Kromatografi gas-spektrometri massa

Makalah penelitian pertama tentang kromatografi gas-cair diterbitkan pada tahun 1950. Para ahli kimia menggunakan detektor yang berbeda untuk melihat senyawa yang mengalir keluar dari ujung kromatograf. Sebagian besar detektor menghancurkan senyawa, karena mereka membakarnya atau mengionasinya. Detektor-detektor ini membuat para ahli kimia menebak-nebak identitas yang tepat dari setiap senyawa dalam sampel. Pada tahun 1950-an, Roland Gohlke dan Fred McLafferty mengembangkan mesin gabungan baru. Mereka menggunakan spektrometer massa sebagai detektor dalam kromatografi gas. Perangkat awal ini besar, rapuh, dan awalnya terbatas pada pengaturan laboratorium.

Desainnya rumit. Interval waktu antara senyawa yang berbeda yang mengalir keluar dari kromatograf sulit dikendalikan. Jadi, spektrometer massa harus selesai mengerjakan satu senyawa sebelum senyawa berikutnya mengalir keluar dari kromatograf. Pada model awal, pengukuran dari spektrometer massa dicatat pada kertas grafik. Ahli kimia yang sangat terlatih mempelajari pola puncak untuk mengidentifikasi setiap senyawa. Pada tahun 1970-an, konverter analog-ke-digital ditambahkan ke spektrometer massa. Hal ini memungkinkan komputer untuk menyimpan dan menginterpretasikan hasilnya. Ketika komputer tumbuh lebih cepat dan lebih kecil, GC-MS menjadi lebih cepat dan menyebar dari laboratorium ke dalam kehidupan sehari-hari. Saat ini, instrumen GC-MS terkomputerisasi banyak digunakan dalam pemantauan lingkungan air, udara, dan tanah. Ini juga digunakan dalam regulasi pertanian, keamanan pangan dan dalam penemuan dan produksi obat-obatan.

Perkembangan komputer kecil telah membantu dalam penyederhanaan mesin GC-MS. Ini juga sangat mengurangi jumlah waktu yang diperlukan untuk menganalisis sampel. Electronic Associates, Inc (EAI) adalah pemasok komputer analog terkemuka di AS. Pada tahun 1964, EAI memulai pengembangan spektrometer massa yang dikendalikan komputer di bawah arahan Robert E. Finnigan. Pada tahun 1966, lebih dari 500 instrumen gas-analyzer terjual. Pada tahun 1967, Finnigan Instrument Corporation (FIC) dibentuk. Pada awal tahun 1968, mengirimkan prototipe pertama instrumen GC-MS quadrapole ke Stanford dan Purdue University. FIC akhirnya berganti nama menjadi Finnigan Corporation dan kemudian memantapkan dirinya sebagai pemimpin dunia dalam sistem GC-MS.

GC-MS dapat menemukan semua senyawa yang tercampur bersama dalam suatu objek sampel. Operator melarutkan sampel dalam cairan. Operator kemudian menyuntikkan cairan ke dalam aliran gas. (Gas Helium, Hidrogen atau Nitrogen paling sering digunakan.) Gas mengalir melalui tabung dengan lapisan khusus. Karena setiap senyawa dalam sampel menempel pada lapisan dengan cara yang berbeda, setiap senyawa keluar dari tabung pada waktu yang berbeda. Jadi lapisan tersebut digunakan untuk memisahkan setiap senyawa yang tercampur bersama dalam sampel. Saat setiap senyawa keluar di ujung tabung, senyawa tersebut terionisasi dan mendapat muatan listrik. Sebagian besar senyawa pecah ketika mereka terionisasi. Potongan-potongan yang berbeda terbang di bawah magnet yang memisahkan potongan-potongan berdasarkan berat dan muatannya. Komputer kemudian mengukur semua potongan dari setiap senyawa. Dengan membandingkan hasil pengukuran terhadap pustaka komputer dari senyawa yang diketahui, komputer membuat daftar nama semua senyawa dalam sampel. Komputer juga dapat mengetahui berapa banyak setiap senyawa yang ada dalam sampel.

