seconden), hebben de tijdelijke signalen hoge amplitudes en hoge signaal-ruisverhoudingen.

De druk die bij het fizzy-extractieproces betrokken is, zijn zeer laag (~ 150 kPa) 4 ; Veel lager dan bij superkritische vloeistof extractie 5 ( bijv . ≥10 MPa). De techniek vereist geen gebruik van speciale verbruiksartikelen (kolommen, cartridges). Alleen kleine hoeveelheden oplosmiddelen worden gebruikt voor verdunning en reiniging. Het extractieapparaat kan worden samengesteld door chemici met middelbare technische vaardigheden door gebruik te maken van algemeen beschikbare delen 4 ; Bijvoorbeeld open-source elektronische modules"> 6 , 7. Fizzy-extractie kan online worden gekoppeld aan moderne massaspectrometers die uitgerust zijn met atmosferische druk chemische ionisatie (APCI) interface. Omdat gasfase-extracten overgebracht worden naar de ionenbron, verloopt de werking van fizzy-extractie niet zwaar kwetsbaar Delen van de massaspectrometer.

Het doel van dit geconfigureerde experimentartikel is om de kijkers te begeleiden over het implementeren van fizzy-extractie in een eenvoudige analytische taak. Terwijl de kern van het fizzy-extractiesysteem is zoals beschreven in ons vorige rapport 4 , zijn er verschillende verbeteringen ingevoerd om de werking eenvoudiger te maken. Een microcontroller uitgerust met een LCD scherm is in het systeem opgenomen om de sleutel extractie parameters in real time weer te geven. Alle functies zijn geprogrammeerd in de microcontroller scripts, en er is niet meer nodig om een ​​externe computer te gebruiken om c te gebruikenOntrol het extractiesysteem.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

In dit protocol wordt uitgegaan van alle stappen volgens de relevante laboratoriumveiligheidsvoorschriften. Enkele van de stappen maken gebruik van commerciële instrumenten. In die gevallen moeten de fabrikant richtlijnen gevolgd worden. Bij het hanteren van giftige chemicaliën moeten richtlijnen van de veiligheidsinformatieblad worden gevolgd. De op maat gemaakte apparatuur 4 moet voorzichtig worden bediend; Vooral bij het hanteren van onder druk gassen en elektrische elektrische bedrading.

1. Bereiding van standaardoplossing

  1. Bereid 6.2 x 10 -2 M voorraadoplossing van limonen in ethanol door 10 μL limoneen met 990 μL ethanol te mengen.
  2. Bereid 10 ml 6.2 x 10 -5 M limoneneoplossing door 10 μL 6,2 x 10 -2 limoneen, 490 μL ethanol, en voeg zuiver water toe aan het eindvolume van 10 ml. Schud de volumetrische fles grondig.
  3. Breng de voorbereide standaardoplossing over op een glazen flesje met een glazen flesje van 20 ml met schroefdraad, met spleet met septuM cap. De verdunde standaardoplossing kan gebruikt worden om het systeem te testen.

2. Voorbereiding van echte voorbeeld

  1. Verkrijg limoen sap door verse limoenfruit (half gesneden) op een keukenknijper te knijpen.
  2. Bereid 10 ml verdund lime sap door 2 ml limoen sap, 500 μL ethanol, en voeg zuiver water toe aan het uiteindelijke volume van 10 ml. Schud de volumetrische fles grondig.
  3. Breng het voorbereide monster over op een 20 ml glazen flesje met glazen schroefdraad met hoofdtegel met septumdop.

3. Spik de echte steekproef met de standaardoplossing

  1. Eerste standaardtoevoeging: Bereid 10 ml spikmonster door 2 ml limonensap, 10 μL 6,2 x 10 -2 M limoneenoplossing, 490 μL ethanol, en voeg zuiver water toe aan het eindvolume van 10 ml. Schud de volumetrische fles grondig.
  2. Tweede standaardtoevoeging: Bereid 10 ml spikmonster door 2 ml limoen sap, 20 μL 6,2 x 10 -2 M limonenE oplossing, 480 μl ethanol, en voeg zuiver water toe aan het eindvolume van 10 ml. Schud de volumetrische fles grondig.

