Artykuł metodologiczny

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

7.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56008

⸱

14 lipca 2017

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

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

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

Niniejszy protokół zakłada, że wszystkie etapy są wykonywane zgodnie z odpowiednimi przepisami dotyczącymi bezpieczeństwa w laboratorium. Niektóre kroki wymagają użycia instrumentów komercyjnych – w takich przypadkach należy przestrzegać wytycznych producenta. Podczas pracy z toksycznymi chemikaliami należy stosować się do wytycznych zawartych w kartach charakterystyki substancji (MSDS). Urządzenia wykonane na specjalne zamówienie4 należy obsługiwać ostrożnie, szczególnie podczas pracy z gazami pod ciśnieniem i przewodami elektrycznymi pod napięciem.

1. Przygotowanie roztworu wzorcowego

  1. Przygotować roztwór zapasowy limonenu w etanolu o stężeniu 6.2 x 10-2 M, mieszając 10 µL limonenu z 990 µL etanolu.
  2. Przygotować 10 mL roztworu limonenu o stężeniu 6.2 x 10-5 M poprzez zmieszanie 10 µL limonenu o stężeniu 6.2 x 10-2 M, 490 µL etanolu i uzupełnienie czystą wodą do końcowej objętości 10 mL. Kolbę miarową należy dokładnie wstrząsnąć.
  3. Przenieść przygotowany roztwór wzorcowy do szklanej fiolki headspace o pojemności 20 mL z nakrętką z przegrodą. Rozcieńczony roztwór wzorcowy można wykorzystać do przetestowania układu.

2. Przygotowanie rzeczywistej próbki

  1. Pozyskaj sok z limonki, wyciskając świeże owoce limonki (przecięte na pół) za pomocą wyciskarki kuchennej.
  2. Przygotuj 10 mL rozcieńczonego soku z limonki, mieszając 2 mL soku z limonki, 500 µL etanolu i dopełniając czystą wodą do objętości końcowej 10 mL. Kolbę miarową dokładnie wstrząśnij.
  3. Przenieś przygotowaną próbkę do szklanej fiolki headspace o pojemności 20 mL z nakrętką z przegrodą.

3. Dodanie roztworu wzorcowego do próbki rzeczywistej

  1. Pierwszy dodatek standardu: Przygotować 10 mL wzbogaconej próbki, mieszając 2 mL soku z limonki, 10 µL roztworu limonenu o stężeniu 6.2 x 10-2 M oraz 490 µL etanolu, a następnie dopełnić czystą wodą do objętości końcowej 10 mL. Dokładnie wstrząsnąć kolbą miarową.
  2. Drugi dodatek standardu: Przygotować 10 mL wzbogaconej próbki, mieszając 2 mL soku z limonki, 20 µL roztworu limonenu o stężeniu 6.2 x 10-2 M oraz 480 µL etanolu, a następnie dopełnić czystą wodą do objętości końcowej 10 mL. Dokładnie wstrząsnąć kolbą miarową.

4. Konfiguracja systemu ekstrakcji musującej

  1. Umieść system ekstrakcji musującej (Rysunek 1)4 obok źródła APCI potrójnego spektrometru mas kwadrupolowego.
  2. Podłącz butlę z dwutlenkiem węgla do wlotu zasilania gazem w systemie ekstrakcji gazowej. Otwórz zawór w regulatorze gazu. Ustaw ciśnienie wyjściowe na 1,5 bar (150 kPa).
  3. Połącz wylot komory ekstrakcyjnej z wlotem źródła jonów.
  4. Podłącz system ekstrakcji fizzy do zasilacza 12 V.
  5. Konfiguracja oprogramowania do akwizycji danych spektrometru mas potrójnego kwadrupola (Rysunek 2). Uruchom instrument z zastosowaniem źródła APCI w trybie monitorowania wielu reakcji (MRM) dla jonów dodatnich, wykorzystując argon jako gaz kolizyjny.
    1. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych.
    2. Wybierz opcję "wyłącznie LCMS8030".
    3. Wybierz opcję "Włączanie/Wyłączanie MS".
    4. Ustaw temperaturę linii desolwatacji na 250 °Cor przepływ gazu suszącego do 15 L min-1-1Należy poczekać, aż wartości wszystkich parametrów instrumentu będą zgodne z wartościami zadanymi.
    5. Wybierz plik metody akwizycji danych MS.
    6. Upewnij się, że napięcie kolizyjne wynosi -20 V, a jon prekursorowy m/z wynosi 137, a jon fragmentowy m/z wynoszą 81 i 95
    7. Kliknij w "Uruchom pojedynczy cykl" przycisk
    8. Wpisz nazwę pliku.
    9. Wybierz ścieżkę do pliku.
    10. Przejdź do sekcji 5 ("Przeprowadzanie ekstrakcji musującej").
    11. Wybierz opcję "Włącz/Wyłącz MS".
    12. Zamknij okno oprogramowania.
    13. Zaznacz elementy "Wyłącz gaz nebulizujący", "Wyłącz grzałkę DL", "Blok grzewczy wyłączony"i "Wyłączanie dopływu gazu suchego"Kliknij "Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia.".