GC-MS terdiri dari dua blok bangunan utama: kromatograf gas dan spektrometer massa. Kromatograf gas menggunakan kolom kapiler yang bergantung pada dimensi kolom (panjang, diameter, ketebalan film) serta sifat fase (misalnya 5% fenil polisiloksan). Perbedaan sifat kimiawi antara molekul yang berbeda dalam campuran akan memisahkan molekul-molekul saat sampel menempuh panjang kolom. Molekul-molekul tersebut membutuhkan waktu yang berbeda (disebut waktu retensi) untuk keluar dari (mengelusi dari) kromatografi gas. Hal ini memungkinkan spektrometer massa di bagian hilir untuk menangkap, mengionisasi, mempercepat, membelokkan, dan mendeteksi molekul terionisasi secara terpisah. Spektrometer massa melakukan hal ini dengan memecah setiap molekul menjadi fragmen terionisasi dan mendeteksi fragmen-fragmen ini dengan menggunakan rasio massa terhadap muatannya.

Kedua mesin ini, yang digunakan bersama-sama, memungkinkan ketepatan identifikasi zat yang jauh lebih baik daripada salah satu unit yang digunakan secara terpisah. Tidaklah mungkin untuk membuat identifikasi yang akurat dari molekul tertentu dengan kromatografi gas atau spektrometri massa saja. Proses spektrometri massa biasanya memerlukan sampel yang sangat murni. Di masa lalu, kromatografi gas menggunakan detektor lain seperti Flame Ionization Detector. Detektor-detektor ini tidak dapat memisahkan molekul-molekul yang berbeda yang kebetulan membutuhkan waktu yang sama untuk melalui kolom. (Ketika dua molekul yang berbeda memiliki waktu retensi yang sama, mereka dikatakan "co-elute"). Molekul co-eluting akan membingungkan program komputer yang membaca spektrum massa tunggal untuk kedua molekul.

Kadang-kadang dua molekul yang berbeda juga bisa memiliki pola fragmen terionisasi yang serupa dalam spektrometer massa (spektrum massa). Menggabungkan kedua proses tersebut mengurangi kemungkinan kesalahan. Sangat tidak mungkin bahwa dua molekul yang berbeda akan berperilaku dengan cara yang sama baik dalam kromatograf gas maupun spektrometer massa. Oleh karena itu, jika spektrum massa cocok dengan analit yang diminati, waktu retensi spektrum tersebut dapat diperiksa terhadap waktu retensi GC yang khas untuk meningkatkan keyakinan bahwa analit tersebut ada dalam sampel.

Jenis detektor spektrometer massa

Jenis MS yang paling umum yang terkait dengan GC adalah spektrometer massa quadrupole. Hewlett-Packard (sekarang Agilent) memasarkannya dengan nama dagang "Mass Selective Detector" (MSD). Detektor lain yang relatif umum adalah spektrometer massa perangkap ion. Selain itu, orang mungkin menemukan spektrometer massa sektor magnetik. Namun instrumen khusus ini mahal dan besar dan biasanya tidak ditemukan di laboratorium layanan throughput tinggi. Detektor lain yang digunakan seperti time of flight (TOF), tandem quadrupoles (MS-MS) (lihat di bawah), atau dalam kasus perangkap ion MSⁿ . N menunjukkan jumlah tahapan spektrometri massa.

Spektrometer massa biasanya digunakan dalam salah satu dari dua cara: Pemindaian Penuh atau Pemantauan Ion Selektif (SIM). GC-MS tipikal dapat bekerja dengan salah satu cara saja, atau keduanya pada saat yang sama.

