GC/MS analýza organických kontaminantů s využitím unikátního iontového zdroje Agilent HydroInert s vodíkem jako nosným plynem

Vzrůstající nejistota na trhu s heliem, která způsobuje zvyšování jeho ceny, vede laboratoře k snižování jeho spotřeby. Vodík jako nosný plyn pro plynovou chromatografii je z hlediska analytických parametrů a také ekonomiky provozu výhodnou náhradou helia. Zatímco s konvenčními detektory jako je FID je přechod na vodík poměrně bezproblémový, použití pro plynovou chromatografii s MS detekcí bylo až dosud velmi limitované. Jde totiž o velmi reaktivní plyn a v jeho přítomnosti dochází k hydrogenačním a dechloračním reakcím ve zdroji elektronové ionizace (EI) hmotnostního spektrometru. Nově navržený extrakční zdroj HydroInert od firmy Agilent eliminuje tyto reakce a umožňuje využití vodíku jako nosného plynu při využití stávajících knihoven hmotnostních spekter k identifikaci.

Iontový zdroj HydroInert (obr. 1) je vyroben ze speciálního inertního materiálu, který zabraňuje vedlejším hydrogenačním a dechloračním reakcím [3]. Jeho konstrukce je obdobná jako u InertExtractor iontového zdroje, umožňuje tedy fokusaci iontů před jejich vstupem do hmotnostního analyzátoru. HydroInert iontový zdroj je kompatibilní s Agilent hmotnostními detektory typu jednoduchý i trojitý kvadrupól aktuálních (5977CA, 7000E) i předcházejících modelů (5977B/5977A a 7000D).

Analýza semivolatilních organických látek s využitím vodíku jako nosného plynu pomocí GC/MS a GC/MS/MS

V rámci této studie [1,2] byl testování vliv nosného plynu vodíku s použitím iontového zdroje HydroInert. Byla analyzována směs 120 středně těkavých organických látek zahrnutých v metodě EPA 8270. Tato směs je optimální pro testování systému GC/MS, neboť zahrnuje širokou škálu sloučenin různých fyzikálně-chemických vlastností. Zastoupeny byly sloučeniny kyselého, bazického i neutrálního charakteru, reprezentující různé chemické třídy - od nitrofenolů až po polyaromatické uhlovodíky. Byly vyhodnoceny chromatograficky významné veličiny jako je rozlišení, odezvový faktor a shoda spekter s NIST knihovnou. Testování bylo provedeno na dvou typech instrumentace:

• GC/MS systém: Agilent GC 8890 s nástřikovým portem split/splitless + jednoduchý kvadrupól 5977B s HydroInert iontovým zdrojem
• GC/MS/MS systém: Agilent GC 8890 s nástřikovým portem multimode + trojitý kvadrupól 7000E s HydroInert iontovým zdrojem

Instrumentální metoda

Pro obě konfigurace přístrojů byly vyvinuty metody s ohledem na: (I) dodržení parametrů pro metody EPA 8270, jako jsou hmotnostní rozsah a rychlost skenování, (II) dostatečné rozlišení při separaci nejen kritických izomerních párů, (III) dostatečnou citlivost a (IV) krátkou dobu analýzy. V tab. 1 a 2 jsou uvedeny základní parametry finálních metod.

Výsledky

Spektrální shoda s knihovnou NIST

U běžných iontových zdrojů dochází na kovových částech při vysoké teplotě za přítomnosti vodíku k hydrogenačním a dehalogenačním reakcím, což vede ke změnám v poměrech iontů v MS spektrech. Proto je zhoršena shoda spekter se standartní NIST knihovnou, v níž jsou spektra změřena s heliem jako nosným plynem. Při měření v režimu SIM nebo MRM (pro trojitý kvadrupól) nastávají změny v poměrech iontů nebo i jejich vymizení.  HydroInert iontový zdroj tyto negativní jevy redukuje či eliminuje. Jako příklad jsou na obrázku 2 zobrazena hmotnostní spektra nitrobenzenu měřena s vodíkem jako nosným plynem pro (A) klasický InertExtractor iontový zdroj, (B) pro zdroj HydroInert a (C) NIST MS spektrum (naměřené s He jako nosným plynem).
U klasického iontového zdroje je zřejmé, že dochází k úbytku intenzity iontu m/z 123, což je molekulový iont nitrobenzenu, a naopak nárůstu intenzity iontu m/z 93, který odpovídá anilinu, tedy redukované formě nitrobenzenu. Při použití HydroInert iontového zdroje je redukce nitrobenzenu na anilin v iontovém zdroji eliminována a spektrum odpovídá NIST knihovně. V dalším příkladu (obr. 3) byly měřeny analyty parathion a hexachlorbenzen metodou GC/MS/MS v MRM režimu s nosným plynem vodíkem a s iontovým zdrojem HydroInert. MRM metoda byla použita původní (s He nosným plynem) bez změn přechodů nebo kritérií na poměry přechodů. Parathion je pesticid s nitroskupinou, která v přítomnosti vodíku snadno redukuje na aminoskupinu, hexachlorbenzen zase reprezentuje silně chlorovanou sloučeninu, která podléhá dechloraci.  Na obrázku 3 je vidět shoda MRM přechodů včetně poměrů jednotlivých přechodů pro tyto analyty. Bylo dosaženo shody poměrů přechodů téměř 100 %, lze tedy bezproblémově využít původní MRM metodu bez její úpravy.

