Jelenlegi trendek a GC-MS módszernél, GCxGCxTOF használata

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM SZERVETLEN ÉS ANALITIKAI KÉMIA TANSZÉK Jelenlegi trendek a GC-MS módszernél, GCxGCxTOF használata Az elválasztástechnika korszerű módszerei (BMEVESAM106) Készítették: Steindl Kristóf (GC-MS) Rácz Norbert (GCxGC-TOF) Budapest 2013.

2 Tartalomjegyzék 1. Jelenlegi trendek a GC-MS módszernél A gázkromatográfia, a gázkromatográfiás detektorok alkalmazása A tömegspektrometria és a GC További GC-MS berendezések Összefoglalása GCxGC-TOF használata GCxGC A GCxGC előnyei a GC-vel szemben GCxGC kolonnák Modulátorok TOF A TOF elméleti összefoglalása A GCxGC-TOF kapcsolás Összefoglalás Irodalomjegyzék

3 1. Jelenlegi trendek a GC-MS módszernél 1.1. A gázkromatográfia, gázkromatográfiás detektorok összehasonlítása A gázkromatográfia analitikai célokra történő felhasználása már a XX. század közepétől elindult. A lángionizációs detektor vagy FID (flame ionization detector) detektor alkalmazása lehetővé tette a precíz mennyiségi analízist, akár tized ppm koncentráció szinten is. A FID detektorral néhány kivétellel (hangyasav, formaldehid) szerves vegyületek vizsgálhatóak. A detektor alacsony ára, egyszerűsége, és kitűnő analitikai jellemzői miatt (linearitás akár 7 nagyságrend, érzékenység) a GC-s rutinmérések elengedhetetlen és legnépszerűbb detektorává vált néhány 10 év alatt. Sajnos számos esetben ppt, vagy akár kisebb koncentrációban kell vizsgálni komponenseket mintákban. Az elmúlt évtizedekben rengeteg halogénezett vegyületcsaládról derült ki, hogy környezetszennyező és igen kis mértékben is káros az emberi egészségre. A halogénezett szénhidrogének, melyeket többek között oldószerekként alkalmaztak(nak), az emberi szervezetben felhalmozódik, akkumulálódik, és hosszú távon fejtik ki káros hatásukat. Ezek a hatások születési rendellenességet okozó (teratogén, mutagén), májkárosító és rákkeltő hatások. Ilyen vegyületcsaládok a POP vegyületek (perzisztens szerves szennyező) közül a poliklórozott-bifenilek (PCB), a poliaromás - szénhidrogének (PAH) és még sok más vegyületcsoport. Ezeknek a vegyületeknek a megengedett koncentrációértékei a FID kimutatási határának a közelébe, vagy az alá esnek. Az elektronbefogási detektor vagy ECD (electron capture detector) detektort 1963-ban Lovelock fejlesztette ki. A detektor halogénezett vegyületekre specifikus, kizárólag ezekre ad jelet! A detektor lényege, hogy egy β-ionsugárforrást ( 63 Ni fólia) tartalmaz, ami negatív pólusban van bekötve egy áramkörben és tartalmaz egy kollektor elektródot (pozitív töltés). Alapesetben konstans áram folyik át az áramkörön. Ez az alapionáram lecsökken, ha nagy elektronegativitású anyag kerül az áramkörbe. Tehát ha F, Cl, Br, O kerül a detektorba, akkor ezek elektronokat abszorbeálnak, így ez a csökkenés szolgáltatja az analitikai jelünket (negatív csúcs). A detektor jele nem lineáris, így gondos kalibrációt igényel, de nagy előnye, hogy a polihalogénezett vegyületeket g/mm 3 koncentrációban is tudunk mérni vele. 3