MS pemindaian penuh

Apabila mengumpulkan data dalam mode pemindaian penuh, kisaran target fragmen massa dipilih dan dimasukkan ke dalam metode instrumen. Contoh rentang luas fragmen massa yang khas untuk dipantau adalah m / z 50 hingga m / z 400. Penentuan kisaran apa yang akan digunakan sebagian besar ditentukan oleh apa yang diharapkan berada dalam sampel sambil menyadari pelarut dan kemungkinan gangguan lainnya. Jika MS mencari fragmen massa dengan m / z yang sangat rendah, MS dapat mendeteksi udara atau faktor lain yang mungkin mengganggu. Menggunakan rentang pemindaian yang besar akan mengurangi sensitivitas instrumen. Mesin akan melakukan pemindaian lebih sedikit per detik, karena setiap pemindaian akan memerlukan lebih banyak waktu untuk mendeteksi kisaran fragmen massa yang lebih luas.

Pemindaian penuh berguna dalam menentukan senyawa yang tidak diketahui dalam sampel. Ini memberikan lebih banyak informasi daripada SIM dalam hal mengkonfirmasi atau menyelesaikan senyawa dalam sampel. Sebagian besar instrumen dikendalikan oleh komputer yang mengoperasikan program komputer yang disebut "metode instrumen". Metode instrumen mengontrol suhu dalam GC, laju pemindaian MS dan kisaran ukuran fragmen yang terdeteksi. Ketika seorang ahli kimia sedang mengembangkan metode instrumen, ahli kimia mengirimkan larutan uji melalui GS-MS dalam mode pemindaian penuh. Ini memeriksa waktu retensi GC dan sidik jari fragmen massa sebelum pindah ke metode instrumen SIM. Instrumen GC-MS khusus, seperti detektor bahan peledak, memiliki metode instrumen yang dimuat sebelumnya di pabrik.

Pemantauan ion yang dipilih

Dalam selected ion monitoring (SIM), metode instrumen berfokus pada fragmen ion tertentu. Hanya fragmen-fragmen massa tersebut yang dideteksi oleh spektrometer massa. Keuntungan SIM adalah, bahwa batas deteksi lebih rendah, karena instrumen hanya melihat sejumlah kecil fragmen (misalnya, tiga fragmen) selama setiap pemindaian. Lebih banyak pemindaian dapat dilakukan setiap detik. Karena hanya beberapa fragmen massa yang diminati yang dipantau, gangguan matriks biasanya lebih rendah. Untuk meningkatkan peluang membaca hasil positif dengan benar, rasio ion dari berbagai fragmen massa sebanding dengan standar referensi yang diketahui.

Jenis-jenis ionisasi

Setelah molekul-molekul menempuh panjang kolom, melewati garis transfer dan masuk ke dalam spektrometer massa, mereka diionisasi dengan berbagai metode. Biasanya hanya satu metode ionisasi yang digunakan pada waktu tertentu. Setelah sampel terfragmentasi, sampel kemudian akan dideteksi, biasanya oleh dioda pengganda elektron. Dioda memperlakukan fragmen massa yang terionisasi seperti sinyal listrik yang kemudian terdeteksi.

Ahli kimia memilih teknik ionisasi secara terpisah dari memilih Full Scan atau pemantauan SIM.

