Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Kvantitativ Påvisning av Trace eksplosive damper av Programmert Temperatur Desorpsjon gasskromatografi-Electron Capture Detector

Published: July 25, 2014 doi: 10.3791/51938
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 4
1Chemical Sensing & Fuel Technology, Chemistry Division, U.S. Naval Research Laboratory, 2NOVA Research, Inc., 3Bio/Analytical Chemistry, Chemistry Division, U.S. Naval Research Laboratory, 4Navy Technology Center for Safety and Survivability, Chemistry Division, U.S. Naval Research Laboratory

Summary

Trace eksplosive damper av TNT og RDX samlet på sorbent fylte termisk desorpsjon rør ble analysert ved hjelp av en programmert temperatur desorpsjon system koblet til GC med et elektron-fangst detektor. Den instrumentell analyse er kombinert med direkte væske deponering metode for å redusere prøve variabilitet og står for instrumentering drift og tap.

Abstract

Den direkte flytende avsetning av løsnings standarder på sorpsjons-fylte termiske desorpsjon rør blir brukt for den kvantitative analyse av spor eksplosive prøver damp. Den direkte flytende deponering metode gir en høyere troskap mellom analysen av prøvene damp og analyse av løsnings standarder enn å bruke separate injeksjonsmetoder for damp og løsninger, det vil si, prøver samlet på dampoppsamlings rør og standarder utarbeidet i løsnings ampuller. I tillegg kan fremgangsmåten utgjør instrumenterings tap, noe som gjør den ideell for å minimalisere variabiliteten og kvantitativ spor kjemisk påvisning. Gass-kromatografi med en capture elektron-detektor er en instrumentering konfigurasjon følsom for nitro energetics, slik som TNT og RDX, på grunn av deres relativt høye elektron-affinitet. Det er imidlertid vanskelig uten levedyktige damp standarder damp kvantifisering av disse forbindelser. Således eliminerer vi kravet til damp-standarder ved å kombinerefølsomheten for instrumentering med en direkte væskeavsetningsprotokoll for å analysere spor eksplosive prøver damp.

Introduction

Gasskromatografi (GC) er en kjerne instrumentell analyse teknikk for analytisk kjemi og er kanskje like allestedsnærværende som en kokeplate eller balanse i en kjemi laboratorium. GC instrumenter kan brukes for fremstillingen, identifisering og kvantifisering av en rekke kjemiske forbindelser, og kan kobles til en rekke av detektorer, for eksempel flamme ionisering detektorer (fids), foto-ionisering detektorer (PIDs), varmeledningsevne detektorer ( TCDs), elektron-fangst detektorer (ECDs), og massespektrometre (MS), avhengig av analyttene, metodikk, og søknad. Prøver kan bli introdusert gjennom en standard split / splitless innløp når du arbeider med små prøveløsninger, spesialiserte headspace analyse viker, fast fase mikro-ekstraksjon (SPME) sprøyter, eller termisk desorpsjon systemer. GC-MS er ofte standard teknikk som brukes i validering og verifisering anvendelser av alternative eller nye, teknikker gjenkjenning på grunn av sin nytteverdi, fleksibilitet,og identifikasjon strøm med etablerte kjemiske databaser og biblioteker 1 -. 7 GC og tilhørende prøvetaking og oppdager komponenter er ideell for rutinemessig kjemisk analyse og mer spesialisert, utfordrende analytiske applikasjoner.

En analytisk anvendelse av økende interesse for militære, Homeland Security, og kommersielle virksomheter er spore eksplosiv deteksjon damp, med deteksjon inkludert identifisering og kvantifisering. Spor eksplosiv deteksjon av damp er en unik analytisk kjemi utfordring fordi analytter, slik som 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) og cyclotrimethylenetrinitramine (RDX) har fysikalske egenskaper som gjør dem spesielt vanskelig å håndtere og separat ved hjelp av bredere, mer generell kjemisk analyse metoder. Den forholdsvis lave damptrykk og sub deler per million på volumbasis (ppm volum) mettet damp konsentrasjon, kombinert med relativt høye stikker koeffisienter, nødvendigspiste spesielle prøvetakingsprotokoller, instrumentering, og kvantiteringsstandarder metoder 8 -. 12 A GC koblet til en Electron Capture Detector (ECD) eller massespektrometer (MS) er en effektiv metode for kvantifisering av eksplosive analytter, spesielt dinitrotoluen (DNT), TNT og RDX . 6,13 - 17 GC-ECD er spesielt nyttig for nitro-energiske forbindelser på grunn av deres relativt høye elektron-affinitet. The Environmental Protection Agency (EPA) har skapt standardmetoder for eksplosiv analytt deteksjon ved hjelp av GC-ECD-og GC-MS, men disse metodene har fokusert på prøvene i løsning, for eksempel i grunnvannet, og ikke prøver samlet i dampfasen. 2. , 18 - 23 For å kunne detektere eksplosive damper, alternative prøvetakings protokoller må anvendes, for eksempel dampoppsamlings med sorbent fylte termiske desorpsjon prøverør, men kvantitativ påvisning forblir vanskelig på grunn av mangel på damp-standarder ennd kalibreringsmetoder som ikke står for prøve rør og instrumentering tap.

