Całkowita waporyzacja Mikroekstrakcja w fazie stałej (TV-SPME) całkowicie odparowuje płynną próbkę, podczas gdy anality są sorbowane na włókno SPME. Pozwala to na podział analitu tylko na parę rozpuszczalnika i powłokę z włókna SPME.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Chromatografia gazowa-spektrometria mas w połączeniu z całkowitą odparowywaniem Mikroekstrakcja do fazy stałej jako narzędzie kryminalistyczne
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Chromatografia gazowa - Spektrometria mas (GC-MS) jest często używaną techniką do analizy licznych analitów o znaczeniu kryminalistycznym, w tym substancji kontrolowanych, cieczy łatwopalnych i materiałów wybuchowych. GC-MS może być sprzężony z mikroekstrakcją w fazie stałej (SPME), w której włókno z powłoką sorpcyjną umieszcza się w przestrzeni nad próbką lub zanurza w próbce ciekłej. Anality są sorbowane na włóknie, które jest następnie umieszczane w podgrzanym wlocie GC w celu desorpcji. Mikroekstrakcja w fazie stałej całkowitej waporyzacji (TV-SPME) wykorzystuje tę samą technikę, co SPME zanurzeniowa, ale zanurza włókno w całkowicie odparowanym ekstrakcie próbki. Ta całkowita waporyzacja powoduje przegrodę między tylko fazą parową a włóknem SPME bez zakłóceń ze strony fazy ciekłej lub jakichkolwiek nierozpuszczalnych materiałów. W zależności od temperatury wrzenia użytego rozpuszczalnika, TV-SPME pozwala na uzyskanie dużych objętości próbek (np. do setek mikrolitrów). Derywatyzacja na włóknie może być również wykonywana za pomocą TV-SPME. TV-SPME jest używany do analizy leków i ich metabolitów we włosach, moczu i ślinie. Ta prosta technika została również zastosowana do narkotyków ulicznych, lipidów, próbek paliwa, pozostałości po wybuchu i zanieczyszczeń w wodzie. W artykule zwrócono uwagę na wykorzystanie TV-SPME do identyfikacji nielegalnych domieszek w bardzo małych próbkach (mikrolitrach) napojów alkoholowych. Zarówno gamma-hydroksymaślan (GHB), jak i gamma-butyrolakton (GBL) zostały zidentyfikowane na poziomach, które można znaleźć w napojach z dodatkami. Derywatyzacja środkiem trimetylosililoowym pozwoliła na przekształcenie matrycy wodnej i GHB w ich pochodne TMS. Ogólnie rzecz biorąc, TV-SPME jest szybki, łatwy i nie wymaga przygotowania próbki poza umieszczeniem próbki w fiolce z przestrzenią nad głową.
Wprowadzenie
Mikroekstrakcja w fazie stałej (SPME) to technika pobierania próbek, w której próbkę ciekłą lub stałą umieszcza się w fiolce z przestrzenią nadpróbkową, a następnie do tej przestrzeni (lub bezpośrednio do próbki ciekłej) wprowadza się włókno SPME pokryte materiałem polimerowym. Analit jest sorbowany na włókno, które następnie umieszcza się w wtryskiwaczu GC w celu desorpcji1,2. Mikroekstrakcja w fazie stałej z całkowitym odparowaniem (TV-SPME) jest techniką podobną do SPME z zanurzeniem, lecz zakłada całkowite odparowanie próbki ciekłej przed adsorpcją analitów na włóknie. Pozwala to na rozdział analitu wyłącznie między parą rozpuszczalnika a powłoką włókna, co umożliwia adsorpcję większej ilości analitu na włóknie i skutkuje wysoką czułością3. Dostępnych jest wiele rodzajów włókien SPME; wybór odpowiedniego włókna powinien zależeć od badanego analitu, rozpuszczalnika/matrycy oraz czynnika derywatyzującego. Ustanowione anality dla TV-SPME przedstawiono w Tabeli 1.
