Методическая статья

Физзи-экстракция летучих органических соединений в сочетании с химическим ионизацией при атмосферном давлении. Квадрупольная масс-спектрометрия

7.2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/56008

⸱

14 июля 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

ФИЗИЧЕСКАЯ ИЗДЕЛИЯ - новый лабораторный метод анализа летучих и полулетучих соединений. Газ-носитель растворяют в жидком образце путем приложения избыточного давления и перемешивания образца. Затем камеру образца разлагают. Виды аналита высвобождаются в газовую фазу из-за вскипания.

Аннотация

Химический анализ летучих и полужидких соединений, растворенных в жидких образцах, может быть сложным. Растворенные компоненты необходимо довести до газовой фазы и эффективно передать в систему обнаружения. Физзикционная экстракция использует феномен вскипания. Во-первых, газ-носитель (здесь, двуокись углерода) растворяют в образце, применяя избыточное давление и перемешивая образец. Во-вторых, камера образца распадается резко. Декомпрессия приводит к образованию многочисленных пузырьков пузырьков газа в образце жидкости. Эти пузырьки способствуют высвобождению растворенных веществ аналита из жидкости в газовую фазу. Выпущенные аналиты немедленно переносятся на химическую ионизационную границу атмосферного давления тройного квадрупольного масс-спектрометра. Ионизируемые виды аналита приводят к появлению масс-спектрометрических сигналов во временной области. Поскольку высвобождение видов аналита происходит в течение коротких промежутков времени (несколько секундOnds), временные сигналы имеют высокие амплитуды и высокие отношения сигнал-шум. Амплитуды и области временных пиков затем могут быть скоррелированы с концентрациями аналитов в образцах жидкости, подвергнутых экстракции физзи, что позволяет проводить количественный анализ. К преимуществам физзи-экстракции относятся: простота, скорость и ограниченное использование химических веществ (растворителей).

Введение

Различные явления, наблюдаемые в природе и повседневной жизни, связаны с равновесиями газожидкостной фазы. Двуокись углерода растворяется в мягких и алкогольных напитках при повышенном давлении. Когда открывается бутылка такого газированного напитка, давление падает, и пузырьки газа мчатся к поверхности жидкости. В этом случае вскипание улучшает органолептические свойства напитков. Выпуск газовых пузырьков также является основной причиной декомпрессионной болезни («изгибы») 1 . Из-за внезапной декомпрессии пузырьки образуются в телах дайверов. Лица, страдающие декомпрессионной болезнью, лечатся в гипербарических камерах.

Газовые пузырьки имеют различные применения в аналитической химии. В частности, методы барботирования основаны на пропускании пузырьков газа через жидкие образцы для извлечения летучих соединений 2 . Например, метод, называемый «продувочно-замкнутый контур», объединяется с газовой хроматографией для быстрого анализа диSsolved volatiles 3 . В то время как барботирование может непрерывно извлекать летучие вещества с течением времени, оно не ограничивает их в пространстве или времени. Выпущенные газофазные частицы должны быть захвачены, а в некоторых случаях сконцентрированы путем применения температурной программы или использования сорбентов. Таким образом, существует потребность в внедрении новых онлайновых стратегий обработки проб, которые могут уменьшить количество этапов и, в то же время, концентрацию летучих аналитов в пространстве или времени.

Для решения проблемы извлечения летучих соединений из жидких образцов и проведения анализа в режиме онлайн мы недавно представили «физмиссию» 4 . Эта новая техника использует феномен вскипания. Вкратце, газ-носитель (здесь, двуокись углерода) сначала растворяют в образце, применяя избыточное давление и перемешивая образец. Затем камера образца распадается резко. Внезапная декомпрессия приводит к образованию многочисленных пузырьков пузырьков газа В образце жидкости. Эти пузырьки способствуют высвобождению растворенных веществ аналита из жидкости в газовую фазу. Выпускаемые аналиты немедленно переносятся на масс-спектрометр, генерируя сигналы во временной области. Поскольку высвобождение видов аналита ограничено коротким периодом времени (несколько секунд), временные сигналы имеют высокие амплитуды и высокие отношения сигнал-шум.

Давления, связанные с процессом физ. Экстракции, очень низки (~ 150 кПа) 4 ; Намного ниже, чем при сверхкритической флюидной экстракции 5 ( например , ≥10 МПа). Техника не требует использования каких-либо специальных расходных материалов (колонок, картриджей). Для разбавления и очистки используются только небольшие количества растворителей. Извлекающее устройство может быть собрано химиками со средними техническими навыками с использованием широко доступных частей 4 ; Например, электронные модули с открытым исходным кодом«> 6 , 7. Физическая экстракция может быть соединена в режиме онлайн с современными масс-спектрометрами, оснащенными химическим ионизацией атмосферного давления (APCI). Поскольку газофазные экстракты переносятся в ионный источник, работа физзи-экстракции практически не загрязняет уязвимые Части масс-спектрометра.