Nylig har kvantiteringsstandarder metoder ved hjelp av termisk desorpsjon system med en avkjølt innløpssystem (TDS-cis), koplet til en GC-ECD blitt utviklet for TNT og RDX damper. 24,25 Tapene forbundet med TDS-cis-GC-ECD instrumentering for spor eksplosive damper ble preget og redegjort for i eksempel kalibreringskurver ved hjelp av en direkte væske deponering metode på sorbent fylte termisk desorpsjon prøverør. Men litteraturen fokusert på instrumentering karakterisering og metodeutvikling, men aldri faktisk samplet, analysert, eller kvantifisert eksplosive damper, eneste løsningen standarder. Heri, er det fokus på protokollen for prøvetaking og kvantifisering av eksplosive damper. Protokollen og metodikk kan bli utvidet til andre analyser og spor eksplosive damper, som penta-erytritoltetranitrat (PETN).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Instrument Forberedelse

  1. Sørg for instrumentet, stekeovn, og detektoren er på RT. Slå av gasstrømmen til innløpet og detektoren.
  2. Fjern TDS fra GC. Til produsentens bruksanvisningen for den instrumentspesifikk prosedyre.
  3. Fjern TDS adapteren fra CIS innløp og fjerne duken fra CIS.
  4. Kontroller CIS innløp for partikler og rusk, mens foringen er fjernet. Rengjør noen synlig rusk med trykkluft, eller fortrinnsvis nitrogen.
  5. Fest en ny grafitt hylse til en ny CIS liner ved hjelp av produsenten leverte verktøy og instruksjoner for hylse-til-liner bindende.
  6. Sett liner med den vedlagte grafitt hylse inn i CIS. Sett på TDS adapter og re-montere TDS.
  7. Fjerne en ny kolonne av pakken, og fjerne silikon beskyttelse mot endene av kolonnen.
  8. Sett i en mutter og hylse på hver ende av kolonnen. Bruk en ECD detektor mutter og ferrule for den ene ende av kolonnen, og en CIS hylse for den motsatte ende av kolonnen.
  9. Ved hjelp av en keramisk kolonne skjæreverktøyet, fjerner omtrent 10 cm fra hver ende av kolonnen. Sørg for at nøtter og endehylser forbli på kolonnen, men vekk fra enden av kolonnen for å unngå tilstopping og rusk.
  10. Fest kolonnen inn i ovnen ved hjelp av retningslinjene instrument produsenten. Sett kolonnen inn i innløpet. Den andre enden av kolonnen til detektorporten. Dybden av innsetting er spesifikk for instrument, innløpet, og detektoren produsenten. Se bruksanvisningen og spesifikasjonene for den eksakte kolonne innsettingsdybde.
    MERK: En pre-bake kan være nødvendig for kolonnen før det kobles den motsatte ende av kolonnen til detektor porter. Rådfør dokumentasjon kolonnen og instrumentprodusenten for å avgjøre om en pre-bake er nødvendig.
  11. Forsiktig hånd-stramme nøtter og endehylser på sine respektive porter for innløp og detektoren. Ved hjelp av en skiftenøkkel, skru with ca en kvart omdreining av rotasjon muttere og endehylser. For mye kraft eller over-innstramming vil skade endehylsene forårsaker lekkasjer eller kolonnen til å bryte og tette.
  12. Bake ut TDS, innløp, kolonne og detektor. En typisk bake ut består av innstilling av temperaturen for alle sonene til like under den maksimale driftstemperaturen (vanligvis 300 ° C), mens flytende bæregass i minst 2 timer.
  13. Kule alle soner og stram alle skruer og hylser for å sikre lekkasjefri drift. Oppvarming og kjøling under bake ut vil føre til at nøtter og endehylser å løsne, noe som kan introdusere lekkasjer.
  14. Laster, eller reload, instrumentet metoden ved hjelp av programvaren grensesnittet. Kontroller korrekt temperatur og strømningshastigheter er oppnådd. Instrumentering er klar for analyse.

2. Utarbeidelse av standarder

  1. Fjern 1000 ng mL -1 3,4-DNT, 10 000 ng mL -1 TNT, og 10000 ng mL -1 RDX frafryseren eller kjøleskapet og la de tre lager løsninger for å nå RT.
  2. Tilsett 100 mL av lager 1000 ng mL -1 3,4-DNT og tilsett 900 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass.
  3. Tilsett 100 mL av 100 ng mL -1 3,4-DNT løsning fra trinn 2,2 og tilsett 900 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass.
  4. Tilsett 150 mL av 10 ng mL -1 3,4-DNT løsning fra trinn 2,3 og 4 850 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass. Dette er den indre standard for direkte væskeavsetning.
  5. Tilsett 100 mL av lager 10000 ng mL -1 TNT løsning, 100 mL av lager 10000 ng mL -1 RDX løsning, og 800 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass.
  6. Tilsett 100 mL av 1000 ng mL -1 TNT og RDX løsning i trinn 2,5 og 900 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass.
  7. Tilsett 100 mL av100 ng mL -1 TNT og RDX løsning fra trinn 2,6 og 900 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass.
  8. Tilsett 100 mL av 10 ng mL -1 TNT og RDX løsning fra trinn 2,7 og 900 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass. Dette skaper 1,0 TNT/1.0 RDX ng mL -1 løsning standard klar for direkte flytende avlegging på prøverør.
  9. Tilsett 60 pl av 10 ng mL -1 løsning i trinn 2.7, og 940 mL acetonitril til en ravgul prøvehetteglass. Dette skaper 0,6 TNT/0.6 RDX ng mL -1 løsning standard klar for direkte flytende avlegging på prøverør.
  10. Tilsett 40 pl av 10 ng mL -1 løsning i trinn 2.7, og 960 mL acetonitril til en ravgul prøvehetteglass. Dette skaper 0,4 TNT/0.4 RDX ng mL -1 løsning standard klar for direkte flytende avlegging på prøverør.
  11. Tilsett 20 pl av den 10ng mL -1 løsning i trinn 2,7 og 980 mL av acetonitril i et gult prøvehetteglass. Dette skaper 0,2 TNT/0.2 RDX ng mL -1 løsning standard klar for direkte flytende avlegging på prøverør.
  12. Tilsett 100 pl av 1,0 ng mL -1 løsning i trinn 2.8, og 900 mL acetonitril til en ravgul prøvehetteglass. Dette skaper 0,1 TNT/0.1 RDX ng mL -1 løsning standard klar for direkte flytende avlegging på prøverør.

