Summary
Полное испарение Твердофазная микроэкстракция (TV-SPME) полностью испаряет жидкий образец, в то время как аналиты сорбируются на волокно SPME. Это позволяет разделить анализируемый материал только между парами растворителя и покрытием волокна SPME.
Abstract
Газовая хроматография - Масс-спектрометрия (GC-MS) является часто используемым методом для анализа многочисленных аналитов, представляющих криминалистический интерес, включая контролируемые вещества, воспламеняющиеся жидкости и взрывчатые вещества. GC-MS может быть соединен с твердофазной микроэкстракцией (SPME), при которой волокно с сорбционным покрытием помещается в пространство над образцом или погружается в жидкий образец. Аналиты сорбируются на волокно, которое затем помещается внутрь нагретого входного входа GC для десорбции. Полное испарение твердофазной микроэкстракции (TV-SPME) использует ту же технику, что и погружной SPME, но погружает волокно в полностью испарительный экстракт образца. Это полное испарение приводит к разделению только между паровой фазой и волокном SPME без вмешательства жидкой фазы или любых нерастворимых материалов. В зависимости от температуры кипения используемого растворителя, TV-SPME допускает большие объемы образцов (например, до сотен микролитров). Дериватизация на волокне также может быть выполнена с использованием TV-SPME. TV-SPME используется для анализа лекарств и их метаболитов в волосах, моче и слюне. Этот простой метод также был применен к уличным наркотикам, липидам, образцам топлива, остаткам взрывчатых веществ после взрыва и загрязняющим веществам в воде. В настоящем документе освещается использование TV-SPME для выявления незаконных фальсифициров в очень маленьких образцах (количествах микролитров) алкогольных напитков. Как гамма-гидроксибутират (ГОМК), так и гамма-бутиролактон (ГБЛ) были идентифицированы на уровнях, которые можно было бы обнаружить в напитках с шипами. Дериватизация триметилсилильным агентом позволила превратить водный матрикс и ГОМК в их производные ТМС. В целом, TV-SPME работает быстро, легко и не требует подготовки образцов, кроме помещения образца во флакон с пространством над головой.
Introduction
Твердофазная микроэкстракция (SPME) представляет собой метод отбора проб, при котором жидкий или твердый образец помещается во флакон с пространством над головой, а волокно SPME, покрытое полимерным материалом, затем вводится в пространство над головы образца (или погружается в жидкий образец). Анализируемый сорбируется на волокно, а затем волокно помещается внутрь входного входа GC для десорбции1,2. Полное испарение Твердофазная микроэкстракция (TV-SPME) является аналогичной техникой, как погружная SPME, но полностью испаряет жидкий образец до того, как аналиты адсорбируются на волокно. Это позволяет разделить анализируемый материал только между парами растворителя и покрытием волокна, что позволяет адсорбировать больше аналита на волокно и приводит к хорошей чувствительности3. Существуют различные волокна SPME, и волокно должно быть выбрано на основе интересуемого аналита, растворителя / матрицы и агента дериватизации. В таблице 1 приведены установленные аналиты TV-SPME.
| образец | Аналит(ы) | Рекомендуемое волокно SPME | Справка(и) |
| Человеческие волосы | Никотин, котинин | Полидиметилсилоксан/дивинилбензол (PDMS/DVB), полиакрилат (PA) | 3 |
| бездымный порох | Нитроглицерин, дифениламин | Полидиметилсилоксан (PDMS), полиэтиленгликоль (PEG) | 7, 8 |
| Гоночное топливо | Метанол, нитрометан | колышек | 9 |
| Вода | Полициклические ароматические углеводороды | ПДМС | 10 |
| Напитки | ɣ-гидроксимасляная кислота, ɣ-бутиролактон | ПДМС | Эта работа |
| Твердый порошок | Метамфетамин, амфетамин | ПДМС/ДВБ | неопубликованный |
Таблица 1. Рекомендуемые волокна SPME с установленными аналитами TV-SPME.
