Summary
탄산염 추출은 휘발성 및 반 휘발성 화합물 분석을위한 새로운 실험 기법입니다. 캐리어 가스는 과압을 가하여 샘플을 교반함으로써 액체 샘플에 용해된다. 그런 다음 샘플 챔버가 감압됩니다. 분석 종은 발포로 인해 기상으로 유리된다.
Abstract
액체 샘플에 용해 된 휘발성 및 반 휘발성 화합물의 화학 분석은 어려울 수 있습니다. 용해 된 성분은 기체 상태로 가져와 효율적으로 검출 시스템으로 옮겨야합니다. 탄산 추출은 비등 현상을 이용합니다. 먼저, 과압을 가하고 샘플을 교반함으로써 캐리어 가스 (여기서는 이산화탄소)가 샘플에 용해된다. 둘째, 샘플 챔버가 갑자기 감압됩니다. 감압은 샘플 액체에서 다수의 캐리어 기체 버블의 형성을 유도한다. 이러한 기포는 액체로부터 기체 상으로 용해 된 분석 종의 방출을 돕는다. 방출 된 분석 물은 즉시 삼중 사중 극자 질량 분석기의 대기압 화학 이온화 계면으로 전달됩니다. 이온화 분석 종은 시간 영역에서 질량 분광 신호를 발생시킵니다. 분석 종의 방출은 단기간에 발생하기 때문에 (몇 초시간적 신호는 높은 진폭 및 높은 신호 대 잡음비를 갖는다. 시간 피크의 진폭과 영역은 탄산 추출을받은 액체 시료의 분석 물 농도와 상호 관련 될 수있어 정량 분석이 가능합니다. 탄산 추출의 장점은 단순성, 속도 및 화학 물질 (용제)의 제한된 사용을 포함합니다.
Introduction
자연과 일상 생활에서 관찰되는 다양한 현상은 가스 - 액체 상태 평형과 연관되어있다. 이산화탄소는 고압 하에서 연하고 알코올 음료에 용해됩니다. 이러한 탄산 음료의 병이 열리면 압력이 떨어지고 가스 거품이 액체 표면으로 돌진합니다. 이 경우 비등은 음료의 감각적 특성을 향상시킵니다. 기포의 방출은 감압병의 주요 원인이기도합니다 ( "굴곡부") 1 . 갑작스런 감압으로 인해 다이버들의 몸에서 거품이 형성됩니다. 감압병을 앓고있는 환자는 고압 챔버에서 치료됩니다.
가스 방울은 분석 화학 분야에서 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. 주목할 만하게, 살포 방법은 휘발성 화합물 2 를 추출하기 위하여 액체 표본을 통해 기체 거품을 전달하는 것에 의존합니다. 예를 들어, "purge-closed loop"라는 방법을 가스 크로마토 그래피와 결합하여 di해결 된 휘발성 물질 3 . 살포는 시간이 지남에 따라 지속적으로 휘발 물질을 추출 할 수 있지만 공간이나 시간에 제한을 두지는 않습니다. 방출 된 기상 화학 종은 갇혀 있어야하며 경우에 따라 온도 프로그램을 적용하거나 흡착제를 사용하여 집중해야합니다. 따라서, 단계의 수를 감소시킬 수있는 새로운 온라인 샘플 처리 전략을 도입 할 필요가 있으며, 동시에 휘발성 분석 물을 공간 또는 시간에 집중시킬 수있다.
액체 시료에서 휘발성 화합물을 추출하고 온라인으로 분석하는 문제를 해결하기 위해 최근에 "탄산 추출 (Fizzy Extraction)" 4를 도입했습니다. 이 새로운 기술은 비등 현상을 이용합니다. 간단히 말해, 캐리어 가스 (여기서는 이산화탄소)를 과압을 가하고 샘플을 교반함으로써 샘플에 먼저 용해시킨다. 그런 다음 샘플 챔버가 갑자기 감압됩니다. 갑작스런 감압은 다수의 운반 기체 기포의 형성을 유도한다 샘플 액체에서. 이러한 거품은 액체에서 기체 상으로 용해 된 분석 종의 방출을 돕는다. 방출 된 분석 물은 즉시 시간 영역에서 신호를 생성하는 질량 분석기로 전송됩니다. 분석 종의 방출은 단시간 (수 초)으로 제한되기 때문에 시간 신호는 높은 진폭과 높은 신호 대 잡음비를 갖습니다.