4 Az érzékenység a halogénatomok számával nő, az egyszeresen halogénezett szénhidrogénekre a FID érzékenyebb! A probléma a detektorral, hogy közönséges szénhidrogénekre érzéketlen, és nagytisztaságú, halogénezett szénhidrogénmentes oldószert kell hozzá találni. A fent tárgyalt detektorok egyike sem volt specifikus (igaz az ECD csak a hologénezett vegyületeknél adott jelet), sok vegyületcsoportnál a FID nem volt elég érzékeny, az ECD pedig csak néhány vegyületcsoportot lát A tömegspektrometria és a GC A tömegspektrometria (MS Mass Spectrometry) a GC-től függetlenül kezdett el fejlődni. A tömegspektrometria kapcsolása a gázkromatográfiával a vékonyfilmes, kapilláris kolonnák kifejlesztésével (fused silica column) vált igazán hatékonnyá, hiszen így a hatalmas nyomásesés nem okozott nagy problémát. Az MS detektor analitikai jellemzői kiemelkedőek. Akár halogénezett szénhidrogének vizsgálatánál, ez ECD-vel összehasonlítva is jobb kimutatási határt érhetünk el vele 1, a FID detektornál pedig jelentősen érzékenyebb. Az egyik legegyszerűbb tömegspektrométer a kvadrupól tömeganalizátor, amit legtöbbször electron ionizációs (EI), kémiai ionizációs (CI) ionforrással és elektronsokszorozó detektorral használnak. Az EI-vel 1000 Da-ig vagyunk képesek anyagokat mérni így teljesen kompatibilis a GC-vel, mivel max. 600 Da-ig. 600 Da fölött már nem párologtathatóak el a molekulák 300 C alatt, ami a rutin GC-s mérések felső határa, ugyanis jóval 300 C feletti hőmérsékletet a legtöbb állófázis nem bír ki (főleg a poliglikolok érzékenyek a hőmérsékletre). Ettől függetlenül léteznek olyan short kolonnás megoldások, ahol 400 C feletti hőmérséklettel párologtatjuk el a hőstabil anyagunkat (pl alkánok), amit speciális állófázissal ellátott kolonnán mérünk le. Így akár Da-os anyagokat is képesek vagyunk GC-vel meghatározni. A kvadrupól analizátor lényege, hogy egy változtatható elektromos térbe kerül a mintánk EI ionforrásból egy koherens ionnyaláb formájában (1. ábra). Itt a kvadrupól rudakra egy bizonyos V és V 0 feszültséget adva csak egy bizonyos tömegű (m/z-jű) ion képes átjutni az analizátoron, hogy aztán az elektronsokszorozóba csapódva ott jelet adjon (M1). A többi ion a kvadrupól rudakba csapódik, így nem szolgáltat jelet. Ezután egy másik V, V 0 beállítással egy másik ion intenzitását vizsgáljuk (az intenzitás arányos a koncentrációval). Így akár az egész m/z tartományt vizsgálni tudjuk, ezt nevezzük SCAN üzemmódnak. Ekkor 4

5 felvesszük a minta tömegspektrumát, aminek a segítségével szerkezeti információkhoz is juthatunk. Ha nem vesszük fel az egész tömegspektrumot, hanem csak néhány beállítással dolgozunk, tehát csak néhány m/z-jű iont figyelünk, akkor SIM (Selected Ion Mode) beállításról beszélünk. Ekkor, ha egy intenzív ion figyelünk, akkor az intenzitásunk sokkal nagyobb lesz, viszont elveszik a szerkezeti információnk, hiszen nem veszünk fel tömegspektrumot. Természetesen (közel) biztosnak kell lennünk, hogy a feltételezett molekulának vizsgáljuk a jelét, tehát célszerű néhány jellegzetes, csak arra a molekulára jellemző fragmens iont is vizsgálni. 1. ábra Kvadrupol tömeganalizátor sematikus képe 2. ábra Kvadrupol tömeganalizátor metszete A kvadrupol analizátor viszonylag kis méretű: néhány 10 cm hosszúságú maximum. Ez azon kívül, hogy kis helyen is elfér, több előnnyel is jár. A kis távolság miatt az ionátviteli hatásfok - a transzmisszió - kedvező: 70-80%, ami az érzékenységre van kedvező hatással. A kis távolság miatt elegendő a kpa nyomás az analizátorban, mert még ekkora nyomásnál is nagyobb lesz a szabad úthossza az ionoknak, mint a távolság, amit meg kell 5

6 tenniük a kvadrupól analizárorban. Sőt extrém esetben akár néhány Pa-os nyomással is működtethetjuk a kvadrupól analizátort! A kvadrupol analizátoros MS kis felbontással rendelkezik (max. R = 1000), viszont a fent részletezett okok miatt érzékeny, pg-ot tudunk vele mérni. Egy komplett kvadrupolos MS készülékhez akár 20 M forintért is hozzájuthatunk, ami nem olyan nagy összeg összehasonlítva a többi analitikai műszerrel. Mindezek fényében nem meglepő, hogy a tömegspektrometria, manapság nem csak a gázkromatográfiában, de a HPLC-ben, az elemanalízisben (ICP), de még a termikus módszereknél is egyre nagyobb hangsúlyt kap. A GC-ben a kvadrupolos MS a FID detektort nem tudja kiszorítani, hiszen olcsósága és kitűnő analitikai paraméterei a rutinméréseknél elengedhetetlenné teszik. Viszont a nyomelemzéseknél, ahol érzékenyebb módszerre van szükség, mint a FID, ott gyakorlatilag feleslegessé teszi ez ECD detektor alkalmazását. Az elektronsokszorozó (3. ábra) sok, egyre növekvő pozitív potenciálú fémlemezből, ún. dinódából áll. Működésének alapja az, hogy ha nagysebességű elektronok vagy más részecskék ütköznek megfelelő anyagú fémlemezbe, a fémlemezből elektronok (ún. szekunder elektronok) lépnek ki a növekvő potenciál irányába. A szekunder elektronok száma függ az elektród anyagától, a sokszorozó teljes erősítése pedig egy dinóda sokszorozásának a dinódák számán vett hatványa. Ha egy dinódán tíz szekunder elektron képződik, 6 7 dinódával szeres erősítést lehet elérni. Az eszközt tömegspektrométeres detektorként alkalmazva problémát jelenthet az, hogy az első dinódába nem elektronok, hanem ionok csapódnak be, így az könnyen elszennyeződhet. Ezért a detektort gyakran úgy alakítják ki, hogy az első (ún. konverziós) dinóda cserélhető legyen. 3. ábra Elektronsokszorozó sematikus ábrája 6