4. Het fizzy-extractiesysteem instellen

  1. Zet het fizzy-extractiesysteem ( figuur 1 ) 4 naast de APCI-bron van de triple quadrupole massaspectrometer.
  2. Sluit de kooldioxide gascilinder aan op de inlaat van de gasvoorziening van het fizzy-extractiesysteem. Open de klep in de gasregelaar. Stel de uitgangsdruk op op 1,5 bar (150 kPa).
  3. Sluit de uitlaat van de afzuigingskamer aan op de ingang van de ionenbron.
  4. Verbind het fizzy-extractiesysteem met de 12 V-voeding.
  5. Stel de data-acquisitie software op van de triple quadrupole massaspectrometer ( Figuur 2 ). Bedien het instrument met de APCI bron, in de positieve ion multiple reaction monitoring (MRM) modus, met argon als botsinggas.
    1. Run de data-acquisitie software.
    2. Selecteer de optie "Alleen LCMS8030".
    3. Selecteer de optie "MS Aan / Uit".
    4. Stel de desolvatie lijntemperatuur op 250 ° C, en de stromingssnelheid van drooggas tot 15 L min -1 . Wacht tot de waarde van elke instrumentparameter hetzelfde wordt als de ingestelde waarde.
    5. Selecteer het bestand MS Data Acquisition Method.
    6. Zorg ervoor dat de botsingsspanning is -20 V, de voorloper ion m / z is 137 en het fragment ion m / z zijn 81 en 95
    7. Klik op de knop "Start Single Run".
    8. Typ de bestandsnaam.
    9. Selecteer het bestandspad.
    10. Beweeg naar sectie 5 ("Uitvoering van koolzuurzuivering").
    11. Selecteer de optie "MS Aan / Uit".
    12. Sluit het software venster.
    13. Meld de items "Nebuliserende gas uit", "DL-verwarming uit", "Warmteblok uit" en "Droog gas uit" aan. Klik op "OK &# 34 ;.

5. Uitvoeren van Fizzy Extractie

  1. Plaats een monster flesje in het fizzy-extractiesysteem met behulp van de schroefbevestiging. Het extractiesysteem wordt gebruikt bij kamertemperatuur (~ 25 ° C).
  2. Druk op de knop "Start" op het LCD-scherm van het fizzy-extractiesysteem.
  3. Wacht terwijl het geautomatiseerde uitzettingsproces wordt uitgevoerd ( Figuur 3 ). Let op de ontwikkeling van ionen signalen op het scherm van de triple quadrupole massaspectrometer.
    OPMERKING: De volgende stappen worden automatisch uitgevoerd: Sample headspace wordt gedurende 60 s met kooldioxide gespoeld. De monster wordt gedurende 60 s onder druk gedrukt met kooldioxide. Roermotor is aan. Voorbeeld is depressurized. Er worden meerdere bellen gevormd. In de latere fase is de roermotor aan het verbeteren van borrelen.
  4. Haal de monsterflacon uit (schroef).
  5. Veeg de monster roer spindel met cellulose weefsel.
  6. Was de roer spIndle met ethanol, en veeg het opnieuw met cellulose weefsel.
  7. Het systeem is klaar voor analyse van een ander monster (herhaal stappen 5.1-5.6).
  8. Schakel de stroomtoevoer uit.
  9. Ontkoppel de uitzuigbuis uit de ionenbron.
  10. Sluit de klep van de gascilinder en ontkoppel de gasbuis.

