Summary
A extração de Fizzy é uma nova técnica de laboratório para análise de compostos voláteis e semivoláteis. Um gás transportador é dissolvido na amostra líquida aplicando sobrepressão e agitando a amostra. A câmara de amostra é então descomprimida. As espécies de analito são liberadas para a fase gasosa devido à efervescência.
Abstract
A análise química de compostos voláteis e semivoláteis dissolvidos em amostras líquidas pode ser desafiadora. Os componentes dissolvidos precisam ser trazidos para a fase gasosa e transferidos de forma eficiente para um sistema de detecção. A extração efervescente aproveita o fenômeno da efervescência. Primeiro, um gás transportador (aqui, dióxido de carbono) é dissolvido na amostra aplicando sobrepressão e agitando a amostra. Em segundo lugar, a câmara de amostra é descomprimida abruptamente. A decomposição leva à formação de inúmeras bolhas de gás portador no líquido da amostra. Essas bolhas auxiliam a liberação da espécie de analito dissolvido do líquido para a fase gasosa. Os analitos libertados são imediatamente transferidos para a interface de ionização química da pressão atmosférica de um espectrômetro de massa triplo quadrupolo. As espécies de analitos ionizáveis originam sinais espectrométricos de massa no domínio do tempo. Como a liberação das espécies de analito ocorre em curtos períodos de tempo (alguns segundosOnds), os sinais temporais têm amplitudes altas e altas relações sinal-ruído. As amplitudes e áreas dos picos temporais podem então ser correlacionadas com as concentrações dos analitos nas amostras líquidas submetidas a extração efervescente, o que permite uma análise quantitativa. As vantagens da extração efervescente incluem: simplicidade, velocidade e uso limitado de produtos químicos (solventes).
Introduction
Vários fenômenos observados na natureza e no cotidiano estão ligados aos equilíbrios da fase gás-líquida. O dióxido de carbono é dissolvido em bebidas suaves e alcoólicas sob pressão elevada. Quando uma garrafa de uma bebida tão efervescente é aberta, a pressão cai e as bolhas de gás correm para a superfície líquida. Neste caso, a efervescência melhora as propriedades organolépticas das bebidas. A liberação de bolhas de gás também é a principal causa da doença de descompressão ("as curvas") 1 . Devido à descompressão repentina, as bolhas se formam nos corpos dos mergulhadores. As pessoas que sofrem de doenças de descompressão são tratadas em câmaras hiperbáricas.
Bolhas de gás têm várias aplicações em química analítica. Notavelmente, os métodos de pulverização dependem da passagem de bolhas de gás através de amostras líquidas para extrair compostos voláteis 2 . Por exemplo, um método chamado "purge-closed loop" é combinado com cromatografia gasosa para permitir uma análise rápida de diVoláteis dissolvidos 3 . Enquanto o pulverizador pode extrair continuamente voláteis ao longo do tempo, não os limita no espaço ou no tempo. As espécies de fase gasosa liberadas precisam ser presas e, em alguns casos, concentradas pela aplicação de um programa de temperatura ou pelo uso de sorventes. Assim, é necessário introduzir novas estratégias de tratamento de amostras on-line, que podem reduzir o número de etapas e, ao mesmo tempo, concentrar analitos voláteis no espaço ou no tempo.
Para abordar o desafio de extrair compostos voláteis de amostras líquidas e realizar análises on-line, recentemente introduzimos "extração efervescente" 4 . Esta nova técnica aproveita o fenômeno da efervescência. Resumidamente, um gás transportador (aqui, dióxido de carbono) é primeiro dissolvido na amostra aplicando sobrepressão e agitando a amostra. Então, a câmara de amostra é descompressada abruptamente. A descompressão repentina leva à formação de numerosas bolhas de gás portador No líquido da amostra. Essas bolhas ajudam a liberação de espécies de analitos dissolvidos do líquido para a fase gasosa. Os analitos liberados são imediatamente transferidos para o espectrômetro de massa, produzindo sinais no domínio do tempo. Como a liberação das espécies de analito é limitada a um curto período de tempo (alguns segundos), os sinais temporais têm amplitudes altas e altos índices de sinal para ruído.
