Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Gaskromatografi-massespektrometri parret med total fordampning Solid-Phase Microextraction som et retsmedicinsk værktøj

Published: May 25, 2021 doi: 10.3791/61880
* These authors contributed equally

Summary

Total Vaporization Solid Phase Microextraction (TV-SPME) fordamper fuldstændigt en flydende prøve, mens analysetter sorbed på en SPME fiber. Dette giver mulighed for opdeling af analysanden mellem kun opløsningsmiddeldampen og SPME-fiberbelægningen.

Abstract

Gaskromatografi – Massespektrometri (GC-MS) er en hyppigt anvendt teknik til analyse af talrige analysander af retsmedicinsk interesse, herunder kontrollerede stoffer, antændelige væsker og sprængstoffer. GC-MS kan kombineres med solidfasemikrobiextraktion (SPME), hvor en fiber med en sorptive belægning placeres i headspace over en prøve eller nedsænkes i en flydende prøve. Analytter sorbed på fiberen, som derefter placeres inde i den opvarmede GC indløb for desorption. Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME) bruger den samme teknik som nedsænkning SPME, men fordyber fiberen i en helt fordampet prøve ekstrakt. Denne komplette fordampning resulterer i en skillevæg mellem kun dampfasen og SPME-fiberen uden indblanding fra en flydende fase eller uopløselige materialer. Afhængigt af kogepunktet for det anvendte opløsningsmiddel giver TV-SPME mulighed for store prøvemængder (f.eks. op til hundredvis af mikroliter). On-fiber derivatization kan også udføres ved hjælp af TV-SPME. TV-SPME er blevet brugt til at analysere stoffer og deres metabolitter i hår, urin og spyt. Denne enkle teknik er også blevet anvendt på gadestoffer, lipider, brændstofprøver, eksplosive rester efter eksplosionen og forurenende stoffer i vand. Dette dokument fremhæver brugen af TV-SPME til at identificere ulovlige forfalskninger i meget små prøver (mikroliter mængder) af alkoholholdige drikkevarer. Både gamma-hydroxybutyrat (GHB) og gamma-butyrolactone (GBL) blev identificeret på niveauer, der ville blive fundet i spiked drikkevarer. Derivatisering af et trimethylsilyl-middel, der er tilladt til konvertering af den vandige matrix og GHB til deres TMS-derivater. Samlet set er TV-SPME hurtig, nem og kræver ingen prøveforberedelse bortset fra at placere prøven i et headspace-hætteglas.

Introduction

Mikroextraction i fast fase (SPME) er en prøvetagningsteknik, hvor en flydende eller fast prøve anbringes i et headspace-hætteglas, og en SPME-fiber, belagt med et polymert materiale, derefter føres ind i prøvens headspace (eller nedsænkes i en flydende prøve). Analysanden sorbed på fiberen og derefter fiberen er placeret inde i GC indløbet for desorption1,2. Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME) er en lignende teknik som nedsænkning SPME, men helt fordamper en flydende prøve, før analysetter er adsorberet på fiberen. Dette giver mulighed for opdeling af analysanden mellem kun opløsningsmiddeldampen og belægningen af fiberen, hvilket giver mulighed for, at mere af analysanden kan adsorberes på fiberen og resulterer i god følsomhed3. Der er forskellige SPME fibre til rådighed, og fiberen bør vælges baseret på analysand af interesse, opløsningsmiddel / matrix, og derivatization agent. Se tabel 1 for etablerede TV-SPME-analysater.

prøve Analyte(er) Anbefalet SPME Fiber Reference(er)
Menneskehår Nikotin, cotinine Polydimethylsiloxan/divinylbenzen (PDMS/DVB), polyacrylat (PA) 3
Røgfrit pulver Nitroglycerin, diphenylamin Polydimethylsiloxan (PDMS), polyethylenglycol (PEG) 7, 8
Racing brændstof Methanol, nitromethan pind 9
Vand Polycykliske aromatiske carbonhydrider PDMS 10
Drikkevarer ɣ-hydroxybutyrinsyre, ɣ-butyrolacton PDMS Dette arbejde
Massivt pulver Metamfetamin, amfetamin PDMS/DVB Upublicerede

Tabel 1. Anbefalede SPME-fibre med etablerede TV-SPME-analysetter.

