Wat is Gas Chromatografie – Massaspectrometrie (GC-MS)?
Gas Chromatografie – Massaspectrometrie (GC-MS, GCMS of GC/MS) is een analytische methode die wordt gebruikt om de samenstelling van stoffen in een testmonster te bepalen. Zoals de naam al aangeeft, bestaat het systeem uit een gaschromatograaf om de stoffen (analyten) te scheiden en een massaspectrometer om deze analyten te identificeren. Dit is de gouden standaard voor analyse op vele gebieden zoals forensisch of petrochemisch onderzoek, aangezien GC-MS de ondubbelzinnige identificatie van stoffen mogelijk maakt.
GC-MS wordt gewoonlijk geassocieerd met elk monster dat door een GC kan gaan, wat betekent dat de stoffen van belang vluchtig moeten zijn en over het algemeen niet door hitte (450C) worden aangetast. Als zodanig wordt GC-MS gewoonlijk gebruikt voor: analyse van bestrijdingsmiddelen, verzadiging van levensmiddelen, voedselkwaliteit, milieu-analyse (lucht, water, bodem), petrochemisch onderzoek, forensische toepassingen zoals opsporing van drugs, onderzoek naar brandstichting/brandstichting, doodsoorzaak of toxicologisch onderzoek. Meer recent, is GC-MS uitgebreid gebruikt in biochemie voor de identificatie van metabolieten (primair of secundair), metabolomische studies, plantenonderzoek en zelfs archeologie en geologische studies! In een ironische twist, is GC-MS zelfs gebruikt om monsters van Mars te bestuderen tijdens sonde-missies sinds de jaren 1970! Hoe cool is dat?
GC-MS systemen raken bijna elk aspect van ons leven en de gegevens van deze systemen rechtstreeks van invloed op beslissingen over onze kwaliteit van leven.
Zijn alle GC-MS systemen hetzelfde?
Nee. Er zijn twee brede benaderingen van GC-MS technologie, hetzij routinematige toepassingen of niet-routinematige. Voor routinetoepassingen kan men vrij nauwkeurig bepalen waarnaar men op zoek is. Dit noemen we bekende en onbekende analyses. Voor niet-routinematige toepassingen zoekt men meestal naar stoffen die men nog nooit eerder heeft gezien, die men niet verwacht en/of die niet in een routinebibliotheek zitten. Men kan bijvoorbeeld op zoek gaan naar designer straatdrugs of nieuwe dopingmiddelen bij atleten. Dit is een onbekende-onbekende analyse en het is de meest complexe analyse die mogelijk is.
Bekende stoffen:
In wezen heb je ofwel een zeer gedefinieerde doellijst en je bent alleen geïnteresseerd in deze (bekende-bekende stoffen). U negeert elke andere stof die zou kunnen worden gevonden. U vervaardigt bijvoorbeeld synthetische parfums en u wilt weten of de fabriek het parfum volgens uw recept heeft geproduceerd. Aangezien u het exacte recept en de exacte output kent, hebt u een zeer gedefinieerde doellijst (aantal stoffen, exacte identiteit, procentuele verhouding). Typische systemen die hier worden gebruikt zijn TOF-MS-systemen op instapniveau, quadrupool-MS-systemen of MS/MS-systemen zoals triple-quadrupoles (hoewel zeldzaam vanwege de kosten).
Known-unknowns:
In dit geval werkt u iets verder dan de known-knowns. De stoffen waarin u geïnteresseerd bent, behoren in wezen tot een veel langere lijst en kunnen al dan niet aanwezig zijn. In een dergelijk geval weet u niet precies naar welke stof u op zoek bent, maar u weet dat zij tot een bepaalde categorie behoort. In het geval van een synthetisch parfum bijvoorbeeld, wilt u misschien precies weten welke huidirriterende stoffen aanwezig kunnen zijn. U beschikt over een lijst van de VS of de EU met stoffen die verboden zijn en u wilt er zeker van zijn dat deze stoffen niet aanwezig zijn. Typische systemen die hier worden gebruikt zijn TOF-MS-systemen op instapniveau, MS/MS-systemen zoals triple-quadrupoles of quadrupool-MS-systemen, hoewel deze steeds meer worden vervangen door TOF-MS-systemen vanwege hun prestaties op dit gebied.