As pressões envolvidas no processo de extração efervescente são muito baixas (~ 150 kPa) 4 ; Muito inferior à extração de fluido supercrítico 5 ( por exemplo , ≥ 10 MPa). A técnica não requer o uso de itens consumíveis especiais (colunas, cartuchos). Apenas pequenos volumes de solventes são utilizados para diluição e limpeza. O dispositivo de extração pode ser montado por químicos com habilidades técnicas médias usando peças 4 amplamente disponíveis; Por exemplo, módulos eletrônicos de código aberto"> 6 , 7. A extração rápida pode ser acoplada em linha com espectrômetros de massa modernos equipados com interface de ionização química de pressão atmosférica (APCI). Como os extratos de fase gasosa são transferidos para a fonte de íons, a operação de extração efervescente não contamina substancialmente vulneráveis Partes do espectrômetro de massa.
O objetivo deste artigo de experiência visualizada é orientar os espectadores sobre como implementar a extração efervescente em uma simples tarefa analítica. Embora o núcleo do sistema de extração efervescente seja conforme descrito em nosso relatório anterior 4 , foram introduzidas várias melhorias para tornar a operação mais direta. Um microcontrolador equipado com um escudo de tela LCD foi incorporado no sistema para exibir os principais parâmetros de extração em tempo real. Todas as funções são programadas nos scripts do microcontrolador e não há mais necessidade de usar um computador externo para cControle o sistema de extração.
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Protocol
Este protocolo assume que todas as etapas são realizadas de acordo com os regulamentos de segurança laboratoriais relevantes. Algumas das etapas utilizam instrumentos comerciais - nesses casos, as diretrizes do fabricante devem ser seguidas. Ao manusear produtos químicos tóxicos, as diretrizes de MSDS precisam ser seguidas. O equipamento personalizado 4 deve ser operado com cautela; Especialmente, ao manusear gases pressurizados e fiação elétrica ao vivo.
1. Preparação da Solução Padrão
- Prepare 6,2 x 10 -2 M de solução de estoque de limoneno em etanol através da mistura de 10 uL limoneno com 990 mL de etanol.
- Prepare 10 mL de solução de limoneno 6,2 x 10 -5 M misturando 10 μL de 6,2 x 10 -2 de limoneno, 490 μL de etanol e adicionando água pura ao volume final de 10 mL. Agite bem o balão volumétrico.
- Transfira a solução padrão preparada para um frasco de vidro de 20 ml para o espaço no espaço de cabeça com septuM cap. A solução padrão diluída pode ser usada para testar o sistema.
2. Preparação da amostra real
- Obtenha suco de limão espremendo frutas com limão fresco (cortadas pela metade) em um espremedor de cozinha.
- Prepare 10 mL de suco de lima diluído misturando 2 mL de suco de lima, 500 μL de etanol e adicionando água pura ao volume final de 10 mL. Agite bem o balão volumétrico.
- Transfira a amostra preparada para um frasco de vidro com visor de 20 mL com tampa de septo.
3. Espalhando a Amostra Real com Solução Padrão
- Primeira adição de padrão: Preparar 10 ml de amostra enriquecida através da mistura de 2 ml de sumo de lima, 10 mL de 6,2 x 10 solução limoneno -2 M, 490 mL de etanol, e adicionando água pura para o volume final de 10 mL. Agite bem o balão volumétrico.
- Segunda adição padrão: Prepare 10 mL de amostra com ponta misturando 2 mL de suco de lima, 20 μL 6.2 x 10 -2 M limonenE solução, 480 μL de etanol e adicionando água pura ao volume final de 10 mL. Agite bem o balão volumétrico.
4. Configurando o Sistema de Extração Fizzy
- Coloque o sistema de extração efervescente ( Figura 1 ) 4 ao lado da fonte APCI do espectrômetro de massa tripla quadrupolo.
- Conecte o cilindro de dióxido de carbono à entrada de gás do sistema de extração efervescente. Abra a válvula no regulador de gás. Defina a pressão de saída para 1,5 bar (150 kPa).
- Conecte a saída da câmara de extração à entrada da fonte de iões.
- Conecte o sistema de extração efervescente à fonte de alimentação de 12 V.