For at udføre TV-SPME opløses analysater i et opløsningsmiddel, og en aliquot af denne blanding placeres i et headspace-hætteglas. Prøver behøver ikke at blive filtreret, fordi kun opløsningsmidlet og flygtige analysater vil fordampe. Der skal anvendes specifikke mængder flydende prøver for at sikre total fordampning af prøven. Disse mængder bestemmes ved at bruge den ideelle gaslov til at beregne antallet af mol af et opløsningsmiddel ganget med væskens molarvolumen (Equation 1).
Equation 1 Ligning 1

hvor Vo er prøvens volumen (mL), P er opløsningsmidlets damptryk (bar), Vv er mængden af hætteglasset (L), R er den ideelle gaskonstant (0,083145 Equation 1 ), M er opløsningsmidlets molarmasse (g/mol), T er temperatur (K) og Equation 5 opløsningsmidlets massefylde (g/mL). 3 1 1 1

For at bruge det korrekte damptryk bruges Antoine-ligningen (Equation 2) til at tage højde for temperaturpåvirkningen:4
Equation 2 Ligning 2

hvor T er temperatur og A, B og C er Antoine konstanter for opløsningsmidlet. Ligning 2 kan erstattes i Ligning 1, hvilket giver:
Equation 3 Ligning 3

Ligning 3 giver mængden af prøven (Vo), der kan fordampes fuldstændigt som funktion af den anvendte temperatur og opløsningsmiddel.

For at udføre derivatisering med TV-SPME udsættes SPME-fiberen først for et hætteglas, der indeholder derivatiseringsmidlet i en forudbestemt mængde tid afhængigt af analysanden. SPME-fiberen udsættes derefter for et nyt hætteglas, der indeholder den interesseanalyse, der er af interesse. Dette hætteglas opvarmes inde i en opvarmet agitator. Analysanden er derefter adsorberet på fiberen med derivatisering agent. Afivatiseringen af analysanden og/eller matrixen foregår på fiberen, før den indsættes i GC-indløbet til desorption. Figur 1 viser en skildring af TV-SPME-processen med derivatisering.

Figure 1
Figur 1: Skildring af TV-SPME-processen med derivatisering. SPME fiber først ind i derivatization hætteglas, hvor derivatization agent (gule cirkler) sorb på fiber. Fiberen introduceres derefter til prøven (blå cirkler) og opvarmes. Dannelsen af derivatet (grønne cirkler) finder sted på fiberen i udvindingstiden. Klik her for at se en større version af dette tal.

TV-SPME er gavnligt, fordi det giver mulighed for analysanden, der skal derivatiseres under ekstraktionsprocessen, hvilket reducerer analysetiden. Andre metoder, såsom flydende injektion, kræver, at analysanden reagerer med derivatiseringsmidlet i opløsning, før det injiceres i GC. TV-SPME kræver også lidt eller ingen prøveforberedelse. En matrix, der indeholder en analysand, kan placeres direkte i headspace-hætteglasset og analyseres. Mange interesseforbindelser er kompatible med TV-SPME. Forbindelser skal være opløselige i et opløsningsmiddel og tilstrækkeligt flygtige til at muliggøre fordampning. Derudover skal forbindelser være termisk stabile for at blive analyseret af GC-MS. TV-SPME er blevet brugt til at analysere stoffer og narkotikametabolitter, racerbrændstoffer, polycykliske aromatiske kulbrinter og eksplosive materialer 3 ,5,6,7,8,9,10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Generel tv-SPME-prøveforberedelse og GC-MS-analyse

BEMÆRK: Hvis prøven allerede er opløst i en matrix, skal du gå til trin 1.2.

