Artykuł metodologiczny

Ekstrakcja gazowana lotnych związków organicznych w połączeniu z ciśnieniem atmosferycznym Jonizacja chemiczna Kwadrupolowa spektrometria mas

DOI:

10.3791/56008

⸱

14 lipca 2017

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

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ekstrakcja gazowana to nowa technika laboratoryjna do analizy związków lotnych i półlotnych. Gaz nośny rozpuszcza się w ciekłej próbce poprzez zastosowanie nadciśnienia i wymieszanie próbki. Komora na próbkę jest następnie dekompresowana. Gatunki analitów są uwalniane do fazy gazowej w wyniku musowania.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Analiza chemiczna lotnych i półlotnych związków rozpuszczonych w próbkach cieczy może być wyzwaniem. Rozpuszczone składniki muszą zostać doprowadzone do fazy gazowej i skutecznie przeniesione do systemu detekcji. Ekstrakcja gazowana wykorzystuje zjawisko musowania. Po pierwsze, gaz nośny (w tym przypadku dwutlenek węgla) rozpuszcza się w próbce poprzez zastosowanie nadciśnienia i wymieszanie próbki. Po drugie, komora na próbkę ulega nagłej dekompresji. Dekompresja prowadzi do powstania licznych pęcherzyków gazu nośnego w cieczy próbki. Pęcherzyki te pomagają w uwalnianiu rozpuszczonych gatunków analitu z fazy ciekłej do gazowej. Uwolnione anality są natychmiast przenoszone do interfejsu jonizacji chemicznej ciśnienia atmosferycznego potrójnego kwadrupolowego spektrometru masowego. Zjonizowalne formy analitu powodują powstawanie sygnałów spektrometrii mas w dziedzinie czasu. Ponieważ uwalnianie analitu następuje w krótkich okresach czasu (kilka sekund), sygnały czasowe mają wysokie amplitudy i wysoki stosunek sygnału do szumu. Amplitudy i obszary pików czasowych można następnie skorelować ze stężeniami analitów w próbkach cieczy poddanych ekstrakcji gazowej, co umożliwia analizę ilościową. Do zalet ekstrakcji gazowanej należą: prostota, szybkość i ograniczone użycie środków chemicznych (rozpuszczalników).

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Różne zjawiska obserwowane w przyrodzie i codziennym życiu są powiązane z równowagą fazy gaz-ciecz. Dwutlenek węgla rozpuszcza się w napojach bezalkoholowych i alkoholowych pod podwyższonym ciśnieniem. Po otwarciu butelki takiego gazowanego napoju ciśnienie spada, a pęcherzyki gazu pędzą na powierzchnię płynu. W tym przypadku musowanie poprawia właściwości organoleptyczne napojów. Uwalnianie pęcherzyków gazu jest również główną przyczyną choroby dekompresyjnej ("zakręty")1. W wyniku nagłej dekompresji w ciałach nurków tworzą się pęcherzyki. Osoby cierpiące na chorobę dekompresyjną leczone są w komorach hiperbarycznych.

Pęcherzyki gazu mają różne zastosowania w chemii analitycznej. Warto zauważyć, że metody spargingu polegają na przepuszczaniu pęcherzyków gazu przez próbki cieczy w celu ekstrakcji związków lotnych2. Na przykład metoda zwana "przedmuchiwaniem w pętli zamkniętej" jest połączona z chromatografią gazową, aby umożliwić szybką analizę rozpuszczonych substancji lotnych3. Chociaż sparging może w sposób ciągły usuwać substancje lotne w czasie, nie ogranicza ich w przestrzeni ani czasie. Uwolnione formy w fazie gazowej muszą zostać wychwytywane, a w niektórych przypadkach zagęszczane przez zastosowanie programu temperaturowego lub użycie sorbentów. W związku z tym istnieje potrzeba wprowadzenia nowych strategii obróbki próbek on-line, które mogłyby zmniejszyć liczbę etapów, a jednocześnie skoncentrować lotne anality w przestrzeni lub czasie.

Aby sprostać wyzwaniu ekstrakcji lotnych związków z próbek cieczy i przeprowadzaniu analizy on-line, niedawno wprowadziliśmy "ekstrakcję gazowaną"4. Ta nowa technika wykorzystuje zjawisko musowania. Krótko mówiąc, gaz nośny (w tym przypadku dwutlenek węgla) jest najpierw rozpuszczany w próbce poprzez zastosowanie nadciśnienia i wymieszanie próbki. Następnie komora na próbkę jest gwałtownie dekompresowana. Nagła dekompresja prowadzi do powstania licznych pęcherzyków gazu nośnego w cieczy próbki. Pęcherzyki te pomagają w uwalnianiu rozpuszczonych gatunków analitu z fazy ciekłej do fazy gazowej. Uwolnione anality są natychmiast przenoszone do spektrometru mas, wytwarzając sygnały w dziedzinie czasu. Ponieważ uwalnianie analitu jest ograniczone do krótkiego okresu czasu (kilka sekund), sygnały czasowe mają wysokie amplitudy i wysoki stosunek sygnału do szumu.

