Analisis Biomarker dalam Sampel Petroleum Menggunakan GC×GC-HRTOFMS dengan Sumber Ion Menggabungkan Pengionan Elektron (EI) dan Pengionan Foto (PI) [Aplikasi GC-TOFMS]

Pengenalan

Hasil daripada kemajuan terkini dalam teknologi kromatografi gas (selepas ini dirujuk sebagai "GC"), terutamanya untuk teknologi lajur kapilari, pelbagai lajur kapilari telah dibangunkan dengan keupayaan pemisahan yang berbeza. Tambahan pula, GC dua dimensi yang komprehensif (selepas ini dirujuk sebagai "GC×GC") telah dibangunkan menggunakan keupayaan lajur kapilari ini untuk memisahkan bahan kimia yang mempunyai komposisi yang sangat kompleks [1, 2]. Sistem GC×GC terdiri daripada dua jenis lajur kapilari dengan mod pemisahan berbeza yang disambungkan secara bersiri. Selain itu, terdapat sistem perangkap krio (modulator haba) diletakkan di antara lajur pertama dan kedua untuk memodulasi suntikan sampel ke lajur kedua. Sistem dua lajur ini membolehkan GC×GC menggunakan dua mod pemisahan berbeza dalam satu analisis. Komponen dipisahkan dalam lajur pertama, terperangkap krio selama 5-10 saat, dan kemudian dilepaskan dengan cepat oleh modulator haba ke lajur kedua yang mempunyai diameter dalam sempit dan panjang pendek. Proses ini bermakna bahawa komponen yang dielusi dari lajur pertama terperangkap dan dilepaskan pada selang 5 hingga 10 saat dan kemudian diasingkan secara berterusan dan cepat dalam lajur kedua. Akibatnya, kromatogram dua dimensi mengandungi dua paksi masa pengekalan, satu untuk lajur primer dan satu untuk lajur sekunder.
Secara amnya, spektrometer jisim kuadrupole (selepas ini dirujuk sebagai "QMS") digunakan secara meluas untuk pengukuran GC-MS. Walau bagaimanapun, sistem ini secara amnya tidak sesuai sebagai pengesan GC×GC. Seperti yang diterangkan sebelum ini, lajur kedua sistem GC×GC mempunyai geometri unik (diameter sempit dan panjang pendek) yang memisahkan komponen dengan sangat pantas. Ciri ini menghasilkan lebar puncak yang sempit secara kromatografi yang memerlukan kelajuan pemerolehan data yang tinggi untuk memperoleh titik data yang mencukupi merentas setiap puncak analit. Jika QMS digunakan, maka terdapat titik data terhad yang diukur untuk puncak dimensi kedua dalam kromatogram, sekali gus mengakibatkan data kromatografi 2D yang tidak berkualiti. Oleh itu, adalah tidak optimum untuk menggunakan sistem QMS sebagai pengesan untuk GC×GC.
Untuk mengatasi masalah ini, JEOL membangunkan spektrometer jisim masa penerbangan kromatografi gas (selepas ini dirujuk sebagai GC-TOFMS) dengan kedua-dua resolusi jisim tinggi (R=10,000) dan pemerolehan data spektrum jisim berkelajuan tinggi (sehingga 50 Hz) yang optimum untuk digabungkan dengan GC×GC. Sistem gabungan GC×GC-TOFMS ini mula diperkenalkan pada tahun 2004 dan digunakan secara meluas untuk analisis pelbagai sampel kompleks [3-7]. Dalam laporan ini, kami menggunakan 4 kami^th model GC-TOFMS generasi "JMS-T200GC AccuTOF™ GCx" dengan sumber fotoionisasi pilihan dan sistem GC×GC untuk menganalisis biomarker dalam sampel petroleum.

Sistem GC×GC-PI-TOFMS

Sistem GC×GC

Sistem modulator haba Zoex Corporation ZX2 GC×GC telah digunakan dengan sistem GC-TOFMS kami. Gambar rajah skematik modulator terma GC×GC ditunjukkan dalam Rajah 1. Unit modulator ini diletakkan di antara dua tiang kapilari untuk memerangkap krio komponen-komponen yang mengalir dari lajur pertama menggunakan "gas pancutan sejuk" dan untuk lepaskan mereka menggunakan "gas jet panas". Oleh kerana "gas jet panas" disembur untuk tempoh yang sangat singkat (300-400 msec) dengan selang masa tetap (5-10 saat), komponen yang dilepaskan dimasukkan ke dalam lajur kedua setiap selang dengan kerap, akibatnya pemisahan kromatografi dua dimensi. dicapai seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