  1. Den faste prøve udtrækkes eller opløses i tilstrækkelig opløsningsmiddel (vand, methanol, acetone osv.) til at nå den ønskede koncentration. Væskeprøver kan bruges "som de er og foretagsomt".
    BEMÆRK: Mængden af anvendt fast prøve afhænger af prøvens ønskede koncentration. Koncentrationer under 1 ppm (w/v) anbefales for at undgå overbelastning af GC-kolonnen. Analysand skal være opløselig i valgt organisk opløsningsmiddel.
    1. Sørg for, at prøven er helt opløst.
  2. Beregn den mængde, der er nødvendig for fuldt ud at fordampe prøven ved hjælp af Equation 3 ved den valgte temperatur. Hvis forsøget f.eks. skal udføres ved 60 °C, skal du beregne den mængde, der er nødvendig for helt at fordampe opløsningsmidlet ved 60 °C.
    1. Overfør denne prøvevolumen til et headspace-hætteglas, og fastgør hætten. Acceptable metoder til overførsel af væskeprøver i mikroliterskalaen omfatter manuelt via glassprøjte, en elektronisk glassprøjte eller en autosamplerrobot, der kan overføre væsker til prøveforberedelse.
  3. Hvis prøven af derivatiseres, fremstilles det korrekte derivatiseringsmiddel ved at placere midlets ~1 mL i et headspace-hætteglas.
    1. Vælg derivatiseringsmidlet baseret på den type derivatisering, der er nødvendig: alkylering, acylering eller silyation. I dette tilfælde er det anbefalede derivatiseringsmiddel for de funktionelle grupper af carboxylsyre og alkohol, der findes på GHB, O-bis(trimethylsilyl) trifluoracetamid (BSTFA). Derivatiseringsmidlet kan anvendes "som det er og forekom" og kræver ikke fortynding. En mL af derivatiseringsmiddel er nok til at sikre fuldstændig mætning af SPME-fiberen.
      ADVARSEL: Derivatiseringsmidler er giftige og skal håndteres i en røghætte.
  4. Angiv den korrekte inkubations-/ekstraktionstemperatur baseret på beregningen i trin 1.2. Denne temperatur sikrer total fordampning, tilstrækkelig prøveudsugning og fuldstændig derivatisering (hvis det er nødvendigt).
    1. Vælg GC-MS-parametre (ovntemperaturprogram, strømningshastighed, indløbstemperatur osv.) baseret på klassen af de (de) forbindelsene, der er af interesse. Se trin 3 for et eksempel på et parametersæt.
    2. Sørg for, at den korrekte indløbsforing (f.eks. 2 mm indvendig diameter eller mindre) er i GC-indløbet.
  5. Sørg for, at SPME-fiberen er korrekt konditioneret og er i god stand, før analysen påbegyndes.
    1. Varier konditioneringsparametrene baseret på den type SPME-fiber, der bruges. Se SPME fiber instruktioner for korrekt konditionering temperatur og tid. Generelt er det tilstrækkeligt at analysere flere SPME fiber emner, indtil de er reproducerbare, for at karakterisere en SPME-fiber som fuldt konditioneret.

2. Prøveforberedelse af Gamma-hydroxybutyrat (GHB) og Gamma-butyrolactone (GBL)

  1. Der fremstilles en prøve af GHB og/eller GBL i vand med en koncentration på mindre end 1 ppm.
  2. 1 μL af denne prøve overføres til et 20 mL headspace-hætteglas ved hjælp af en af de metoder, der er beskrevet i 1.2.1.
    1. Bemærk, at analysen af vandige prøver kræver de laveste prøvemængder. For eksempel vil en μL vand helt fordampe i et 20 mL headspace-hætteglas ved 60 °C.
    2. Hætteglasset med det samme.
  3. Placer ~1 ml BSTFA + 1% trimethylchlorosilane (TMCS) i et separat 20 ml headspace hætteglas og hætte.
    BEMÆRK: GBL er ikke afledt. Der er dog stadig behov for et derivatiseringstrin for at sikre, at vandopløsningsmidlet derivatiseres og ikke forstyrrer prøven.
    ADVARSEL: BSTFA er giftig og skal håndteres i en røghætte.

