• 应用纪要

使用大气压GC-MS/MS对半挥发性化合物进行靶向分析

使用大气压GC-MS/MS对半挥发性化合物进行靶向分析
  • Douglas Stevens
  • Frank Dorman
  • Kenneth J. Rosnack
  • Peter Hancock
  • Waters Corporation
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摘要

过去十年来，气相色谱大气压电离质谱(GC-APCI-MS)的使用稳步增加1。 在许多已发表的文章中，该项技术的应用主要集中在特定化学类别或特定应用用途的分析物2,3。 针对这些不同分析的优化通常涉及离子源的操作，以利于电荷交换电离或质子化电离机制。虽然本研究中使用的离子源设计允许精确控制电荷交换或质子化，但一些多类别分析的性质导致需要同时电离适用于任一种或两种电离机制的分析物。多类别半挥发性有机化合物的分析正是这样一种方法。

本研究将评估沃特世大气压气相色谱(APGC™)离子源在同时提供电荷交换和质子化电离的配置下运行的灵敏度、重现性和动态范围。 

优势

  • APGC-MS/MS具有出色的灵敏度和特异性，允许使用分流进样，从而增加仪器利用率和色谱柱使用寿命
  • 通过双化学电离扩展化合物覆盖范围，使APGC可用于范围更宽的与环境分析相关的目标半挥发性分析物

简介

对半挥发性化合物(SVOC)的关注可以追溯到现代环境分析的早期，当时GC/MS是常用的主要仪器技术之一，事实上，该技术帮助确定了此类分析4。 目前，污染场地更常见的是来自多个来源的多种类型的化合物存在于同一位置5,6,7。 通过将这些化合物在环境中的发生、转归和转运的早期研究，与这些化合物对人类、动物和生物体以及构成整体环境的组成部分和分隔空间的不利健康影响研究相结合，有助于认识到仔细、透彻地监测SVOC以作为全面、数据驱动的环境保护计划的一部分的需求8。

在研究各种工业化学品在环境中的转归以及对环境的影响时，通常需要关注单一分析物、化合物类别或应用用途，因此在试图全面表征样品时需要花费更多的时间和精力。之前所面临的这种在研究重点方面的限制是与分析技术相关的因素所致，例如电离过程中的碎片离子过多、低特异性和相对较差的灵敏度。面临这些性能挑战，研究人员需要对大量样品进行净化和富集，并且需要花费更多分析时间。虽然当前一代的电子电离(EI) GC/MS系统具有比早期型号更出色的性能特征，但基于EI和单极MS的基本特性，它们仍然存在固有缺陷。为帮助克服这些特定的挑战，可以将低能量CI与串联质谱(MS/MS)结合使用，在串联四极杆MS上使用在多重反应监测(MRM)模式下运行的APGC。大气压CI的低能量电离使绝大多数分析物生成相对丰度和绝对丰度高的分子离子，在特异性和灵敏度方面均优于EI。与单极MS扫描和选择离子监测/记录(SIM/SIR)采集模式相比，MRM的特异性显著减小了化学噪音。最近发现，基于分析物的特征性质子亲和力或电离能量，可以通过两种不同机制中的一种创建稳定的条件，使单个分析物电离。

挥发性有机化合物总体上分为高挥发性化合物(VVOC)、挥发性化合物(VOC)和SVOC。先前已经使用APGC对VVOC（通常被称为气体）和VOC进行了研究9。 与气体和VOC相比，SVOC的特征是沸点和分子量更高。需要使用该方法对SVOC进行考察，以确保其满足定量靶向分析的性能要求。

实验

稀释SVOC校准混标(Restek, #31850)，以评估APGC离子源在5 pg/µL至50 ng/µL范围内的灵敏度、重现性和线性。该混合物包含76种分析物，洗脱为75个峰（一对异构体共洗脱）。此外，向每个进样等分试样中添加六种常用内标的混合物(Restek, #31006)，浓度为8 ng/µL。

在Rxi™-5Sil MS（30 m，内径0.25 mm，膜厚0.25 µm）色谱柱上进行分离，氦气流速为2 mL/min，在300 °C下使用带棉的直型4 mm分流进样口衬管进行100:1分流进样。GC在40 °C下保持1 min，然后以10 °C/min的速率升至120 °C，然后以25 °C/min的速率升至320 °C并保持4 min。

GC-MS/MS分析采用配备APGC离子源选件的Xevo TQ-XS™串联四极杆质谱仪系统。为形成同时质子化和电荷交换电离的条件，向离子源中加入水，并且锥孔气以240 L/h的流速运行。

结果与讨论

使用包含多类别SVOC的高浓度标准品开发色谱分离方法，达到使用100:1分流进样在20 min内洗脱所有分析物（图1）的目的。在该方法开发过程中考虑的标准之一是要求分离特定异构体对色谱峰之间峰谷至少为50%。对载气（氦气）流速为1.8 mL/min至2.5 mL/min的四个步骤进行评估，在异构化合物苯并[b]荧蒽和苯并[k]荧蒽之间实现了20%~30%的峰谷（图2）。后续方法开发侧重于使所有分析物和内标形成优化的MRM通道。每种分析物都获得了多个MRM通道，并将其输入Quanpedia™数据库中。此举可以使实施该方法的实验室能够共享优化的MRM通道。