탄산 추출 처리에 관련된 압력이 매우 낮은 (~ 150 kPa의) 4; 초 임계 유체 추출 5 ( 예 : ≥ 10 MPa)보다 훨씬 낮습니다. 이 기술에서는 특별한 소모품 (칼럼, 카트리지)을 사용할 필요가 없습니다. 희석 및 세정에는 소량의 용제 만 사용됩니다. 추출 장치는 널리 사용 가능한 부품 4를 사용하여 중간 기술 스킬을 갖춘 화학자가 조립할 수 있습니다. 예 : 오픈 소스 전자 모듈"6 , 7. 탄산 가스 추출은 대기압 화학 이온화 (APCI) 인터페이스가 장착 된 현대 질량 분석기와 온라인으로 결합 할 수 있습니다. 기상 추출물이 이온 소스로 이동되기 때문에 탄산 추출의 작동으로 취약한 물질을 실질적으로 오염시키지 않습니다 질량 분석기의 부품.
이 시각화 된 실험 기사의 목적은 간단한 분석 작업에서 탄산 추출을 구현하는 방법에 대해 시청자를 안내하는 것입니다. 탄산 추출 시스템의 핵심은 이전 보고서 4 에서 설명한 바와 같지만 작업을보다 수월하게하기 위해 몇 가지 개선 사항이 도입되었습니다. LCD 스크린 쉴드가 장착 된 마이크로 컨트롤러가 키 추출 매개 변수를 실시간으로 표시하기 위해 시스템에 통합되었습니다. 모든 기능은 마이크로 컨트롤러 스크립트에 프로그래밍되어 있으므로 더 이상 외부 컴퓨터를 사용하여추출 시스템을 제어하십시오.
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Protocol
이 프로토콜은 모든 단계가 관련 실험실 안전 규정에 따라 수행된다고 가정합니다. 일부 단계에서는 상업적 도구를 사용합니다. 이러한 경우 제조업체 지침을 따라야합니다. 독성 화학 물질을 다룰 때는 MSDS 지침을 따라야합니다. 맞춤형 장비 4 는주의해서 사용해야합니다. 특히 가압 가스를 처리하고 전기 배선을 살 때.
1. 표준 용액의 준비
- 990 μL 에탄올과 10 μL 리모넨을 혼합하여 에탄올에있는 리모넨의 6.2 x 10 -2 M 스톡 용액을 준비한다.
- 6.2 x 10-5 M 리모넨 용액 10 mL를 6.2 x 10 -2 리모넨 10 μL, 에탄올 490 μL 및 최종 용적 10 mL에 넣고 혼합한다. 부피 플라스크를 완전히 흔들어주십시오.
- 준비된 표준 용액을 septu가있는 20 mL 나사 상단 헤드 스페이스 유리 병에 옮긴다.m 캡. 희석 된 표준 용액을 시스템 시험에 사용할 수 있습니다.
2. 실제 샘플 준비
- 부엌 압착기에 신선한 석회 열매 (반으로 자르십시오)를 짜서 석회 주스를 얻으십시오.
- 2 ML 석회 주스, 에탄올 500 μL를 혼합하여 10 ML의 최종 볼륨에 순수한 물을 추가하여 희석 석회 주스 10 ML을 준비합니다. 부피 플라스크를 완전히 흔들어주십시오.
- Septum cap이있는 20 mL 스크류 상단 헤드 스페이스 유리 병에 준비된 시료를 옮긴다.
3. 표준 솔루션으로 실제 샘플 스파이 킹
- 첫 번째 표준 추가 : 2 ML 라임 주스, 10 μL 6.2 X 10 -2 M 리모넨 솔루션, 490 μL 에탄올을 혼합하고 10 ML의 최종 볼륨에 순수한 물을 추가하여 스파이크 샘플의 10 ML을 준비합니다. 부피 플라스크를 완전히 흔들어주십시오.