3. GC-MS parametre og opsætning for GHB og GBL i vand

  1. Opret en metode ved hjælp af følgende GC-MS-parametre:
    Indledende ovntemperatur: 60 °C holdt i 1 minut.
    Ovnprogram: 15 °C/minut.
    Endelig ovntemperatur: 280 °C, holdt i 1 minut.
    Strømningshastighed: 2,5 mL/minut (hastighedsoptimeret flow for en kolonne på 0,25 mm i.d.).
    Indløbstemperatur: 250 °C.
    Overfør linjetemperatur: 280 °C.
  2. Sørg for, at der er placeret en smal (2 mm id eller mindre) SPME-indløbsforing inde i GC-indløbet.
  3. Sørg for, at PDMS /DVB SPME fiberen er korrekt konditioneret og er i god stand inden analyse.
    BEMÆRK: PDMS/DVB SPME-fibre skal konditioneres i GC-indløbet ved 250 °C i 30 minutter. PDMS/DVB SPME-fibre skal have en off-white-farve.
  4. Kør GC-MS på eksemplet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Der blev udført en GBL-volumenundersøgelse for at demonstrere tv-SPME's følsomhed sammenlignet med headspace og nedsænknings-SPME. En 100ppmv prøve af GBL i vand blev forberedt og placeret i 20 mL headspace hætteglas med mængder på 1, 3, 10, 30, 100, 300, 1000, 3000, og 10.000 μL. Faseforholdet mellem de prøver, der er tilladt for TV-SPME (1-3 μL), Headspace SPME (10 – 3.000 μL) og Immersion SPME (10.000 μL). Alle prøver blev analyseret i tre eksemplarer, og det gennemsnitlige topareal blev afbildet i forhold til prøvevolumen. Samlet set viste prøvemængder, der var tilladt for TV-SPME, større følsomhed end headspace eller nedsænknings-SPME for GBL i vand som vist i figur 2. En sammenligning af kromatogrammer for hver metode er vist i figur 3.

Figure 2
Figur 2: Graf over gennemsnitligt topareal i forhold til prøvevolumen for GBL i vand. Der blev udført en GBL-volumenundersøgelse for at påvise effekten af TV-SPME sammenlignet med headspace og nedsænknings-SPME. En 100ppmv prøve af GBL i vand blev forberedt og placeret i 20 mL headspace hætteglas med mængder på 1, 3, 10, 30, 100, 300, 1000, 3000, & 10000 μL. Alle prøver blev analyseret i tre eksemplarer, og fejllinjer svarer til middelværdiens standardafvigelse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: I alt Ionkromatogrammer til GBL i vand. (100 ppm) for 3 μL (blå), 300 μL (rød) og 10.000 μL (grøn). Klik her for at se en større version af dette tal.

Realistiske prøver af vin tilsat en effektiv dosis GHB og GBL er vist i henholdsvis figur 4 og figur 5. Disse prøver viser også interkonvertering af GBL og GHB. Når TV-SPME udføres korrekt, vil der opstå en skarp, rigelig top som vist i figur 6. TV-SPME har en god følsomhed, og der bør derfor anvendes passende koncentrationer, så kolonnen ikke overbelastes. Når der er høje koncentrationer til stede, vil der opstå maksimal asymmetri som vist i figur 5 og figur 7. I disse tilfælde kan fortynding af prøven eller brug af en opdelt injektion forbedre topformen.