7 1.3. További GC-MS berendezések A GC-MS berendezések nem merülnek ki a kvadrupol analizátoros tömegspektrométerekben. A fent említett, halogénezett szerves vegyületcsaládoknál is felmerült az igény az extra kicsi koncentrációk mérésére, tehát az érzékenység javítása. Erre több megoldás is létezik. A tandem tömegspektrometria lényege, hogy nem csak egyetlen analizátort talmalmaz az MS, hanem legalább kettőt, de akár többet is. Ilyen megoldások többek között két Time of Flight (TOF) egymás után kapcsolása, ioncsapdák egymás után kapcsolása, vagy kettős fókuszálású szektor típusú analizátorok. Ezek jelentősen különböznek a kvadrupol analizátoroktól mind méretben, mind működési elvüket tekintve, viszont az ionforrás legtöbbször (gázkromatográfiával kapcsolt módszerről lévén szó) EI ionforrás. A szektor típusú analizátorok 2 analizátor egységet tartalmaznak: egy mágneses analizátort és egy elektrosztatikus analizátort. A mágneses analizátorral ellátott készülékekben előbb egy nagyfeszültségű elektromos térrel gyorsítják az ionokat, majd a gyorsítás hatására létrejövő sebességet vizsgálják egy mágneses tér változtatásával. Ha az ionok a mágneses indukció B vektorára merőlegesen lépnek be a térbe, körpályán mozognak, s egy beállított B egy adott m/z aránnyal jellemzett iont juttat a detektor kilépőrésére. U feszültség hatására elvileg az összes ion kinetikus energiája megegyezik a kezdeti potenciális energiával: 1 2 mv 2 zeu, átrendezve v-re: v zeu 2 m Bejutva az analizátorba, ahol az ionok sebessége, pont merőleges a B vektorra, a következő erő hat rájuk: F ze( v B) Az F erő körpályára kényszeríti az iont, aminek az ellenereje a centripetális erő. A két erő nagysága megyegyezik: = 7

8 Ebbe az egyenletbe helyettesítve a v-re a 2zeU m kifejezést, és m/z-re rendezve kapjuk: m z 2 2 B er 2U Az r érték fix (az analizátor sugara), tehát a B és az U értékek fogják megszabni, hogy melyik m/z ion haladjon át az analizátoron. A levezetett egyenleteknél feltételeztük, hogy az összes ion pontosan ugyanannyi kinetikus (potenciális) energiával rendelkezik, tehát a sebességük azonos, illetve az irányuk is azonos. A valóságban ez nem így van, az irányból adódó különbséget a mágneses analizátor kiküszöböli, fókuszálja az eltérő ionnyalábokat (szögfókuszálás, lásd 4 ábra). 4. ábra Fordított geometriájú, kettős fókuszálású szektor analizátor vázlatos rajza Ha a kinetikus energiájuk nem egyeznek meg az ionoknak, az analizátorral beállított m/z-jű ionok mellett könnyebb (nagyobb sebességű) és nehezebb (kisebb sebességű) ionokat is detektálni fogunk. Ezt kiküszöbölendő egy un. elektrosztatikus analizátort helyezünk a mágneses analizátor elé, vagy mögé. Az elektrosztatikus analizátorban az ionok körpályája nem függ a tömegüktől és a töltésüktől, csak az elektrosztatikus tértől és az ionok energiájától, tehát energiafókuszálást végzünk. Ha az elektrosztatikus analizátor megelőzi a mágneses analizátort, egyenes geometriájú berendezésről beszélünk, ha a mágneses analizátor 8