Ionisasi elektron

Jenis ionisasi yang paling umum adalah ionisasi elektron (EI). Molekul-molekul masuk ke dalam MS (sumbernya adalah quadrupole atau perangkap ion itu sendiri dalam perangkap ion MS) di mana molekul-molekul tersebut dipukul dengan elektron bebas yang dipancarkan dari filamen. Ini seperti filamen yang akan ditemukan dalam bola lampu pijar standar. Elektron mengenai molekul, menyebabkan molekul terfragmentasi dengan cara yang khas yang dapat diulang. Teknik "ionisasi keras" ini menghasilkan penciptaan lebih banyak fragmen dengan rasio massa terhadap muatan (m/z) yang rendah. EI hanya memiliki sedikit, jika ada, fragmen yang memiliki massa yang mendekati massa molekul asli. Ahli kimia menganggap ionisasi keras sebagai penembakan elektron ke dalam molekul sampel. Sebaliknya, "ionisasi lunak" menempatkan muatan pada molekul sampel dengan memukulnya dengan gas yang dimasukkan. Pola fragmentasi molekul tergantung pada energi elektron yang diterapkan pada sistem, biasanya 70 eV (elektron Volt). Penggunaan 70 eV membantu untuk membandingkan spektrum yang dihasilkan dari sampel uji terhadap spektrum perpustakaan yang diketahui. (Spektrum perpustakaan dapat berasal dari perangkat lunak atau perangkat lunak yang dipasok oleh produsen atau perangkat lunak yang dikembangkan oleh National Institute of Standards (NIST-USA)). Perangkat lunak mencari spektrum perpustakaan menggunakan algoritma pencocokan seperti Pencocokan Berbasis Probabilitas atau pencocokan dot-product. Banyak lembaga standardisasi metode sekarang mengontrol algoritma dan metode ini untuk memastikan objektivitasnya.

Ionisasi kimiawi

Dalam ionisasi kimia (CI), gas reagen, biasanya metana atau amonia dimasukkan ke dalam spektrometer massa. Ada dua jenis CI: CI positif atau CI negatif. Bagaimanapun, gas reagen akan berinteraksi dengan elektron dan analit dan menyebabkan ionisasi 'lunak' dari molekul yang diinginkan. Ionisasi yang lebih lembut akan memecah molekul ke tingkat yang lebih rendah daripada ionisasi keras EI. Ahli kimia lebih memilih CI daripada EI. Hal ini karena CI menghasilkan setidaknya satu fragmen massa dengan berat yang hampir sama dengan berat molekul analit yang diinginkan.

Ionisasi Kimia Positif

Dalam Positive Chemical Ionization (PCI), gas reagen berinteraksi dengan molekul target, paling sering dengan pertukaran proton. Ini menghasilkan spesies ion dalam jumlah yang relatif tinggi.

Ionisasi Kimia Negatif

Dalam Ionisasi Kimia Negatif (NCI), gas reagen mengurangi dampak elektron bebas pada analit target. Penurunan energi ini biasanya meninggalkan fragmen dalam persediaan yang besar. (Fragmen-fragmen tidak pecah lebih lanjut).

Interpretasi

Tujuan utama analisis instrumen adalah untuk mengukur sejumlah zat. Hal ini dilakukan dengan membandingkan konsentrasi relatif di antara massa atom dalam spektrum massa yang dihasilkan. Ada dua jenis analisis yang mungkin dilakukan, komparatif dan asli. Analisis komparatif pada dasarnya membandingkan spektrum yang diberikan dengan pustaka spektrum untuk melihat apakah karakteristiknya ada untuk beberapa sampel yang diketahui dalam pustaka. Hal ini paling baik dilakukan oleh komputer karena ada banyak distorsi visual yang dapat terjadi karena variasi dalam skala. Komputer juga dapat mengkorelasikan lebih banyak data (seperti waktu retensi yang diidentifikasi oleh GC), untuk menghubungkan data tertentu secara lebih akurat.