Rajah 1 Skema modulator GC×GC

Rajah.2 Pandangan konseptual kromatogram 2D ​​yang diperolehi dengan GC×GC

Sumber Pengionan Foto (PI)

Kaedah pengionan yang paling biasa digunakan untuk GC-MS ialah Pengionan Elektron (EI). EI ialah teknik pengionan keras yang menggunakan elektron tenaga tinggi untuk mengionkan analit, menghasilkan banyak ion serpihan. Spektrum jisim ini boleh menjadi sangat berguna untuk analisis struktur kimia sebatian sasaran dan boleh dibandingkan dengan perpustakaan carian MS seperti pangkalan data NIST untuk membantu mengesahkan identiti sebatian sasaran. Walau bagaimanapun, spektrum EI selalunya boleh mempunyai ion molekul berintensiti rendah, yang boleh menyukarkan untuk menganggarkan komposisi unsur daripada jisim tepat yang diukur. Akibatnya, teknik ini tidak selalunya merupakan kaedah pengionan yang ideal untuk tujuan ini. Sebagai alternatif, teknik pengionan lembut yang menggunakan kaedah tenaga rendah untuk mengionkan analisis sampel boleh digunakan untuk menjana ion molekul keamatan yang lebih tinggi. Dalam bidang analisis GC-MS, Pengionan Kimia (CI) ialah kaedah pengionan lembut yang paling biasa tersedia. JEOL bukan sahaja menawarkan CI tetapi juga Pengionan Medan (FI) dan Pengionan Foto (PI) sebagai kaedah pengionan lembut pilihan untuk JMS-T200GC.
Sumber foton PI ialah lampu deuterium dengan panjang gelombang sinaran dari 115 hingga 400 nm. Tenaga untuk panjang gelombang terkecil (115 nm) ialah 10.8 eV yang merupakan padanan yang baik untuk tenaga pengionan primer untuk sebatian organik biasa (~10 eV). Akibatnya, sumber ini sesuai untuk pengionan lembut jenis analit ini.
Skema sumber PI ditunjukkan dalam Rajah 3. Sumber JEOL PI dimasukkan ke dalam sumber EI standard, yang membolehkan keupayaan unik bertukar antara EI dan PI tanpa memecahkan vakum. Apa yang perlu untuk pengukuran EI ialah menghidupkan filamen EI, dan kemudian untuk pengukuran PI, hanya matikan filamen EI dan hidupkan lampu deuterium.

Rajah.3 Skema sumber PI (pengionan foto).

Sistem TOFMS resolusi tinggi

Foto pandangan luaran JEOL AccuTOF™ GCx bersama-sama dengan skema untuk sumber ion, sistem pemindahan ion dan sistem optik ion ditunjukkan dalam Rajah 4. Sebatian yang dielusi daripada lajur GC mula-mula terionkan dalam sumber ion dan kemudian dipindahkan ke dalam penganalisis TOF menggunakan tenaga kinetik rendah kira-kira 30 eV. Selepas itu, ion diukur dengan menggunakan penganalisis TOF reflektron satu peringkat yang secara ortogon mempercepatkan ion dari arah pemindahan ion. TOFMS jenis ini dipanggil "Orthogonal-Acceleration Time-of-Flight Mass Spectrometer" (oa-TOFMS).
Perlu diingat bahawa terdapat beberapa cabaran untuk menggunakan instrumen TOF sebagai pengesan GC-MS. Khususnya, gas helium digunakan sebagai gas pembawa GC yang bermaksud bahawa isipadu gas ini agak besar berbanding dengan sebatian sasaran yang terdapat dalam suntikan sampel. Untuk EI, helium juga diionkan dan dipindahkan bersama-sama dengan ion sampel ke dalam penganalisis, dengan itu menghasilkan sejumlah besar ion helium dalam pancaran ion. Ion ini boleh menghasilkan kesan pengecasan ruang yang besar (pengecasan, dsb.) dalam penganalisis yang boleh merendahkan resolusi instrumen. Selain itu, untuk penganalisis TOFMS, ion helium ini akan mencapai pengesan, mengakibatkan kemerosotan pesat plat mikro saluran (MCP). Untuk mengatasi masalah ini, sistem JEOL GC-TOFMS direka secara inovatif supaya sistem pemindahan ion menghilangkan 99.9% atau lebih ion helium yang dihasilkan dalam sumber ion dengan melaraskan voltan keseimbangan kanta.