Figure 4
Figur 4: Realistisk prøve af GHB i vin med en koncentration på 8 mg/mL. Toppe: 1) GBL, 2) hexanosyre-TMS, 3) GHB-TMS2, 4) benzoesyre-TMS, 5) oktansyre-TMS, 6) glycerol-TMS3, * betegner en cyklisk siloxan (fiber / kolonne bløder). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Realistisk prøve af GBL i vin med en koncentration på 10 mg/mL. Toppe: 1) GBL, 2) hexanosyre-TMS, 3) Siloxan, 4) trimethyl(2-phenylethoxy) silan, 5) GHB-TMS2. TIC viser GBL konvertering til GHB. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Samlet Ionkromatogram for GBL i vand med en koncentration på 0,1 ppm. Resultater efter TV-SPME-metoden, der tidligere er beskrevet for GBL i vand. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Samlet Ionkromatogram for GBL i vand med en koncentration på 10 ppm. Resultater efter TV-SPME-metoden, der tidligere er beskrevet for GBL i vand. Klik her for at se en større version af dette tal.

Ved derivatisering skal analytikeren sikre, at metoden gør det muligt for analysanden(e) at blive fuldt afledt, før den desorberes i GC. Delvis derivatisering kan resultere i et højdepunkt, der repræsenterer den afledte analysand og en top, der repræsenterer den underivatiserede analysand. Delvis derivatisering vil også resultere i en lavere følsomhed for analysanden, da mindre af det kan adsorbere på fiberen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

TV-SPME har visse fordele i forhold til flydende injektions-GC, da store prøvestørrelser (f.eks. 100 μL) kan anvendes uden instrumentændringer. TV-SPME har også nogle af de samme fordele som headspace SPME. Headspace SPME kræver ikke nogen ekstraktion eller filtrering, fordi eventuelle ikke-volatile forbindelser vil forblive i headspace hætteglasset og vil ikke blive adsorberet på fiberen, hvilket giver en ren prøve. Denne metode hjælper også med at eliminere matrixeffekter, fordi dette er et tofaset system (headspace og fiber) i modsætning til et trefaset system (prøve, headspace og fiber) som standard headspace SPME. TV-SPME er som nedsænkning SPME i, at nedsænkning SPME er også en to-faset system. Med nedsænkning SPME, en fiber er nedsænket i en flydende (typisk vandig) prøve, der indeholder analysanden i modsætning til at udvinde analysanden fra sin damp. TV-SPME adskiller sig fra nedsænkning SPME, fordi nedsænkning SPME kræver en polar / vandig matrix for at generere tilstrækkelig drivkraft for analysetter til at forlade opløsningsfasen og sorb til fiberbelægningen. Derudover kræver nedsænkning SPME meget større prøvemængder (f.eks. mL).

Mange opløsningsmidler kan anvendes sammen med TV-SPME, herunder methanol, acetone, vand og acetonontril. SPME-fibre bør ikke udsættes for eller nedsænkes i kloroform, da disse opløsningsmidler kan beskadige fiberbelægningen. Tyve mL skrue cap glas headspace hætteglas har vist sig at have den bedste ydeevne med TV-SPME metoder. Det anbefales at bruge en autosampler med TV-SPME. Mens mange parametre i TV-SPME-metoden kan justeres efter ønske, skal den korrekte volumen- og ekstraktionstemperatur anvendes for hvert opløsningsmiddel. Prøvevolumen og ekstraktionstemperatur er proportionale med hinanden og skal justeres i overensstemmelse hermed. For eksempel kan ekstraktionstemperaturen for en metode reduceres, men prøvevolumenet skal også reduceres. Denne diskenhed kan findes ved at justere Equation 3.

Der kan foretages ændringer i derivatiseringsproceduren. Derivatisering kan udføres før eller efter ekstraktion, ved stuetemperatur eller opvarmes i agitatoren, ved at udsætte fiberen for derivatiseringsmidlets damp eller ved direkte nedsænkning af fiberen i derivatiseringsmidlet.