9 előzi meg az elektrosztatikus analizátort, akkor fordított geometriájú berendezésekről beszélünk (4. ábra). A szektor típusú analizátor a nagy mágnesek miatt több tonnát is nyomhat. A tömegspektrométereknél megszokott nagyvákuumot itt is alkalmazni kell, sőt, a kvadrupol analizátorhoz képest nagyobb vákuumra (tehát kisebb nyomásra) van szükség. Erre az ionoknak által megtett hosszabb út miatt van szükség. Másrészt az elektrosztatikus analizátor a nagyvákuum nélkül spontán kisüléseket produkálna a nagy térerősség miatt. Ezek a szempontok drágává teszik a készüléket, és a működtetését, mégis van rá piaci igény. Az előnye a szektor típusú készüléknek, hogy a két analizátornak köszönhetően olyan felbontással dolgozhatunk, amellyel a tömegmérés 4 tizedes jegyig lehetséges. Általánosan a felbontás javítása az érzékenység rovására szokott menni, mivel minél kisebb az a tömegtartomány, amit vizsgálunk, annál kevesebb ion jut át az analizátoron, hogy aztán a detektorba csapódva ott jelet adjon. Mégis itt a nagy felbontás teszi lehetővé az érzékeny kvantitatív mérést. 4 tizedes jegy pontosságú tömeghez ugyanis csak egyetlen sztöchiometria tartozik, tehát ha akármilyen kis jelet is mérek, biztos lehetek benne, hogy a kérdéses vegyületről van szó. Gyakorlatilag a mérés érzékenysége a kvázi nulla zajszintből ered. A méréseket úgy végzik, hogy előre tudják, hogy a vizsgált vegyületek hány percnél jönnek le a GC kolonnáról, így annál az időnél csak a vegyületre jellemző m/z-ket (molekulaiont és/vagy jellemző fragmenseket) vizsgálnak. Egy intenzív m/z-ből (quantifier) állapítjuk meg standardok segítségével a minta mennyiségét. Egy másik m/z-t is figyelünk (qualifier), hogy biztosak legyünk, hogy a kérdéses vegyületről van-e szó. Egy másik tandem MS megoldás a GC/MS/MS vagy triple-quadrupol rendszer, QqQ rendszer (5. ábra). Itt a Q jelképezi az analizátort, a q pedig az ütközési cellát. A triple-quadot - mint a többi tandem MS berendezést is - a plussz szerkezeti információ nyerése, vagy pedig az érzékenység növelése miatt használják. A két analizátor működése szempontjából többféle módban mérhetünk a készülékkel. 9

10 5. ábra Triple quadrupol MS rendszer sematikus rajza Product ion scan: Itt az első kvadrupollal kiválasztunk egy fragmenst, majd az ütközési cellában a fragmens tovább fragmentálódik, és a második analizátorban SCAN módban vizsgáljuk a fragmenseket. Precursor ion scan: Pont fordítva, mint a product ion scannél, itt a Q 3 -al figyelünk egy konkrét m/z-t, és a Q 1 -el pásztázunk. Neutral loss scan: Q 1 és Q 3 együtt pásztáz, méghozzá egy bizonyos fix tömeg különbséggel. Tehát ezzel a mód egy bizonyos semleges fragmens (molekula) elvesztését tudjuk nyomon követni. A negyedik mód a Multiple Reaction Monitoring mód (MRM),. Ez a beállítás gyakorlatilag egy kétszeres SIM-nek felel meg. Tehát mind a Q 1, mind a Q 3 egy konkrét (vagy esetleg néhány) m/z-re van beállítva, így nagy érzékenység érhető el. A Q 1 -el kiválasztott fragmenst anyaionnak, a Q 3 -al kiválasztott ion fragmens ionnak nevezzük. Az ionizáció lehet EI, de a nagyon gyakran alkalmaznak a fragmentáció elkerülése miatt kémiai ionizációt (CI chemical ionization). A második kvadrupolban (q 2 ) általában inert gázt, például argont vezetnek be. MRM módszerrel találkozhatunk igazságügyi vizsgálatoknál is 2,3, ahol például emberi haj különböző extrakciós, SPME-s mintaelőkészítés után kapott mintát vizsgáljuk. Ellentétben például egy vérből vett mintára, ahol maximum néhány napos intervallumról kapunk információt, addig a hajból vett mintákból a hosszútávú expozícióra következtethetünk. Míg a vérben relatív nagy koncentrációban előfordulhatnak az anyagok, addig a hajban precíz és hatékony mintaelőkészítés után kell mérni nyomnyi mennyiségeket (trace analysis). A sokszor emlegetett halogénezett szerves vegyületek meghatározására is alkalmas a módszer, akár ppt szinten kimutatható a brómozott égéstermékek halakból 4. Az előnye az MRM-nek a nagy 10

