Was ist Gaschromatographie – Massenspektrometrie (GC-MS)?
Gaschromatographie – Massenspektrometrie (GC-MS, GCMS oder GC/MS) ist eine Analysemethode, die zur Bestimmung der Zusammensetzung von Substanzen in einer Testprobe verwendet wird. Wie der Name schon sagt, besteht das System aus einem Gaschromatographen zur Trennung der Substanzen (Analyten) und einem Massenspektrometer zur Identifizierung dieser Analyten. Dies ist der Goldstandard für die Analyse in vielen Bereichen wie Forensik oder Petrochemie, da GC-MS die eindeutige Identifizierung von Substanzen ermöglicht.
GC-MS wird in der Regel mit jeder Probe in Verbindung gebracht, die einen GC durchlaufen kann, was bedeutet, dass die interessierenden Substanzen flüchtig sein müssen und im Allgemeinen durch Hitze (450C) nicht beschädigt werden. Daher wird die GC-MS in der Regel für folgende Zwecke eingesetzt: Pestizidanalyse, Lebensmittelsättigung, Lebensmittelqualität, Umweltanalyse (Luft, Wasser, Boden), petrochemische Untersuchungen, forensische Anwendungen wie Drogennachweis, Brandstiftung, Todesursachenermittlung oder toxikologische Untersuchungen. In jüngster Zeit wird die GC-MS auch in der Biochemie zur Identifizierung von (primären oder sekundären) Metaboliten, für Metabolomstudien, in der Pflanzenforschung und sogar in der Archäologie und bei geologischen Untersuchungen eingesetzt! Ironischerweise wird GC-MS seit den 1970er Jahren sogar zur Untersuchung von Proben vom Mars bei Sondenmissionen eingesetzt! Wie cool ist das denn?
GC-MS-Systeme berühren fast jeden Aspekt unseres Lebens, und die Daten aus diesen Systemen haben direkten Einfluss auf Entscheidungen, die unsere Lebensqualität betreffen.
Sind alle GC-MS-Systeme gleich?
Nein. Es gibt zwei grobe Ansätze für die GC-MS-Technologie, entweder Routineanwendungen oder Nicht-Routineanwendungen. Bei Routineanwendungen kann man ziemlich genau definieren, wonach man sucht. Wir nennen dies die Analyse von bekannten und unbekannten Stoffen. Bei nicht routinemäßigen Anwendungen sucht man eher nach Substanzen, die man noch nie gesehen hat, die man nicht erwartet und/oder die nicht in einer Routinebibliothek enthalten sind. Zum Beispiel könnte man nach Designer-Straßendrogen oder neuen Dopingmitteln bei Sportlern suchen. Dies ist die Unbekannt-Unbekannt-Analyse und ist die komplexeste Analyse, die möglich ist.
Bekanntes:
Im Wesentlichen hat man entweder eine sehr definierte Zielliste und ist nur an diesen (bekannten) Substanzen interessiert. Alle anderen Substanzen, die gefunden werden könnten, werden ignoriert. Ein Beispiel: Sie stellen synthetische Parfüms her und wollen wissen, ob die Produktionsanlage das Parfüm nach Ihrem Rezept hergestellt hat. Da Sie die genaue Rezeptur und das genaue Ergebnis kennen, haben Sie eine genau definierte Zielliste (Anzahl der Stoffe, genaue Identität, prozentuales Verhältnis). Typische Systeme, die hier zum Einsatz kommen, sind TOF-MS-Systeme der Einstiegsklasse, Quadrupol-MS-Systeme oder MS/MS-Systeme wie Triple-Quadrupole (die allerdings aus Kostengründen selten sind).
Known-unknowns:
In diesem Fall arbeiten Sie etwas über die bekannten Stoffe hinaus. Die Stoffe, an denen Sie interessiert sind, gehören im Grunde zu einer viel längeren Liste und könnten vorhanden sein oder auch nicht. In einem solchen Fall wissen Sie nicht genau, nach welchem Stoff Sie suchen, aber Sie wissen, dass er zu einer bestimmten Kategorie gehört. Bei einem synthetischen Parfüm zum Beispiel möchten Sie vielleicht herausfinden, welche hautreizenden Stoffe enthalten sein könnten. Sie haben eine Liste der USA oder der EU, in der steht, welche Stoffe verboten sind, und Sie wollen sicherstellen, dass diese Stoffe nicht vorhanden sind. Typische Systeme, die hier eingesetzt werden, sind TOF-MS-Einstiegssysteme, MS/MS-Systeme wie Triple-Quadrupole oder Quadrupol-MS-Systeme, die jedoch aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit in diesem Bereich zunehmend durch TOF-MS-Systeme ersetzt werden.
