Vad är gaskromatografi – masspektrometri (GC-MS)?
Gaskromatografi – masspektrometri (GC-MS, GCMS eller GC/MS) är en analysmetod som används för att bestämma sammansättningen av ämnen i ett prov. Som namnet beskriver består systemet av en gaskromatograf för att separera ämnena (analyterna) och en masspektrometer för att identifiera dessa analyter. Detta är den gyllene standarden för analys inom många områden, t.ex. rättsmedicin eller petrokemiska studier, eftersom GC-MS gör det möjligt att otvetydigt identifiera ämnen.
GC-MS förknippas vanligen med alla prov som kan passera genom en GC, vilket innebär att de ämnen som är av intresse måste vara flyktiga och i allmänhet inte skadas av värme (450C). GC-MS används vanligtvis för analys av bekämpningsmedel, livsmedelssortering, livsmedelskvalitet, miljöanalyser (luft, vatten, jord), petrokemiska studier, kriminaltekniska tillämpningar som t.ex. upptäckt av droger, undersökning av mordbrand/bränder, dödsorsaker eller toxikologiska undersökningar. På senare tid har GC-MS använts flitigt inom biokemi för identifiering av metaboliter (primära eller sekundära), metabolomiska studier, växtforskning och till och med arkeologi och geologiska studier! Som en ironisk vändning har GC-MS till och med använts för att studera prover från Mars under sonderingsuppdrag sedan 1970-talet! Hur häftigt är inte det?
GC-MS-system berör nästan alla aspekter av våra liv och data från dessa system påverkar direkt beslut som rör vår livskvalitet.
Är alla GC-MS-system likadana?
Nej. Det finns två breda tillvägagångssätt för GC-MS-tekniken, antingen rutintillämpningar eller icke-rutintillämpningar. När det gäller rutintillämpningar kan man ganska noggrant definiera vad man letar efter. Detta är vad vi kallar för analys av kända kända och okända uppgifter. När det gäller icke-rutinmässiga tillämpningar tenderar man att leta efter ämnen som man aldrig har sett förut, som man inte förväntar sig och/eller som inte finns i ett rutinbibliotek. Man kan till exempel leta efter designade gatudroger eller nya dopingpreparat hos idrottsmän. Detta är okänd-okänd-analys och är den mest komplexa analysen som är möjlig.
Kända-kunder:
I huvudsak har man antingen en mycket definierad mållista och är bara intresserad av dessa (kända-kunder). Du ignorerar alla andra ämnen som kan hittas. Du tillverkar t.ex. syntetiska parfymer och vill veta att tillverkningsanläggningen har producerat parfymen enligt ditt recept. Eftersom du känner till det exakta receptet och det exakta resultatet har du en mycket väldefinierad mållista (antal ämnen, exakt identitet, procentuell andel). Typiska system som används här är TOF-MS-system på instegsnivå, Quadrupole-MS-system eller MS/MS-system som t.ex. trippel-quadrupoler (dock sällsynta på grund av kostnaden).
Kunskap-okända:
I det här fallet arbetar du något bortom de kända-okända. I huvudsak tillhör de ämnen som du är intresserad av en mycket längre lista och kan förekomma eller inte förekomma. I ett sådant fall vet du inte exakt vilket ämne du letar efter, men du vet att det tillhör en viss kategori. När det gäller syntetisk parfym kan du till exempel vara intresserad av att ta reda på exakt vilka hudirriterande ämnen som kan förekomma. Du har en lista från USA eller EU över vilka ämnen som är förbjudna och du vill försäkra dig om att dessa ämnen inte förekommer. Typiska system som används här är TOF-MS-system på instegsnivå, MS/MS-system som trippel-quadrupoler eller Quadrupole-MS-system, även om dessa håller på att ersättas av TOF-MS-system på grund av deras prestanda på detta område.