Tre. Prøvetaking

  1. Koble en sorbent-fylte termo desorpsjon prøverør til en prøve-pumpe eller lignende utstyr ved hjelp av et lite stykke av fleksibelt silikonslanger. En rød pil som er anordnet på prøverørene som indikerer retningen av luftstrømmen for å sample adsorpsjon, og det skal peke i retning av silikonrøret og eksempelpumpen.
  2. Fest et stempel strømningsmåler til prøverøret i motsatt ende fra prøven pump festet i trinn 3.1. Justere strømningshastigheten på prøvepumpe eller lignende utstyr, slik at strømningshastigheten er omtrent 100 ml min -1 gjennom prøverøret i henhold til avlesningene fra stempelstrømningsmåler. Strømningshastigheten bør settes til ± 5,0 ml min -1 av 100 ml min -1 ønsket settpunkt.
  3. Koble fra stempelstrømningsmåler fra prøverøret og midlertidig stenge av prøvepumpen, men lar prøverøret er koblet til pumpen. Prøven pumpen vil bli reaktivert å begynne prøvetakingen. Prøverøret er klar for innsamling.
  4. Plasser prøven røret med fortsatt koblet prøvepumpe i sprengstoff dampstrømmen. Kilden damp kan være det øvre område ovenfor en fast prøve, et åpent miljø, eller et utvalg av analytt fordamping systemer.
  5. Sett en timer basert på de omtrent prøvetaking ganger oppført i tabell 2. Utvalgs ganger er oppført som en generell retningslinje basert på suspected konsentrasjon av materiale i dampfasen. Disse prøvetakingstider, med en strømningshastighet på 100 ml min-1, vil vanligvis gi en masse i midten av kalibreringskurven, som er ideelt for kvantifisering.
  6. Aktiver prøvepumpen og start tidtakeren. Vent til timeren har sluttet og slå av prøvepumpen. Koble prøverøret fra pumpen og legg den i emballasjen som følger med prøverør. Sett lokk på røret og butikken for analyse.
  7. Noter unikt serienummer stemplet på hvert prøverør, prøven tid, og strømningshastigheten for prøverøret i et laboratorium notisbok. Disse verdiene vil være viktig for kvantifisering.

4. Kalibrering Curve Generation

  1. Pipetter 5,0 pl av løsningen standard direkte på glass-fritte med en ubrukt, kondisjonert prøverør. Hold prøverøret og pipette oppreist med en hansker hånd under deponering.
  2. Gjenta trinn 4.1 for hver av de seks calibration standarder bort på tre forskjellige prøverør.
  3. Forekomst 5 pl av 0,3 ng mL -1 3,4-DNT på hvert av rørene i tillegg.
  4. Tillat de atten prøverørene (tre pr oppløsningskonsentrasjon, seks oppløsningskonsentrasjoner) til å sitte ved romtemperatur i minst 30 minutter for å fordampe løsningsmidlet.
  5. Bruk tyve rør autosampler og den tidligere beskrevne TNT og RDX TDS-cis-GC-ECD-metoden for å kjøre inn og analysere alle atten rør O / N. 24,25 En oppsummering av TDS-cis-GC-ECD parametere for fremgangsmåten ligger gitt i tabell 1.
  6. Integrere toppene forbundet med 3,4-DNT, TNT og RDX i kromatogrammet for hver av de atten prøverørene. Den 3,4-DNT, TNT og RDX topper vil oppstå ved ca 4.16, 4.49 og 4.95 min, henholdsvis.
  7. Legg merke til den 3,4-DNT, TNT og RDX peak områder for hver av de atten rør sammen med den tilsvarende massen av TNT og RDX som ble avsatt på prøverøret i et regneark og laboratoriy bærbare.
  8. Normalisere peak områder for både TNT og RDX ved å dele hver topp område ved toppen området for 3,4-DNT. Gjør dette for alle atten rør.
  9. Beregn gjennomsnitt og standardavvik av de normaliserte TNT og RDX toppområder for de seks standard konsentrasjoner.
  10. Plott gjennomsnittlige normaliserte toppareal sammenlignet med massen av analytten tilstede på rør for både TNT og RDX.
  11. Legg en lineær trendlinje for både TNT og RDX datapunkter. Identifiser skråningen og y-skjæringspunktet for hver analytt. Ta opp skråningen, krysningspunktet og R 2 verdi i et regneark og laboratorie bærbare.
  12. Plasser benyttes prøverørene i et rør anlegget i 3 timer ved 300 ° C og 500 ml min-1 nitrogenstrøm.