Der er begrænsninger for TV-SPME-metoden, herunder behovet for, at forbindelser er opløselige, termisk stabile og flygtige. TV-SPME kræver dyre SPME-fibre, som kan få deres belægning strippet eller ødelagt under analysen. Disse begrænsninger opvejes af fordele såsom store prøvemængder i forhold til typiske GC-injektionsvolumener, høj følsomhed og intet behov for filtrering. TV-SPME foretrækkes frem for headspace SPME, fordi flere af prøven udvindes på fiber- og matrixeffekterne. TV-SPME foretrækkes også frem for nedsænkning af SPME, fordi nedsænkning SPME bruger meget mere prøve end TV-SPME. TV-SPME giver mulighed for derivatisering under ekstraktionsprocessen, hvilket reducerer analysetiden sammenlignet med metoder som væskeindsprøjtning, der kræver, at analysanden skal derivatiseres før injektion. TV-SPME kræver også lidt eller ingen prøveforberedelse. TV-SPME er enkel, effektiv og følsom til analyse af en lang række prøver, herunder stoffer, eksplosive materialer og racerbrændstoffer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet af National Institute of Justice (Pris nr. 2015-DN-BX-K058 &2018-75-CX-0035). De meninger, resultater og konklusioner, der udtrykkes her, er forfatterens og afspejler ikke nødvendigvis finansieringsorganisationernes.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10 µL Syringe Gerstel 100111-014-00
BSTFA + 1% TMCS (10 x 1 GM) Regis Technologies Inc. 50442882
eVol XR Sample Dispensing System Kit ThermoFisher Scientific 66002-024
Equation 6-Butyrolactone (GBL) Sigma-Aldrich B103608-26G
Equation 7-Hydroxy Butyric Acid (GHB) Cayman Chemicals 9002506
Headspace Screw-Thread Vials, 18 mm Restek 23083
Magnetic Screw-Thread Caps, 18 mm Restek 23091
Optima water for HPLC Fisher Chemical W71
SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane (PDMS) Supelco 57341-U
SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane/Divinylbenzene (PDMS/DVB) Supelco 57293-U
Topaz 2.0 mm ID Straight Inlet Liner Restek 23313

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pawliszyn, J. B. Method and Device for Solid Phase Microextraction and Desorption. United States patent. , (2005).
  2. Pawliszyn, J. Solid phase microextraction: theory and practice. , John Wiley & Sons. (1997).
  3. Rainey, C. L., Bors, D. E., Goodpaster, J. V. Design and optimization of a total vaporization technique coupled to solid-phase microextraction. Analytical Chemistry. 86 (22), 11319-11325 (2014).
  4. Sinnott, R. Chemical Engineering Design: Chemical Engineering. 6, Elsevier. (2005).
  5. Davis, K. Detection of Illicit Drugs in Various Matrices Via Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME). , Indiana University - Purdue University Indianapolis. Master of Science thesis (2019).
  6. Ash, J., Hickey, L., Goodpaster, J. Formation and identification of novel derivatives of primary amine and zwitterionic drugs. Forensic Chemistry. 10, 37-47 (2018).
  7. Sauzier, G., Bors, D., Ash, J., Goodpaster, J. V., Lewis, S. W. Optimisation of recovery protocols for double-base smokeless powder residues analysed by total vaporisation (TV) SPME/GC-MS. Talanta. 158, 368-374 (2016).
  8. Bors, D., Goodpaster, J. Mapping smokeless powder residue on PVC pipe bomb fragments using total vaporization solid phase microextraction. Forensic science international. 276, 71-76 (2017).
  9. Bors, D., Goodpaster, J. Chemical analysis of racing fuels using total vaporization and gas chromatography mass spectrometry (GC/MS). Analytical Methods. 8 (19), 3899-3902 (2016).
  10. Beiranvand, M., Ghiasvand, A. Design and optimization of the VA-TV-SPME method for ultrasensitive determination of the PAHs in polluted water. Talanta. 212, 120809 (2020).

Tags

Kemi Problem 171 GC-MS total fordampning SPME kontrollerede stoffer GHB GBL
Gaskromatografi-massespektrometri parret med total fordampning Solid-Phase Microextraction som et retsmedicinsk værktøj
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Davis, K. E., Goodpaster, J. V. GasMore

Davis, K. E., Goodpaster, J. V. Gas Chromatography-Mass Spectrometry Paired with Total Vaporization Solid-Phase Microextraction as a Forensic Tool. J. Vis. Exp. (171), e61880, doi:10.3791/61880 (2021).

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