| Próbka | Analit(y) | Zalecane włókno SPME | Referencje |
| Ludzkie włosy | Nikotyna, kotynina | Polydimethylsiloxane/divinylbenzene (PDMS/DVB), polyacrylate (PA) | 3 |
| Proch bezdymny | Nitrogliceryna, difenyloamina | Polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene glycol (PEG) | 7, 8 |
| Paliwo wyścigowe | Metanol, nitrometan | PEG | 9 |
| Woda | Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne | PDMS | 10 |
| Napoje | Kwas ɣ-hydroksymasłowy, ɣ-butyrolakton | PDMS | Niniejsza praca |
| Proszek stały | Metamfetamina, amfetamina | PDMS/DVB | Niepublikowane |
Tabela 1. Zalecane włókna SPME z ustalonymi analitami TV-SPME.
Aby przeprowadzić TV-SPME, anality rozpuszcza się w rozpuszczalniku, a następnie alikwot tej mieszaniny umieszcza się w fiolce do analizy przestrzeni nadpróbkowej. Próbki nie wymagają filtrowania, ponieważ odparują jedynie rozpuszczalnik i lotne anality. Należy stosować określone objętości próbek ciekłych, aby zapewnić całkowite odparowanie próbki. Objętości te wyznacza się, wykorzystując prawo gazu doskonałego do obliczenia liczby moli rozpuszczalnika pomnożonej przez objętość molową cieczy (Równanie 1).
Równanie 1
gdzie Vo to objętość próbki (mL), P to ciśnienie pary rozpuszczalnika (bar), Vv to objętość fiolki (L), R to uniwersalna stała gazowa (0.083145 
), M to masa molowa rozpuszczalnika (g/mol), T to temperatura (K), a 
to gęstość rozpuszczalnika (g/mL).3
W celu zastosowania prawidłowej prężności pary wykorzystuje się równanie Antoine'a (Równanie 2), aby uwzględnić wpływ temperatury:4
Równanie 2
gdzie T to temperatura, a A, B i C to stałe Antoine'a dla rozpuszczalnika. Równanie 2 można podstawić do równania 1, co daje:
Równanie 3
Równanie 3 określa objętość próbki (Vo), która może zostać całkowicie odparowana, w zależności od temperatury oraz zastosowanego rozpuszczalnika.
Aby przeprowadzić derywatyzację za pomocą TV-SPME, włókno SPME jest najpierw wystawione na działanie fiolki zawierającej czynnik derywatyzujący przez określony czas, zależny od analizowanej substancji. Następnie włókno SPME zostaje przeniesione do nowej fiolki zawierającej interesujący nas analit. Fiolka ta jest podgrzewana w mieszalce termostatycznej. Analit jest następnie adsorbowany na włóknie wraz z czynnikiem derywatyzującym. Derywatyzacja analitu i/lub matrycy zachodzi na włóknie przed jego wprowadzeniem do wtryskiwacza GC w celu desorpcji. Rycina 1 przedstawia schemat procesu TV-SPME z derywatyzacją.
Rysunek 1: Przedstawienie procesu TV-SPME z pochodnązowaniem.Włókno SPME najpierw trafia do fiolki z odczynnikiem do pochodnowania, gdzie odczynnik ten (żółte kółka) sorbuje się na włóknie. Następnie włókno zostaje wprowadzone do próbki (niebieskie kółka) i podgrzane. W czasie ekstrakcji na włóknie zachodzi tworzenie się pochodnej (zielone kółka). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
TV-SPME jest korzystne, ponieważ umożliwia pochodną analizowanego związku w trakcie procesu ekstrakcji, co skraca czas analizy. Inne metody, takie jak wtryskiwanie cieczy, wymagają, aby analit zareagował z odczynnikiem pochodnującym w roztworze przed wtryśnięciem do GC. TV-SPME wymaga również minimalnego lub żadnego przygotowania próbki. Matrycę zawierającą analit można umieścić bezpośrednio w fiolce do analizy przestrzeni nad próbką i poddać analizie. Wiele interesujących związków jest kompatybilnych z TV-SPME. Związki muszą być rozpuszczalne w rozpuszczalniku i wystarczająco lotne, aby umożliwić ich odparowanie. Ponadto związki muszą być stabilne termicznie, aby mogły być analizowane za pomocą GC-MS. TV-SPME stosowano do analizy leków i ich metabolitów, paliw wyścigowych, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych oraz materiałów wybuchowych3,5,6,7,8,9,10.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Ogólne przygotowanie próbki TV-SPME i analiza GC-MS
UWAGA: Jeśli próbka jest już rozpuszczona w matrycy, przejdź do kroku 1.2.