- 두 번째 표준 추가 : 2 ML 석회 주스, 20 μL 6.2 X 10 -2 M 리모넨을 혼합하여 스파이크 샘플의 10 ML을 준비e 용액, 480 μL의 에탄올 및 순수한 물을 최종 부피 10 mL에 첨가 하였다. 부피 플라스크를 완전히 흔들어주십시오.
4. 탄산 추출 시스템 설치
- 삼중 사중 극자 질량 분석기의 APCI 소스 옆에 탄산 추출 시스템 ( 그림 1 ) 4 를 놓습니다.
- 이산화탄소 가스 실린더를 탄산 탈취 시스템의 가스 공급 구에 연결하십시오. 가스 조절기에서 밸브를여십시오. 출력 압력을 1.5 bar (150 kPa)로 설정하십시오.
- 추출 챔버 출구를 이온 소스 입구에 연결하십시오.
- 탄산 추출 시스템을 12V 전원 공급 장치에 연결하십시오.
- Triple Quadrupole Mass Spectrometer의 데이터 수집 소프트웨어를 설정하십시오 ( 그림 2 ). 충돌로 아르곤을 사용하여 양이온 다중 반응 모니터링 (MRM) 모드에서 APCI 소스로 기기 작동가스.
- 데이터 수집 소프트웨어를 실행하십시오.
- "LCMS8030 only"옵션을 선택하십시오.
- "MS On / Off"옵션을 선택하십시오.
- 탈 용매 라인 온도를 250 ℃로 설정하고 건조 가스의 유속을 15L min -1로 설정 합니다. 모든 악기 파라미터의 값이 사전 설정 값과 동일해질 때까지 기다리십시오.
- MS 데이터 수집 방법 파일을 선택하십시오.
- 충돌 전압이 -20 V인지, 전구 이온 m / z 가 137인지, 그리고 조각 이온 m / z 가 81과 95인지 확인하십시오
- "Start Single Run"버튼을 클릭하십시오.
- 파일 이름을 입력하십시오.
- 파일 경로를 선택하십시오.
- 섹션 5 ( "탄산 추출 수행")로 이동하십시오.
- "MS On / Off"옵션을 선택하십시오.
- 소프트웨어 창을 닫습니다.
- "Nebulizing Gas Off", "DL Heater Off", "Heat Block Off"및 "Dry Gas Off"항목을 선택하십시오. "확인"을 클릭하십시오.# 34;
5. 탄산 추출 수행
- 스크류 마운트를 사용하여 탄산 추출 시스템에 샘플 바이알을 놓습니다. 추출 시스템은 실온 (~ 25 ° C)에서 작동합니다.
- 탄산 추출 시스템의 LCD 차폐에서 "시작"버튼을 누릅니다.
- 자동 탄산 추출 프로세스가 실행되는 동안 기다리십시오 ( 그림 3 ). 삼중 사중 극자 질량 분석기의 화면에서 이온 신호의 발생을 관찰하십시오.
참고 : 다음 단계가 자동으로 실행됩니다. 샘플 헤드 스페이스는 60 초 동안 이산화탄소로 플러시됩니다. 샘플은 60 초 동안 이산화탄소로 가압됩니다. 교반기 모터가 켜져 있습니다. 샘플이 감압됩니다. 여러 개의 거품이 형성됩니다. 후기 단계에서 버블 링을 강화하기 위해 교반기 모터가 켜져 있습니다. - 샘플 유리 병을 꺼내십시오 (풀다).
- 샘플 교반 스핀들을 셀룰로오스 티슈로 닦아냅니다.
- 감동하는 sp를 씻으십시오에탄올로 가득 채우고 셀룰로오스 조직으로 다시 닦으십시오.
- 시스템은 다른 샘플을 분석 할 준비가됩니다 (5.1-5.6 단계를 반복하십시오).
- 전원 공급 장치를 끄십시오.
- 탄산 추출 출구 튜브를 이온 소스에서 분리하십시오.