- Configure o software de aquisição de dados do espectrômetro de massa triple quadripolar ( Figura 2 ). Operar o instrumento com a fonte APCI, no modo de monitoração de reação múltipla de íons positivos (MRM), com argônio como colisãogás.
- Execute o software de aquisição de dados.
- Selecione a opção "apenas LCMS8030".
- Selecione a opção "MS On / Off".
- Ajuste a temperatura da linha de dessolvatação para 250 ° C e a taxa de fluxo de gás de secagem para 15 L min -1 . Aguarde até que o valor de cada parâmetro do instrumento se torne o mesmo que o valor predefinido.
- Selecione o arquivo do método de aquisição de dados MS.
- Certifique-se de que a tensão de colisão seja -20 V, o íon precursor m / z é 137 e o fragmento ião m / z é 81 e 95
- Clique no botão "Iniciar a execução única".
- Digite o nome do arquivo.
- Selecione o caminho do arquivo.
- Mude para a seção 5 ("Executando extração efervescente").
- Selecione a opção "MS On / Off".
- Feche a janela do software.
- Marque os itens "Nebulizing Gas Off", "DL Heater Off", "Heat Block Off" e "Dry Gas Off". Clique em "OK &# 34 ;.
5. Executando Extração Fizzy
- Coloque um frasco de amostra no sistema de extração efervescente usando o suporte de parafuso. O sistema de extração é operado a temperatura ambiente (~ 25 ° C).
- Pressione o botão "Iniciar" na tela LCD do sistema de extração efervescente.
- Aguarde enquanto o processo de extração efervescente automatizado é executado ( Figura 3 ). Observe o desenvolvimento de sinais de íons na tela do espectrômetro de massa tripla quadrupolo.
NOTA: As seguintes etapas são executadas automaticamente: o espaço de amostra é lavado com dióxido de carbono durante 60 s. A amostra é pressurizada com dióxido de carbono durante 60 s. O motor agitador está ligado. A amostra é despressurizada. São formadas bolhas múltiplas. Na fase posterior, o motor do agitador está ligado para melhorar a borbulhar. - Retire (desenrosque) o frasco de amostra.
- Limpe o fuso de agitação da amostra com tecido de celulose.
- Lavar a agitaçãoInle com etanol e limpe-o novamente com tecido de celulose.
- O sistema está pronto para análise de outra amostra (repita as etapas 5.1-5.6).
- Desligue a fonte de alimentação.
- Desconecte o tubo de saída de extração efervescente da fonte de íons.
- Feche a válvula do cilindro de gás e desconecte o tubo de gás.
6. Análise de dados
- Exportação de correntes de íons extraídas para o m / z 81 a partir do software de aquisição de dados do espectrometro de massa quadrupolar triplo para arquivos ASCII ( Figura 4 ).
NOTA: A corrente de íons no m / z 95 não é usada nesta demonstração.- Execute o software de aquisição de dados. Selecione a opção "Postrun".
- Selecione a opção "Selecionar projeto (Pasta)" e escolha o arquivo de dados.
- Clique no menu "Arquivo" e selecione "Exportar dados" / "Exportar dados como ASCII".
- Selecione & #34; Arquivo de saída "e selecione o caminho do arquivo. Selecione" MS Chromatogram (MC) ".
- Importe os conjuntos de dados brutos para o software de integração de pico e mestre áreas de pico ( Figura 5 ). Configurações: linha de base linear; Função HVL.
- Execute o software de integração de picos.
- Selecione a opção "Importar" no menu "Arquivo". Clique no botão "Sim".
- Selecione os dados na coluna X e Y. Clique no botão "OK". Selecione a opção "AutoFit Peaks I Residuals".
- Ajuste o pico de extração semi-automático. Certifique-se de que a curva ajustada segue os pontos de dados experimentais. Selecione a opção "List Peak Estimates". Selecione a opção "Editor ASCII".
- Copie os resultados de montagem para "Clipboard".
- Insira as áreas de pico medidas em uma planilha no software de análise de dados ( Figura 6 ). <Ol>
- Execute o software de análise de dados.
- Insira os valores de concentração na coluna X e os valores da área de pico na coluna Y. Selecione a opção "Símbolo" / "Dispersão" no menu "Plot". Selecione a opção "Ajustar" / "Ajustar Linear" no menu "Análise".