- Ekstrahować lub rozpuszczać stałą próbkę w rozpuszczalniku wystarczającym do osiągnięcia pożądanego stężenia. Próbki cieczy mogą być używane "tak jak są".
UWAGA: Ilość użytej próbki stałej zależy od pożądanego stężenia próbki. Stężenia poniżej 1 ppm (w/v) są zalecane, aby uniknąć przeciążenia kolumny GC. Analit powinien być rozpuszczalny w wybranym rozpuszczalniku organicznym.- Upewnij się, że próbka całkowicie się rozpuściła.
- Obliczyć objętość potrzebną do pełnego odparowania próbki, korzystając z równania 3 w wybranej temperaturze. Na przykład, jeżeli doświadczenie ma być przeprowadzone w temperaturze 60 °C, należy obliczyć objętość potrzebną do całkowitego odparowania rozpuszczalnika w temperaturze 60 °C.
- Przenieść tę objętość próbki do fiolki z przestrzenią nad głową i zabezpieczyć nakrętkę. Dopuszczalne metody przenoszenia próbek cieczy w skali mikrolitrów obejmują ręczne przenoszenie za pomocą szklanej strzykawki, elektronicznej szklanej strzykawki lub robota z automatycznym podajnikiem próbek zdolnego do przenoszenia cieczy w celu przygotowania próbki.
- W przypadku derywatyzacji próbki, należy przygotować odpowiedni środek do derywatyzacji, umieszczając ~1 ml środka w fiolce z przestrzenią nad głową.
- Wybierz środek do derywatyzacji w oparciu o rodzaj potrzebnej derywatyzacji: alkilacja, acylacja lub silyacja. W tym przypadku zalecanym środkiem derywatyzacyjnym dla grup funkcyjnych kwasu karboksylowego i alkoholu znajdujących się na GHB jest O-bis(trimetylosililo)trifluoroacetamid (BSTFA). Środek do derywatyzacji może być stosowany "tak jak jest" i nie wymaga rozcieńczania. Jeden ml środka do derywatyzacji wystarczy, aby zapewnić całkowite nasycenie włókna SPME.
UWAGA: Środki do derywatyzacji są toksyczne i należy się z nimi obchodzić w dygestorium.
- Wybierz środek do derywatyzacji w oparciu o rodzaj potrzebnej derywatyzacji: alkilacja, acylacja lub silyacja. W tym przypadku zalecanym środkiem derywatyzacyjnym dla grup funkcyjnych kwasu karboksylowego i alkoholu znajdujących się na GHB jest O-bis(trimetylosililo)trifluoroacetamid (BSTFA). Środek do derywatyzacji może być stosowany "tak jak jest" i nie wymaga rozcieńczania. Jeden ml środka do derywatyzacji wystarczy, aby zapewnić całkowite nasycenie włókna SPME.
- Ustaw odpowiednią temperaturę inkubacji/ekstrakcji na podstawie obliczeń w kroku 1.2. Taka temperatura zapewnia całkowitą parę, wystarczającą ekstrakcję próbki i całkowitą derywatyzację (jeśli to konieczne).
