Che cos’è la gascromatografia – spettrometria di massa (GC-MS)?
La gascromatografia – spettrometria di massa (GC-MS, GCMS o GC/MS) è un metodo analitico che viene utilizzato per determinare la composizione delle sostanze all’interno di un campione. Come descrive il nome, il sistema è composto da un gascromatografo per separare le sostanze (analiti) e uno spettrometro di massa per identificare questi analiti. Questo è il gold standard per l’analisi in molti campi come la medicina legale o gli studi petrolchimici, poiché la GC-MS permette l’identificazione inequivocabile delle sostanze.
La GC-MS è solitamente associata a qualsiasi campione che può passare attraverso una GC, il che significa che le sostanze di interesse devono essere volatili e generalmente non danneggiate dal calore (450C). Come tale, la GC-MS è solitamente utilizzata per: analisi dei pesticidi, saturazione degli alimenti, qualità degli alimenti, analisi ambientali (aria, acqua, suolo), studi petrolchimici, applicazioni forensi come la rilevazione di droghe, indagini su incendi dolosi, cause di morte o indagini tossicologiche. Più recentemente, la GC-MS è stata ampiamente utilizzata in biochimica per l’identificazione di metaboliti (primari o secondari), studi metabolomici, ricerca sulle piante e persino studi archeologici e geologici! Per ironia della sorte, la GC-MS è stata persino utilizzata per studiare i campioni di Marte durante le missioni delle sonde fin dagli anni ’70! Quanto è bello?
I sistemi GC-MS toccano quasi ogni aspetto della nostra vita e i dati di questi sistemi influenzano direttamente le decisioni riguardanti la qualità della nostra vita.
I sistemi GC-MS sono tutti uguali?
No. Ci sono due ampi approcci alla tecnologia GC-MS: applicazioni di routine o non di routine. Per le applicazioni di routine, è possibile definire abbastanza da vicino ciò che si sta cercando. Questo è ciò che chiamiamo analisi noto-sconosciuto e noto-sconosciuto. Per le applicazioni non di routine, si tende a cercare sostanze che non sono mai state viste prima, non sono previste e/o non sono in una libreria di routine. Per esempio, uno potrebbe cercare droghe di strada progettate o nuovi farmaci dopanti negli atleti. Questa è l’analisi unknown-unknown ed è l’analisi più complessa possibile.
Known-knowns:
In sostanza, si ha una lista di target molto definita e si è interessati solo a questi (known-knowns). Ignorerete qualsiasi altra sostanza che potrebbe essere trovata. Per esempio, state producendo profumi sintetici e volete sapere che l’impianto di produzione ha prodotto il profumo secondo la vostra ricetta. Poiché conoscete la ricetta esatta e l’output esatto, avete una lista di obiettivi molto definita (numero di sostanze, identità esatta, rapporto percentuale). I sistemi tipici utilizzati in questo caso sono i sistemi TOF-MS entry level, i sistemi Quadrupolo-MS o i sistemi MS/MS come i tripli quadrupoli (anche se sono rari a causa del costo).
Known-unknowns:
In questo caso state lavorando un po’ oltre i known-knowns. Essenzialmente, le sostanze che ti interessano appartengono a una lista molto più lunga e potrebbero essere presenti o meno. In questo caso, non sai esattamente quale sostanza stai cercando, ma sai che appartiene a una certa categoria. Per esempio nel profumo sintetico, potresti essere interessato a scoprire esattamente quali sostanze irritanti per la pelle potrebbero essere presenti. Avete una lista dagli Stati Uniti o dall’Unione Europea su quali sostanze sono vietate e volete essere sicuri che queste sostanze non siano presenti. I sistemi tipici usati qui sono sistemi TOF-MS entry level, sistemi MS/MS come triplo quadrupolo o sistemi Quadrupolo-MS anche se questi vengono sostituiti da sistemi TOF-MS a causa delle loro prestazioni in questo campo.