- 가스 실린더의 밸브를 닫고 가스 튜빙을 분리하십시오.
6. 데이터 분석
- Triple Quadrupole Mass Spectrometer의 데이터 수집 소프트웨어에서 m / z 81에 대한 추출 된 이온 전류를 ASCII 파일로 내 보냅니다 ( 그림 4 ).
참고 :이 데모에서는 m / z 95의 이온 전류가 사용되지 않습니다.- 데이터 수집 소프트웨어를 실행하십시오. "Postrun"옵션을 선택하십시오.
- "프로젝트 선택 (폴더)"옵션을 선택하고 데이터 파일을 선택하십시오.
- "파일"메뉴를 클릭하고 "데이터 내보내기"/ "ASCII로 데이터 내보내기"를 선택하십시오.
- 고르다 ", Output File "을 선택하고 파일 경로를 선택하십시오"MS Chromatogram (MC) "을 선택하십시오.
- 원시 데이터 세트를 피크 통합 소프트웨어로 가져오고 피크 영역을 측정합니다 ( 그림 5 ). 설정 : 선형 기준선; HVL 기능.
- 피크 통합 소프트웨어를 실행하십시오.
- "파일"메뉴에서 "가져 오기"옵션을 선택하십시오. "예"버튼을 클릭하십시오.
- X 및 Y 열의 데이터를 선택하십시오. "OK"버튼을 클릭하십시오. "AutoFit Peaks I Residuals"옵션을 선택하십시오.
- 추출 피크를 반자동에 맞 춥니 다. 피팅 된 곡선이 실험 데이터 포인트를 따르는 지 확인하십시오. "피크 예상치 나열"옵션을 선택하십시오. "ASCII 편집기"옵션을 선택하십시오.
- 피팅 결과를 "클립 보드"에 복사하십시오.
- 측정 된 피크 면적을 데이터 분석 소프트웨어의 스프레드 시트에 입력하십시오 ( 그림 6 ). <ol>
- 데이터 분석 소프트웨어를 실행하십시오.
- X 컬럼의 농도 값과 Y 컬럼의 피크 면적 값을 입력하십시오. "Plot"메뉴에서 "Symbol"/ "Scatter"옵션을 선택하십시오. "Analysis"메뉴에서 "Fitting"/ "Fit Linear"옵션을 선택하십시오.
여기서 I 는 선형 함수의 절편이고 S 는 기울기입니다.
여기서 DF 는 희석 계수 (여기서는 5)입니다.
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Representative Results
처음에는 발포성 추출 시스템을 표준 용액으로 테스트합니다. 이어서 표준 시료와 실제 시료를 분석합니다. 추출 사건의 시간적 피크 영역은 탄산 추출을받은 액체 시료의 분석 대상 물질의 농도와 상관 관계가 있으므로 정량 분석이 가능합니다. 여기서 우리는이 기술의 정량적 기능을 입증하기 위해 이중 표준 추가를 수행했습니다 ( 그림 7 ). 선형 회귀 분석을 통해 다음과 같은 기능을 수행 할 수있었습니다 ( 그림 8 ).
Peak_area = (3.25 × 10 7 ± 0.36 X 107)로 희석 C + (2,770 ± 276)
C 희석 된 변수는 첨가 된 리모넨 표준의 농도 (i리터당 n 몰, M). 얻어진 기울기와 절편 값에 기초하여, 희석 된 석회 쥬스 샘플 내의 리모넨 농도는 8.51 x 10-5 ± 1.26 x 10-5 M이었다.이 값에 희석 인자 (5)를 곱한 후, 리모넨 농도 원래의 석회 주스 샘플에서 : 4.26 x 10 -4 ± 0.63 x 10 -4 M이었다.
이 방법의 검출 및 정량화 한계와 같은 분석 수행의 주요 기술 어는 이전에보고되었다 4 . 예를 들어, 분석 재현성 (RSD)은 6-19 %입니다. 리모넨에 대한 검출 한계는 ~ 10 -4 M 넷이었다. 우리는 탄산 추출 프로토 타입 시스템의 불완전 성이 신호 변동에 기여한다고 믿습니다. 이러한 불완전 성은 탄산 탈취 장치가 더 개발되어 상용화 될 때 제거 될 수있다.