5. Sample Analysis

  1. Innskudd 5,0 mL av 0,3 ng mL -1 3,4-DNT på hvert av prøverørene.
  2. Tillat rørene til å sitte ved romtemperatur i minst 30 minutter for å fordampe løsningsmidlet fra iintern standard.
  3. Bruk tyve rør autosampler og den tidligere beskrevne TNT og RDX fremgangsmåte for å kjøre rør O / N på TDS-cis-GC-ECD. 24,25 En oppsummering av instrumentparametre for analyse-metoden er gitt i tabell 1..
  4. Integrere toppene forbundet med 3,4-DNT, TNT og RDX i kromatogrammet for hver av de atten prøverørene. Den 3,4-DNT, TNT og RDX topper vil oppstå ved ca 4.16, 4.49 og 4.95 min, henholdsvis.
  5. Legg merke til den 3,4-DNT, TNT og RDX topparealer for hver av prøverørene i et regneark og laboratorie bærbare.
  6. Bruk topparealer og kalibreringskurven for å beregne konsentrasjonen av damp i deler per milliard i volum (ppb v) for hver analytt. Se ligninger 1-4.
  7. Plasser benyttes prøverørene i et rør anlegget i 3 timer ved 300 ° C og 500 ml min -1 nitrogen luftstrøm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Innhenting av kvantitative resultater for spor eksplosive prøver damp begynner med å etablere en kalibreringskurve for TDS-CIS-GC-ECD instrumentering ved hjelp av direkte flytende deponering metode for løsning standarder på prøverør å gjøre rede for instrument tap og forskjeller mellom løsnings standarder og prøver damp. Den TDS-cis-GC-ECD instrumentering og fremgangsmåte for TNT og RDX sporanalyser har blitt tidligere beskrevet i detalj et annet sted, men instrumentparametere er oppsummert i Tabell 1.. 24,25 her, viser figur 1 en serie av kromatogrammene oppnådd ved å anvende publiserte metode og parametere i tabell 1. Peaks for 3,4-DNT, TNT og RDX er observert på 4.16, 4.49, og 4.95 min, henholdsvis. Den topphøyde og området for den interne standard er konstant for alle massene av TNT og RDX, mens topphøyde og i området øker med massen av analytten. Topparealene for TNT og RDX for hvertmassen blir normalisert ved toppen området for 3,4-DNT til å gjøre rede for ureproduserbarhet og tap knyttet til prøverør injeksjon. De normaliserte topparealene for hver analytt blir deretter plottet mot massen på prøverøret for å etablere en kalibreringskurve. En lineær regresjon er gjennomført for å få skråningen, krysningspunktet og koeffisienten (R 2). Helningen og skjærings benyttes for omdanning av den normaliserte toppareal for damp prøven til masse, eller til slutt-konsentrasjon. Figur 2 viser et eksempel på kalibreringskurve ble generert fra kromatogrammene som er vist i figur 1.. Feil linjer indikerer en standardavviket med tre replikatmålinger per massen av analytten (N = 3). En ideell kalibreringskurve uten instrument eller prøvetaking tap og lineær detektorresponsen ville ha en R 2 verdi nær enighet. En R 2 verdi som vesentlig avviker fra enhet, ca mindre enn 0,98, er vanligvis en indikator på iinstrument trenger service, løsnings standarder ble ikke skikkelig forberedt, eller løsnings standarder og intern standard ble ikke ordentlig deponert på glassfritte av prøverørene.

Kalibreringskurven, tomten, og relaterte rådata, lagres i det samme regnearket som prøve informasjon så kalibreringen brukes for kvantifisering er lett tilgjengelig og spores med de analyserte prøvene. Kalibreringskurven og topparealene fra en prøve kan benyttes for å beregne en dampkonsentrasjon ved hjelp av følgende ligningssett:

Ligning 1 (1)

Ligning 2 (2)

Ligning 3 (3)

Ligning 4

hvor A er en analytten topparealet er A s intern standard toppareal, b er kalibreringskurven Y-aksen for analytten, S kalibreringskurvehelling for analytten, C er en konverteringsfaktor for deler per milliard på volumbasis (v ppb, 10 9), er M molekylvekten for analytten (g mol-1), Q s er utvalgsstrømningshastighet (ml min-1), er L en omregningsfaktor fra milliliter til l ( 10 3), R er den ideelle gasskonstant (8,314 L kPa K -1 -1 mol), T er temperaturen (K), t er prøvetiden (minutter), og P er det trykk (kPa). Disse seriene av ligninger kan bygges inn i et regneark for automatisk beregning av kvantiteringsstandarder verdier. Importantly, disse ligningene antar en ideell gass, slik at konsentrasjonene har en reduksjon i nøyaktighet, fordi ingen av analytter er ideelle gasser.

Figur 3 viser et eksempel på et kromatogram som viser instrumentet er i behov av service-eller nytt løsnings standarder bør fremstilles. Ytterligere topper andre enn de som er identifisert som 3,4-DNT, TNT og RDX vises i kromatogrammet. Ytterligere topper er alltid til stede når du bruker sorbent fylte termisk desorpsjon prøverør fordi sorpsjonsmaterialet brytes ned over tid med bruk og ikke selektivt absorberer bare DNT, TNT og RDX. Men nedbrytningsproduktene ikke coelueres med 3,4-DNT, TNT og RDX med en skikkelig vedlikeholdt instrument. 26 En tom tube skal kjøres før og etter hver kalibrering serien å identifisere topper som er tilstede fra enten sorpsjonsmaterialet degradering eller urenheter fanget under damp prøvetaking samling. Dette er enkelt å oppnå with bruk av en tyve prøverør autosampler, hvor kalibrerings atten standard prøverør benyttes for kalibreringskurven og ytterligere to stillingene er frie for tomme rør ved begynnelsen og slutten av sekvensen. Ytterligere topper ikke observert i det tomme, men observert i prøverør deponert med løsnings standarder for å generere en kalibreringskurve, indikerer typisk løsning analyte fornedrelse og nye løsnings standarder bør utarbeides og deponeres på et nytt sett med prøverør. Ytterligere topper er også blitt observert dersom prøverør er igjen i røret anlegget i mer enn 3 timer.

