Mikä on kaasukromatografia-massaspektrometria (GC-MS)?
Gaskromatografia-massaspektrometria (GC-MS, GCMS tai GC/MS) on analyysimenetelmä, jota käytetään aineiden koostumuksen määrittämiseen testinäytteessä. Kuten nimi kuvaa, järjestelmä koostuu kaasukromatografista aineiden (analyyttien) erottamiseksi ja massaspektrometristä näiden analyyttien tunnistamiseksi. Tämä on analyysin kultainen standardi monilla aloilla, kuten rikosteknisissä tai petrokemiallisissa tutkimuksissa, sillä GC-MS mahdollistaa aineiden yksiselitteisen tunnistamisen.
GC-MS liittyy yleensä mihin tahansa näytteeseen, joka voi mennä GC:n läpi, mikä tarkoittaa, että kiinnostuksen kohteena olevien aineiden on oltava haihtuvia eikä niitä yleensä saa vahingoittaa kuumuus (450 C). Sellaisenaan GC-MS:ää käytetään yleensä seuraaviin tarkoituksiin: torjunta-aineiden analysointi, elintarvikkeiden sateisuus, elintarvikkeiden laatu, ympäristöanalyysit (ilma, vesi, maaperä), petrokemialliset tutkimukset, rikostekniset sovellukset, kuten huumeiden havaitseminen, tuhopolton/tulipalon tutkinta, kuolinsyy tai toksikologiset tutkimukset. Viime aikoina GC-MS:ää on käytetty laajalti biokemiassa metaboliittien (primaaristen ja sekundaaristen) tunnistamiseen, metabolomitutkimuksiin, kasvitutkimuksiin ja jopa arkeologisiin ja geologisiin tutkimuksiin! Ironisena käänteenä GC-MS:ää on käytetty jopa Marsista otettujen näytteiden tutkimiseen tutkimuslentojen aikana 1970-luvulta lähtien! Kuinka siistiä se onkaan?
GC-MS-järjestelmät koskettavat lähes kaikkia elämämme osa-alueita, ja näistä järjestelmistä saatavat tiedot vaikuttavat suoraan elämänlaatuumme liittyviin päätöksiin.
Ovatko kaikki GC-MS-järjestelmät samanlaisia?
Eivät. GC-MS-tekniikkaan sovelletaan kahta laajaa lähestymistapaa, jotka ovat joko rutiinisovelluksia tai ei-rutiinisovelluksia. Rutiinisovelluksia varten voit määritellä melko tarkasti, mitä etsit. Tätä kutsutaan tunnettujen tunnettujen ja tuntemattomien analyyseiksi. Muissa kuin rutiinisovelluksissa etsitään yleensä aineita, joita ei ole koskaan ennen nähty, joita ei odoteta ja/tai joita ei ole rutiinikirjastossa. Voidaan esimerkiksi etsiä katuhuumeita tai uusia dopingaineita urheilijoilta. Tämä on tuntematon-tuntematon analyysi, ja se on monimutkaisin mahdollinen analyysi.
Tuntemattomat-tuntemattomat:
Välttämättä sinulla on joko hyvin määritelty kohdeluettelo ja olet kiinnostunut vain näistä (tuntemattomat-tuntemattomat). Jätät huomiotta kaikki muut mahdollisesti löytyvät aineet. Esimerkiksi valmistat synteettisiä hajuvesiä ja haluat tietää, että valmistuslaitos on valmistanut hajuvettä reseptisi mukaisesti. Koska tiedät tarkan reseptin ja tarkan tuotoksen, sinulla on hyvin määritelty tavoiteluettelo (aineiden lukumäärä, tarkka identiteetti, prosenttisuhde). Tyypillisiä järjestelmiä, joita käytetään tässä, ovat perustason TOF-MS-järjestelmät, kvadrupoli-MS-järjestelmät tai MS/MS-järjestelmät, kuten kolminkertaiset kvadrupolit (tosin harvinaisia kustannusten vuoksi).
Tuntemattomat:
Tässä tapauksessa työskentelet hiukan tuntemattomien tuntemattomien ulkopuolella. Pohjimmiltaan aineet, joista olet kiinnostunut, kuuluvat paljon pidempään luetteloon ja niitä voi esiintyä tai olla esiintymättä. Tällöin et tiedä tarkalleen, mitä ainetta etsit, mutta tiedät, että se kuuluu tiettyyn luokkaan. Esimerkiksi synteettisessä hajuvedessä saatat olla kiinnostunut selvittämään tarkalleen, mitä ihoa ärsyttäviä aineita saattaa esiintyä. Sinulla on Yhdysvaltojen tai EU:n laatima luettelo kielletyistä aineista, ja haluat varmistaa, ettei näitä aineita esiinny. Tyypillisiä järjestelmiä, joita käytetään tässä, ovat perustason TOF-MS-järjestelmät, MS/MS-järjestelmät, kuten kolmoiskvadrupoli- tai kvadrupoli-MS-järjestelmät, vaikka nämä ovatkin korvautumassa TOF-MS-järjestelmillä niiden suorituskyvyn vuoksi tällä alalla.