그림 1 : 탄산 칼륨 추출 시스템의 사진 (라벨 포함). ( A ) 평면도; ( B )는 정면도이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 3 중 사중 극자 질량 분석기의 데이터 수집 소프트웨어 설정. 연속 단계는 패널 A와 B에 나와 있습니다. 숫자는 프로토콜 단계 4.5를 참조합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 일반적인 탄산 추출 실험의 워크 플로우. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 추출 된 이온 전류를 데이터 수집 소프트웨어에서 ASCII 파일로 내보내기. 번호는 프로토콜 단계 6.1을 참조하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5 : 원시 데이터 세트 가져 오기통합 소프트웨어 및 피크 면적 측정. 일련의 단계가 패널 A와 B에 표시됩니다. 숫자는 프로토콜 단계 6.2를 참조합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6 : 측정 된 피크 영역을 데이터 분석 소프트웨어의 스프레드 시트에 입력하고 선형 회귀를 수행합니다. 번호는 프로토콜 단계 6.3을 참조하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도표 7 : limone를위한 전형적인 원시 데이터 ne 표준 용액 및 석회 쥬스 샘플.
충돌 유도 해리에 의해 m / z 137에서 모 이온의 단편화 이후, 추출 된 이온 전류가 m / z 81에 기록됨. 충돌 가스 : 아르곤. 충돌 전압 : -20 V. 다음에 대한 원시 데이터 : 희석 된 라임 주스; 리모넨 표준 첨가 후 희석 한 라임 주스 (농도 증가 : 6.20 x 10 -5 M); 리모넨 표준품을 두 번째 추가 한 후 희석 한 라임 주스 (농도 증가 : 1.24 x 10 -4 M). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8 : 희석 된 라임 주스 샘플에 첨가 된 리모넨 표준 농도와 시간적 피크 영역을 연관시키는 플롯.urce.jove.com/files/ftp_upload/56008/56008fig8large.jpg "target ="_ blank ">이 그림의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
지난 30 년간 수행 된 연구 ( 예 : 참고 문헌 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 )에서 질량 분광기에 샘플을 전달하는 몇 가지 현명한 방법이 개발되었습니다. 이 연구의 목표 중 하나는 분석을 위해 표본 준비를 단순화하는 것이 었습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 이온 소스 설계에 다양한 수정이 도입되었습니다. 어떤 경우에는 새로 개발 된 이온 소스가 화학자가 매트릭스 간섭이 많은 샘플을 분석 할 수있게 해 주었고, 이는 일반적으로 스펙트럼 간섭을 일으킬 수 있습니다. 대안적인 접근법에서, 샘플 준비 (추출)는 온라인 및 자동화 ( 예를 들어 , 참고 문헌 15 ,class = "xref"> 16 , 17 , 18 ). 추출 공정은 통상의 이온화 기술과 결합되어 있기 때문에 여기에서 제시된 4 측정 시스템은 그 개념을 예시한다 (즉, APCI 19, 20,도 1 참조). 그러나 앞으로는 다른 이온 소스 나 검출기와 탄산 추출을 결합해서는 안되며, 검출 가능한 종의 범위를 잠재적으로 증가시킬 수 있습니다.
탄산 탈취 장치는 조작이 간단하며 정량 분석에 사용할 수 있습니다. 이 시연에서는 이중 표준 첨가법을 구현하여 실제 샘플 (라임 쥬스)에 존재하는 휘발성 화합물을 검출하고 정량화 할 수있는 가능성을 보여줍니다. 신선한 라임 주스에서 얻은 리모넨 (이성질체와 함께)의 농도는 4.26 x 10 -4이는 문헌 (4.4 x 10 -4 -5.1 x 10 -4 M) 21 에서보고 된 바와 같이이 종류의 매트릭스에서 리모넨의 농도 범위에 매우 가깝다. 확실히 석회 열매의 리모넨 농도는 품종, 성장 조건, 수확 시간, 저장 조건 및 분석을위한 주스 획득 방법에 따라 달라질 것으로 예상됩니다. 실험적 다양성을 보상하기 위해 동위 원소 표지 된 내부 표준을 구현하는 것이 이상적이다. 그러나 그러한 이소 토폴 로지 표준은 비용이 많이 들며, 대부분의 관심 대상 분석 물질에는 사용할 수 없습니다.
