Optimalizace GC/MS analýzy polutantů životního prostředí (PAHů) v komplexních matricích

S analýzami vzorků komplexních matric jsou často spojené problémy způsobené zanášením kolony a znečištěním přístroje. To vede k degradaci výsledků, příkladem je ztráta citlivosti, zhoršení separace nebo reprodukovatelnosti. Pro udržení kvality produkovaných dat je potom nutné častěji provádět preventivní údržbu přístroje, což snižuje jeho celkovou využitelnost. Moderní GC/MS přístroje jsou již připravené „čelit“  i těmto výzvám spojeným s velmi komplexními vzorky a usnadnit tak rutinní provoz laboratoře. 

Speciální technologie integrované v přístrojích GC/MS od výrobce Agilent Technologies dovedou zanášení kolony a znečišťování přístroje účinně předcházet. Vhodná konfigurace přístroje a odpovídající podmínky analýzy nabízí robustní řešení, a to i pro analýzu vzorků  s velmi komplikovanými matricemi. 

Agilent GC/MS pro analýzu vzorků v komplexních matricích 

Systémy konfigurované pro eliminaci znečištění komplexními matricemi zahrnují:

Pulzní mód vstupního portu 
Pulzní mód nástřiku maximalizuje přenos analytů na kolonu a snižuje diskriminaci výševroucích analytů. 

Zpětný proplach kolony (backflush) 
Zpětný proplach je technika, při níž se otočí směr toku nosného plynu poté, co z kolony vystoupí poslední sledovaný analyt. Vysokovroucí látky, které není potřeba sledovat, tak neprocházejí celou délkou ko-lony a nevstupují do hmotnostního detektoru. Dojde naopak k jejich vypláchnutí přes splitovou cestu nástřiku ven z GC. Zpětný proplach lze nakonfigurovat různými způsoby. Na obrázku 1 je vidět tzv. midpoint backflush uspořádání. V tomto případě je analytická kolona rozdělena na dvě stejné části, mezi nimiž je instalována jednotka „Agilent Purged Ultimate Union“ zajišťující zpětný proplach. Průtok proplachovacího nosného plynu je řízen elektronickým pneumatickým modulem (PSD) nezávislým na kontrole tlaku vstupního portu plynového chro-matografu. Díky tomu je zajištěna maximální flexibilita v nastavení metod. V plynovém chromatografu Agilent 8890 je navíc využit speciálně vyvinutý dedikovaný PSD modul, který snižuje spotřebu helia  a umožňuje jednodušší nastavení zpětného proplachu. Kromě uspořádání midpoint backflush lze umístit proplach také za předkolonu nebo před MS detektor, a lze tak analytickou metodu optimalizovat dle potřeby.

Agilent JetClean
Jde o čištění iontového zdroje hmotnostního detektoru pomocí nízkého průtoku vodíku. Nečistoty jsou redukovány a tepelně odstraněny. Režim čištění se programuje v analytické metodě a může probíhat automaticky bez zásahu uživatele. Lze zvolit například čištění po sekvenci vzorků, po každém nástřiku nebo i kontinuálně během analýzy. Díky tomu lze významně (až 8x) prodloužit interval mezi manuálním čištěním zdroje  a významně zlepšit linearitu a opakovatelnost při měření delších sekvencí. 

Volitelná velikost extrakční čočky
Díky možnosti volby geometrických parametrů poskytují iontové zdroje Agilent Technologies maximální flexibilitu a umožňují tak optimální nastavení i pro specifické metody. Extrakční čočka s rozměrem 9 mm byla použita v metodě pro stanovení polycyklických aromatických uhlovodíků, která je popsána níže, a společně s dalšími použitými technikami přispěla k lepší linearitě, přesnosti a tvaru píků.

Vyhřívané kvadrupóly
Běžné nerezové kvadrupóly, které jsou použity v přístrojích ostatních výrobců, nelze z důvodu jejich tepelné roztažnosti vyhřát na vyšší teplotu. U Agilentu je použita technologie hyperbolických kvadrupólů  z pozlaceného monolitického křemene. Díky tomuto materiálu lze kvadrupóly vyhřívat až do 200 °C a je tak eliminováno usazování nečistot a nutnost čištění. U Agilent jednoduchých a trojitých kvadrupólů proto nejsou použity předfiltry, což vede ke snížení servisních nákladů.