Для выполнения TV-SPME аналиты растворяют в растворителе и аликвота этой смеси помещается во флакон с пространством над головой. Образцы не нужно фильтровать, потому что испаряются только растворитель и летучие аналиты. Для обеспечения полного испарения образца должны использоваться определенные объемы жидких образцов. Эти объемы определяются с помощью закона идеального газа для вычисления числа молей растворителя, умноженного на молярный объем жидкости (уравнение 1).
Уравнение 1
где Vo - объем образца (мл), P - давление пара растворителя (бар), Vv - объем флакона (L), R - постоянная идеального газа (0,083145), 
M - молярная масса растворителя (г/моль), T - температура (K) и 
плотность растворителя (г/мл). 3 3
Чтобы использовать правильное давление пара, уравнение Антуана (уравнение 2) используется для учета влияния температуры:4
Уравнение 2
где T — температура, а A, B и C — константы Антуана для растворителя. Уравнение 2 может быть заменено в уравнение 1, что дает:
Уравнение 3
Уравнение 3 дает объем образца (Vo),который может быть полностью испариться в функции температуры и используемого растворителя.
Для выполнения дериватизации с помощью TV-SPME волокно SPME сначала подвергают воздействию флакона, содержащего агент дериватизации, в течение заранее определенного периода времени в зависимости от анализируемого вещества. Затем волокно SPME подвергается воздействию нового флакона, содержащего интересующих анализируемый продукт. Этот флакон нагревается внутри нагреваемой мешалки. Затем анализируемый адсорбируется на клетчатке с помощью агента дериватизации. Дериватизация анализируемого материала и/или матрицы происходит на волокне перед введением во вход GC для десорбции. На рисунке 1 показано изображение процесса TV-SPME с дериватизацией.
Рисунок 1: Изображение процесса TV-SPME с дериватизацией. Волокно SPME сначала попадает во флакон дериватизации, где агент дериватизации (желтые круги) сорбируется на волокно. Затем волокно вводят в образец (синие круги) и нагревают. Образование производной (зеленых кругов) происходит на волокне во время экстракции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
TV-SPME полезен, потому что он позволяет дериватировать анализируемый в процессе экстракции, что сокращает время анализа. Другие способы, такие как жидкая инъекция, требуют, чтобы анализируемый агент реагировал с дериватизирующим агентом в растворе перед введением в ГК. TV-SPME также практически не требует пробоподготовки. Матрица, содержащая анализируемый материал, может быть помещена непосредственно во флакон с пространством над головой и проанализирована. Многие интересующих соединения совместимы с TV-SPME. Соединения должны быть растворимыми в растворителе и достаточно летучими, чтобы обеспечить испарение. Кроме того, соединения должны быть термически стабильными для анализа GC-MS. TV-SPME был использован для анализа лекарственных средств и метаболитов лекарств, гоночного топлива, полициклических ароматических углеводородов и взрывчатых веществ3,5,6,7,8,9,10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Общая пробоподготовка TV-SPME и анализ GC-MS
ПРИМЕЧАНИЕ: Если образец уже растворен в матрице, перейдите к шагу 1.2.
- Извлеките или растворите твердый образец в достаточном количестве растворителя (вода, метанол, ацетон и т.д.) для достижения желаемой концентрации. Жидкие образцы можно использовать «как есть».
ПРИМЕЧАНИЕ: Количество используемого твердого образца зависит от желаемой концентрации образца. Концентрации ниже 1 ppm (w/v) рекомендуются во избежание перегрузки колонки GC. Анализируемый продукт должен быть растворим в выбранном органическом растворителе.- Убедитесь, что образец полностью растворился.
- Рассчитайте объем, необходимый для полного испарения образца, используя уравнение 3 при выбранной температуре. Например, если эксперимент должен быть выполнен при 60 °C, рассчитайте объем, необходимый для полного испарения растворителя при 60 °C.
- Перенесите этот объем образца во флакон с пространством для головы и закрепите крышку. Приемлемые методы передачи жидких образцов в масштабе микролитров включают ручной с помощью стеклянного шприца, электронного стеклянного шприца или робота-автосамплера, способного передавать жидкость для подготовки образцов.