Onde eu sou a intercepção da função linear, enquanto S é a inclinação.
Onde DF é o fator de diluição (aqui, 5).
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Representative Results
No início, o sistema de extração efervescente é testado com uma solução padrão. Posteriormente, a amostra real e a amostra real com o padrão são analisadas. As áreas dos picos temporais de eventos de extração estão correlacionadas com as concentrações dos analitos nas amostras líquidas submetidas a extração efervescente, o que permite a análise quantitativa. Aqui, realizamos adição de duplo padrão para demonstrar capacidades quantitativas da técnica ( Figura 7 ). A regressão linear levou à seguinte função ( Figura 8 ):
Peak_area = (3,25 x 10 7 ± 0,36 x 10 7 ) C diluído + (2,770 ± 276)
A variável C diluída refere-se à concentração do padrão de limoneno adicionado (iN moles por litro, M). Com base nos valores de inclinação e intercepção obtidos, a concentração de limoneno na amostra diluída de suco de lima foi de: 8,51 x 10 -5 ± 1,26 x 10 -5 M. Após a multiplicação desse valor pelo fator de diluição (5), a concentração de limoneno Na amostra original de sumo de limão foi: 4.26 x 10 -4 ± 0.63 x 10 -4 M.
Os principais descritores de desempenho analítico, como limites de detecção e quantificação deste método, foram relatados anteriormente 4 . Por exemplo, a repetibilidade analítica (RSD) foi de 6 a 19%. O limite de detecção de limoneno foi de ~ 10 -4 M 4 . Acreditamos que as imperfeições do sistema protótipo de extração efervescente contribuem para as flutuações dos sinais. Essas imperfeições podem ser eliminadas quando o aparelho de extração efervescente é desenvolvido e comercializado.
Figura 1: Fotografias do sistema de extração efervescente (com rótulos). ( A ) vista superior; ( B ) vista frontal. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 2: Configurando o software de aquisição de dados do espectrômetro de massa triple quadripolar. Os passos consecutivos são mostrados nos painéis A e B. Os números referem-se ao passo 4.5 do protocolo. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 3: Fluxo de trabalho da experiência de extração efervescente típica. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 4: Exportação de correntes de iões extraídas do software de aquisição de dados para arquivos ASCII. Os números referem-se ao passo 6.1 do protocolo. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 5: Importar os conjuntos de dados brutos para o pico emSoftware de integração e medição de áreas de pico. Os passos consecutivos são mostrados nos painéis A e B. Os números referem-se ao passo de protocolo 6.2. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 6: Inserindo as áreas de pico medidas em uma planilha no software de análise de dados e realizando regressão linear. Os números referem-se ao protocolo passo 6.3. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 7: Dados brutos típicos para limone Solução padrão e amostra de suco de limão.
Correntes de iões extraídas gravadas no m / z 81, após a fragmentação do ião parente no m / z 137 por dissociação induzida por colisão. Gases de colisão: argônio. Tensão de colisão: -20 V. Os dados brutos para: suco de lima diluído; Suco de lima diluído após a primeira adição de padrão de limoneno (aumento de concentração: 6,20 x 10 -5 M); Suco de lima diluído após a segunda adição de padrão de limoneno (aumento de concentração: 1,24 x 10 -4 M). Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Figura 8: Lote que relaciona áreas de picos temporais com a concentração de padrão de limoneno adicionado à amostra diluída de suco de limão.Urce.jove.com/files/ftp_upload/56008/56008fig8large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
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Discussion
Várias maneiras inteligentes de entregar amostras para um espectrômetro de massa foram desenvolvidas nos estudos realizados nas últimas três décadas ( por exemplo , referências 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ). Um dos objetivos desses estudos foi simplificar a preparação de amostras para análise. Para alcançar esse objetivo, várias modificações foram introduzidas no projeto da fonte de íons. Em alguns casos, as novas fontes de íons permitiram que os químicos analisassem amostras ricas em matriz, o que normalmente poderia produzir interferências espectrais. Em uma abordagem alternativa, as modificações nos esquemas de ionização convencionais são minimizadas, enquanto a preparação da amostra (extração) é conduzida on-line e automatizada ( por exemplo , referências 15 ,Classe = "xref"> 16 , 17 , 18 ). O sistema de medição aqui apresentado 4 exemplifica essa noção porque o processo de extração é combinado com uma técnica de ionização convencional ( isto é , APCI 19 , 20 , ver Figura 1 ). No entanto, no futuro, o acoplamento da extração efervescente com outras fontes ou detectores de íons não deve ser excluído, o que poderia potencialmente aumentar o alcance de espécies detectáveis.