Metode analisis lainnya mengukur puncak-puncak dalam kaitannya satu sama lain. Dalam metode ini, puncak tertinggi ditetapkan pada 100%. Puncak-puncak lainnya diberi nilai yang sama dengan rasio tinggi puncak terhadap tinggi puncak tertinggi. Semua nilai di atas 3% ditetapkan. Massa total senyawa yang tidak diketahui biasanya ditunjukkan oleh puncak induk. Nilai puncak induk ini dapat digunakan untuk menyesuaikan dengan rumus kimia yang mengandung berbagai unsur yang diyakini ada dalam senyawa tersebut. Pola isotop dalam spektrum bersifat unik untuk unsur yang memiliki banyak isotop. Jadi, ini juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi berbagai unsur yang ada. Ini memberitahu rumus kimia keseluruhan dari molekul yang tidak diketahui. Karena struktur dan ikatan molekul pecah dengan cara yang khas, mereka dapat diidentifikasi dari perbedaan massa puncak. Struktur molekul yang diidentifikasi harus konsisten dengan karakteristik yang dicatat oleh GC-MS. Biasanya, identifikasi ini dilakukan secara otomatis oleh program komputer yang disertakan dengan instrumen. Program-program tersebut mencocokkan spektrum terhadap perpustakaan senyawa yang dikenal yang memiliki daftar elemen yang sama yang dapat hadir dalam sampel.

Analisis "spektrum penuh" mempertimbangkan semua "puncak" dalam spektrum. Tetapi, pemantauan ion selektif (SIM) hanya memonitor puncak-puncak terpilih yang terkait dengan zat tertentu. Para ahli kimia berasumsi bahwa pada waktu retensi tertentu, sekumpulan ion merupakan karakteristik dari senyawa tertentu. SIM adalah analisis yang cepat dan efisien. SIM bekerja paling baik ketika analis memiliki informasi sebelumnya tentang sampel atau hanya mencari beberapa zat tertentu. Ketika jumlah informasi yang dikumpulkan tentang ion-ion dalam puncak kromatografi gas yang diberikan berkurang, sensitivitas analisis meningkat. Jadi, analisis SIM memungkinkan kuantitas senyawa yang lebih kecil untuk dideteksi dan diukur. Tetapi tingkat kepastian tentang identitas senyawa itu berkurang.

GC-tandem MS

Ketika fase kedua fragmentasi massa ditambahkan, misalnya menggunakan quadrupole kedua dalam instrumen quadrupole, maka disebut tandem MS (MS/MS). MS/MS baik dalam mengukur senyawa target tingkat rendah dalam sampel dengan matriks senyawa latar belakang yang tidak menarik.

Quadrupole pertama (Q1) dihubungkan dengan sel tumbukan (q2) dan quadrupole lainnya (Q3). Kedua quadrupole dapat digunakan dalam mode pemindaian atau mode statis, tergantung pada jenis analisis MS/MS yang digunakan. Jenis analisis meliputi pemindaian ion produk, pemindaian ion prekursor, Pemantauan Reaksi Terpilih (SRM) dan Pemindaian Kehilangan Netral. Sebagai contoh: Apabila Q1 dalam mode statis (melihat satu massa saja seperti dalam SIM), dan Q3 dalam mode pemindaian, maka akan diperoleh apa yang disebut spektrum ion produk (juga disebut "daughter spectrum"). Dari spektrum ini, seseorang dapat memilih ion produk yang menonjol yang dapat menjadi ion produk untuk ion prekursor yang dipilih. Pasangan ini disebut "transisi" dan membentuk dasar untuk SRM. SRM sangat spesifik dan hampir sepenuhnya menghilangkan latar belakang matriks.

Pemantauan dan pembersihan lingkungan

Banyak ahli kimia percaya bahwa GC-MS adalah alat terbaik untuk memantau polutan organik di lingkungan. Biaya peralatan GC-MS telah banyak menurun. Keandalan GC-MS telah meningkat pada saat yang sama. Kedua peningkatan tersebut telah meningkatkan penggunaan dalam studi lingkungan. Beberapa senyawa, seperti pestisida dan herbisida tertentu, tidak dapat diidentifikasi oleh GS-MS. Mereka terlalu mirip dengan senyawa terkait lainnya. Tetapi untuk sebagian besar analisis organik sampel lingkungan, termasuk banyak kelas utama pestisida, GC-MS sangat sensitif dan efektif.