11 érzékenység, és szemben például a szektor típusú készülékkel, sokkal olcsóbb, nem foglal olyan sok helyet. A triple quadrupole készüléknél szokták még a 3. kvadrupol egységet ioncsapdának használni (Q-trap). Az analizátort úgy képzelhetjük el, mintha egy hiperbolikus rudakból álló kvadrupól tömegszűrőből két végét összekötve gyűrűt képeznénk (5. ábra). Eredményül három elektródot kapunk, egy gyűrű alakút (balra és jobbra egyköpenyű forgási hiperboloid) és két másik elektródot (fent és lent kétköpenyű forgási hiperboloid). E levezetésből következik, hogy bizonyos beállítások mellett egyes ionok periodikus pályákra állíthatók az ioncsapda belsejében, és ott hosszabb-rövidebb ideig tárolhatók. A gyakorlatban a két fedő-elektródot földpotenciálon tartják, és a gyűrű-elektródra kapcsolnak rádiófrekvenciás feszültséget. Az ionok hűtése végett mintegy 10 3 mbar nyomású He gázt vezetnek az analizátorba. Az ioncsapdákat legegyszerűbb esetben úgy alkalmazzák, hogy az összes iont csapdázzák, majd növekvő m/z arány szerint engedik ki az ionokat. Speciális méréstechnikai megoldásokat is alkalmazhatunk. Az ionok energiája szabályozott körülmények között növelhető, s a He atomokkal való ütközések így disszociációhoz vezethetnek. Ily módon lehetőség van a fragmentációs folyamatok részletes vizsgálatára. Ez a módszer inkább folyadékkromatográfiában jellemző, így részletesebben nem tárgyalom. A legjobb analitikai paraméterekkel jellemezhető analizátor a FT-ICR MS (fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer), igaz, ez nem tandem MS készülék, de mind árban, mind a kiváló analitikai jellemzőiben jobban hasonlít rájuk, mint az egyszerű analizátorokra. Az ionokat először csapdázzuk az ún. Penning csapdában, ami egy mágneses tér elektromos csapdázó tányérokkal (6. ábra). 11

12 6. ábra Az FT-ICR sematikus rajza Itt gerjesztjük az ionokat a mágneses térre merőleges, oszcilláló elektromos térrel, aminek hatására egy nagyobb (cyclotron) sugárú körpályán fognak mozogni. Miután kikapcsoltuk a gerjesztő elektromos teret, az ionok a saját cyclotron frekvenciájukon kezdenek el mozogni. Ez a mozgás a detektor elektródokon áramot indukál. Az így kapott jel (áram nagysága az idő függvényében) az interferogram (vagy free induction decay - FID), mely a különböző frekvenciával körmozgást végző ionok által indukált áramok szuperpozíciója. Ebből az FT-IR-nél, vagy az NMR-nél is jól ismert interferogramból aztán a Fourier transzformációval kapjuk a tömegspektrumot. Az FT-ICR MS egyrészt érzékenyebb, mint a többi MS módszer, hiszen itt nem csak egy kis hányadát mérjük az m/z-knek, hanem az egészet mérjük egyszerre. A nagy felbontást (akár ) a rendkívül stabil mágneses térnek köszönheti a módszer Összefoglalás A GC-MS módszer térnyerését a kis molekula tömegű anyagok (<500 Da) analitikájában viszonylag könnyű megérteni. A GC, mint elválasztási művelet komplex minták vizsgálatát teszi lehetővé, kiváló hatékonysággal, viszonylag egyszerű konstrukcióval és olcsón. A GC-s detektorok analitikai paraméterei is jónak számítanak: rutinmérésekkel sok vegyületet tudunk vizsgálni ppm szinten, vagy akár alatta FID-del, ppb szinten ECD detektorral. 12

13 Sem a FID, sem az ECD nem szolgáltat a molekula szerkezetére vonatkozó információt, a minőségre csak a kromatogram retenciós idejéből következtethetünk. Erre a hiányosságra a tömegspektrometria, mint detektálási mód alkalmazása a megoldás a gázkromatográfiában. Az MS detektorok általában többe is kerülnek, mint a többi detektor, többek között a nagyvákuum előállítására szolgáló egység (általában turbomolekuláris szivattyú, vagy diffúziós szivattyú). Cserébe érzékenyebb detektorért (kimutatási határ) és a szerkezeti információért. A legegyszerűbb és talán a legelterjedtebb MS készülék a kvadrupolos analizátor. Előnye a kis mérete és a viszonylagos olcsósága. Ezzel már végezhetünk szerkezetmeghatározást (EI tömegspektrum), de csak egységnyi a felbontása, viszont már ez a detektor típus is érzékenyebb, mint a FID. Ha érzékenyebb detektorra van szükségünk, akkor több elven működő MS analizátor közül is választhatunk, például a FT-ICR MS, vagy tandem MS készülékek: MS/MS, Q-Trap, kettős fókuszálású szektor analizátor. Ezek mind többe kerülnek egy sima kvadrupole-nál, gyakran a működtetésük is sokba kerül, vagy nagy helyet foglalnak el. A fent említett komolyabb detektorokkal nem csak az érzékenységet tudjuk növelni, hanem a pontos, akár 4 tizedes jegy pontosságú tömegmérést, ami egyedülálló szelektivitást biztosít a mérések során. Ezen kívül még lehetőség nyílik vizsgálni különböző fragmentációs folyamatokat is (MS/MS MRM, Neutral loss scan). Összefoglalva a különböző, GC-vel kapcsolható MS módszereket az alábbi táblázat mutatja. Mágneses Szektor Kvadrupól Ioncsapda FT ICR TOF Felbontás Tömegtartomány , >10 4 >10 5 Hatékonyság <1% 1 95% <1 95% 1 95% 1 100% Sebesség 0,1 20 Hz 1 20 Hz 1 30 Hz 0, Hz Hz Alkalmazható ionforrás folytonos folytonos impulzus v. folytonos impulzus v. folytonos impulzus v. folytonos 13