Ciśnienia związane z procesem ekstrakcji gazowanej są bardzo niskie (~150 kPa)4; znacznie niższe niż w przypadku ekstrakcji płynem nadkrytycznym5 (np. ≥10 MPa). Technika nie wymaga użycia żadnych specjalnych materiałów eksploatacyjnych (kolumny, wkłady). Do rozcieńczania i czyszczenia używa się tylko niewielkich ilości rozpuszczalników. Urządzenie ekstrakcyjne może być zmontowane przez chemików o średnich umiejętnościach technicznych przy użyciu powszechnie dostępnych części4; Na przykład moduły elektroniczne typu open source6,7. Ekstrakcja gazowana może być sprzężona on-line z nowoczesnymi spektrometrami mas wyposażonymi w interfejs jonizacji chemicznej pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI). Ponieważ ekstrakty z fazy gazowej są przenoszone do źródła jonów, operacja ekstrakcji gazowanej nie zanieczyszcza w znacznym stopniu wrażliwych części spektrometru masowego.

Celem tego artykułu o eksperymencie jest pokazanie widzom, jak zaimplementować ekstrakcję gazowaną w prostym zadaniu analitycznym. Chociaż rdzeń systemu ekstrakcji gazowanej jest taki, jak opisano w naszym poprzednim raporcie4, wprowadzono kilka ulepszeń, aby ułatwić tę operację. W system został wbudowany mikrokontroler wyposażony w osłonę ekranu LCD, który wyświetla kluczowe parametry ekstrakcji w czasie rzeczywistym. Wszystkie funkcje są zaprogramowane w skryptach mikrokontrolera i nie ma już potrzeby korzystania z zewnętrznego komputera do sterowania systemem ekstrakcji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten protokół zakłada, że wszystkie kroki są wykonywane zgodnie z odpowiednimi przepisami bezpieczeństwa laboratorium. Niektóre kroki wykorzystują instrumenty komercyjne - w takich przypadkach należy postępować zgodnie z wytycznymi producenta. Podczas obchodzenia się z toksycznymi chemikaliami należy przestrzegać wytycznych MSDS. Wykonane na zamówienie equipment4 muszą być obsługiwane ostrożnie; Zwłaszcza podczas pracy z gazami pod ciśnieniem i przewodami elektrycznymi pod napięciem.

1. Przygotowanie roztworu wzorcowego

  1. Przygotować 6,2 x 10-2 M roztwór podstawowy limonenu w etanolu, mieszając 10 μl limonenu z 990 μl etanolu.
  2. Przygotować 10 ml 6,2 x 10-5 M roztworu limonenu, mieszając 10 μl 6,2 x 10-2 limonenu, 490 μl etanolu i dodając czystą wodę do końcowej objętości 10 ml. Dokładnie wstrząsnąć kolbą miarową.
  3. Przenieść przygotowany roztwór wzorcowy do szklanej fiolki o pojemności 20 ml z zakręcaną górną przestrzenią nadprożową z nasadką z przegrodą. Rozcieńczony roztwór wzorcowy może być użyty do testowania systemu.

2. Przygotowanie prawdziwej próbki

  1. Sok z limonki uzyskaj, wyciskając świeże owoce limonki (przekrojone na pół) na wyciskarce kuchennej.
  2. Przygotuj 10 ml rozcieńczonego soku z limonki, mieszając 2 ml soku z limonki, 500 μl etanolu i dodając czystą wodę do końcowej objętości 10 ml. Dokładnie wstrząsnąć kolbą miarową.
  3. Przenieść przygotowaną próbkę do szklanej fiolki o pojemności 20 ml z zakręcaną górną przestrzenią nad głową z nasadką z przegrodą.