Sconosciuti:
In questo caso finale, state cercando un ago in un pagliaio mentre siete bendati e non sapete che aspetto ha un ago. Questo è ciò per cui i sistemi GC-MS sono stati originariamente progettati fino a quando le difficoltà tecniche hanno costretto i produttori a smettere di sognare così in grande. Nell’analisi unknown-unknown, non si ha idea della natura degli analiti, a quale categoria appartengono o addirittura se sono presenti. Questo significa che non ci sono librerie a cui fare riferimento e il meglio che si può sperare è di avere una perfetta separazione dal GC, seguita da una misurazione MS molto accurata per darvi precise informazioni empiriche sulla molecola. Questo è il caso in cui si utilizzano spettrometri di massa ad alta risoluzione come un sistema HRTOF-MS.
Perché la GC-MS è così utile?
La GC-MS è cresciuta rapidamente in popolarità negli ultimi decenni perché fornisce un’identificazione abbastanza accurata delle sostanze a livelli ultra-traccia. La GC tradizionale utilizza rivelatori “muti” che permettono all’utente di determinare che in un momento specifico dell’analisi è presente la quantità X di una sostanza. Sulla base delle condizioni sperimentali, è possibile indovinare abbastanza bene l’identità di questa sostanza utilizzando il tempo di ritenzione di quella sostanza. Tuttavia, in molti casi diverse sostanze potrebbero avere lo stesso tempo di ritenzione, quindi l’identificazione non è garantita.
Utilizzando uno spettrometro di massa, è possibile per l’analista referenziare l’output dello spettrometro di massa con una libreria e quindi utilizzare non solo il tempo di ritenzione, ma anche lo spettro di massa in quel momento per identificare la sostanza. Più frammenti sono presenti in uno spettro di massa, migliore sarà l’identificazione.
Questo è simile all’identificazione di un sospetto utilizzando un’impronta digitale. Più caratteristiche uniche ci sono in un’impronta digitale, più siamo sicuri di poter abbinare l’impronta al nostro punto di riferimento.
La LC-MS non è più potente? Ho bisogno di una LC-MS?
La cromatografia liquida-spettrometria di massa è una tecnica correlata alla GC-MS. A causa della sua attuale popolarità, molte persone pensano che stia sostituendo la GC-MS. Tuttavia, questo è solo perché gli scienziati tendono a diventare famosi e/o a fare soldi quando pubblicano o presentano qualcosa di nuovo. Poiché la LC-MS è una tecnica più recente in generale, rimane ancora molto da scoprire e quindi si fa più rumore sulla LC-MS.
In ogni buon laboratorio si avrà sia una GC-MS che una LC-MS. Sono sistemi complementari e hanno un po’ di sovrapposizione. Per esempio, tutto ciò che è volatile (ad esempio, si può odorare) tenderà ad essere fatto da GC-MS mentre tutto ciò che ha un sacco di zucchero tenderà ad essere fatto da LC-MS. Questo perché gli zuccheri tendono a bruciare ad alta temperatura (fate un braai o un barbecue con marinate a base di zucchero e vedete cosa succede alla griglia).
Alcune sostanze come gli aminoacidi possono essere fatte con entrambe le tecniche ma si trovano a livelli inferiori con la GC-MS. Lo stesso si può dire per gli acidi grassi e altri acidi organici. Questi sembrano più facili con la LC-MS perché si può praticamente iniettare i campioni direttamente, mentre con la GC-MS è necessario derivatizzare i campioni per permettere alle sostanze di andare nella GC. Ma il compromesso è che la LC-MS tende ad essere 100 volte meno sensibile della GC-MS per questi.
La GC-MS è il “gold standard” per le analisi?
Mentre la GC-MS è considerata un “gold standard” per l’identificazione delle sostanze, la realtà è leggermente più complessa. Mentre una GC-MS può essere usata per eseguire un test specifico al 100% per identificare positivamente la presenza di una particolare sostanza, alcuni criteri devono essere tenuti a mente. Per esempio, se la GC-MS funziona in modalità SIM (Selected Ion Mode), il test è meno affidabile. Nel migliore dei casi si tratta di un test aspecifico che potrebbe suggerire statisticamente l’identità della sostanza, anche se questo potrebbe portare a un’identificazione falsamente positiva. Il modo corretto di usare la GC-MS per l’identificazione della sostanza, specialmente nel campo forense, è quello di eseguire un’analisi a scansione completa. Con la maggior parte dei sistemi GC-MS, questo significa sacrificare la sensibilità, richiedendo la presenza di più sostanze. Solo i sistemi TOFMS permettono analisi a scansione completa senza sacrificare la sensibilità.