Chromatografické rozlišení kritických analytů

Vzhledem k odlišným chromatografickým vlastnostem sloučenin v nosných plynech helium a vodík byla optimalizována chromatografická metoda. Oproti standardní 8270 EPA metodě byly použity jiné kolony a zkrácena doby analýzy. V aplikačních poznámkách je ukázáno chromatografické rozlišení pro kritické dvojice izomerů benz(a)antracen/chrysen, benzo(b)fluoranten/benzo(k)fluoranten a phenantrene/anthracene.

U všech je rozlišení dostatečné a splňuje požadavky metody EPA 8270. Celková doba analýzy je 11,3 min, což představuje zkrácení o 10 min oproti původní metodě s heliem. Využití vodíku jako nosného plynu tedy umožňuje významné zkrácení analýzy a zvyšuje tak průchodnost vzorků cca 2x.

Odezvové faktory

Při změně nosného plynu z helia na vodík je také potřeba sledovat odezvový faktor a citlivost stanovení pro jednotlivé sloučeniny. Obě aplikace se proto hodnotami odezvových faktorů zabývají a porovnávají je s odezvovými faktory z metody GC/MS s heliem jako nosným plynem a také s referenčními hodnotami odezvových faktorů v metodě EPA 8270. Hodnoty většiny odezvových faktorů byly u nové metody stejné nebo lepší než referenční EPA hodnoty, pouze u pěti sloučenin byl odezvový faktor nižší.   Při analýze na trojitém kvadrupólu se mez kvantifikace analytů obecně zlepšila cca 5x oproti EPA metodě, takže sledování odezvových faktorů nebylo kritické.

Kalibrace

Hlavním požadavkem dle EPA je RSD průměrného odezvového faktoru < 20 % dosaženo na min. 6 kalibračních hladinách,  případně koeficient determinace R² > 0,990 pro lineární nebo kvadratický typ závislosti. Chyba v přesnosti (accuracy) pro nejnižší kalibrační bod musí být maximálně 30 %. Tato kalibrační kritéria jsou v nové metodě splněna pro 87 % analytů. Kalibrační rozsah je pro většinu látek stejný jako pro metodu EPA 8270, tj. 100 ng/ml – 100 ug/ml, v metodě GC/MS/MS byl kalibrační rozsah pro většinu látek 20 ng/ml – 100 ug/ml. V aplikačních poznámkách jsou k dispozici kompletní tabulky s naměřenými hodnotami odezvového faktoru, kalibračního rozsahu, typu kalibrační závislosti, směrodatné odchylky (% RSD) a koeficientu determinace (R²) pro všech 120 analytů. Lze konstatovat, že tyto parametry metody byly srovnatelné s původními metodami využívajícími jako nosný plyn helium.

Závěr

Uživatelé plynové chromatografie, kteří se rozhodnou pro přechod na vodík jako nosný plyn mají s Agilentem k dispozici všechny potřebné nástroje a informace. Vodík je možno dodávat z tlakových lahví, ale ekonomičtější a bezpečnější variantou je generátor vodíku.  Pro GC s FID nebo jinými konvenčními detektory je z analytického pohledu třeba přizpůsobit pouze chromatografickou metodu. MS detekci byla až dosud problematická kvůli reaktivitě vodíku a s tím spojenými změnami spekter a dalším jevům jako je chvostování píků výševroucích analytů. HydroInert iontový zdroj je speciálně navržený pro práci s vodíkem jako nosným plynem. V tomto článku jsme shrnuli obsah dvou aplikačních poznámek [1,2], které hodnotily využití vodíku jako nosného plynu v kombinaci se zdrojem HydroInert pro širokou škálu analytů a porovnávaly výsledky s požadavky metody EPA 8270. Je patrné, že v HydroInert iontovém zdroji nedochází ke změnám v MS spektrech, a proto lze využít standardní MS knihovnu (např. NIST). Také lze aplikovat již zavedené GC/MS/MS MRM metody, neboť poměry přechodů jsou ve shodě. Kvantitativní parametry metody jako jsou odezvové faktory, meze kvantifikace a kalibrační rozsah jsou také ve shodě s kritérii zmíněné EPA metodiky.