Rajah.4 Foto dan skema JMS-T200GC

Analisis Biomarker Sampel Petroleum Menggunakan GC×GC-PI-TOFMS

Penanda bio yang terkandung dalam minyak mentah dan batuan sumbernya sering disiasat untuk mengindeks sampel petroleum dan untuk menentukan asal usul sampel petroleum. Biomarker ialah sebatian organik yang berasal daripada organisma hidup yang terdapat dalam bahan sumber minyak. Molekul biomarker ini, yang merupakan penunjuk bahan organik asal, persekitaran sedimen, kematangan, dll., boleh digunakan untuk menentukan asal-usul minyak mentah yang tidak diketahui. Walau bagaimanapun, sampel petroleum terdiri daripada agregat ratusan atau bahkan ribuan hidrokarbon. Lebih merumitkan keadaan, biomarker ialah hidrokarbon dengan struktur khusus yang terdapat dalam sampel petroleum kompleks ini. Akibatnya, pengesanan biomarker secara menyeluruh dalam sampel petroleum adalah sangat sukar untuk dicapai.
Dalam laporan ini, kami akan menggunakan keupayaan pemisahan tinggi GC×GC dalam kombinasi dengan sumber EI/PI kombo dan TOFMS resolusi jisim tinggi untuk mengesan secara menyeluruh penanda bio dalam sampel petroleum.

Syarat pengukuran

Keadaan pengukuran disenaraikan dalam Jadual 1. Sistem modulasi terma ZX2 (Zoex Corporation) telah digunakan untuk pengukuran GC×GC. Lajur BPX5 nonpolar (SGE Corporation, panjang 30 m, ID 0.25 mm, ketebalan fasa cecair 0.25 μm) digunakan untuk lajur pertama. Lajur BPX50 yang lebih polar (SGE Corporation, panjang 3 m, ID 0.1 mm, ketebalan fasa cecair 0.1 μm) digunakan untuk lajur kedua. Dua sampel ujian (Pecahan Petroleum A dan B) telah disediakan untuk ujian ini, dan jumlah biomarker dianggarkan dan dibandingkan untuk setiap pecahan.

Jadual 1 Keadaan pengukuran

Hasil pengukuran

Spektrum jisim PI untuk Cholestane dan Adamantane, kedua-duanya adalah biomarker tipikal, ditunjukkan dalam Rajah 5. Ion molekul M^+・ telah dikesan sebagai puncak asas bagi setiap sebatian ini, sekali gus mengesahkan bahawa PI berkesan untuk mengesan ion molekul biomarker ini.
TICC 2D (jumlah kromatogram arus ion) untuk ukuran GC×GC/PI ditunjukkan dalam Rajah 6 dan Rajah 7 bagi setiap sampel minyak mentah. Kedua-dua sampel mengandungi n-Alkana (C_nH_{2n + 2}) dan Sikloalkana (C_nH_{2n + 1}) bersama-sama dengan banyak sebatian kimia yang dikesan pada masa pengekalan lajur sekunder kemudian. Sebatian ini dikenal pasti sebagai C_nH_2n-4, C_nH_2n-6 dan C_nH_2n-8 yang mempunyai darjah tak tepu yang lebih tinggi daripada n-Alkana dan Sikloalkana. Selain itu, kedua-dua sampel pecahan petroleum ini diukur oleh GC×GC/EI di bawah keadaan yang sama. Berdasarkan hasil carian perpustakaan untuk spektrum jisim EI yang sepadan dengan C_nH_2n-4, C_nH_2n-6 dan C_nH_2n-8, Pecahan Petroleum A terutamanya mengandungi hidrokarbon tepu polisiklik Cholestane manakala Pecahan Petroleum B terutamanya mengandungi hidrokarbon kitaran tepu tepu Adamantene.
Seterusnya, EIC 2D selektiviti tinggi (Kromatogram Ion Ekstrak) telah dibina untuk ion molekul enam sebatian kimia yang secara amnya dikenali sebagai biomarker (Jadual 2). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8 dan Rajah 9, 18-Norabietane, Cholestane dan Hopane dikenal pasti secara khusus dalam Pecahan Petroleum A, dan Adamantane, Iceane dan Diamantane dikenal pasti dalam Pecahan Petroleum B. Seterusnya, sebatian yang berkaitan untuk biomarker ini dinilai secara sistematik. dengan mencipta EIC 2D yang dijumlahkan untuk C_nH_2n-4, C_nH_2n-6 dan C_nH_2n-8 siri. EIC 2D untuk siri ini ditunjukkan dalam Rajah 10 dan Rajah 11.
Keputusan ini jelas menunjukkan bahawa biomarker dan sebatian berkaitannya terdapat dalam setiap pecahan petroleum. Oleh kerana kaedah PI secara selektif menghasilkan ion molekul untuk analit ini, penilaian sistematik untuk jumlah biomarker telah dicapai dengan menggabungkan keupayaan pemisahan tinggi GC×GC dengan pengionan lembut PI dan TOFMS resolusi tinggi. Selain itu, EIC 2D untuk pengukuran PI menjadikannya lebih mudah untuk mentafsir data dan menetapkan identiti biomarker dengan betul dalam sampel minyak mentah.