- При дериватизации образца приготовьте соответствующий агент дериватизации, поместив ~1 мл агента во флакон с пространством над головой.
- Выберите агент дериватизации в зависимости от типа необходимой дериватизации: алкилирование, ацилирование или силиация. В этом случае рекомендуемым агентом дериватизации для функциональных групп карбоновой кислоты и спирта, обнаруженных на ГОМК, является O-бис(триметилсилил)трифторацетамид (BSTFA). Дериватизационный агент может использоваться «как есть» и не требует разбавления. Одного мл дериватизационного агента достаточно для обеспечения полного насыщения волокна SPME.
ВНИМАНИЕ: Агенты дериватизации токсичны и должны обрабатываться в вытяжном капюшоне.
- Выберите агент дериватизации в зависимости от типа необходимой дериватизации: алкилирование, ацилирование или силиация. В этом случае рекомендуемым агентом дериватизации для функциональных групп карбоновой кислоты и спирта, обнаруженных на ГОМК, является O-бис(триметилсилил)трифторацетамид (BSTFA). Дериватизационный агент может использоваться «как есть» и не требует разбавления. Одного мл дериватизационного агента достаточно для обеспечения полного насыщения волокна SPME.
- Установите надлежащую температуру инкубации/экстракции на основе расчета на этапе 1.2. Эта температура обеспечивает полное испарение, достаточную извлечение проб и полную дериватизацию (при необходимости).
- Выберите параметры GC-MS (температурная программа печи, расход, температура на входе и т. д.) в зависимости от класса интересуемого соединения (соединений). Пример набора параметров см. в шаге 3.
- Убедитесь, что соответствующий впускной вкладыш (например, внутренний диаметр 2 мм или менее) находится на входе GC.
- Убедитесь, что волокно SPME было должным образом кондиционировано и находится в хорошем рабочем состоянии перед началом анализа.
- Варьируете параметры кондиционирования в зависимости от типа используемого волокна SPME. Пожалуйста, ознакомьтесь с инструкциями по волокну SPME для правильной температуры и времени кондиционирования. В общем, анализа нескольких заготовок волокна SPME до тех пор, пока они не будут воспроизводимыми, достаточно, чтобы охарактеризовать волокно SPME как полностью кондиционированное.
2. Пробоподготовка гамма-гидроксибутирата (ГОМК) и гамма-бутиролактона (ГБЛ)
- Подготовьте образец ГОМК и/или ГБЛ в воде с концентрацией менее 1 ppm.
- Перенесите 1 мкл этого образца в флакон с пространством над головой 20 мл с помощью одного из способов, описанных в разделе 1.2.1.
- Отметим, что для анализа водных образцов требуются наименьшие объемы проб. Например, один мкл воды полностью испарится в 20 мл промезжая при 60 °C.
- Сразу же замыкаете флакон крышкой.
- Поместите ~1 мл BSTFA + 1% триметилхлорсилана (TMCS) в отдельный флакон и колпачок в 20 мл.
ПРИМЕЧАНИЕ: GBL не дериватируется. Однако этап дериватизации по-прежнему необходим для обеспечения того, чтобы водный растворитель дериватизировался и не мешал образцу.
ВНИМАНИЕ: BSTFA токсичен и должен обрабатываться в вытяжном капюшоне.
3. Параметры GC-MS и настройка для ГОМК и ГБЛ в воде
- Создайте метод, используя следующие параметры GC-MS:
Начальная температура духовки: 60 °C держится в течение 1 минуты.
Программа духовки: 15 °C/мин.
Конечная температура духовки: 280 °C, удерживается в течение 1 минуты.
Расход: 2,5 мл/мин (оптимизированный расход для колонны 0,25 мм).
Температура на входе: 250 °C.
Температура передаточной линии: 280 °C. - Убедитесь, что узкий (2 мм в/д. или менее) впускной вкладыш SPME помещен внутрь входного входа GC.
- Убедитесь, что волокно PDMS/DVB SPME было должным образом кондиционировано и находится в хорошем рабочем состоянии перед анализом.