- Wybierz parametry GC-MS (program temperatury pieca, natężenie przepływu, temperatura na wlocie itp.) w oparciu o klasę interesującego związku. Zobacz krok 3, aby zapoznać się z przykładowym zestawem parametrów.
- Upewnij się, że właściwa wkładka wlotowa (np. o średnicy wewnętrznej 2 mm lub mniejszej) znajduje się we wlocie GC.
- Przed rozpoczęciem analizy upewnij się, że włókno SPME zostało odpowiednio kondycjonowane i jest w dobrym stanie roboczym.
- Zmieniaj parametry kondycjonowania w zależności od rodzaju używanego włókna SPME. Zapoznaj się z instrukcjami dotyczącymi światłowodu SPME, aby uzyskać informacje na temat prawidłowej temperatury i czasu kondycjonowania. Ogólnie rzecz biorąc, analiza kilku ślepych prób włókien SPME, aż staną się powtarzalne, jest wystarczająca, aby scharakteryzować włókno SPME jako w pełni kondycjonowane.
2. Przygotowanie próbek gamma-hydroksymaślanu (GHB) i gamma-butyrolaktonu (GBL)
- Przygotować próbkę GHB i/lub GBL w wodzie o stężeniu mniejszym niż 1 ppm.
- Przenieść 1 μl tej próbki do fiolki o pojemności 20 ml z przestrzenią nad roztworem, stosując jedną z metod opisanych w ppkt 1.2.1.
- Należy zauważyć, że analiza próbek wodnych wymaga najmniejszych objętości próbek. Na przykład jeden μl wody całkowicie odparuje do 20 ml fiolki z przestrzenią nad głową w temperaturze 60 °C.
- Natychmiast zamknąć fiolkę.
- Umieścić ~ 1 ml BSTFA + 1% trimetylochlorosilanu (TMCS) w oddzielnej 20 ml fiolce z przestrzenią nad głową i nakrętką.
UWAGA: GBL nie pochodzi z Wielkiej Brytanii. Etap derywatyzacji jest jednak nadal wymagany, aby upewnić się, że rozpuszczalnik wodny ulega derywatyzacji i nie zakłóca próbki.
UWAGA: BSTFA jest toksyczny i należy się z nim obchodzić w dygestorium.
3. Parametry GC-MS i konfiguracja dla GHB i GBL w wodzie
- Utwórz metodę przy użyciu następujących parametrów GC-MS:
Początkowa temperatura piekarnika: 60 °C utrzymywana przez 1 minutę.
Program piekarnika: 15 °C/minutę.
Końcowa temperatura piekarnika: 280 °C, utrzymywana przez 1 minutę.
Natężenie przepływu: 2,5 ml/minutę (optymalizowany przepływ dla kolumny o średnicy wewnętrznej 0,25 mm).
Temperatura na wlocie: 250 °C.
Temperatura linii przesyłowej: 280 °C. - Upewnij się, że wąska (2 mm średnica wewnętrzna lub mniej) wkładki wlotowej SPME została umieszczona wewnątrz wlotu GC.
- Upewnij się, że światłowód PDMS/DVB SPME został odpowiednio kondycjonowany i jest w dobrym stanie przed analizą.
