Połączenie chromatografii gazowej ze spektrometrią mas (GC-MS)

Sprzężenie chromatografii gazowej ze spektrometrią mas jest jedną z podstawowych technik analitycznych w analizie żywności. Polega ono na połączeniu

chromatografu gazowego ze spektrometrem mas. Jest wykorzystywana głównie do identyfikacji składników mieszanin związków organicznych, ale także może być stosowana do analiz ilościowych. Oznaczanie ilościowe metodą GC-MS stosuje się, gdy badana mieszanina składa się z wielu składników, a stężenie oznaczanego składnika jest niewielkie. Analiza takiej mieszaniny z wykorzystaniem chromatografii gazowej nie daje pewności czy dany sygnał odpowiada oznaczanemu związkowi i wtedy niezbędne jest zastosowanie połączenia ze spektrometrem mas. Kolumna chromatografu

134 | S t r o n a

gazowego podłączona jest bezpośrednio do źródła jonów spektrometru mas. Związki organiczne eluują się kolejno z kolumny do źródła jonów, gdzie zachodzi jonizacja.

Zaletą technik sprzężonych jest możliwość jednoczesnego rozdzielenia, jednoznacznej identyfikacji i analizy ilościowej. Ze względu na wysoką czułość detekcji (na poziomie 10^-9 - 10^-12 g), spektrometr mas pozwala na efektywną analizę śladowych ilości związków występujących w skomplikowanych matrycach naturalnych. Chromatograf gazowy stanowi układ wprowadzania próbki, a spektrometr mas pełni rolę detektora nieselektywnego rejestrując całkowity prąd jonowy w czasie, TIC (Total Ion

Current) lub detektora selektywnego - rejestrując wybrane jony, SIM (Selective Ion

Monitoring).

Każdy spektrometr mas składa się z następujących elementów (Rys. 65):  układu wprowadzenia próbki,

 źródła jonów,  analizatora,  detektora,  rejestratora.

Rys. 65. Zestaw GC-MS: 1 - zbiornik gazu nośnego, 2 - regulator przepływu gazu, 3 - dozownik, 4 -

kolumna, 5 - piec chromatograficzny, 6 - linia transferowa, 7 - źródło jonów, 8 - analizator (kwadrupol), 9 - detektor, 10 - rejestrator (komputer)

Eluat w fazie gazowej, z kolumny chromatograficznej trafia do komory jonizacyjnej. Najczęściej stosowaną metodą wytwarzania jonów jest jonizacja

elektronami, EI (Electron Ionization). Elektrony bombardują cząsteczkę, prowadząc do utraty przez nią elektronu i powstania jonu molekularnego, który jest

135 | S t r o n a

ulega dalszej fragmentacji. Powstałe jony są kierowane do analizatora, gdzie następuje rozdzielenie mieszaniny jonów w zależności od wartości masy do ładunku (m/z). Rozdzielone jony są wykrywane i mierzone ilościowo w detektorze. Identyfikację przeprowadza się na podstawie widm mas, które są charakterystyczne i niepowtarzalne dla danej substancji.

Układ wprowadzania próbki. Próbki jednorodne chemicznie wprowadza się

bezpośrednio do spektrometru mas. Próbki będące ciałami stałymi wprowadza się

bezpośrednio za pomocą sondy, która przechodzi przez próżniową śluzę. Próżnia w śluzie jest wytwarzana przez olejową pompę rotacyjną. Zastosowanie śluzy jest

konieczne, ponieważ w źródle jonów panuje wysoka próżnia (10-6

mm Hg), wytwarzana przez pompę dyfuzyjną lub turbomolekularną. Ze względu na wysoką próżnię oraz ogrzewanie sondy możliwe jest wykonanie analiz dość trudno lotnych związków

organicznych. Niewielką ilości próbki (około 10-6 g) rozpuszcza się w rozpuszczalniku i wprowadza mikrostrzykawką do tygielka znajdującego się na końcu sondy. Do lotnych

próbek (cieczy) stosuje się wprowadzenia składające się z komory, do której wstrzykuje się próbkę oraz zaworu dozującego próbkę do przyrządu. Próbki niejednorodnie chemicznie i mieszaniny związków organicznych wprowadza się przez chromatograf gazowy (technika GC-MS).

Źródło jonów. W źródle jonów następuje jonizacja cząsteczek związków chemicznych.

Elektrony emitowane przez katodę, którą jest zwykle żarzące się włókno wolframowe, mają kierunek prostopadły do kierunku przepływu badanej próbki w stanie gazowym. Jonizacja cząsteczek próbki zachodzi w wyniku zderzeń z elektronami. Powstałe jony

dodatnie są następnie odpychane przez dodatnio naładowaną elektrodę odpychającą i po zbliżeniu do elektrody przyciągającej są przyspieszane przechodząc do analizatora.

Najczęściej stosowana jest jonizacja elektronami i jonizacja chemiczna.

Jonizacja elektronami (EI, electron impact) polega na bombardowaniu wiązką elektronów analizowanych cząsteczek znajdujących się w stanie gazowym. Wiązka elektronów jest emitowana z katody wykonanej z trudno topliwych metali - wolframu lub renu. Katoda ogrzewana jest prądowo do temperatury kilku tysięcy stopni. Energię elektronów można zmieniać przez zmianę napięcia między katodą a anodą, do której kierowana jest wiązka elektronów z katody. Zazwyczaj stosuje się standartową energię 70eV. Bombardowanie par cząsteczek substancji organicznej wiązką elektronów

136 | S t r o n a

prowadzi do oderwania elektronów od badanych cząsteczek i w efekcie powoduje powstawanie tzw. jonów molekularnych:

M + e M + 2e

⁺

.