14 Ár közepes magas viszonylag alacsony alacsony közepes közepes magas közepes magas Méret szoba asztali asztali szoba asztali 2. A GCxGC-TOF használata 2.1. GCxGC A GCxGC előnyei a GC-vel szemben Az 1D-s elválasztás hátrányait küszöböli ki ez a berendezés, mivel ennél limitált az elválasztható komponensek száma, komponens elemzésénél már problémákba ütközünk a kromatogramok elemzése során (pl.: petrolkémiai elemzések, PCB elemzések, ízek meghatározása (kávénál kb. 700 különböző), komplex mátrixokban komponens meghatározások stb.). Ezek az elválasztások megvalósíthatóak a minta dimenziócsökkentésével (minta -szeparálás) vagy az elválasztási rendszer dimenziójának növelésével. Két különböző módszer alakult ki az egyik a konvencionális multidimenziós 2D GC, aminél egy háromállású csap segítségével lehet a mintát az első detektorra vagy a második kolonnára küldeni. Ezzel egy csúcsot tudunk jobban felbontani. Előnye, hogy egyszerű kromatogramokat kapunk, amiket könnyebb elemezni, értékelni. A másik módszer az átfogó 2D GC, ahol egy modulátor segítségével juttatjuk a mintát az első kolonnáról a másodikra (a második egy HR-GC) (6. ábra). Mivel ez egy automata rendszer, ezért az összes csúcs fel lesz bontva, ezáltal egy 2 dimenziós adatsort kapva (3. dimenzió a csúcsok nagysága) (7. ábra) 7. Előnye, hogy a csúcskapacitás megnövekszik (a két kolonna elméleti csúcskapacitásának szorzata). 14

15 7. ábra A GCxGC kapcsolás 8 8. ábra A konvencionális és átfogó 2D GC sematikus felépítése és a kromatogramok képei 7 A valóságban a következő ábrák mutatják be a nyerhető kromatogramokat. Mint látható: sokkal nehezebb egy ilyen spektrumsorozatot értékelni, mint egy egydimenziós GC-s kromatogramot értékelni. A 8. ábrán jól látható, hogy az első kolonna sokkal szélesebb csúcsokat ad, mint a második (GC HR-GC. A 9. és 10. ábrán egy GC-MS-sel és egy GCxGC-MS-sel felvett kromatogramot mutatok be ugyanarról a mintáról. Itt látszik az, hogy minőségileg sokkal több információval szolgál a 2D-s spektrumsorozat. Hátrány viszont, 15

16 hogy mennyiségi analízist egyáltalán nem, vagy csak nagyon nehezen lehet elvégezni. Ezt eddig még nem sikerült megvalósítani az időben változó veszteség (két ciklus van a két kolonna között: gyűjtési és adagolási) miatt. 9. ábra GCxGC kromatogram szoftver segítségével 3D-ban megjelenítve (gázolaj mintát mérve) ábra GC-MS kromatogram (anyagcserefolyamatokat mérve emberi leheletből) 9 16

17 11. ábra GC-MS kromatogram (anyagcserefolyamatokat mérve emberi leheletből) GCxGC kolonnák A GCxGC során két elválasztó rendszeren megy keresztül a minta. Hatékony elválasztást csak akkor tudunk biztosítani, ha a második kolonna egy HR-GC, illetve más a polaritással az rendelkezik, mint az első oszlop (dimenziónövelés). (Hasonlóan az UPLC-hez) Itt kisebb a mérési idő, keskenyebb csúcsok jellemzik a kromatogramokat, a GC-hez képest. Ezt a jó felbontást kis filmvastagsággal (0,1 μm) és kis kolonna átmérővel (0,1 mm) érik el (az oszlop is rövidebb, 10 m). A következő ábrán jól látszik a 2 technika közötti különbség, melyeknél az összehasonlítás szemléletesebbé tevéséért ugyanolyan filmet és mozgófázist használtak alkalmaztak FID detektorral. 17

18 12. ábra GC és HR-GC kromatogramok és mérési paraméterek (kőolaj szénhidrogénjeinek mérése) Modulátorok a. Termikus moduláció Az egyik fajta modulálás a termikus moduláció, ami egy csapdázási és egy deszorpciós szakaszból áll. Az egyik fontos modulátorfajta a kriogén modulátor (pl: Dual-Jet LCO 2 és a Quad-Jet LN 2 ) (12. ábra), amelynél a csapdázást hűtéssel valósítják meg (kb C), majd egy termikus felfűtéssel impulzusszerűen elpárologtatják a mintát. Előnye, hogy gyorsan elpárologtatja a mintát (akár 30 msec-os sebességet el lehet érni vele). A kriogén csapdázásoknál nincs feltétlenül szükség egy plusz összekötő csőre a két kolonna között, az LMCS (longitudinális modulációs kriogén rendszer) a folyékony CO 2 vagy N 2 spray 18