Unbekanntes:
In diesem letzten Fall sucht man mit verbundenen Augen nach der Nadel im Heuhaufen und weiß nicht, wie eine Nadel aussieht. Genau dafür wurden GC-MS-Systeme ursprünglich entwickelt, bis technische Schwierigkeiten die Hersteller dazu zwangen, nicht mehr so hoch zu träumen. Bei der Analyse von unbekannten Analyten weiß man nicht, welcher Art die Analyten sind, zu welcher Kategorie sie gehören oder ob sie überhaupt vorhanden sind. Das bedeutet, dass es keine Bibliotheken gibt, auf die man zurückgreifen kann, und das Beste, worauf man hoffen kann, ist eine perfekte Trennung von der GC, gefolgt von einer sehr genauen MS-Messung, die präzise empirische Informationen über das Molekül liefert. Hier kommen hochauflösende Massenspektrometer wie ein HRTOF-MS-System zum Einsatz.
Warum ist GC-MS so nützlich?
GC-MS hat in den letzten Jahrzehnten rasch an Beliebtheit gewonnen, da sie eine ziemlich genaue Identifizierung von Substanzen im Ultraspurenbereich ermöglicht. Bei der herkömmlichen GC werden „stumme“ Detektoren verwendet, mit denen der Benutzer feststellen kann, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt der Analyse X Mengen einer Substanz vorhanden sind. Auf der Grundlage der Versuchsbedingungen ist es möglich, anhand der Retentionszeit dieser Substanz eine recht gute Vermutung über die Identität dieser Substanz anzustellen. In vielen Fällen können jedoch mehrere Substanzen die gleiche Retentionszeit haben, so dass die Identifizierung nicht garantiert ist.
Bei Verwendung eines Massenspektrometers kann der Analytiker die Ausgabe des Massenspektrometers mit einer Bibliothek vergleichen und so nicht nur die Retentionszeit, sondern auch das Massenspektrum zu diesem Zeitpunkt zur Identifizierung der Substanz verwenden. Je mehr Fragmente in einem Massenspektrum vorhanden sind, desto besser wird die Identifizierung sein.
Dies ist vergleichbar mit der Identifizierung eines Verdächtigen anhand eines Fingerabdrucks. Je mehr einzigartige Merkmale ein Fingerabdruck aufweist, desto sicherer sind wir, dass wir den Fingerabdruck unserem Referenzpunkt zuordnen können.
Ist LC-MS nicht leistungsfähiger? Brauche ich ein LC-MS?
Die Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie ist eine mit der GC-MS verwandte Technik. Aufgrund ihrer derzeitigen Popularität denken viele, dass sie die GC-MS ersetzt. Das liegt jedoch nur daran, dass Wissenschaftler dazu neigen, berühmt zu werden und/oder Geld zu verdienen, wenn sie etwas Neues veröffentlichen oder vorstellen. Da es sich bei der LC-MS um eine neuere Technik handelt, gibt es noch mehr zu entdecken, und deshalb wird mehr Lärm um die LC-MS gemacht.
In jedem guten Labor gibt es sowohl ein GC-MS als auch ein LC-MS. Es handelt sich um komplementäre Systeme, die sich ein wenig überschneiden. Zum Beispiel wird alles, was flüchtig ist (z. B. was man riechen kann), eher mit GC-MS untersucht, während alles, was viel Zucker enthält, eher mit LC-MS untersucht wird. Das liegt daran, dass Zucker dazu neigt, bei hohen Temperaturen zu verbrennen (machen Sie einen Grill oder ein Barbecue mit Marinaden auf Zuckerbasis und sehen Sie, was mit dem Grill passiert).
Einige Substanzen wie Aminosäuren können mit beiden Techniken untersucht werden, werden aber mit GC-MS in geringeren Mengen gefunden. Das Gleiche gilt für Fettsäuren und andere organische Säuren. Diese scheinen mit der LC-MS einfacher zu sein, da man die Proben so gut wie direkt injizieren kann, während man bei der GC-MS die Proben derivatisieren muss, damit die Substanzen in den GC gelangen. Der Nachteil ist jedoch, dass das LC-MS für diese Stoffe 100-mal weniger empfindlich ist als das GC-MS.
Ist das GC-MS der „Goldstandard“ für die Analyse?
Während das GC-MS als „Goldstandard“ für die Identifizierung von Substanzen gilt, ist die Realität etwas komplizierter. Zwar kann mit einem GC-MS ein 100 % spezifischer Test durchgeführt werden, um das Vorhandensein einer bestimmten Substanz eindeutig festzustellen, doch müssen bestimmte Kriterien beachtet werden. Wird das GC-MS zum Beispiel im Selected Ion Mode (SIM) betrieben, ist der Test weniger zuverlässig. Dies ist bestenfalls ein unspezifischer Test, der statistisch gesehen die Identität der Substanz vermuten lässt, was jedoch zu einer falsch positiven Identifizierung führen kann. Die korrekte Art, das GC-MS zur Substanzidentifizierung zu verwenden, insbesondere im forensischen Bereich, ist die Durchführung einer vollständigen Scan-Analyse. Bei den meisten GC-MS-Systemen bedeutet dies einen Verlust an Empfindlichkeit, da mehr Substanz vorhanden sein muss. Nur die TOFMS-Systeme ermöglichen Full-Scan-Analysen ohne Einbußen bei der Empfindlichkeit.