M ⁺

.

_{jon molekularny}

Jony molekularne mogą ulegać dalszemu rozpadowi tworząc jony fragmentacyjne. Jony molekularne mogą rozpaść się na jony parzystoelektronowe i nieparzystoelektronowe:

M

+

. _{A + R}

+

.

A ⁺ jon parzystoelektronowy R

.

rodnik

A + m

0 +

.

M

+

.

^A+

.

_{jon nieparzystoelektronowy} m₀ cząsteczka obojętna

Powstające jony fragmentacyjne mogą także rozpaść się tworząc nowe jony fragmentacyjne: jony nieparzystoelektronowe mogą rozpaść się dwojako, tak jak jony molekularne. Natomiast jony parzystoelektronowe rozpadają się wyłącznie na jony parzystoelektronowe i cząsteczki obojętne:

+

A

⁺

B + m

0

B ⁺ jon parzystoelektronowy

Powstające w źródle jonów jony pod wpływem napięcia przyśpieszającego od 2 do 8 kV kierowane są ze źródła jonów do analizatora.

Jonizacja chemiczna (CI, chemical ionization), w tym procesie w wyniku jonizacji

wiązką elektronów, z gazu reagującego (np. metan) pod ciśnieniem 10-4

mm Hg, powstają jony molekularne CH4⁺·. Na skutek zderzeń powstałych jonów z cząsteczkami gazu reagującego powstają z kolei jony wtórne:

137 | S t r o n a

CH

₄⁺

.

+ CH

₄

CH

_{5 +} ⁺

.CH

₃ CH₄⁺

.

CH₅ CH₃ +

.

jon molekularny jon wtórny rodnik

Reakcja jonów z cząsteczkami obojętnymi jest możliwa ze względu na stosunkowo niższą próżnię (rzędu 10-4 mm Hg), co powoduje duże prawdopodobieństwo zderzeń jonów z cząsteczkami obojętnymi. Jony wtórne gazu reagującego są silnymi kwasami Lewisa, dlatego łatwo oddają proton badanym cząsteczkom:

+

+ M

⁺

MH

₊

CH

₄

CH

₅

MH pozorny jon molekularny ⁺

W wyniku tej reakcji tworzą się pozorne jony molekularne MH+. Jony te ulegają w małym stopniu dalszemu rozpadowi, ponieważ nie mają one dużego nadmiaru energii wewnętrznej. Jony MH+ są z reguły jonami o dużej intensywności (często są jonami podstawowymi), czyli jonami o największej intensywności (o intensywności względnej 100%). Z tego powodu chemiczna jonizacja jest często stosowana do analiz związków, których jony molekularne w przypadku zastosowania jonizacji elektronami, są małej intensywności.

Analizator. W analizatorze zachodzi rozdzielanie jonów na podstawie stosunku ich masy do niesionego ładunku (m/z). Najczęściej stosowanymi analizatorami są: analizator magnetyczny i kwadrupolowy. Podstawową zależność opisującą zachowanie się jonów w analizatorze magnetycznym przedstawia poniższe równanie (Rys. 66):

m

z = ^r

2

2

H

²

V

Rys. 66. Podstawowa zależność opisującą zachowanie się jonów w analizatorze magnetycznym; z - ładunek jonów, r - promień krzywizny toru jonów, V - napięcie przyśpieszające, H - natężenie pola

magnetycznego

Zwiększając natężenie pola magnetycznego (H) w sposób ciągły do detektora dochodzą kolejno jony o wzrastającym stosunku masy do ładunku (m/z). Jest to tzw. przemiatanie polem.

138 | S t r o n a

Trzema podstawowymi cechami analizatorów są: zakres mas, przepuszczalność (transmisja) i zdolność rozdzielcza (rozdzielczość). Zakres mas jest to zakres wartości

m/z, w którym możliwy jest pomiar (w praktyce chodzi o górną granicę mas). Przepuszczalność analizatora jest to stosunek liczby jonów docierających do detektora do liczby jonów wytwarzanych w źródle jonów. Natomiast zdolność rozdzielcza określa zdolność rozróżniania sygnałów pochodzących od dwóch jonów o sąsiadujących wartościach m/z. Rozdzielczość R definiuje się wzorem (Rys. 67):

R= ^M

ⁿ

M

_n

− M

_m

Rys. 67. Rozdzielczość; Mn i M m – masy dwu najbliższych jonów, które można uznać za rozdzielone (Mn> Mm)

Detektor. Najbardziej czułym detektorem stosowanym w spektrometrach mas jest powielacz elektronowy. Zbudowany jest w formie rogu z rury wykonanej ze szkła ołowiowego. Materiał ten posiada dobre właściwości emisji elektronów wtórnych. Jon docierający do anody konwersyjnej powoduje emisję elektronów, a następnie każdy elektron docierający do wewnętrznej powierzchni detektora, powoduje emisję kolejnych elektronów. Następnie, elektrony są przyśpieszane przez pole elektryczne do wnętrza rury i ponownie zderzają się ze ścianką powodując emisję elektronów wtórnych (powielanie kaskadowe w kierunku wnętrza powielacza). Powstający prąd przekazywany jest do elektrometru.

Rejestrator. Komputer, w który wyposażony jest spektrometr mas, rejestruje otrzymywane dane i przedstawia je w postaci widma mas oraz chromatogramu całkowitego prądu jonowego (TIC). Komputer może zawierać bibliotekę widm, gdzie są

zamieszczone widma mas związków. Porównanie otrzymanego widma z widmem z bazy danych komputera ułatwia interpretację otrzymanych wyników.

W dokumencie Analiza żywności (Stron 133-138)