Цель этой визуализированной экспериментальной статьи - направлять зрителей на то, как реализовать выпуск физзи в простой аналитической задаче. В то время как ядро ​​системы физ-экстракции описано в нашем предыдущем отчете 4 , было сделано несколько улучшений, чтобы сделать операцию более простой. Микроконтроллер, оснащенный экраном экрана ЖКД, был включен в систему для отображения параметров извлечения ключа в режиме реального времени. Все функции запрограммированы в сценариях микроконтроллера, и больше нет необходимости использовать внешний компьютер для cВключить систему экстракции.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

В этом протоколе предполагается, что все этапы выполняются в соответствии с соответствующими нормами безопасности лаборатории. В некоторых из этапов используются коммерческие инструменты - в этих случаях необходимо следовать рекомендациям производителя. При обращении с токсичными химическими веществами необходимо соблюдать руководящие принципы MSDS. Специально изготовленное на заказ оборудование 4 должно эксплуатироваться с осторожностью; Особенно при работе с находящимися под давлением газами и электрической проводкой.

1. Подготовка стандартного решения

  1. Подготовьте исходный раствор лимонена в этаноле в количестве 6,2 х 10 -2 М, смешав 10 мкл лимонина с 990 мкл этанола.
  2. Подготовьте 10 мл раствора лимонена 6,2 × 10 -5 М путем смешивания 10 мкл 6,2 × 10 -2 лимонена, 490 мкл этанола и добавления чистой воды до конечного объема 10 мл. Тщательно встряхните мерную колбу.
  3. Перенесите готовое стандартное решение в стеклянный флакон с объемным стеклом на 20 мл с септуМ колпачок. Разведенное стандартное решение может использоваться для тестирования системы.

2. Подготовка реального образца

  1. Получите сок лайма, сжимая свежий лимонный плод (разрезать пополам) на кухонном отжимателе.
  2. Приготовить 10 мл разбавленного сока лайма путем смешивания 2 мл сока лайма, 500 мкл этанола и добавления чистой воды до конечного объема 10 мл. Тщательно встряхните мерную колбу.
  3. Перенесите приготовленный образец в стеклянный флакон с объемным стеклом на 20 мл с колпачком перегородки.

3. Появление реального образца стандартным решением

  1. Первое стандартное дополнение. Подготовьте 10 мл проколотого образца, смешав 2 мл сока лайма, 10 мкл 6,2 × 10 -2 М раствора лимонена, 490 мкл этанола и добавив чистую воду до конечного объема 10 мл. Тщательно встряхните мерную колбу.
  2. Второе стандартное добавление: приготовить 10 мл проколотого образца путем смешивания 2 мл сока лайма, 20 мкл 6,2 × 10 -2 М лимоненE, 480 мкл этанола и добавление чистой воды до конечного объема 10 мл. Тщательно встряхните мерную колбу.

4. Настройка системы экстракции физиса

  1. Поместите систему физиса ( рис. 1 ) 4 рядом с источником APCI тройного квадрупольного масс-спектрометра.
  2. Подсоедините баллон с газообразным диоксидом углерода к входному отверстию для подачи газа системы физ. Экстракции. Откройте клапан в газовом регуляторе. Установите выходное давление до 1,5 бар (150 кПа).
  3. Подключите выход камеры экстракции к входу ионного источника.
  4. Подключите систему фишинга к источнику питания 12 В.
  5. Настройте программное обеспечение для сбора данных тройного квадрупольного масс-спектрометра ( рис. 2 ). Управляйте прибором с помощью источника APCI в режиме мониторинга с положительным ионным взаимодействием (MRM) с аргоном в качестве столкновениягаз.
    1. Запустите программное обеспечение для сбора данных.
    2. Выберите опцию «Только LCMS8030».
    3. Выберите опцию «MS On / Off».
    4. Установите температуру линии десольватации до 250 ° C, а расход газа для сушки до 15 л мин -1 . Подождите, пока значение каждого параметра инструмента не станет таким же, как заданное значение.
    5. Выберите файл метода сбора данных MS.
    6. Убедитесь, что напряжение столкновения составляет -20 В, ион-предшественник m / z равен 137, а фрагмент-ион m / z - 81 и 95
    7. Нажмите кнопку «Начать одиночный прогон».
    8. Введите имя файла.
    9. Выберите путь к файлу.
    10. Перейдите к разделу 5 («Выполнение физиса»).
    11. Выберите опцию «MS On / Off».
    12. Закройте окно программного обеспечения.
    13. Отметьте элементы «Распылитель газа», «Выключение нагревателя DL», «Тепловой блок выключен» и «Выключение сухого газа». Нажмите «OK &# 34 ;.