6. Data-analyse

  1. Uitvoer geëxtraheerde ionstromen voor de m / z 81 van de data acquisition-software van de triple quadrupole massaspectrometer naar ASCII-bestanden ( Figuur 4 ).
    OPMERKING: De ionstroom bij de m / z 95 wordt niet gebruikt in deze demonstratie.
    1. Run de data-acquisitie software. Selecteer de optie "Postrun".
    2. Selecteer de optie "Selecteer project (map)" en kies het gegevensbestand.
    3. Klik op het menu 'Bestand' en selecteer 'Gegevens exporteren' / 'Gegevens exporteren als ASCII'.
    4. Selecteer & #34; Uitvoerbestand "en selecteer het bestandspad. Selecteer" MS Chromatogram (MC) ".
  2. Importeer de ruwe datasets in piekintegratiesoftware en meet piekgebieden ( Figuur 5 ). Instellingen: lineaire basislijn; HVL functie.
    1. Voer de piekintegratie software uit.
    2. Selecteer de optie 'Import' in het menu 'Bestand'. Klik op de knop "Ja".
    3. Selecteer de gegevens in de X- en Y-kolom. Klik op de knop "OK". Selecteer de optie "AutoFit Peaks I Residuals".
    4. Zet automatisch de extractiepiek half automatisch. Zorg ervoor dat de aangepaste curve de experimentele data punten volgt. Selecteer de optie "Lijst Peak Estimates". Selecteer de optie "ASCII Editor".
    5. Kopieer de passende resultaten naar "Klembord".
  3. Voer de gemeten piekgebieden in een spreadsheet in data-analyse software ( Figuur 6 ).
    1. Run de data analyse software.
    2. Voer de concentratie waarden in X kolom en piek gebied waarden in Y kolom. Selecteer de optie "Symbol" / "Scatter" in het menu "Plot". Selecteer de optie "Fitting" / "Fit Linear" in het menu "Analysis".
  4. Bereken de concentratie van limonen in het verdunde echte monster op basis van de formule:
    figure-protocol-1
    Waar ik de lineaire functie onderscheidt, terwijl S de helling is.
  5. Bereken de concentratie van limonen in het oorspronkelijke echte monster (voor verdunning) op basis van de formule:
    figure-protocol-2
    Waar DF de verdunningsfactor is (hier, 5).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

In het begin wordt het fizzy-extractiesysteem getest met een standaardoplossing. Vervolgens worden de echte steekproeven en echte steekproeven gespecificeerd met standaard geanalyseerd. De gebieden van de temporale pieken van extractiegebeurtenissen worden gecorreleerd met concentraties van de analogen in de vloeibare monsters die onderworpen zijn aan koolzuurwinning, waardoor kwantitatieve analyse mogelijk is. Hier voerden we dubbele standaardtoevoeging uit om de kwantitatieve eigenscha...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Verscheidene slimme manieren om monsters te leveren aan een massaspectrometer werden ontwikkeld in de studies die de afgelopen drie decennia werden uitgevoerd ( bijv . Referenties 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ). Een van de doelen van deze studies was het vereenvoudigen van ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Wij danken het ministerie van Wetenschap en Technologie van Taiwan (subsidie ​​nummer: MOST 104-2628-M-009-003-MY4) voor de financiële ondersteuning van dit werk.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
WaterFisherW6212Diluent
EthanolSigma-Aldrich32221-2.5LDiluent
(R)-(+)-LimoneneSigma-Aldrich183164-100MLStandard
Carbon dioxideChiaLungn/aCarrier gas
Cellulose tissue, Kimwipes KimtechKimberly-Clark34120Gebruikt voor schoonmaak
Triple quadrupole mass spectrometerShimadzuLCMS-8030Detectiesysteem
Atmospheric pressure chemical ionization interfaceShimadzuDuisIonbron
20-mL screw top headspace glass vial with septum capThermo Fisher ScientificD-52379Sample vial
LabSolutions softwareShimadzun/aversie 5.82
PeakFit softwareSystat Softwaren/aversie 4.12
OriginPro softwareOriginLabn/aversie 8