Onbekende stoffen:
In dit laatste geval zoekt u geblinddoekt naar een naald in een hooiberg en weet u niet hoe een naald eruitziet. Dit is waar GC-MS-systemen oorspronkelijk voor werden ontworpen, totdat technische moeilijkheden de fabrikanten dwongen niet meer zo groot te dromen. Bij onbekende-analyses heb je geen idee van de aard van de analyten, tot welke categorie ze behoren of zelfs of ze aanwezig zijn. Dit betekent dat er geen bibliotheken zijn om naar te verwijzen en dat het beste wat je kunt hopen een perfecte scheiding van de GC is, gevolgd door een zeer nauwkeurige MS-meting om je precieze empirische informatie over het molecuul te geven. Dit is waar u hoge-resolutie massaspectrometers zoals een HRTOF-MS-systeem zult gebruiken.
Waarom is GC-MS zo nuttig?
GC-MS is de laatste decennia snel in populariteit toegenomen, omdat het een vrij nauwkeurige identificatie van de stoffen op ultra-trace niveaus mogelijk maakt. Traditionele GC maakt gebruik van “domme” detectoren die de gebruiker in staat stellen te bepalen dat op een bepaald moment in de analyse X hoeveelheid van een stof aanwezig is. Op basis van de experimentele omstandigheden is een vrij goede schatting van de identiteit van deze stof mogelijk aan de hand van de retentietijd van die stof. In veel gevallen kunnen echter meerdere stoffen dezelfde retentietijd hebben, zodat de identificatie niet gegarandeerd is.
Met een massaspectrometer kan de analist de output van de massaspectrometer aan een bibliotheek refereren en zo niet alleen de retentietijd, maar ook het massaspectrum op dat moment gebruiken om de stof te identificeren. Hoe meer fragmenten in een massaspectrum aanwezig zijn, hoe beter de identificatie zal zijn.
Dit is vergelijkbaar met het identificeren van een verdachte aan de hand van een vingerafdruk. Hoe meer unieke kenmerken in een vingerafdruk, hoe zekerder we zijn dat we de vingerafdruk kunnen matchen met ons referentiepunt.
Is LC-MS niet krachtiger? Heb ik een LC-MS nodig?
Liquid Chromatography-Mass Spectrometry is een techniek die verwant is aan GC-MS. Wegens haar huidige populariteit denken veel mensen dat zij GC-MS aan het vervangen is. Dit is echter alleen maar omdat wetenschappers de neiging hebben beroemd te worden en/of geld te verdienen wanneer zij iets nieuws publiceren of presenteren. Aangezien LC-MS in het algemeen een nieuwere techniek is, moet er nog meer ontdekt worden en wordt er dus meer ophef gemaakt over LC-MS.
In elk goed laboratorium zal men zowel een GC-MS als een LC-MS hebben. Het zijn complementaire systemen en ze overlappen elkaar een beetje. Bijvoorbeeld, alles wat vluchtig is (b.v. je kunt het ruiken) zal meestal worden gedaan door GC-MS, terwijl alles wat veel suiker bevat, meestal zal worden gedaan door LC-MS. Dit komt omdat suikers de neiging hebben bij hoge temperatuur te verbranden (maak een braai of barbecue met marinades op basis van suiker en zie wat er met de grill gebeurt).
Sommige stoffen, zoals aminozuren, kunnen met beide technieken worden gedaan, maar worden in lagere gehaltes gevonden door GC-MS. Hetzelfde kan worden gezegd van vetzuren en andere organische zuren. Deze lijken gemakkelijker met LC-MS omdat je de monsters vrijwel direct kunt injecteren, terwijl je bij GC-MS de monsters moet derivatiseren om de stoffen in de GC te laten gaan. Maar de afweging is dat LC-MS 100 keer minder gevoelig is dan GC-MS voor deze stoffen.
Is GC-MS de “gouden standaard” voor analyse?
Wanneer GC-MS wordt beschouwd als een “gouden standaard” voor de identificatie van stoffen, is de realiteit iets ingewikkelder. Hoewel een GC-MS kan worden gebruikt om een 100% specifieke test uit te voeren om de aanwezigheid van een bepaalde stof positief te identificeren, moeten bepaalde criteria in gedachten worden gehouden. Als de GC-MS bijvoorbeeld in Selected Ion Mode (SIM) werkt, is de test minder betrouwbaar. Dit is in het beste geval een niet-specifieke test die statistisch gezien de identiteit van de stof zou kunnen suggereren, maar dit kan leiden tot een vals-positieve identificatie. De juiste manier om GC-MS voor de identificatie van stoffen te gebruiken, vooral op forensisch gebied, is het uitvoeren van een volledige scananalyse. Met de meeste GC-MS systemen betekent dit dat de gevoeligheid wordt opgeofferd, omdat er meer stof aanwezig moet zijn. Alleen de TOFMS-systemen maken full scan-analyses mogelijk zonder de gevoeligheid op te offeren.