Videre peak figurer avviker sterkt fra en Gaussian form, spesielt for toppene på ca 4,6 og 4,825 min. Noen instrumentering og dataanalyse programvarepakker gi en "Symmetry" beregning for hver topp i et kromatogram som forsøker å kvantifisere avvik fra en Gaussian form. Denne verdien kan brukes somen indikator for å erstatte kolonnen og innløps liner av instrumentet når det vesentlig avviker fra enhet, der enheten indikerer en perfekt Gaussisk topp form. ECD er svært følsom for nitro-aromater slik som DNT og TNT, men har et begrenset dynamisk område. Dette resulterer i toppene blir avkuttet ved de øvre grenser av det dynamiske området, som vist for det meste ved ca 4,825 min i figur 3.. Hvis topper blir avkuttet, så kan det være nødvendig å redusere samplings tid for prøver damp under prøvetakingen. Kjøre en ny kalibreringskurve før hver prøvetaking serie eller på en gjentatt tidsplan, for eksempel annenhver natt, er en god måte å katalogisere instrument ytelse og avgjøre når et instrument krever vedlikehold eller service før analysere verdifulle prøver.

Figur 1
Figur 1. Et eksempel lmromatogram for separasjon av 3,4-DNT (intern standard), TNT og RDX ved hjelp av TDS-cis-GC-ECD instrumentering med direkte væskeavsetningsmetoden for å generere kurver av prøvene damp kalibrering. Kromatogrammet er blitt trimmet til det relevant del, men den totale run er 8 minutter lang. Den 3,4-DNT peak området er relativt konstant (1,5 ng) mens TNT og RDX toppområder, og høyde øker med massen av analytt på prøverør: (svart) 0,1 ng, (rød) 0,5 ng, (grønn) 1,0 ng, (blå) 2,0 ng, og (orange) 3,0 ng. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Fig. 2
Figur 2. Et eksempel kalibreringskurve for (■) og TNT ( dot ) RDX brukerdirekte flytende deponeringsmetode med løsnings standarder og en TDS-cis-GC-ECD instrumentering. den normaliserte toppareal på Y-aksen er oppnådd fra dividere TNT og RDX topparealer i et kromatogram av topparealet for 3,4-DNT , intern standard. De feilfelt representerer ett standardavvik for gjennomsnittet av tre replikat prøverør pr løsning standard, eller analytt masse.

Figur 3

Figur 3. Et kromatogram som følge av dårlig instrument vedlikehold, kolonne degradering, og prøverør sorpsjonsmaterialet degradering. Ytterligere topper andre enn den 3,4-DNT, TNT og RDX topper er observert. Toppen ved ca 4,825 min er klippet fordi analytt massen er ved den øvre grense for det dynamiske området for detektoren. En skulder vises på 4.850 min, som indikerer dårligseparasjon. Grunnlinjen, eller nedre grense, er responsen forhøyet forårsaker baseline drift og økt støy.

Figur 4

Figur 4 A konseptuell diagram som illustrerer den riktige fremgangsmåten for deponering av løsningen mot en sorbent-fylt termisk desorpsjon prøverør for den direkte væskeavsetningsmetode.. Mikropipette spiss skal berøre glass-fritte og ikke sideveggene i prøverøret. En ny spiss bør også brukes for hver avsetning mellom analytter og prøverør.

Figur 5

Figur 5. Et alternativ til å bruke personlig prøvepumper for innsamling eksplosive damper på sorbent fylte termisk desorption prøverør. Fleksibel slange blir brukt for å koble prøverørene til et massestrømningsregulatoren (MFC) som gjør det mulig for elektronisk inngang av en ønsket strømningshastighet. Den massestrøm kontrollere, når den kombineres med en pumpe, for automatisk å justere strømningshastigheten gjennom prøverørene til en ønsket settpunkt, uavhengig av variasjoner mellom prøverør. En seks MFC-konfigurasjon er vist med en manifold for å koble alle MFC til en felles pumpe, men konfigurasjoner med forskjellige antall MFCs er mulig.

Parameter navn Verdi Enheter
TDS Initial Temperatur 25 º C
TDS Endelig Temperatur 250 º C
TDS Temperatur Ramp 40 º C min -1
TDS holdetid 2 min
TDS Flow Rate 455 ml min -1
TDS-modus PTV Solvent Vent N / A
TDS Transfer Linje Temperatur 300 ° C
CIS Initial Temperatur 0 ° C
CIS Endelig Temperatur 250 ° C
CIS Temperatur Ramp 12 ° C sek -1
CIS holdetid 3 min
CIS Flow Rate 108 ml min -1
CIS-modus PTV Solvent Vent N / A
Oven Initial Temperatur 30 ° C
Oven Initial Hold Tid 0,5 min
Oven Endelig Temperatur 250 ° C
Ovnstemperaturen Ramp 1 40 ° C min -1
Ovnstemperaturen Hold en 210 ° C
Ovnstemperaturen Ramp 2 40 ° C min -1
Ovnstemperaturen Hold en 250 ° C
Oven Hold Tid 1 min
Kolonne Carrier Gas Helium N / A
Kolonne Flow Rate 5.6 ml min -1
Kolonne Trykk 23,642 psi
Kolonne Coating 5% polysilioxane (DB5-MS) N / A
Kolonne Lengde 15 m
Column Innvendig diameter (ID) 0,25 mm
Kolonne Ytre diameter (OD) 250 mm
ECD Temperatur 275 ° C
ECD Flow Rate 60 ml min -1
ECD Carrier Gas Nitrogen N / A

Tabell 1. TDS-CIS-GC-ECD instrumentering parametre for kvantifisering av TNT og RDX damper ved hjelp av direkte flytende deponering metode.