5. Przeprowadzanie ekstrakcji musującej

  1. Umieść fiolkę z próbką w systemie ekstrakcji musującej, korzystając z mocowania śrubowego. System ekstrakcji pracuje w temperaturze pokojowej (~ 25 °C).
  2. Naciśnij przycisk „Start” na ekranie LCD systemu ekstrakcji musującej.
  3. Odczekaj do zakończenia zautomatyzowanego procesu ekstrakcji musującej (Rycina 3). Obserwuj pojawianie się sygnałów jonowych na ekranie potrójnego spektrometru mas kwadrupolowego.
    UWAGA: Następujące kroki są wykonywane automatycznie: Przestrzeń nad próbką jest płukana dwutlenkiem węgla przez 60 s. Próbka jest poddawana ciśnieniu dwutlenku węgla przez 60 s. Silnik mieszadła jest włączony. Następuje dekompresja próbki, w wyniku czego tworzą się liczne pęcherzyki. W późniejszej fazie silnik mieszadła jest włączony w celu nasilenia procesu musowania.
  4. Wyjmij (odkręć) fiolkę z próbką.
  5. Wytrzyj wrzeciono mieszające próbki chusteczką celulozową.
  6. Umyj wrzeciono mieszające etanolem, a następnie ponownie wytrzyj je chusteczką celulozową.
  7. System jest gotowy do analizy kolejnej próbki (powtórz kroki 5.1-5.6).
  8. Wyłącz zasilanie.
  9. Odłącz rurkę wylotową systemu ekstrakcji musującej od źródła jonów.
  10. Zamknij zawór butli z gazem i odłącz przewody gazowe.

6. Analiza danych

  1. Wyeksportuj prądy jonowe wyekstrahowane dla m/z 81 z oprogramowania do akwizycji danych spektrometru mas potrójnego kwadrupola do plików ASCII (Rysunek 4).
    UWAGA: Prąd jonowy przy m/z 95 nie jest wykorzystywany w tej demonstracji.
    1. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych. Wybierz opcję "Postrun".
    2. Wybierz opcję "Select Project (Folder)" i wskaż plik z danymi.
    3. Kliknij menu "File" i wybierz "Export Data" / "Export Data as ASCII".
    4. Wybierz "Output File" i wskaż ścieżkę pliku. Wybierz opcję "MS Chromatogram (MC)".
  2. Zaimportuj surowe zestawy danych do oprogramowania do integracji pików i zmierz pola powierzchni pików (Rysunek 5). Ustawienia: linia bazowa liniowa; funkcja HVL.
    1. Uruchom oprogramowanie do integracji pików.
    2. Z menu "File" wybierz opcję "Import". Kliknij przycisk "Yes".
    3. Zaznacz dane w kolumnach X i Y. Kliknij przycisk "OK". Wybierz opcję "AutoFit Peaks I Residuals".
    4. Dopasuj pik ekstrakcji półautomatycznie. Upewnij się, że dopasowana krzywa pokrywa się z eksperymentalnymi punktami danych. Wybierz opcję "List Peak Estimates". Wybierz opcję "ASCII Editor".
    5. Skopiuj wyniki dopasowania do schowka ("Clipboard").
  3. Wprowadź zmierzone pola powierzchni pików do arkusza kalkulacyjnego w oprogramowaniu do analizy danych (Rysunek 6).
    1. Uruchom oprogramowanie do analizy danych.
    2. Wprowadź wartości stężeń w kolumnie X oraz wartości pól powierzchni pików w kolumnie Y. Z menu "Plot" wybierz opcję "Symbol" / "Scatter". Z menu "Analysis" wybierz opcję "Fitting" / "Fit Linear".
  4. Oblicz stężenie limonenu w rozcieńczonej próbce rzeczywistej na podstawie wzoru:
    figure-protocol-1
    gdzie I to punkt przecięcia funkcji liniowej z osią Y, a S to nachylenie prostej.
  5. Oblicz stężenie limonenu w oryginalnej próbce rzeczywistej (przed rozcieńczeniem) na podstawie wzoru:
    figure-protocol-2
    gdzie DF to współczynnik rozcieńczenia (w tym przypadku 5).

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

Wyniki

Na początku system ekstrakcji musującej jest testowany przy użyciu roztworu wzorcowego. Następnie analizowana jest rzeczywista próbka oraz rzeczywista próbka wzbogacona wzorcem. Powierzchnie czasowych pików zdarzeń ekstrakcyjnych są korelowane z stężeniami analitów w próbkach ciekłych poddanych ekstrakcji musującej, co umożliwia analizę ilościową. W tym przypadku przeprowadzono podwójny dodatek wzorca, aby zademonstrować możliwości ilościowe tej techniki (Rysunek 7

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

Dyskusja

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

  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