Referenties

  1. McCallum, R. I. Decompression sickness: a review. Brit J Industr Med. 25, 4-21 (1968).
  2. Comprehensive Sampling and Sample Preparation. Pawliszyn, J. , Elsevier. Amsterdam. (2012).
  3. Wang, T., Lenahan, R. Determination of volatile halocarbons in water by purge-closed loop gas chromatography. Bull Environ Contam Toxicol. 32, 429-438 (1984).
  4. Chang, C. -H., Urban, P. L. Fizzy extraction of volatile and semivolatile compounds into the gas phase. Anal Chem. 88, 8735-8740 (2016).
  5. Zougagh, M., Valcárcel, M., Ríos, A. Supercritical fluid extraction: a critical review of its analytical usefulness. Trends Anal Chem. 23, 399-405 (2004).
  6. Urban, P. L. Universal electronics for miniature and automated chemical assays. Analyst. 140, 963-975 (2015).
  7. Urban, P. Self-built labware stimulates creativity. Nature. 532, 313(2016).
  8. Chen, H., Venter, A., Cooks, R. G. Extractive electrospray ionization for direct analysis of undiluted urine, milk and other complex mixtures without sample preparation. Chem Commun. , 2042-2044 (2006).
  9. Haddad, R., Sparrapan, R., Kotiaho, T., Eberlin, M. N. Easy ambient sonic-spray ionization-membrane interface mass spectrometry for direct analysis of solution constituents. Anal Chem. 80, 898-903 (2008).
  10. Dixon, R. B., Sampson, J. S., Muddiman, D. C. Generation of multiply charged peptides and proteins by radio frequency acoustic desorption and ionization for mass spectrometric detection. J Am Soc Mass Spectrom. 20, 597-600 (2009).
  11. Wu, C. -I., Wang, Y. -S., Chen, N. G., Wu, C. -Y., Chen, C. -H. Ultrasound ionization of biomolecules. Rapid Commun Mass Spectrom. 24, 2569-2574 (2010).
  12. Lo, T. -J., Chen, T. -Y., Chen, Y. -C. Study of salt effects in ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry. J Mass Spectrom. 47, 480-483 (2012).
  13. Urban, P. L., Chen, Y. -C., Wang, Y. -S. Time-Resolved Mass Spectrometry: From Concept to Applications. , Wiley. Chichester. (2016).
  14. Peacock, P. M., Zhang, W. -J., Trimpin, S. Advances in ionization for mass spectrometry. Anal Chem. 89, 372-388 (2017).
  15. Hu, J. -B., Chen, S. -Y., Wu, J. -T., Chen, Y. -C., Urban, P. L. Automated system for extraction and instantaneous analysis of millimeter-sized samples. RSC Adv. 4, 10693-10701 (2014).
  16. Chen, S. -Y., Urban, P. L. On-line monitoring of Soxhlet extraction by chromatography and mass spectrometry to reveal temporal extract profiles. Anal Chim Acta. 881, 74-81 (2015).
  17. Hsieh, K. -T., Liu, P. -H., Urban, P. L. Automated on-line liquid-liquid extraction system for temporal mass spectrometric analysis of dynamic samples. Anal Chim Acta. 894, 35-43 (2015).
  18. Veach, B. T., Mudalige, T. K., Rye, P. RapidFire mass spectrometry with enhanced throughput as an alternative to liquid−liquid salt assisted extraction and LC/MS analysis for sulfonamides in honey. Anal Chem. , in press (2017).
  19. Carroll, D. I., Dzidic, I., Stillwell, R. N., Horning, M. G., Horning, E. C. Subpicogram detection system for gas phase analysis based upon atmospheric pressure ionization (API) mass spectrometry. Anal Chem. 46, 706-710 (1974).
  20. Carroll, D. I., Dzidic, I., Stillwell, R. N., Haegele, K. D., Horning, E. C. Atmospheric pressure ionization mass spectrometry. Corona discharge ion source for use in a liquid chromatograph-mass spectrometer-computer analytical system. Anal Chem. 47, 2369-2373 (1975).
  21. Hakim, I. A., McClure, T., Liebler, D. Assessing dietary D-limonene intake for epidemiological studies. J Food Compos Anal. 13, 329-336 (2000).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Triple quadrupool massaspectrometriekoolstofdioxide onderdrukkingmonsterdecompressiebruisverschijnseldetectie van limoneenanalyse van limoensapkwantitatieve analyse

Gerelateerde artikelen