ПРИМЕЧАНИЕ: Волокна PDMS/DVB SPME должны быть кондиционированы на входе GC при 250 °C в течение 30 минут. Волокна PDMS/DVB SPME должны быть небелого цвета. - Запустите GC-MS на примере.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Было проведено объемное исследование GBL, чтобы продемонстрировать чувствительность TV-SPME по сравнению с пространством над головой и погружением SPME. Образец ГБЛ объемом 100 pmv в воде готовили и помещали в флаконы с объемом 1, 3, 10, 30, 100, 100, 100, 1000, 3000 и 10 000 мкл. Фазовое соотношение образцов допускается для TV-SPME (1-3 мкл), Headspace SPME (10 – 3000 мкл) и Immersion SPME (10 000 мкл). Все образцы были проанализированы в трех размерах, и средняя пиковая площадь была построена по отношению к объему выборки. В целом, объемы образцов, которые позволяли TV-SPME, продемонстрировали большую чувствительность, чем пространство над головой или погружение SPME для GBL в воду, как показано на рисунке 2. Сравнение хроматограмм для каждого метода показано на рисунке 3.
Рисунок 2: График средней площади пика по сравнению с объемом пробы для ГБЛ в воде. Было проведено объемное исследование GBL, чтобы продемонстрировать эффективность TV-SPME по сравнению с SPME пространства над головой и погружением. Образец ГБЛ объемом 100 pmv в воде был подготовлен и помещен во флаконы с объемом 1, 3, 10, 30, 100, 300, 100, 1000, 3000, 3000 и 10000 мкл. Все образцы были проанализированы в трех размерах, а погрешности соответствуют стандартному отклонению среднего значения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Суммарные ионные хроматограммы для ГБЛ в воде. (100 ppm) для 3 мкл (синий), 300 мкл (красный) и 10 000 мкл (зеленый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Реалистичные образцы вина, наполненного эффективной дозой ГОМК и ГБЛ, показаны на рисунке 4 и рисунке 5соответственно. Эти образцы также показывают взаимоконверсия ГБЛ и ГОМК. При правильном выполнении TV-SPME возникает резкий, обильный пик, как показано на рисунке 6. TV-SPME обладает хорошей чувствительностью и поэтому следует использовать правильные концентрации, чтобы не перегружать колонку. При наличии высоких концентраций пиковая асимметрия приведет к тому, как показано на рисунках 5 и 7. В этих случаях разбавление образца или использование разделенной инъекции может улучшить пиковую форму.
Рисунок 4: Реалистичный образец ГОМК в вине с концентрацией 8 мг/мл. Пики: 1) ГБЛ, 2) гексановая кислота-ТМС, 3) ГОМК-ТМС2,4) бензойная кислота-ТМС, 5) октановая кислота-ТМС, 6) глицерин-ТМС3,* обозначает циклический силоксан (волокно/столбчатое кровотечение). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Реалистичный образец ГБЛ в вине с концентрацией 10 мг/мл. Пики: 1) ГБЛ, 2) гексановая кислота-ТМС, 3) силоксан, 4) триметил(2-фенилэтокси) силан, 5) ГОМК-ТМС2. TIC показывает преобразование GBL в GHB. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Общая ионная хроматограмма для ГБЛ в воде с концентрацией 0,1-ppm. Результаты по методу TV-SPME, ранее описанной для ГБЛ в воде. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Общая ионная хроматограмма для ГБЛ в воде с концентрацией 10 ppm. Результаты по методу TV-SPME, ранее описанной для ГБЛ в воде. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
При дериватизации аналитик должен убедиться, что метод позволяет полностью дериватизировать анализируемый (анализы) до десорбции в GC. Частичная дериватизация может привести к пику, представляющему дериватизированный анализируемый, и пику, представляющему недооцененный анализируемый. Частичная дериватизация также приведет к снижению чувствительности для анализируемого, поскольку меньшее его количество может адсорбться на клетчатке.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
TV-SPME имеет некоторые преимущества по сравнению с жидким впрыском GC в том, что большие размеры выборки (например, 100 мкл) могут использоваться без модификации прибора. TV-SPME также имеет некоторые из тех же преимуществ, что и SPME в головном пространстве. SPME headspace не требует какой-либо экстракции или фильтрации, поскольку любые энергонезависимые соединения останутся во флаконе в головном пространстве и не будут адсорбированы на волокно, что даст чистый образец. Этот метод также помогает устранить матричные эффекты из-за того, что это двухфазная система (пространство над головой и волокно), в отличие от трехфазной системы (образец, пространство над головой и волокно), такая как стандартное пространство над головой SPME. TV-SPME похож на погружной SPME в том, что погружной SPME также является двухфазной системой. При погружении SPME волокно погружают в жидкий (обычно водный) образец, содержащий анализируемый, в отличие от извлечения анализируемого вещества из его пара. TV-SPME отличается от погружного SPME тем, что погружной SPME требует полярной/водной матрицы для создания достаточной движущей силы для аналитов, чтобы покинуть фазу раствора и сорбировать волокнистое покрытие. Кроме того, погружной SPME требует гораздо больших объемов образцов (например, мл).