19 (elpárologtatott alacsony hőmérsékletű gázzal fújják a könnyebb szabályozás érdekében) előre-hátramozgatásával a 2. kolonna elejénél teremti meg a modulációt (magas hőmérsékletű kolonnánál) (13. ábra). Az LMCS előnyei, hogy a moduláció frekvenciája állítható 2-9 másodperc között, az összes komponens átjut az első kolonnából a második kolonnáig, de az illékony komponensek problémát okozhatnak. 11, ábra Kriogén Dual-jet moduláció ábra LMCS moduláció 11 A másik termikus modulációs lehetőség a fűtés segítségével megvalósított csapdázás. Itt egy modulátor csőben lévő vékony filmrétegben csapdázzák az első kolonnáról lejövő 19

20 komponenseket, majd lokális hőmérsékletemeléssel hirtelen elpárologtatják azokat, átjuttatva a második kolonnára. Két elpárologtatási mechanizmust különböztetünk meg, az egyik egy forró pulzálás segítségével deszorbeálja a mintát (Liu and Phillips, 1991), a másik egy forgó fűtőrendszert alkalmaz az egyenletesebb, szabályozhatóbb elpárologtatás miatt (sweeper) 11 (14. ábra). 15. ábra Sweeper moduláció 11 Ezek hátránya, hogy lassabb a modulálás a csapdázás holtideje miatt, valamint a nagyobb forrpontú komponenseknek megnő a csúcsszélessége (lassabban párolognak el, rosszabb esetben nem tudnak elpárologni csak megszabott illékonyságú komponenseket tudunk mérni). 11 b. Áramlásos moduláció Az áramlásos moduláció előnye a termikussal szemben, hogy sokkal olcsóbb a kivitelezés és az üzemeltetés is, viszont MS-nél nem alkalmazható, mivel a vákuumrendszer nem bírja el a nagy térfogatáramot. A Valve System áramlási rendszereknél egyik kolonnából a másikba egy általában 4- vagy 6-lyukú membránon keresztül áramlik a minta. A dugószerű injektálást a 2. kolonnára egyszerűen az áramlás gyorsításával (általában 20 -szoros sebességkülönbség) oldják meg. Az idő 80%-ban összegyűjti a mintát 20%-ban pedig injektál a 2. kolonnára (HR- GC). Ehhez a modulátorhoz sokszor kapcsolnak még egy GC kolonnát (GCx2GC), hogy az ortogonalitást jobban növeljék. A legnagyobb probléma ennél a modulációnál a hőmérséklet, nem lehet 200 C fölé menni, így a SVOC vegyületek kimutatási határa sokkal magasabb. 6 Egy egyszerű sematikus ábra (15., 16. ábra) segítségével bemutatom a működését. Az injektorból 1 ml/perc sebességgel áramlik az eluens, injektáljuk a mintát, ekkor a Valve Controller meghatározott frekvenciával állítja a szelepeket Bypass (80%) állásból és Inject állásba (20%). Egy Make -up gáz segítségével a 2. kolonnára injektáljuk a mintát (immár a 20

21 megnövelt 20 ml/perces sebességgel). Itt is alkalmazhatunk splitet (feldúsúlás elkerülése miatt). A HR-GC után kapcsoljuk a detektort, amivel a 2D-s (3D) kromatogramot nyerjük. 16. ábra A Valve System moduláció sematikus ábrája ábra A Valve System moduláció négyágú csapjának sematikus rajza 13 A másik egyre inkább elterjedt áramlásos moduláció a Capillary Flow Technology modulátor (17. ábra). Itt háromágú csapokat használnak, valamint egy kapillárist, ahol a mintát gyűjtik össze. Töltődés során a Make-up gáz öblíti a 2. kolonnát (Fast GC), az első kolonnáról pedig a Collection Channelbe (kapilláris) jut a minta. Az injektálás során a Makeup gáz beviszi a mintát a HR-GC-be, míg az első kolonnáról lejövő áram a hulladék lesz. Ezeket a gyors váltásokat egy szabályzó segítségével viszik véghez. 8 21

22 18. ábra A töltődési ciklus sematikus ábrája ábra Az injektálási ciklus sematikus ábrája 8 22

23 2.2. TOF A TOF elméleti összefoglalása A TOF (Time of Flight, repülési idő) analizátor elválasztóképessége az ionok tömegeltérés miatti sebességkülönbségen alapszik. (1 5. ábra) Egy gyorsító feszültség segítségével a vákuumban elválasztódnak az ionok. A hátránya, hogy az ionok energiaszórása miatt kicsi a felbontás. Ez az ionképződés helyének szórása miatt és a sebességeloszlás miatt jön létre. Ezek kiküszöbölésére különböző módszerek alakultak ki: iontükör, lassított extrakció, valamint TOFxTOF kapcsolás. Az iontükörnél egy az ionhoz hasonló töltésű (pozitív) elektródhoz közelítenek, majd visszapattannak az ionok. A lassított extrakciónál a potenciálok kiegyenlítődnek, így csökkentve a sebességeloszlást. 14 A GCxGC után nem lehet kvadrupólt kapcsolni, mivel az nem elég gyors analizátor, így az ionos fragmenseink nagyrésze elveszne. 20. ábra A TOF sematikus ábrája 15 23

