Dieser Anwendungshinweis wurde erstmals im Juli 2017 im LCGC-Anwendungsbuch veröffentlicht.
Der Einfluss des Durchmessers der Auszugslinse auf die Empfindlichkeit der GC-MS-Analyse
Von Ed Connor und Carlos Fidelis, Peak Scientific Instruments and Department of Chemistry, UNICAMP Sao Paolo, Brazil
Die Gaschromatographie–Massenspektrometrie (GC–MS) ermöglicht die Isolierung und Identifizierung einzelner Analyten in einem komplexen Gemisch. Aufgrund seiner Trägheit, seiner Leistung und seines relativ günstigen Preises war Helium traditionell das Trägergas der ersten Wahl. Zwischen 2001 und 2016 ist Helium jedoch mit einem weltweiten Preisanstieg von 500 % immer teurer geworden (1). In den Jahren 2012 bis 2013 erhöhte der weltweite Heliummangel die Zahl der GC-Anwender, die auf alternative Trägergase umstellten, und die Verfügbarkeit von Informationen zu ihrer Verwendung wurde verbessert.
Wasserstoff ist bei gleicher Temperatur und gleichem Druck halb so viskos wie Helium, während die Diffusion einer Probe innerhalb der beiden Gase ähnlich ist. Dies bedeutet, dass Wasserstoff die GC-Säule schneller durchläuft und eine schnellere Analyse bietet als Helium. Die Van-Deemter-Kurve (Abbildung 1) zeigt die relativen Wirkungsgrade von Wasserstoff, Helium und Stickstoff bei unterschiedlichen Durchflussraten und zeigt, wie Wasserstoff bei höheren Durchflussraten einen überlegenen Säulenwirkungsgrad aufweist. Mit der Methodenübersetzungssoftwäre (Abb. 2,3) kann der Effekt der Umwandlung einer Methode von Helium in Wasserstoff in silico modelliert werden, um festzustellen, welche Zeiteinsparungen erzielt werden können und welche Änderungen an der Methode erforderlich sind.
Um die Bedenken hinsichtlich der Empfindlichkeitsreduzierung und Stabilisierungszeiten im Zusammenhang mit dem Wasserstoffträgergas auszuräumen, können Hardwareänderungen wie das Erhöhen des Durchmessers der Herausziehlinsenöffnung und das Ausheizen der Iionenquelle durchgeführt werden. Nach der Analyse eines Gemischs aus ätherischen Ölen unter Verwendung von Helium-Trägergas mit einem Standardionenvolumen und Wasserstoff-Trägergas unter Verwendung einer Auszuglinse mit größerem Durchmesser über einen Bereich von Durchflussraten wurden Stabilisierungszeit, Spitzenauflösung und Signal-Rausch-Verhältnis bewertet.
Materialien und Methoden
Gaschromatographie–Massenspektrometrie (GC–MS)-Analyse:
Alle GC-MS-Analysen wurden mit einem Agilent Technologies 7890B GC mit dem 5975 massenselektiven Detektor durchgeführt. Tabelle 1 zeigt die GC- und MSD-Bedingungen für ätherische Öle, die von Professor Lauro Barata von UFOPA (Universidade Estadual do Oeste do Pará) bereitgestellt wurden. Die VOC-Mischung wurde von Supelco bezogen (EPA VOC Mix 2). Die unter Verwendung von Helium-Trägergas durchgeführten Proben wurden mit einer inerten 3 mm-Ausziehplatte (G2589-20100) analysiert. Alle mit Wasserstoffträgergas durchgeführte Proben wurden mit einer 6 mm-Ausziehplatte (G2590-20045) aufgenommen.
Die Hintergrundstabilisierung wurde bewertet, indem eine flüchtige organische Mischung 7 Tage nach dem Trägergaswechsel laufen gelassen wurde. Die Ionenquelle wurde mit einer geringfügigen Modifikation der Empfehlungen (S. 35–37) von Agilent Technologies (Abb. 4) ausgeheizt, wobei die Quellentemperatur auf 300 ° C eingestellt und das Filament für einen Zeitraum von 3 Stunden eingeschaltet wurde.
Abbildung 1: Van-Deemter-Kurve, die die relativen Wirkungsgrade von Wasserstoff, Helium und Stickstoff bei verschiedenen Durchflussraten zeigt.
Ergebnisse
Einfluss des Trägergases auf das Rauschsignal: Das Rauschsignal (S/N) und die Auflösung (Rs) wurden unter Verwendung von 1,3,5-Trichlorbenzol berechnet, dem letzten Elutionspeak eines ätherischen Ölgemischs (Tabelle 2). Proben, die mit Helium-Trägergas im Voll-Scan-Modus gefahren wurden, zeigten eine umgekehrte Beziehung zwischen Flussrate und S/N, wobei die S/N von 1988,3 bei der optimalen Flussrate von 1,0 ml/min auf 864,9 bei 2,0 ml/min abfiel (Tabelle 2).