Løsning TNT og RDX Konsentrasjon
(Ng mL -1) 		Tilnærmet Vapor Konsentrasjon
(Ppb v) 		Sampling Tid
(Min)
0,1 TNT/0.25 RDX 0.050 TNT/0.125 RDX 120
0,4 TNT/1.0 RDX 0.200 TNT/0.500 RDX 30
2,0 TNT/5.0 RDX 1,00 TNT/2.50 RDX 6

Tabell 2. Omtrentlig samplingstid for oppsamling av eksplosive gasser for tre løsningskonsentrasjon av TNT og RDX. Faktiske samplingstider kan måtte justeres for å gi topper i et kromatogram egnet for kvantifisering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Reproduserbarhet er en kritisk egenskap for kvantifisering av spor eksplosive damp ved hjelp av direkte flytende deponering metode med TDS-CIS-GC-ECD instrumentering, og relativt standardavvik (RSD) brukes ofte som et mål på reproduserbarhet. Vi har opplevd rsds for inter-og intra-sample reproduserbarhet på ca 5% for TNT og 10% for RDX. Enhver RSD over 15% er brukt som en indikator for å kontrollere vanlige kilder til variasjoner som reduserer effektiviteten av protokollen. Kilder til variasjon som har ført til uakseptable rsds i det siste er uthevet i den følgende diskusjonen.

En vanlig kilde til variasjoner som kan føre til forholdsvis store standardavvik for gjentatte målinger av løsnings standarder og betydelige avvik fra enhet for R 2 er konsistent avsetning av løsnings standarder og den interne standard på prøverør. Vi har funnet en elektronisk mikropipette er ideell for å minimerevariasjon under avsetning, i motsetning til en manuell mikropipette. Under flere nyere prosjekter, der flere personer var involvert i quantitating eksplosive damper over flere dager med prøvekolleksjoner, kilden til variasjon i resultatene var i stor grad avhengig av den enkelte og hans / hennes bruk av den manuelle micropipette. Ved første øyekast, bruk av en manuell micropipette vises relativt grei, men små variasjoner i stempelet depresjon og slipp mellom brukerne ga en betydelig kilde til variasjon i kvantitativ analyse av eksplosjonsfarlig damp. Når den manuelle mikropipette ble slått for et elektronisk mikropipette, kan variasjonen mellom brukerne ikke kan skilles mellom instrument variasjon og samplingstøy. Det er også viktig å holde mikropipette oppreist under løsnings opptak og deponering. Oppløsningen skal deponeres direkte på glass-fritte av prøverøret, det vil si, bør mikropipette spiss kontakt med glasset frit og ikke glass sideveggene. En ny mikropipette spiss bør også brukes for hver avsetning og prøverøret. Figur 4 viser en begrepsmessig tegning av fremgangsmåten for avsetning av det indre standard eller en løsning standard på glassfritte av et prøverør.

En annen kilde til variasjon som kan minske reproduserbarhet med kvantifisering av eksplosive damper er prosedyren damp sampling. I protokollen, er en kommersiell prøvepumpe koplet til prøvetakingsrøret og kalibrert med et stempel strømningsmåler ved hjelp av et lite sett skrue og skrutrekker. Strømningshastigheten må justeres for hvert prøverør for å ta hensyn til forskjeller pakking av sorpsjonsmaterialet mellom prøverør og pumpens ytelse. Denne fremgangsmåten kan være tungvint og feil utsatt, spesielt når du prøver å samle flere prøverør i parallell. I likhet med utskifting av en manuell micropipette med en elektronisk micropipette å redusere variasjon, har vi også implemented en elektronisk prøverør system som benytter en vakuumpumpe-og massestrømningsstyringer (MFC). Figur 5 viser et begrepsmessig diagram over en seks prøverør dampoppsamlingsmanifold. De MFCs automatisk korrigere for variasjoner i pakking mellom prøverør og automatisk justere strømningshastigheten til 100 ml min -1 uten brukermedvirkning. De strømningshastigheter bør fortsatt være rutinemessig kontrolleres og kalibreres med et stempel flow meter, men strømningshastigheten kan justeres elektronisk i stedet for manuelt med en skrutrekker. Det er mulig å lage et enkelt MFC prøverør samling manifold, men MFC-basert konfigurasjon sett i figur 5 er ment å demonstrere skalerbarheten av den alternative metode. Spesielt, de enkelte kommersielle prøvepumper er rimeligere enn MFC-basert konfigurasjon og MFC-basert konfigurasjon er en tilpasset montering, men MFC-basert konfigurasjon kan redusere variasjon, bedre reproduserbarhet, og væreenklere å bruke.

Variasjoner er også til stede i TDS-cis-GC-ECD instrumentering. Over tid, som de ulike interne komponentene i instrumentet varme og kjølig under analysen, vil deler utvide og kontrakt forårsaker tretthet av forbruksvarer, for eksempel hylser, nøtter, kolonner og liners. Den gradvise utmatting av komponenter ikke kan unngås, og en kilde til variasjon over tid. Når du utfører kvantifisering av trace (sub deler per million i volum, ppm v) eksplosive damper, den gradvise variasjon i instrumentytelse blir forsterket. Således er det viktig å etablere kalibreringskurver for kvantifisering på en presis måte, typisk før analyse av prøver. Hvis det er mulig, bør kalibreringskurver genereres på samme dag som analysen til gjennomføres. Dette er ikke alltid mulig på grunn av tidspress og instrument arbeidsmengde. Videre er typisk minst fem replikater benyttes per masse, eller konsentrasjonen, for en kalibreringskurve, fordiflere replikater gi en mer robust kalibreringskurve for kvantifisering. Imidlertid ble kalibreringskurve i figur 2 etableres med tre replikater. Antall replikater ble redusert slik at en full kalibreringskurve over hele det dynamiske området av detektoren kan bli etablert O / N i en enkel autosampler skuff (to mellomrom, atten løsnings standard prøverør, og tyve prøverør kapasitet). For å kompensere for den reduserte antall replikater per analytt masse, ble en ny kalibreringskurve etablert O / N med prøvene kjøres umiddelbart neste dag for å ta høyde for variasjon forbundet med instrument drift og hindre en back log av prøverør for kvantifisering av sprengstoff damper med TDS-cis-GC-ECD, som er omtrent 20 minutter per prøve-røret.