O aparelho de extração efervescente é simples de operar e pode ser usado em análises quantitativas. Nesta demonstração, mostramos a possibilidade de detectar e quantificar um composto volátil presente em uma amostra real (suco de limão), implementando um método de adição de duplo padrão. A concentração obtida de limoneno (juntamente com seus isómeros) em suco de limão fresco foi estimada em 4,26 x 10 -4M, que é muito próximo da faixa de concentração de limoneno neste tipo de matriz, conforme relatado na literatura (4,4 x 10 -4 -5,1 x 10 -4 M) 21 . Certamente, a concentração de limoneno em frutos de limão deverá variar dependendo da cultivar, das condições de crescimento, do tempo de colheita, das condições de armazenamento e do método de obtenção de suco para análise - para citar apenas alguns fatores. Seria ideal para implementar um padrão interno marcado isotopicamente para compensar a variabilidade experimental. No entanto, esses padrões de isotopólogos são caros e não estão disponíveis para a maioria dos analitos de interesse.
Os passos críticos no protocolo de extração efervescente apresentado incluem: (i) configurar o dispositivo de extração efervescente (conectando fontes de alimentação, cilindro de gás portador, espectrômetro de massa quadripolar triplo); (Ii) ajuste da pressão do gás transportador; (Iii) configuração do software do espectrômetro de massa tripla quadrupolo Para aquisição de dados; (Iv) colocar o frasco de amostra no sistema de extração efervescente; (V) limpeza do fuso do agitador; E (vi) processamento de dados (integração de pico).
Por exemplo, se o fuso do agitador não for bem limpo, isso pode levar à transição do analito e diminuir a precisão analítica. Além disso, deve ser dada atenção ao nível de espuma de bolha formada durante a extração. Se alguma daquela espuma entrar acidentalmente na tubagem de gás transportador ou extrair tubulação, o sistema pode ficar contaminado. Nesses casos, a tubagem deve ser cuidadosamente lavada com etanol.
O dióxido de carbono foi o gás transportador de primeira escolha porque tem alta solubilidade na água. Também é usado na produção de bebidas efervescentes. De fato, a extração efervescente foi inspirada pela observação de bolhas - e pela liberação de aroma - de bebidas efervescentes. No entanto, em um estudo de acompanhamento, verificamos a possibilidade de usar outros gases como gás transportador.
ntent "> Em geral, as vantagens da extracção efervescentes incluem: simplicidade, rapidez, e o uso limitado de produtos químicos (ou seja, solventes para extracção ou diluição) Uma desvantagem do sistema experimental aqui apresentada é a utilização de um espectrómetro de massa quadrupolo de baixa resolução. As possíveis interferências espectrales limitam a aplicabilidade da técnica. Assim, é atraente a extração efervescente de casal com um espectrômetro de massa de alta resolução equipado com ressonância de ciclotron de iões ou analisador de tração de íons orbitais. Na demonstração atual, a baixa resolução da massa O analisador (quadrupolo) é compensado (até certo ponto) pela aplicação de monitoração de reações múltiplas, o que aumenta ligeiramente a seletividade da detecção espectrométrica de massa.Prevemos que a extração efervescente encontre novas aplicações no futuro próximo. Por exemplo, pode ser adequado para a detecção de compostos orgânicos voláteis em produtos alimentares, bebidas, produtos cosméticos e domésticos, como wComo amostras ambientais.
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Disclosures
Os autores não têm nada a divulgar.
Acknowledgments
Gostaríamos de agradecer ao Ministério da Ciência e Tecnologia de Taiwan (número de concessão: MOST 104-2628-M-009-003-MY4) para o apoio financeiro deste trabalho.
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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