UWAGA: Włókna PDMS/DVB SPME należy kondycjonować na wlocie GC w temperaturze 250 °C przez 30 minut. Włókna PDMS/DVB SPME powinny mieć kolor złamanej bieli. - Uruchom GC-MS w przykładzie.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Przeprowadzono badanie objętości GBL, aby wykazać czułość metody TV-SPME w porównzeaniu do SPME w przestrzeni nad cieczą (headspace) oraz SPME z zanurzeniem (immersion). Przygotowano próbkę GBL w wodzie o stężeniu 100ppmv i umieszczono ją w fiolkach do analizy headspace o objętości 20 mL, stosując objętości próbek wynoszące 1, 3, 10, 30, 100, 300, 1000, 3000 oraz 10 000 µL. Stosunek faz próbek umożliwił zastosowanie TV-SPME (1-3 µL), SPME w przestrzeni nad cieczą (10 – 3000 µL) oraz SPME z zanurzeniem (10 000 ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
TV-SPME ma pewne zalety w porównaniu z GC do wstrzykiwania cieczy, ponieważ duże rozmiary próbek (np. 100 μL) mogą być używane bez modyfikacji urządzenia. TV-SPME ma również niektóre z tych samych korzyści, co SPME w przestrzeni nadbrzeżnej. Headspace SPME nie wymaga ekstrakcji ani filtracji, ponieważ wszelkie nielotne związki pozostaną w fiolce z przestrzenią nad powierzchnią i nie zostaną zaadsorbowane na włóknie, dając czystą próbkę. Metoda ta pomaga również wyeliminować efekty matrycy, ponieważ jest to system dwufazo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Badania te były wspierane przez Narodowy Instytut Wymiaru Sprawiedliwości (nagroda nr 2015-DN-BX-K058 i 2018-75-CX-0035). Wyrażone tutaj opinie, ustalenia i wnioski są opiniami autora i niekoniecznie odzwierciedlają opinie organizacji finansujących.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 10 &mikro; L Strzykawka | Gerstel | 100111-014-00 | |
| BSTFA + 1% TMCS (10 x 1 GM) | Regis Technologies Inc. | ||
| Zestaw systemu dozowania próbek eVol XR | ThermoFisher Scientific | 66002-024 | |
 -Butyrolakton (GBL) | Sigma-Aldrich | B103608-26G | |
| -Kwas hydroksymasłowy (GHB) | Cayman Chemicals | 9002506 | |
| Fiolki z gwintem śrubowym, 18 mm | Restek | 23083 | |
| Magnetyczne nakrętki z gwintem, 18 mm | Restek | 23091 | |
| Optima woda do HPLC | Fisher Chemical | W71 | |
| SPME Fiber Assembly Polidimethylsiloxane (PDMS) | Supelco | 57341-U | |
| Zespół włókien SPME Polidimetylosiloksan/ Divinylbenzen (PDMS/DVB) | Supelco | 57293-U | |
| Topaz 2.0 mm ID Prosta wkładka wlotowa | Restek | 23313 |
Bibliografia
- Pawliszyn, J. B. Method and Device for Solid Phase Microextraction and Desorption. United States patent. , (2005).
- Pawliszyn, J. Solid phase microextraction: theory and practice. , John Wiley & Sons. (1997).
- Rainey, C. L., Bors, D. E., Goodpaster, J. V. Design and optimization of a total vaporization technique coupled to solid-phase microextraction. Analytical Chemistry. 86 (22), 11319-11325 (2014).
- Sinnott, R. Chemical Engineering Design: Chemical Engineering. 6, Elsevier. (2005).
- Davis, K. Detection of Illicit Drugs in Various Matrices Via Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME). , Indiana University - Purdue University Indianapolis. Master of Science thesis (2019).
- Ash, J., Hickey, L., Goodpaster, J. Formation and identification of novel derivatives of primary amine and zwitterionic drugs. Forensic Chemistry. 10, 37-47 (2018).
- Sauzier, G., Bors, D., Ash, J., Goodpaster, J. V., Lewis, S. W. Optimisation of recovery protocols for double-base smokeless powder residues analysed by total vaporisation (TV) SPME/GC-MS. Talanta. 158, 368-374 (2016).
- Bors, D., Goodpaster, J. Mapping smokeless powder residue on PVC pipe bomb fragments using total vaporization solid phase microextraction. Forensic science international. 276, 71-76 (2017).
- Bors, D., Goodpaster, J. Chemical analysis of racing fuels using total vaporization and gas chromatography mass spectrometry (GC/MS). Analytical Methods. 8 (19), 3899-3902 (2016).
- Beiranvand, M., Ghiasvand, A. Design and optimization of the VA-TV-SPME method for ultrasensitive determination of the PAHs in polluted water. Talanta. 212, 120809(2020).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