3. Próbkowanie prawdziwej próbki roztworem wzorcowym

  1. Pierwsze dodanie wzorca: Przygotować 10 ml wzbogaconej próbki, mieszając 2 ml soku z limonki, 10 μl 6,2 x 10-2 M roztworu limonenu, 490 μl etanolu i dodając czystą wodę do końcowej objętości 10 ml. Dokładnie wstrząsnąć kolbą miarową.
  2. Drugi dodatek wzorcowy: Przygotować 10 ml wzbogaconej próbki, mieszając 2 ml soku z limonki, 20 μl 6,2 x 10-2 M roztworu limonenu, 480 μl etanolu i dodając czystą wodę do końcowej objętości 10 ml. Dokładnie wstrząsnąć kolbą miarową.

4. Konfiguracja systemu ekstrakcji gazowanych

  1. Umieść system ekstrakcji gazowanej (Rysunek 1)4 obok źródła APCI spektrometru masowego z potrójnym kwadrupolem.
  2. Podłączyć butlę z dwutlenkiem węgla do wlotu gazu do systemu ekstrakcji gazowej. Otwórz zawór w regulatorze gazu. Ustaw ciśnienie wyjściowe na 1,5 bara (150 kPa).
  3. Podłączyć wylot komory ekstrakcyjnej do wlotu źródła jonów.
  4. Podłącz system ekstrakcji gazowanych napojów gazowanych do zasilania 12 V.
  5. Zainstaluj oprogramowanie do akwizycji danych spektrometru masowego z potrójnym kwadrupolem (Rysunek 2). Uruchom instrument ze źródłem APCI, w trybie monitorowania wielokrotnych reakcji jonów dodatnich (MRM), z argonem jako gazem zderzeniowym.
    1. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych.
    2. Wybierz opcję "tylko LCMS8030".
    3. Wybierz opcję "MS On/Off".
    4. Ustawić temperaturę linii desolwatacyjnej na 250 °C, a natężenie przepływu gazu suszącego na 15 L min-1. Poczekaj, aż wartość każdego parametru instrumentu stanie się taka sama jak wartość ustawiona.
    5. Wybierz plik metody akwizycji danych MS.
    6. Upewnij się, że napięcie zderzenia wynosi -20 V, jon prekursorowy m/z wynosi 137, a jon fragmentacyjny m/z wynosi 81 i 95
    7. Kliknij przycisk "Rozpocznij pojedynczy bieg".
    8. Wpisz nazwę pliku.
    9. Wybierz ścieżkę do pliku.
    10. Przejdź do sekcji 5 ("Przeprowadzanie ekstrakcji gazowanej").
    11. Wybierz opcję "MS On/Off".
    12. Zamknij okno oprogramowania.
    13. Zaznacz pozycje "Gaz nebulizacyjny wyłączony", "Grzejnik DL wyłączony", "Blok grzewczy wyłączony" i "Suchy gaz wyłączony". Kliknij "OK".

5. Wykonywanie ekstrakcji gazowanej

  1. Umieścić fiolkę z próbką w systemie ekstrakcji gazowanej za pomocą uchwytu śrubowego. System odciągowy pracuje w temperaturze pokojowej (~ 25 °C).
  2. Naciśnij przycisk "Start" na osłonie LCD systemu ekstrakcji gazowanej.
  3. Poczekaj, aż zostanie wykonany automatyczny proces ekstrakcji gazowania (Rysunek 3). Obserwuj rozwój sygnałów jonowych na ekranie spektrometru mas z potrójnym kwadrupolem.
    UWAGA: Następujące kroki są wykonywane automatycznie: Przestrzeń nad próbką jest przepłukiwana dwutlenkiem węgla przez 60 s. Próbka jest pod ciśnieniem dwutlenku węgla przez 60 s. Silnik mieszadła jest włączony. Próbka jest rozhermetyzowana. Powstaje wiele pęcherzyków. W późniejszej fazie włączony jest silnik mieszadła, aby zwiększyć bulgotanie.
  4. Wyjąć (odkręcić) fiolkę z próbką.
  5. Przetrzyj wrzeciono mieszające próbkę tkanką celulozową.
  6. Umyj wrzeciono mieszające etanolem i ponownie przetrzyj je chusteczką celulozową.
  7. System jest gotowy do analizy kolejnej próbki (powtórz kroki 5.1-5.6).
  8. Wyłącz zasilanie.
  9. Odłącz rurkę wylotową ekstrakcji gazowanej od źródła jonów.
  10. Zamknij zawór butli gazowej i odłącz przewód gazowy.