Unknown-unknowns:
I det här sista fallet letar du efter en nål i en höstack medan du har ögonbindel för ögonen och inte vet hur en nål ser ut. Detta är vad GC-MS-systemen ursprungligen utformades för, tills tekniska svårigheter tvingade tillverkarna att sluta drömma så stort. Vid okänd-okänd analys har du ingen aning om analyternas karaktär, vilken kategori de tillhör eller ens om de finns. Detta innebär att det inte finns några bibliotek att hänvisa till och det bästa man kan hoppas på är att få en perfekt separation från GC, följt av en mycket noggrann MS-mätning för att ge dig exakt empirisk information om molekylen. Det är här du kommer att använda högupplösta masspektrometrar som ett HRTOF-MS-system.
Varför är GC-MS så användbart?
GC-MS har snabbt ökat i popularitet under de senaste decennierna eftersom det ger en ganska exakt identifiering av ämnen i ultraspårnivå. Traditionell GC använder ”dumma” detektorer som gör det möjligt för användaren att fastställa att det vid en viss tidpunkt i analysen finns X mängd av ett ämne. Med utgångspunkt i försöksförhållandena kan man med hjälp av ämnets retentionstid göra en ganska bra gissning om ämnets identitet. I många fall kan dock flera ämnen ha samma retentionstid, så identifieringen är inte garanterad.
Med hjälp av en masspektrometer är det möjligt för analytikern att referera masspektrometerns utdata till ett bibliotek och därmed använda inte bara retentionstiden utan även masspektrat vid den tidpunkten för att identifiera ämnet. Ju fler fragment som finns i ett masspektrum, desto bättre blir identifieringen.
Detta kan liknas vid att identifiera en misstänkt person med hjälp av ett fingeravtryck. Ju fler unika egenskaper i ett fingeravtryck, desto säkrare är vi på att vi kan matcha fingeravtrycket med vår referenspunkt.
Är LC-MS inte mer kraftfullt? Behöver jag en LC-MS?
Vätskekromatografi-Masspektrometri är en teknik som är besläktad med GC-MS. På grund av dess nuvarande popularitet tror många att den ersätter GC-MS. Detta beror dock endast på att forskare tenderar att bli berömda och/eller tjäna pengar när de publicerar eller presenterar något nytt. Eftersom LC-MS är en nyare teknik i allmänhet återstår mer att upptäcka och därför görs mer väsen av LC-MS.
I varje bra laboratorium har man både en GC-MS och en LC-MS. Dessa är kompletterande system och har en liten överlappning. Till exempel tenderar allt som är flyktigt (t.ex. som man kan känna lukten av) att göras med GC-MS, medan allt som innehåller mycket socker tenderar att göras med LC-MS. Detta beror på att sockerarter tenderar att brinna vid hög temperatur (gör en braai eller grillning med sockerbaserade marinader och se vad som händer med grillen).
Vissa ämnen, t.ex. aminosyror, kan göras med båda teknikerna men återfinns i lägre halter med GC-MS. Samma sak kan sägas om fettsyror och andra organiska syror. Dessa verkar lättare med LC-MS eftersom man i stort sett kan injicera proverna direkt medan man med GC-MS måste derivatisera proverna för att ämnena ska kunna gå in i GC. Men motprestationen är att LC-MS tenderar att vara 100 gånger mindre känslig än GC-MS för dessa.
Är GC-MS ”guldstandard” för analys?
Men även om GC-MS betraktas som ”guldstandard” för identifiering av ämnen är verkligheten något mer komplicerad. Även om en GC-MS kan användas för att utföra ett 100 % specifikt test för att positivt identifiera närvaron av ett visst ämne, måste vissa kriterier hållas i åtanke. Om GC-MS:en drivs i Selected Ion Mode (SIM) är testet till exempel mindre tillförlitligt. Detta är i bästa fall ett ospecifikt test som statistiskt sett kan ge en antydan om ämnets identitet, även om detta kan leda till falskt positiv identifiering. Det korrekta sättet att använda GC-MS för identifiering av ämnen, särskilt på det rättsmedicinska området, är att utföra en fullständig skanningsanalys. Med de flesta GC-MS-system innebär detta att man måste göra avkall på känsligheten och kräva att mer substans är närvarande. Endast TOFMS-systemen gör det möjligt att göra analyser med full skanning utan att göra avkall på känsligheten.