24 21. ábra Az iontükrös (bal oldal) és a lassított extrakciós (jobb oldal) megoldás A GCxGC-TOF kapcsolás A két módszer összekötésével lehetőségünk nyílik egy nagy tömegtartományban mérő, közepes felbontású tömegspektrométer segítségével sok-komponensű mátrixok mérésére. Ezzel a technikával kiküszöbölhetjük a mintaelőkészítési hibákat, a mintavesztést. Fontos felhasználási köre a peszticidek meghatározása, PAH-ok meghatározása. A Leco által gyártott készülék egy EI ionizálóval, iontükrös TOF-fal kapcsolt GCxGC, termikus modulációval. A kriogén csapdázással minden komponenst bejuttat a spektrométerbe, viszont a kis molekulatömegű komponensek detektálása problémát jelenthet. 24

25 22. ábra Leco Pegasus 4D GCxGC-TOF Összefoglalás A GCxGC-TOF a 2D-s elválasztás előnyeit kombinálja a MS előnyeivel. A technika pozitívuma, hogy érzékenyebb, jobb felbontást, nagyobb kapacitást tudunk vele elérni, így egy nagy mintaszámú mátrixban is tudunk mérni. Az analízisekkel nyerhető információk sokkalta többet mondóak, mint egy átlagos GC-MS vagy egy GCxGC-FID elválasztással kinyert adatsor. Hátránya, hogy speciális szoftverekkel és nagy szakértelemmel fejthetők meg a spektrumsorozatok, valamint mennyiségi meghatározásokra nem alkalmazhatjuk. Továbbá ez a konstrukció sokkalta drágább mind üzemeltetés terén (elsősorban a folyékony nitrogén teszi drágává), mind berendezés terén. 25

26 3. Irodalomjegyzék: 1. Comparison of gas chromatography detection limits and relative responses of common alternative fluorocarbons using electron capture, atomic emission, and mass spectrometry detection 2. Bayeriches Landeskriminalament, Maillingestr. Determination of drugs in hair using GC/MS/MS, Forensic Science International 84 (1997) Ronald Agius, Thomas Nadulski, Hans-Gerhard Kahl Validation of a headspace solidphase microextraction-gc-ms/ms for determination of ethyl glucuronride in hair according to forensic quidelines,, Forensic Science International Volume 196, Issues 1-3, Pages Kamila Kalachova, Tomas Cajka, Chris Sandy, Jana Hajslova, Jana Pulkrabova High throughput sample preparation in combination with gaschromatography coupled to triple quadrupole tandem mass spectrometry (GC-MS/MS): A smart procedure for (ultra)trace analysis of brominated flame retardants in fish, Talanta, Volume 105, Paeges (2013) 5. Balla József: A gázkromatográfia analitikai alkalmazásai, 9.1. A gázkromatográfiatömegspektrometria (GC-MS), Budapest, Újszászy Kálmán, Frigyes Dávid: Tömegspektrometria, ELTE Általános és Szervetlen Kémiai Tanszék, Budapest, An Introduction and Overview on Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography (GCxGC): New Opportunities for Unresolved Complex Mixtures, Daniela Cavagnino, 5 th Thermo Scientific High Resolution GC/MS Meeting on POPs, Barcelona, April 29-30, (2010) 8. Agilent Technologies (2007) 9. Utilizing GCxGC for Advenced Analytical Analysis of Volatile and Semi-Volatile Organic Compounds, Mark Libardoni, Volatile Analysis Corporation, Huntsville, AL-USA 10. Thermo Scientific Fast GC Columns Reduce Analysis Times, Rob Bunn, White Paper: 26

27 DSGSCFASTGC 0509, Thermo Fisher Scientific, Runcorn, Cheshire, UK (2009) 11. Comprehensive Two-Dimensional GasChromatography for Detailed Characterisation of Petroleum Products, C. Vendeuvre, R. Ruiz-Guerrero, F. Bertoncini, L. Duval and D. Thiébaut, Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP,Vol. 62 (2007), No. 1, pp Week Notes 12, McMaster University, Canada, Hamilton (2012) GC x GC With Valve-Based Modulation, John Seeley, 2. slide (2013) Tömegspektrometria, Szabó Pál, (2011) Elvalasztastechnika/MS-Szabo-Pal.pdf 15. Analitika II. Tömegspektrometria, Balla József (2010) l/ms Balla Jozsef Anal II 2012.ppt 16. Pegasus 4D GCxGC TOFMS, Leco (2011) 27