6. Analiza danych

  1. Eksport wyekstrahowanych prądów jonowych dla m/z 81 z oprogramowania do akwizycji danych spektrometru mas z potrójnym kwadrupolem do plików ASCII (Rysunek 4).
    UWAGA: Prąd jonowy na m/z 95 nie jest używany w tej demonstracji.
    1. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych. Wybierz opcję "Postrun".
    2. Wybierz opcję "Wybierz projekt (folder)" i wybierz plik danych.
    3. Kliknij menu "Plik" i wybierz "Eksportuj dane" / "Eksportuj dane jako ASCII".
    4. Wybierz "Plik wyjściowy" i wybierz ścieżkę do pliku. Wybierz "Chromatogram MS (MC)".
  2. Zaimportuj surowe zestawy danych do oprogramowania do integracji pików i zmierz obszary pików (Rysunek 5). Ustawienia: liniowa linia bazowa; Funkcja HVL.
    1. Uruchom oprogramowanie do integracji szczytowej.
    2. Wybierz opcję "Importuj" z menu "Plik". Kliknij przycisk "Tak".
    3. Zaznacz dane w kolumnach X i Y. Kliknij przycisk "OK". Wybierz opcję "AutoFit Peaks I Resiszts".
    4. Zamontuj pik ekstrakcji półautomatycznie. Upewnij się, że dopasowana krzywa jest zgodna z punktami danych eksperymentalnych. Wybierz opcję "Wyświetl szacunki szczytów". Wybierz opcję "Edytor ASCII".
    5. Skopiuj wyniki dopasowania do "Schowka".
  3. Wprowadź zmierzone obszary pików do arkusza kalkulacyjnego w oprogramowaniu do analizy danych (Rysunek 6).
    1. Uruchom oprogramowanie do analizy danych.
    2. Wprowadź wartości stężeń w kolumnie X i wartości powierzchni piku w kolumnie Y. Wybierz opcję "Symbol" / "Punktowy" z menu "Wykres". Wybierz opcję "Dopasowanie" / "Dopasuj liniowo" z menu "Analiza".
  4. Obliczyć stężenie limonenu w rozcieńczonej próbce rzeczywistej na podstawie wzoru:
    figure-protocol-1
    gdzie I jest punktem przecięcia funkcji liniowej, podczas gdy S jest nachyleniem.
  5. Obliczyć stężenie limonenu w pierwotnej próbce rzeczywistej (przed rozcieńczeniem) na podstawie wzoru:
    figure-protocol-2
    gdzie DF jest współczynnikiem rozcieńczenia (tutaj 5).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Na początku system ekstrakcji gazowanej jest testowany przy użyciu standardowego roztworu. Następnie analizowana jest próbka rzeczywista i próbka rzeczywista wzbogacona wzorcem. Obszary czasowych szczytów ekstrakcji są skorelowane ze stężeniami analitów w próbkach cieczy poddanych ekstrakcji gazowej, co umożliwia analizę ilościową. W tym przypadku przeprowadziliśmy dodawanie podwójnych standardów, aby zademonstrować ilościowe możliwości techniki (Rysunek 7). Regresja l...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W badaniach przeprowadzonych w ciągu ostatnich trzech dekad opracowano kilka inteligentnych sposobów dostarczania próbek do spektrometru mas (np. odnośniki 8,9,10,11,12,13,14). Jednym z celów tych badań było uproszczenie przygotowania próbek do analizy. Aby osiągnąć ten cel, wprowad...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Chcielibyśmy podziękować Ministerstwu Nauki i Technologii Tajwanu (numer grantu: MOST 104-2628-M-009-003-MY4) za wsparcie finansowe tej pracy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
WaterFisherW6212Rozcieńczalnik
etanolowySigma-Aldrich32221-2,5LRozcieńczalnik
(R)-(+)-LimonenSigma-Aldrich183164-100MLStandardowy
dwutlenek węglaChiaLungn/aGaz nośny
Tkanka celulozowa, KimwipesKimtech Kimberly-Clark34120Używany do czyszczenia
Potrójny kwadrupolowy spektrometr masowyShimadzuLCMS-8030System detekcji
Interfejs jonizacji chemicznej ciśnienia atmosferycznegoShimadzuDuisŹródło jonów
20 ml szklana fiolka z zakręcaną górną przestrzenią nad głową z nasadką na przegrodę ThermoFisher ScientificD-52379Fiolka na próbkę
Oprogramowanie LabSolutionsShimadzun/awersja 5.82
Oprogramowanie PeakFitSystat Softwaren/dwersja 4.12
Oprogramowanie OriginProOriginLabn/awersja 8

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Potr jna spektrometria mas z quadrupolempresuryzacja dwutlenkiem w gladekompresja pr bkizjawisko musowaniadetekcja limonenuanaliza soku z limonkianaliza ilo ciowa

Powiązane artykuły