Многие растворители могут использоваться с TV-SPME, включая метанол, ацетон, воду и ацетонитрил. Волокна SPME не следует подвергать воздействию или погружать в хлороформ, так как эти растворители могут повредить покрытие волокна. Было обнаружено, что стеклянные флаконы с винтовой крышкой из винтовой крышки имеют наилучшую производительность с методами TV-SPME. Рекомендуется использовать автопросэмплер с TV-SPME. Хотя многие параметры метода TV-SPME могут быть отрегулированы по желанию, для каждого растворителя необходимо использовать надлежащий объем и температуру экстракции. Объем образца и температура экстракции пропорциональны друг другу и должны быть соответствующим образом отрегулированы. Например, температура экстракции методом может быть снижена, но объем образца также должен быть уменьшен. Этот объем можно найти, настроив уравнение 3.
Могут быть внесены изменения в процедуру дериватизации. Дериватизация может быть выполнена до или после экстракции, при комнатной температуре или нагретой в мешалку, путем воздействия на волокно пара агента дериватизации или путем прямого погружения волокна в агент дериватизации.
Существуют ограничения для метода TV-SPME, включая необходимость того, чтобы соединения были растворимыми, термически стабильными и летучими. TV-SPME требует дорогостоящих волокон SPME, покрытие которых может быть снято или сломано во время анализа. Эти ограничения перевешиваются такими преимуществами, как большие объемы образцов относительно типичных объемов впрыска ГК, высокая чувствительность и отсутствие необходимости в фильтрации. TV-SPME предпочтительнее SPME, потому что большая часть образца извлекается на волокно и матричные эффекты уменьшаются. TV-SPME также предпочтительнее погружного SPME, потому что погружение SPME потребляет гораздо больше выборки, чем TV-SPME. TV-SPME позволяет проводить дериватизацию во время процесса экстракции, что сокращает время анализа по сравнению с такими методами, как инъекция жидкости, которые требуют, чтобы анализируемый инструмент был дериватизирован перед инъекцией. TV-SPME также практически не требует пробоподготовки. TV-SPME прост, эффективен и чувствителен для анализа широкого спектра образцов, включая наркотики, взрывчатые вещества и гоночное топливо.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано Национальным институтом юстиции (премия No 2015-DN-BX-K058 и 2018-75-CX-0035). Мнения, выводы и выводы, выраженные здесь, являются мнениями автора и не обязательно отражают мнения финансирующих организаций.
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 | |
 -Butyrolactone (GBL) |
Sigma-Aldrich | B103608-26G | |
| -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 |
References
- Pawliszyn, J. B. Method and Device for Solid Phase Microextraction and Desorption. United States patent. , (2005).
- Pawliszyn, J. Solid phase microextraction: theory and practice. , John Wiley & Sons. (1997).
- 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).
- Sinnott, R. Chemical Engineering Design: Chemical Engineering. 6, Elsevier. (2005).
- 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).
- Ash, J., Hickey, L., Goodpaster, J. Formation and identification of novel derivatives of primary amine and zwitterionic drugs. Forensic Chemistry. 10, 37-47 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