제시된 탄산 추출 프로토콜의 중요한 단계는 다음과 같습니다. (i) 탄산 탈취 장치 (전원 공급 장치, 캐리어 가스 실린더, 삼중 사중 극자 질량 분광기 연결) 설정. (ii) 캐리어 가스의 압력을 조절하는 단계; (iii) 3 중 사 극자 질량 분석기의 소프트웨어 설정 데이터 수집; (iv) 탄산 칼슘 추출 시스템에 샘플 바이알을 위치시키는 단계; (v) 교반 스핀들을 세정하는 단계; 및 (vi) 데이터 처리 (피크 통합).
예를 들어 교반기 스핀들이 잘 청소되지 않으면 분석 물의 carryover가 발생할 수 있으며 분석 정확도가 떨어질 수 있습니다. 더욱이, 추출시에 형성된 기 포포의 수위에주의를 기울여야한다. 이 포말 중 일부가 운반 기체 튜브 또는 추출 튜브에 실수로 들어간 경우 시스템이 오염 될 수 있습니다. 이러한 경우 튜빙은 에탄올로 철저히 세척해야합니다.
이산화탄소는 물에 대한 높은 용해도를 가지기 때문에 첫 번째로 선택되는 운반 가스였습니다. 그것은 또한 탄산 음료의 생산에 사용됩니다. 실제로 발포성 추출은 기포의 관찰과 탄산 음료로 인한 아로마 방출에 영감을 받았습니다. 그러나 후속 연구에서 우리는 다른 가스를 운반 가스로 사용할 가능성을 검증 할 것입니다.
ntent "> 탄산 추출의 장점은 단순성, 속도 및 화학 물질의 제한된 사용 ( 즉 추출 또는 희석 용 용매)이 있습니다. 여기에 제시된 실험 시스템의 한 가지 단점은 저해상도 사중 극자 질량 분석기 가능한 스펙트럼 간섭은이 기술의 적용 가능성을 제한하기 때문에 이온 사이클로트론 공명 또는 궤도 이온 트랩 분석기가 장착 된 고해상도 질량 분광계와 탄산 칼슘 추출을 결합하는 것이 매력적이다. 본 시연에서 질량의 낮은 분해능 질량 분석기의 선택도가 약간 증가하는 다중 반응 모니터링을 적용하여 분석기 (사중 극자)를 보상합니다 (어느 정도까지).우리는 탄산 추출이 가까운 장래에 새로운 어플리케이션을 발견 할 것으로 예상합니다. 예를 들어 식량, 음료, 화장품 및 생활 용품에서 휘발성 유기 화합물의 검출에 적합 할 수 있습니다.환경 샘플로.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 사업의 재정 지원을 위해 대만 과학 기술부 (부여 번호 : MOST 104-2628-M-009-003-MY4)에 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Water | Fisher | W6212 | Diluent |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 32221-2.5L | Diluent |
| (R)-(+)-Limonene | Sigma-Aldrich | 183164-100ML | Standard |
| Carbon dioxide | ChiaLung | n/a | Carrier gas |
| Cellulose tissue, Kimwipes Kimtech | Kimberly-Clark | 34120 | Used for cleaning |
| Triple quadrupole mass spectrometer | Shimadzu | LCMS-8030 | Detection system |
| Atmospheric pressure chemical ionization interface | Shimadzu | Duis | Ion source |
| 20-mL screw top headspace glass vial with septum cap | Thermo Fisher Scientific | D-52379 | Sample vial |
| LabSolutions software | Shimadzu | n/a | version 5.82 |
| PeakFit software | Systat Software | n/a | version 4.12 |
| OriginPro software | OriginLab | n/a | version 8 |
References
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