5. Выполнение экстрактов физзи

  1. Поместите образец флакона в систему экстрактов физиса с помощью винтового крепления. Система экстракции работает при комнатной температуре (~ 25 ° C).
  2. Нажмите кнопку «Пуск» на экране ЖК-дисплея системы физ. Экстракции.
  3. Подождите, пока выполняется автоматизированный процесс извлечения физиса ( рисунок 3 ). Наблюдайте за развитием ионных сигналов на экране тройного квадрупольного масс-спектрометра.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Следующие шаги выполняются автоматически: Образцовое пространство заливается диоксидом углерода в течение 60 с. Образец подвергается воздействию углекислого газа в течение 60 с. Мешалка включена. Образец разгерметизирован. Формируются несколько пузырьков. В более поздней фазе движитель мешалки активирует барботирование.
  4. Выньте (отвинтите) образец флакона.
  5. Протрите образец перемешивающим шпинделем целлюлозной тканью.
  6. Вымойте мешалку spИндола с этанолом и снова протрите его целлюлозной тканью.
  7. Система готова для анализа другого образца (повторите шаги 5.1-5.6).
  8. Выключите питание.
  9. Отсоедините выпускную трубку из выпускного отверстия из ионного источника.
  10. Закройте клапан газового баллона и отсоедините газовую трубу.

6. Анализ данных

  1. Экспортировать извлеченные ионные токи для m / z 81 из программного обеспечения для сбора данных трехмерного квадрупольного масс-спектрометра в файлы ASCII ( рисунок 4 ).
    ПРИМЕЧАНИЕ. Ионный ток в m / z 95 не используется в этой демонстрации.
    1. Запустите программное обеспечение для сбора данных. Выберите опцию «Постуснуть».
    2. Выберите опцию «Выбрать проект (папка)» и выберите файл данных.
    3. Нажмите «Файл» и выберите «Экспорт данных» / «Экспорт данных как ASCII».
    4. Выбрать " «Выходной файл» и выберите путь к файлу. Выберите «MS Chromatogram (MC)».
  2. Импорт исходных наборов данных в программное обеспечение максимальной интеграции и измерение областей пиков ( рисунок 5 ). Настройки: линейная базовая линия; Функция HVL.
    1. Запустите программное обеспечение для интеграции с пиком.
    2. Выберите опцию «Импорт» в меню «Файл». Нажмите кнопку «Да».
    3. Выберите данные в столбцах X и Y. Нажмите кнопку «ОК». Выберите параметр «AutoFit Peaks I Residuals».
    4. Установите пик экстракции полуавтоматически. Убедитесь, что установленная кривая соответствует экспериментальным данным. Выберите опцию «Пиковые оценки списков». Выберите параметр «ASCII Editor».
    5. Скопируйте результаты фитинга в «Буфер обмена».
  3. Введите измеренные области пиков в электронную таблицу в программном обеспечении для анализа данных ( рисунок 6 ). <ол>
  4. Запустите программное обеспечение для анализа данных.
  5. Введите значения концентрации в столбцах X и значениях пиковой площади в столбце Y. Выберите опцию «Symbol» / «Scatter» в меню «Plot». В меню «Анализ» выберите опцию «Подгонка» / «Подходящая линейность».
  • Рассчитайте концентрацию лимонен в разбавленном реальном образце по формуле:
    figure-protocol-1
    Где I - перехват линейной функции, а S - наклон.
  • Вычислить концентрацию лимонен в исходном реальном образце (до разбавления) по формуле:
    figure-protocol-2
    Где DF - коэффициент разбавления (здесь 5).

    • Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Результаты

    Вначале система физ-экстракции тестируется со стандартным решением. Впоследствии анализируется реальный образец и реальный образец с шипами со стандартом. Области височных пиков событий экстракции коррелируют с концентрациями аналитов в образцах жидкости, подвергнутых физзической экстракции, что позволяет проводить количественный анализ. Здесь мы выполнили двойное стандартное дополнение, чтобы продемонстрировать количественные возможности метода ( рис. 7 ). ...

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Обсуждение

    В ходе исследований, проведенных за последние три десятилетия ( например , ссылок 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ), было разработано несколько полезных способов доставки образцов на масс-спектрометр. Одной из целей этих исследований было упрощение подготовки образцов для анал...

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Раскрытие информации

    Авторам нечего раскрывать.

    Благодарности

    Мы хотели бы поблагодарить Министерство науки и технологии Тайваня (номер гранта: MOST 104-2628-M-009-003-MY4) за финансовую поддержку этой работы.

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Материалы

    Список материалов, использованных в этой статье
    ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
    WaterFisherW6212Разбавитель
    ЭтанолSigma-Aldrich32221-2,5LРазбавитель
    (R)-(+)-ЛимоненSigma-Aldrich183164-100MLСтандартный
    углекислый газChiaLungн/аГаз-носитель
    Целлюлозная ткань, KimwipesKimtech Kimberly-Clark34120Используется для очистки
    Тройной квадрупольный масс-спектрометрShimadzuLCMS-8030Система детектирования
    Атмосферное давление Интерфейс химической ионизацииShimadzuDuisИсточник ионов
    20 мл винтовая верхняя часть стеклянный флакон с септумной крышкойThermo Fisher ScientificD-52379Флакон с образцом
    LabSolutions программное обеспечениеShimadzun/aверсия 5.82
    Программное обеспечениеPeakFit Программное обеспечение Systatн/дверсия 4.12
    Программное обеспечение OriginPro н/дверсия 8

    Ссылки

    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).

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Перепечатки и разрешения

    Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

    Запросить разрешение

    Теги

    Похожие статьи