Rajah 5 PI spektrum jisim Cholestane dan Adamantane

Rajah 6 TIC 2D bagi pecahan Petroleum A, diukur dengan GC×GC/PI

Rajah.7 TIC 2D bagi pecahan Petroleum B, diukur dengan GC×GC/PI

Rajah 8 EIC 2D bagi pecahan Petroleum A, diukur dengan GC×GC/PI

( m/z 262.2661, 372.3756, 412.4069 )

Rajah.9 EIC 2D bagi pecahan Petroleum B, diukur dengan GC×GC/PI

( m/z 136.1252, 162.1409, 188.1565 )

Rajah 10 Jumlah EIC 2D bagi pecahan Petroleum A, diukur dengan GC×GC/PI

(C_nH_2n-4 : n=19～31, C_nH_2n-6 : n=19～31, C_nH_2n-8 : n=27～35 )

Rajah 11 Jumlah EIC 2D bagi pecahan Petroleum B, diukur dengan GC×GC/PI

(C_nH_2n-4 : n=10～18, C_nH_2n-6 : n=12～19, C_nH_2n-8 : n=14～20 )

Jadual 2 Biomarker biasa dan "m/z" ion molekul mereka

Ringkasan

GC×GC ialah teknologi GC termaju yang menawarkan keupayaan pemisahan kromatografi yang lebih tinggi secara dramatik berbanding GC 1D konvensional. Untuk memaksimumkan kualiti data yang diperoleh dengan keupayaan pemisahan tinggi ini, adalah berkesan untuk menggunakan TOFMS yang menawarkan kedua-dua pemerolehan data berkelajuan tinggi dan resolusi jisim tinggi dalam kombinasi dengan kaedah pengionan keras dan pengionan lembut. Sistem JEOL GC×GC-TOFMS yang dilengkapi dengan gabungan sumber EI/PI menyelesaikan semua ini dalam satu pakej.
Seperti yang dilaporkan dalam nota aplikasi ini, GC×GC-TOFMS terbaharu kami dalam kombinasi dengan sumber EI/PI pilihan ialah alat yang sangat berkuasa untuk analisis campuran kompleks seperti biomarker dalam sampel petroleum.

Rujukan

• Z. Liu, JB Phillips, J. Chromatogr. Sains, 29 227 (1991).
• JC Giddings, dubur. Kimia., 56 1258A (1984).
• GERSTEL KK Jepun, N. Ochiai, "Analisis volum mikro ultra pencemar alam sekitar menggunakan GC×GC-TOFMS", Mesyuarat Pengguna JEOL MS (2008) (dalam bahasa Jepun).
• S. Hashimoto, Y. Takazawa, A. Fushimi, H. Ito, K.Tanabe, Y. shibata, M. Ubukata, A. Kusai, K. Tanaka, H. Otsuka, K. Anezaki, J. Chromatogr. A., 1178 187 (2008).
• Persatuan Penilaian Alam Sekitar Kyushu, M. Ueda, "Analisis kualitatif dan kuantitatif sebatian organik dalam minyak bahan api menggunakan GC×GC-HRTOFMS", JEOL MS Users Meeting (2010) (dalam bahasa Jepun).
• Berita Nihondenshi Vol. 44 (2017), p40 hingga 49 (dalam bahasa Jepun).
• Anupam Giri, et al., dubur. Kimia., 89 (10) (2017), p5395-5403.