Forensik kriminal

GC-MS dapat menganalisis partikel dari tubuh manusia untuk membantu menghubungkan penjahat dengan kejahatan. Hukum menerima penggunaan GC-MS untuk menganalisis puing-puing kebakaran. Bahkan, American Society for Testing Materials (ASTM) memiliki standar untuk analisis puing-puing kebakaran. GCMS/MS sangat berguna di sini karena sampel sering kali mengandung matriks yang sangat kompleks dan hasilnya, yang digunakan di pengadilan, harus sangat akurat.

Penegakan hukum

GC-MS digunakan untuk mendeteksi narkotika ilegal, dan pada akhirnya dapat menggantikan anjing pengendus obat. GC-MS juga biasa digunakan dalam toksikologi forensik. Ini membantu menemukan obat dan/atau racun dalam spesimen biologis yang diambil dari tersangka, korban, atau mayat.

Keamanan

Setelah serangan teroris 11 September 2001, sistem deteksi bahan peledak telah menjadi bagian dari semua bandara AS. Sistem ini berjalan pada sejumlah teknologi, banyak di antaranya berdasarkan GC-MS. Hanya ada tiga produsen yang disertifikasi oleh FAA untuk menyediakan sistem ini. Yang pertama adalah Thermo Detection (sebelumnya Thermedics), yang memproduksi EGIS, lini detektor bahan peledak berbasis GC-MS. Yang kedua adalah Barringer Technologies, yang sekarang dimiliki oleh Smith's Detection Systems. Yang ketiga adalah Ion Track Instruments (bagian dari General Electric Infrastructure Security Systems).

Analisis makanan, minuman dan parfum

Makanan dan minuman mengandung banyak senyawa aromatik, beberapa secara alami ada dalam bahan baku dan beberapa terbentuk selama pemrosesan. GC-MS secara luas digunakan untuk analisis senyawa-senyawa ini yang meliputi ester, asam lemak, alkohol, aldehida, terpen, dll. GC-MS juga digunakan untuk mendeteksi dan mengukur kontaminan dari pembusukan atau pemalsuan yang mungkin berbahaya. Kontaminan sering dikendalikan oleh lembaga pemerintah, misalnya pestisida.

Astrokimia

Beberapa GC-MS telah meninggalkan bumi. Dua pergi ke Mars dalam program Viking. Venera 11 dan 12 dan Pioneer Venus menganalisis atmosfer Venus dengan GC-MS. Wahana Huygens dari misi Cassini-Huygens mendaratkan satu GC-MS di bulan terbesar Saturnus, Titan. Materi di komet 67P/Churyumov-Gerasimenko akan dianalisis oleh misi Rosetta dengan GC-MS kiral pada tahun 2014.

Obat-obatan

GC-MS digunakan dalam tes skrining bayi baru lahir. Tes-tes ini dapat menemukan lusinan penyakit metabolik bawaan (juga dikenal sebagai kesalahan metabolisme bawaan). GC-MS dapat menentukan senyawa dalam urin bahkan dalam jumlah yang sangat kecil. Senyawa-senyawa ini biasanya tidak ada tetapi muncul pada individu yang menderita gangguan metabolisme. Ini menjadi cara umum untuk mendiagnosis IEM untuk diagnosis dini dan awal pengobatan. Hal ini pada akhirnya mengarah pada hasil yang lebih baik. Sekarang dimungkinkan untuk menguji lebih dari 100 kelainan metabolisme genetik pada bayi baru lahir dengan tes urin saat lahir berdasarkan GC-MS.

Dalam kombinasi dengan pelabelan isotop senyawa metabolik, GC-MS digunakan untuk menentukan aktivitas metabolik. Sebagian besar aplikasi didasarkan pada penggunaan¹³ C sebagai pelabelan dan pengukuran rasio¹³ C-¹² C dengan spektrometer massa rasio isotop (IRMS). IRMS adalah spektrometer massa dengan detektor yang dirancang untuk mengukur beberapa ion pilihan dan mengembalikan nilai sebagai rasio.