Analýza PAHů v půdách s využitím technologií pro zvýšení robustnosti

Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) jsou v životním prostředí velmi rozšířené. Zdrojem PAHů jsou ve většině případů spalovací procesy (lokální topeniště, spalovací motory, průmyslové podniky, kouření apod.). Výrazně menším zdrojem PAHů jsou i fosilní paliva nebo přirozené biologické procesy. Jedná se o látky toxické pro vodní živočichy, některé PAHy jsou prokázané karcinogeny a mutageny. Přítomnost PAHů a jejich koncentrace v životním prostředí je proto sledována v širokém spektru matric – v odpadních i pitných vodách, v ovzduší velkých měst a v blízkosti frekventovaných dopravních tepen, v okolí průmyslových podniků a v neposlední řadě také  v pevných matricích – půdách a průmyslových materiálech. Aplikační specialisté Agilentu vyvinuli metodu na stanovení PAHů v půdách, viz aplikační poznámky [1,2]. Metody byly optimalizovány pro dva typy instrumentace: 

1.    GC/MS jednoduchý kvadrupól Agilent GC 8890 + 5977 SQ MS
2.    GC/MS/MS trojitý kvadrupól Agilent GC 8890 + 7000D QQQ MS

Schematické zobrazení instrumentace, na které bylo provedeno testování robustnosti, je na obr. 1. Parametry metody byly v obou případech velmi podobné a lišily se v podstatě pouze akvizičním režimem hmotnostních detektorů s ohledem na odlišnosti obou typů MS analyzátorů. Byla provedena kalibrace na sedmi koncentračních hladinách (1, 2, 10, 20, 100, 200 a 1000 ng/ml). Vzorky byly připraveny spikováním standardů do nečištěného extraktu (5 g sušené rašeliny bylo extrahováno v 30 ml směsi dichlormetan/aceton (1:1, v/v), extrakt byl následně filtrován a zakoncentrován 7,5x. Alikvot suché matrice byl tedy 1,25 g/ml extraktu). Takto získané vzorky byly použity pro testování robustnosti a stability.

Na obr. 2 je zobrazena odezva TIC extraktu rašeliny a standardu o koncentraci PAH 100 pg na systému GC/MS/MS. Z chromatogramů, které jsou zobrazeny ve shodném měřítku, je vidět velké množství extrahovaného materiálu ze vzorku půdy. Jeho odezva řádově převy-šuje odezvy analytů a je zřejmé, že tak vysoké množství koextraktů bude ovlivňovat stabilitu parametrů metody při delších sekvencích. Přestože vzorek s takto koncentrovanou nepřečištěnou matricí by běžně nebyl v rutinní laboratoři analyzován, v tomto případě byl zvolen pro „zátěžový“ test systému.

V následujícím textu jsou komentovány výsledky stabilitní studie na systému GC/MS QQQ. Druhá studie s využitím GC/MSD s jednodu-chým kvadrupólem poskytla analogické závěry, podrobná data jsou  k dispozici v aplikační poznámce [1].

Celkem bylo analyzováno 60 vzorků půdy a byla sledována stabilita odezvy. Pro 22 z 27 analytů byla vypočtená koncentrace po 60 nástřicích do max. 20% odchylky od prvního nástřiku, nejméně těkavé PAHy měly pokles odezvy vyšší, jak je vidět z obrázku 3. Po sekvenci 60 vzorků byl vyčištěn nástřikový prostor a zkrácena kolona, vypočtená koncentrace všech analytů byla po tomto zásahu do 7% odchylky  z koncentrace prvního nástřiku. Zanesení systému matricí bylo tedy pouze na úrovni nástřiku a počátku kolony, ale kontaminace se díky kombinaci Backflush a JetClean technologii nedostala dále do systému. 

Při analýze komplexních vzorků není úskalím pouze postupné znečištění systému, ale také možnost matričních interferencí. Obr. 4 demonstruje, jak selektivita MS/MS měření v MRM režimu na trojitém kvadrupólu pomáhá pro eliminaci interferencí, které ovlivňují detekci analytu v režimu SIM na GC/MSD s jednoduchým kvadrupólem. 

Závěr

Analýza vzorků půd bývá velmi často komplikovaná snižováním citlivosti a problémy se separací jednotlivých analytů. Přístroje Agilent GC/MS s jednoduchým i trojitým kvadrupólem společně s technologiemi, jako jsou JetClean, zpětný proplach kolony (Backflush) a 9mm extrakční čočka v iontovém zdroji, vykazují velmi vysokou stabilitu a prokazatelně snižují potřebu čištění iontového zdroje a celkové údrž-by systému. Selektivitu detekce je možné významně zlepšit pomocí technologie GC/MS s trojitým kvadrupólem.