Beim Durchlaufen von Proben unter Verwendung von Wasserstoffträgergas wurde die entgegengesetzte Beziehung zwischen Flussrate und S/N gefunden, wobei S/N von 106,0 auf 209,6 anstieg, wenn der Säulenfluss anstieg (Tabelle 2).
Im SIM-Modus gab es unabhängig von der Durchflussrate bei Verwendung von Helium-Trägergas nur geringe Schwankungen in der S/N. Bei einem Wasserstoffträgergas verbesserte sich die S/N jedoch mit zunehmender Trägerflussrate, wobei die S/N von 798,8 bei 1,0 ml/min auf 2359,3 bei 2,0 ml/min anstieg, was bedeutet, dass die S/N mit Wasserstoff bei höheren Flussraten fast das gleiche Ergebnis wie mit Helium hatte (Tabelle 2).
Einfluss des Trägergases auf die Auflösung: Im Full-Scan-Modus folgte das Helium-Trägergas einem ähnlichen Muster wie die S/N-Ergebnisse, wobei der Rs-Wert abnahm, wenn die Durchflussrate über die optimale Geschwindigkeit hinaus anstieg. Beim Durchführen von Proben unter Verwendung von Wasserstoff gab es keine klare Beziehung zwischen Rs und Flussrate, wobei die beste Auflösung bei 1,5 ml/min zu sehen war. Beim Vergleich der optimalen Durchflussraten jedes Gases (1,0-He und 2,0-H2) war die Peakauflösung mit Helium-Trägergas fast doppelt so hoch (1,9-fach) wie die von Wasserstoff (Tabelle 2).
In SIM-Modus verringerte sich der Rs-Wert bei Verwendung von Helium im Vergleich zum Full-Scan-Rs-Wert und war niedriger als der Rs-Wert bei Verwendung von Wasserstoff als Trägergas (Tabelle 2). Wasserstoff Rs waren im SIM-Modus im Vergleich zum Scan-Modus (1,9 x) erheblich verbessert, und bei optimalen Flussraten ergab Wasserstoff im Vergleich zu Helium verbesserte Rs (1,76 x).
Hintergrundstabilisierung: Die Ergebnisse zeigten, dass der Hintergrund nach 3 Tagen stabil war, wobei wiederholte Injektionen des EPA-VOC-Gemisches 7 Tage lang getestet wurden (Abb. 2).
Diskussion
Eine Reihe von Anwendungen setzen Wasserstoffträgergas als Alternative zu Helium ein. Die Ergebnisse der GC-MS beim Vergleich von Rs und S/N scheinen direkt mit der Trägergasflussrate in Bezug auf die optimale Trägergasgeschwindigkeit beider Gase zu korrespondieren. Bei einem optimalen Säulenfluss von Helium wurde die beste Leistung sowohl für Rs als auch für S/N im Vollscan-Modus beobachtet. Die SIM-Detektion schien einige der Probleme der verringerten Trägergaseffizienz von Helium bei höheren Geschwindigkeiten zu überwinden, wobei über den Bereich der getesteten Durchflussraten hinweg nur geringe Unterschiede in Rs oder S/N festgestellt wurden. Ähnlich wie bei Helium wirkte sich das Durchlaufen von Proben mit Wasserstoffträgergas bei einer suboptimalen Flussrate sowohl im Scan-Modus als auch im SIM-Modus erheblich auf Rs und S/N aus. Interessanterweise zeigte Wasserstoffträgergas im SIM-Modus über alle drei Flussraten hinweg bessere Spitzen-Rs als Helium. Es scheint, dass der Betrieb im SIM-Modus Hintergrundgeräusche weitgehend beseitigt, die im Vollscan-Modus bei Verwendung von Wasserstoff zu Interferenzen führen. Wenn Sie die Empfehlungen für die Vorbereitung des Systems beim Umschalten auf Wasserstoff befolgen, dauert es mindestens 3 Tage, bis sich das Hintergrundsignal stabilisiert hat.
Diese Studie zeigt deutlich, dass Wasserstoff für die Routineanalyse bekannter Verbindungen verwendet werden kann. Bei Verwendung des Voll-Scan-Modus müssen sich Analysten bewusst sein, dass die Empfindlichkeit wahrscheinlich um das Zwei- bis Fünffache verringert wird (Abb. 4). Bei der Verwendung von Wasserstoffträgergas für die GC-MS ist es wichtig, sich zunächst auf die Reduzierung von Faktoren zu konzentrieren, die zu einer verringerten Empfindlichkeit führen.
Abbildung 2: Hintergrundstabilisierung des VOC-Gemisches an aufeinanderfolgenden Tagen nach dem Wechsel des Trägergases von Helium zu Wasserstoff.
Verweise
(1) https://www.theguardian.com/science/2016/jun/28/huge-helium-gastanzania-east-africa-averts-medical-shortage
(2) http://www.restek.com/ezgc-mtfc
(3) http://www.agilent.com/en-us/support/gas-chromatography/gcmethodtranslation
(4) http://bit.ly/2rqxQQu