Fastsettelse av topparealene for 3,4-DNT, TNT og RDX i et kromatogram, slik som eksemplet fremgår av figur 1, kan være en subjektiv prosess som kan innføre irreproduciheten for kvantifisering av eksplosive damper med direkte flytende deponering metode og TDS-CIS-GC-ECD instrumentering. Mange dataanalyse programvarepakker som leveres med GC-ECD instrumentering omfatter manuell og automatisk toppdeteksjon og integrasjonsmetoder. Feltet av kromatografisk dataanalyse og relaterte teknikker for automatisk toppdeteksjon og integrering er lang og omfattende, 27 - 31 med mange av de algoritmene som er gitt i dataanalyse programvare. En fullstendig gjennomgang av de ulike egenskaper og prosedyrer for å integrere toppområder er utenfor rammen av dette arbeidet. Det er viktigere for en forskningsgruppe for å standardisere, dokumentere og bruke samme fremgangsmåte for kalibreringskurven som prøvene for å minimere variasjonen i kvantifisering av eksplosive damper fra mer subjektive peak området integrasjonsprosesser.

Endelig kan nedbrytning av prøverør og løsnings standarder påvirke kvantifisering av trace eksplosive damp. På samme måte som komponent utmatting av bruk og termisk sykling av TDS-cis-GC-ECD instrumentering, kan sorpsjonsmaterialet i prøverørene brytes ned over tid ved gjentatt sampling og termisk desorpsjon. Nye prøverør er tettpakket og hvit i fargen. Etter hvert som prøven luft føres i en retning og bærergass, vanligvis helium strømmet i den motsatte retning under termisk desorpsjon, pakking av prøverørene blir løs og gult i fargen. Den gule fargen indikerer nedbrytning av sorpsjonsmaterialet fra gjentatte termisk sykling innen instrumentering og rør anlegget. Ytterligere topper i blanks og prøverør er også indikatorer på sorpsjonsmaterialet degraderingsprodukter. 26 Etter hver analyse, er eksempel damper condition i et rør balsam for maksimalt 3 hr. Dette er for å desorbere en hvilken som helst gjenværende materiale fra sorpsjonsmaterialet og effektivt rengjøre prøverørene. Imidlertid etterlater et prøverør i tHan balsam ved relativt høy temperatur (300 ° C) i mer enn 3 timer i betydelig grad kan forkorte levetiden til prøverøret og introdusere variasjoner i kvantifisering. Tilsvarende vil løsnings standarder brytes ned over tid, noe som vil kunstig redusere mengden eller konsentrasjon av analytt i hver standard for en kalibreringskurve. For å minimere løsning degradering, bør løsningen standarder lagres i et gult hetteglass i en fryser eller kjøleskap og løsningen standarder bør være jevne analysert ved hjelp av GC-ECD uten TDS-CIS og en standard split / splitless innløpet til å identifisere flere topper eller nedbrytingsprodukter. En komplementær kvantifisering metode, for eksempel gasskromatografi massespektrometri eller væskekromatografi med høy ytelse, kan også brukes for å sikre de løsnings standarder har ikke forringet, og er egnet for direkte væskeavsetningsmetoden for kvantifisering av spor eksplosive damper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Økonomisk støtte ble gitt av Department of Homeland Security Science and Technology Direktoratet.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) Accu-Standard M-8330-11-A-10X 10,000 ng μl-1
Cyclotrimethylenetrinitramine (RDX) Accu-Standard M-8330-05-A-10X 10,000 ng μl-1
3,4-Dinitrotoluene (3,4-DNT) Accu-Standard S-22988-01 1,000 ng μl-1
Tenax® TA Vapor Sample Tubes Gerstel 009947-000-00 Tenax® 60/80
CIS4 Liner Gerstel 014652-005-00 or equivalent
Transfer Line Ferrule Gerstel 001805-008-00
Inlet Liner Ferrule Gerstel 001805-040-00
CIS4 Ferrule Gerstel 007541-010-00
ECD Detector Ferrule Agilent 5181-3323
DB5-MS Column Res-Tek 12620