图1.76种SVOC的MRM TIC色谱图。1 ng/µL等分试样，分流比100:1（柱上进样量为10 pg）。
图2.在1.8 mL/min（绿色）和2.3 mL/min（蓝色）氦气流速下苯并[b]荧蒽与苯并[k]荧蒽的分离。色谱图按0.213 min对齐以叠加。

总体而言，基于每个浓度下的三次进样，87%的分析物在10 pg/µL至10 ng/µL（柱上进样量为100 fg至100 pg）范围内的三个数量级上实现了大于0.99的r2值。图3和图4分别显示了示例校准曲线和柱上进样量为1 pg的色谱图，证明了灵敏度和线性。选择化合物六氯环戊二烯和苯并[a]芘是因为它们分别代表通过电荷交换和质子化电离的分析物。发现本研究使用的内标之一苝-d12在两种模式下都能很好地电离。因此，该内标可以用作传统的响应参比校正标准品，也可用于通过评估质子化与电荷交换形式之间的离子丰度比来监测稳定的双模式操作。在30 h连续运行中，两种形式之间的离子丰度比RSD为0.49%，表明两种模式在与典型SVOC样品批次兼容的时间段内都有稳定的电离。

图3.六氯环戊二烯的校准曲线（10 pg至50 ng，n = 3）。
图4.苯并[a]芘的校准曲线（10 pg至10 ng，n = 3）。

最后，在本研究过程中，不仅氦气价格迅速上涨，而且还遇到氦气供应完全中断的可能。因此，以氮气作为载气进行了评估。可以向系统提供高纯度、干燥的氮气以用作APGC尾吹气体和试剂气体的这一事实促进了载气从氦气到氮气的转换。图6显示了分别使用两种载气分离苯并[a]蒽和䓛的示例。在两个示例中，除作为载气的氮气流速为0.7 mL/min，而氦气流速为2.0 mL/min，并且温度程序为在40 °C下保持1 min，然后以20 °C/min的速率升至320 °C并保持5 min，除此以外，色谱柱和大多数分析条件保持不变。用氦气载气得到的峰宽为2.4 s，而使用氮气载气得到的峰宽为3.0 s。还使用氮气载气评估了六氯苯的灵敏度，在柱上进样量为500 fg的条件下，信噪比大于1000:1（图7）。在今后的研究中，为获得理想的氮气载气性能，对该方法的进一步调整将包括缩放色谱柱规格，以使用氮气载气获得与氦气相媲美的峰宽和分离度。

图6.使用同一色谱柱并以氦气作为载气（上方色谱图）或以氮气作为载气（下方色谱图）分离苯并[a]蒽和䓛。
图7.六氯苯的灵敏度，柱上进样量为500 fg，以氮气作为载气。

结论

本研究在双化学电离模式下使用APGC离子源，证明其线性和稳定性适用于半挥发性有机化合物的常规定量分析。所实现的灵敏度允许使用高分流比进样，从而减少引入色谱柱以及MS的基质量。分流进样还缩短了在GC进样口的驻留时间，通常能够改善惰性和稳定性。这有助于延长色谱柱使用寿命以及日常维护程序之间的时间间隔。今后的研究将关注这种同时电离方案的性能以及使用氮气作为载气靶向分析环境相关提取样品中的SVOC。

参考资料

  1. Li, Du-Xin, et al."Gas Chromatography Coupled to Atmospheric Pressure Ionization Mass Spectrometry (GC-API-MS): Review." Analytica chimica acta 891 (2015): 43–61.
  2. Portolés, Tania, et al."Potential of Atmospheric Pressure Chemical Ionization Source in GC-QTof MS MS for Pesticide Residue Analysis" Journal of Mass Spectrometry 45.8 (2010): 926–936.
  3. Xu, Shanshan, et al."Monitoring Temporal Trends of Dioxins, Organochlorine Pesticides and Chlorinated Paraffins in Pooled Serum Samples Collected From Northern Norwegian Women: The Misa Cohort Study." Environmental Research 204 (2022): 111980.
  4. Heller, Stephen R., John M. McGuire, and William L. Budde."Trace Organics by GC/MS [Gas Chromatography/Mass Spectrometry]." Environmental Science & Technology 9.3 (1975): 210–213.
  5. US Environmental Protection Agency, Superfund History, 2021, Superfund Site Link, Accessed 25 March 2022.
  6. Campbell, J. H., et al."Groundwater Quality Near an Underground Coal Gasification Experiment." Journal of Hydrology 44.3–4 (1979): 241–266.
  7. Wallin, Bruce K. Fate of Toxic and Nonconventional Pollutants in Wastewater Treatment Systems Within the Pulp, Paper, and Paperboard Industry.US Environmental Protection Agency, Industrial Environmental Research Laboratory, 1981.
  8. Campisano, R., K. Hall, J. Griggs, S. Willison, S. Reimer, H. Mash, M. Magnuson, L. Boczek, and E. Rhodes.Selected Analytical Methods for Environmental Remediation and Recovery (SAM) 2017.U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, EPA/600/R–17/356, 2017.
  9. Douglas M. Stevens, 使用顶空采样和大气压GC-MS/MS分析大麻油中的残留溶剂, 沃特世应用纪要: 720007150ZH, 2021.
  10. Raro, M., et al."Potential of Atmospheric Pressure Chemical Ionization Source in Gas Chromatography Tandem Mass Spectrometry for the Screening of Urinary Exogenous Androgenic Anabolic Steroids" Analytica Chimica Acta 906 (2016): 128–138.

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