Tuntemattomat tuntemattomat:
Tässä viimeisessä tapauksessa etsit neulaa heinäsuovasta samalla, kun sinulla on silmät sidottuna, etkä tiedä, miltä neula näyttää. Tätä varten GC-MS-järjestelmät alun perin suunniteltiin, kunnes tekniset vaikeudet pakottivat valmistajat lopettamaan niin suuret unelmat. Tuntematon-tuntematon -analyysissä sinulla ei ole aavistustakaan analyyttien luonteesta, mihin luokkaan ne kuuluvat tai onko niitä edes läsnä. Tämä tarkoittaa, että ei ole olemassa kirjastoja, joihin viitata, ja paras, mitä voit toivoa, on täydellinen erottuminen GC:stä ja sen jälkeen erittäin tarkka MS-mittaus, joka antaa tarkkaa empiiristä tietoa molekyylistä. Tässä käytetään korkearesoluutioisia massaspektrometrejä, kuten HRTOF-MS-järjestelmää.
Miksi GC-MS on niin käyttökelpoinen?
GC-MS:n suosio on kasvanut nopeasti viime vuosikymmeninä, sillä se mahdollistaa aineiden melko tarkan tunnistamisen ultramatriisin tasoilla. Perinteisessä GC:ssä käytetään ”tyhmiä” ilmaisimia, joiden avulla käyttäjä voi määrittää, että tietyllä analyysin hetkellä on läsnä X määrä ainetta. Kokeellisten olosuhteiden perusteella voidaan aineen retentioaikaa käyttämällä melko hyvin arvata aineen identiteetti. Monissa tapauksissa useilla aineilla voi kuitenkin olla sama retentioaika, joten tunnistaminen ei ole varmaa.
Massaspektrometrin avulla analyytikon on mahdollista verrata massaspektrometrin ulostuloa kirjastoon ja käyttää siten retentioajan lisäksi myös massaspektriä kyseisellä hetkellä aineen tunnistamiseen. Mitä enemmän fragmentteja massaspektrissä on, sitä parempi tunnistus on.
Tämä on samanlaista kuin epäillyn tunnistaminen sormenjäljen perusteella. Mitä enemmän yksilöllisiä piirteitä sormenjäljessä on, sitä varmemmin voimme yhdistää sormenjäljen vertailukohteeseemme.
Eikö LC-MS ole tehokkaampi? Tarvitsenko LC-MS:n?
Nestekromatografia-massaspektrometria on sukua GC-MS:lle. Sen nykyisen suosion vuoksi monet ajattelevat, että se on korvaamassa GC-MS:n. Tämä johtuu kuitenkin vain siitä, että tutkijoilla on tapana tulla kuuluisiksi ja/tai tienata rahaa, kun he julkaisevat tai esittelevät jotain uutta. Koska LC-MS on yleisesti ottaen uudempi tekniikka, on vielä paljon löydettävää, ja siksi LC-MS:stä pidetään enemmän meteliä.
Kussakin hyvässä laboratoriossa on sekä GC-MS että LC-MS. Nämä ovat toisiaan täydentäviä järjestelmiä ja niillä on hieman päällekkäisyyttä. Esimerkiksi kaikki, mikä on haihtuvaa (esim. mitä voi haistaa), tehdään yleensä GC-MS:llä, kun taas kaikki, missä on paljon sokeria, tehdään yleensä LC-MS:llä. Tämä johtuu siitä, että sokereilla on taipumus palaa korkeassa lämpötilassa (tee braai tai grilli, jossa on sokeripohjaisia marinadeja, ja katso, mitä grillille tapahtuu).
Joitakin aineita, kuten aminohappoja, voidaan tehdä molemmilla tekniikoilla, mutta ne löytyvät alhaisempina pitoisuuksina GC-MS:llä. Sama voidaan sanoa rasvahapoista ja muista orgaanisista hapoista. Nämä tuntuvat olevan helpompia LC-MS:llä, koska näytteet voi ruiskuttaa melko suoraan, kun taas GC-MS:llä näytteet pitää derivatisoida, jotta aineet pääsevät GC:hen. Mutta vaihtokauppa on se, että LC-MS on yleensä 100 kertaa vähemmän herkkä kuin GC-MS näiden osalta.
Onko GC-MS analyysin ”kultainen standardi”?
Kun GC-MS:ää pidetään ”kultaisena standardina” aineiden tunnistamisessa, todellisuus on hieman monimutkaisempi. Vaikka GC-MS:llä voidaan tehdä 100-prosenttisesti spesifinen testi tietyn aineen positiiviseksi tunnistamiseksi, tietyt kriteerit on pidettävä mielessä. Jos GC-MS:ää käytetään esimerkiksi SIM-tilassa (Selected Ion Mode), testi on vähemmän luotettava. Tämä on parhaimmillaan epäspesifinen testi, joka voi tilastollisesti antaa viitteitä aineen identiteetistä, vaikka tämä voi johtaa väärään positiiviseen tunnistukseen. GC-MS:n oikea tapa käyttää GC-MS:ää aineen tunnistamiseen erityisesti rikosteknisellä alalla on suorittaa täydellinen skannausanalyysi. Useimmissa GC-MS-järjestelmissä tämä tarkoittaa, että herkkyys kärsii, jolloin tarvitaan enemmän ainetta. Ainoastaan TOFMS-järjestelmät mahdollistavat täyden skannauksen analyysit herkkyyttä uhraamatta.