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. McLafferty, F. W., Stauffer, D. B., Twiss-Brooks, A. B., Loh, S. Y. An enlarged data base of electron-ionization mass spectra. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2 (5), 432-437 (1991).
  2. Psillakis, E., Kalogerakis, N. Application of solvent microextraction to the analysis of nitroaromatic explosives in water samples. Journal of Chromatography A. 907 (1-2), 211-219 (2001).
  3. Babushok, V. I., Linstrom, P. J., et al. Development of a database of gas chromatographic retention properties of organic compounds. Journal of Chromatography A. 1157 (1-2), 414-421 (2007).
  4. National Institute of Standards and Technology. NIST/EPA/MSDC Mass Spectral Database, Standard Reference Database 1 (NIST 08). , Bethesda, MD. (2008).
  5. Stein, S. E., Pierre, A., Lias, S. G. Comparative evaluations of mass spectral databases. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2 (5), 441-443 (1991).
  6. Sigman, M. E., Ma, C. -Y., Ilgner, R. H. Performance Evaluation of an In-Injection Port Thermal Desorption/Gas Chromatographic/Negative Ion Chemical Ionization Mass Spectrometric Method for Trace Explosive Vapor Analysis. Analytical Chemistry. 73 (4), 792-798 (2001).
  7. Ausloos, P., Clifton, C., et al. The critical evaluation of a comprehensive mass spectral library. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 10 (4), 287-299 (1999).
  8. Dionne, B. C., Rounbehler, D. P., Achter, E. K., Hobbs, J. R., Fine, D. H. Vapor Pressure of Explosives. Journal of Energetic Materials. 4 (1), 447-472 (1986).
  9. Ewing, R. G., Waltman, M. J., Atkinson, D. A., Grate, J. W., Hotchkiss, P. J. The vapor pressures of explosives. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 42 (0), 35-48 (2013).
  10. Wallin, S., Ang, H. G. Vapor Pressure of Explosives: A Critical Review. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 37 (1), 12-23 (2012).
  11. Pinnaduwage, L. A., Yi, D., Tian, F., Thundat, T., Lareau, R. T. Adsorption of Trinitrotoluene on Uncoated Silicon Microcantilever Surfaces. Langmuir. 20 (7), 2690-2694 (2004).
  12. Moore, D. S. Instrumentation for trace detection of high explosives. Review of Scientific Instruments. 75 (8), 2499-2512 (2004).
  13. Douse, J. M. F. Trace analysis of explosives at the low picogram level by silica capillary column gas--liquid chromatography with electron-capture detection. Journal of Chromatography A. 208 (1), 83-88 (1981).
  14. Douse, J. M. F. Trace analysis of explosives in handswab extracts using amberlite XAD-7 porous polymer beads, silica capillary column gas-chromatography with electron-capture detection and thin-layer chromatography. Journal of Chromatography. 234, 415-425 (1982).
  15. Sigman, M. E., Ma, C. -Y. In-Injection Port Thermal Desorption for Explosives Trace Evidence Analysis. Analytical Chemistry. 71 (19), 4119-4124 (1999).
  16. Yinon, J., Zitrin, S. Modern Methods and Applications in Analysis of Explosives. , John Wile., and Sons, Ltd.. West Sussex. (1993).
  17. Waddell, R., Dale, D. E., Monagle, M., Smith, S. A. Determination of nitroaromatic and nitramine explosives from a PTFE wipe using thermal desorption-gas chromatography with electron-capture detection. Journal of Chromatography A. 1062 (1), 125-131 (2005).
  18. Hable, M., Stern, C., Asowata, C., Williams, K. The determination of nitroaromatics and nitramines in ground and drinking water by wide-bore capillary gas chromatography. Journal of Chromatographic Science. 29 (4), 131-135 (1991).
  19. Yinon, J. Trace analysis of explosives in water by gas chromatography--mass spectrometry with a temperature-programmed injector. Journal of Chromatography A. 742 (1-2), 205-209 (1996).
  20. Walsh, M. E. Determination of nitroaromatic, nitramine, and nitrate ester explosives in soil by gas chromatography and an electron capture detector. Talanta. 54 (3), 427-438 (2001).
  21. Nitroaromatics and Cyclic Ketones by Gas Chromatography. , US Environmental Protection Agency. Available from: http://www.epa.gov (2011).
  22. Explosives by Gas Chromatography. , US Environmental Protection Agency. Available from: http://www.epa.gov (2011).
  23. Determination of Explosives and Related Compounds in Drinking Water by Solid Phase Extraction and Capillary Column Gas Chromatography/Mass Spectrometry (GC/MS). , US Environmental Protection Agency. Available from: http://www.epa.gov Forthcoming.
  24. Field, C. R., Lubrano, A. L., Rogers, D. A., Giordano, B. C., Collins, G. E. Direct Liquid Deposition Calibration Method for Trace Cyclotrimethylenetrinitramine Using Thermal Desorption Instrumentation. Journal of Chromatography A. 1282, 178-182 (2013).
  25. Field, C. R., Giordano, B. C., Rogers, D. A., Lubrano, A. L., Rose-Pehrsson, S. L. Characterization of Thermal Desorption Instrumentation with a Direct Liquid Deposition Calibration Method for Trace 2,4,6-Trinitrotoluene Quantitation. Journal of Chromatography A. 1227, 10-18 (2012).
  26. Excoffier, J. L., Guiochon, G. Automatic peak detection in chromatography. Chromatographia. 15 (9), 543-545 (1982).
  27. Vivó-Truyols, G., Torres-Lapasió, J. R., van Nederkassel, A. M., Vander Heyden, Y., Massart, D. L. Automatic program for peak detection and deconvolution of multi-overlapped chromatographic signals: Part I: Peak detection. Journal of Chromatography A. 1096 (1-2), 133-145 (2005).
  28. Vivó-Truyols, G., Torres-Lapasió, J. R., van Nederkassel, A. M., Vander Heyden, Y., Massart, D. L. Automatic program for peak detection and deconvolution of multi-overlapped chromatographic signals: Part II: Peak model and deconvolution algorithms. Journal of Chromatography A. 1096 (1-2), 146-155 (2005).
  29. Fong, S. S., Rearden, P., Kanchagar, C., Sassetti, C., Trevejo, J., Brereton, R. G. Automated Peak Detection and Matching Algorithm for Gas Chromatography−Differential Mobility Spectrometry. Analytical Chemistry. 83 (5), 1537-1546 (2011).
  30. Hargrove, W. F., Rosenthal, D., Cooley, P. C. Improvement of algorithm for peak detection in automatic gas chromatography-mass spectrometry data processing. Analytical Chemistry. 53 (3), 538-539 (1981).
  31. Middleditch, B. S. Analytical Artifacts GC, MS, HPLC, TLC and PC. 44, Elsevier. (1989).

Tags

Kjemi gasskromatografi (GC) Electron Capture Detector Sprengstoff Kvanitifisering Termisk desorpsjon TNT RDX
Kvantitativ Påvisning av Trace eksplosive damper av Programmert Temperatur Desorpsjon gasskromatografi-Electron Capture Detector
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Field, C. R., Lubrano, A.,… More

Field, C. R., Lubrano, A., Woytowitz, M., Giordano, B. C., Rose-Pehrsson, S. L. Quantitative Detection of Trace Explosive Vapors by Programmed Temperature Desorption Gas Chromatography-Electron Capture Detector. J. Vis. Exp. (89), e51938, doi:10.3791/51938 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter