Gaschromatografie-massaspectrometrie in combinatie met totale verdampingsvaste fase micro-extractie als forensisch hulpmiddel
Summary
Total Vaporization Solid Phase Microextraction (TV-SPME) verdampt een vloeibaar monster volledig terwijl analyten worden geabsorbeerd op een SPME-vezel. Dit maakt het mogelijk om de analyt te verdelen tussen alleen de oplosmiddeldamp en de SPME-vezelcoating.
Abstract
Gaschromatografie – Mass Spectrometry (GC-MS) is een veelgebruikte techniek voor de analyse van talrijke analyten van forensisch belang, waaronder gereguleerde stoffen, ontvlambare vloeistoffen en explosieven. GC-MS kan worden gekoppeld aan Solid-Phase Microextraction (SPME), waarbij een vezel met een sorptiecoating in de headspace boven een monster wordt geplaatst of in een vloeibaar monster wordt ondergedompeld. Analyten worden geabsorbeerd op de vezel die vervolgens in de verwarmde GC-inlaat wordt geplaatst voor desorptie. Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME) maakt gebruik van dezelfde techniek als immersie SPME, maar dompelt de vezel onder in een volledig verdampt monsterextract. Deze volledige verdamping resulteert in een scheiding tussen alleen de dampfase en de SPME-vezel zonder interferentie van een vloeibare fase of onoplosbare materialen. Afhankelijk van het kookpunt van het gebruikte oplosmiddel maakt TV-SPME grote monstervolumes mogelijk (bijv. tot honderden microliters). On-fiber derivatisatie kan ook worden uitgevoerd met behulp van TV-SPME. TV-SPME is gebruikt om geneesmiddelen en hun metabolieten in haar, urine en speeksel te analyseren. Deze eenvoudige techniek is ook toegepast op straatdrugs, lipiden, brandstofmonsters, explosieve residuen na ontploffing en verontreinigende stoffen in water. Dit artikel belicht het gebruik van TV-SPME om illegale overspelige stoffen te identificeren in zeer kleine monsters (microliterhoeveelheden) alcoholische dranken. Zowel gamma-hydroxybutyraat (GHB) als gamma-butyrolactone (GBL) werden geïdentificeerd op niveaus die zouden worden gevonden in spiked dranken. Derivatisatie door een trimethylsilyl-middel maakte omzetting van de waterige matrix en GHB in hun TMS-derivaten mogelijk. Over het algemeen is TV-SPME snel, eenvoudig en vereist geen monstervoorbereiding, afgezien van het plaatsen van het monster in een headspace-flacon.
Introduction
Solid-Phase Microextraction (SPME) is een bemonsteringstechniek waarbij een vloeibaar of vast monster in een headspace-flacon wordt geplaatst en een SPME-vezel, bedekt met een polymeermateriaal, vervolgens in de monsterhoofdruimte wordt gebracht (of ondergedompeld in een vloeibaar monster). De analyt wordt op de vezel gesorbeerd en vervolgens wordt de vezel in de GC-inlaat geplaatst voor desorptie1,2. Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME) is een vergelijkbare techniek als immersie SPME, maar verdampt een vloeibaar monster volledig voordat analyten op de vezel worden geadsorbeerd. Dit maakt het mogelijk om de analyt te verdelen tussen alleen de oplosmiddeldamp en de coating van de vezel, waardoor meer van de analyt op de vezel kan worden geadsorbeerd en resulteert in een goede gevoeligheid3. Er zijn verschillende SPME-vezels beschikbaar en de vezel moet worden gekozen op basis van de analyt van belang, oplosmiddel / matrix en derivatisatiemiddel. Zie tabel 1 voor gevestigde TV-SPME-analyten.
| monster | Analyt(s) | Aanbevolen SPME Fiber | Referentie(s) |
| Menselijk Haar | Nicotine, cotinine | Polydimethylsiloxaan/divinylbenzeen (PDMS/DVB), polyacrylaat (PA) | 3 |
| Rookloos poeder | Nitroglycerine, difenylamine | Polydimethylsiloxaan (PDMS), polyethyleenglycol (PEG) | 7, 8 |
| Racebrandstof | Methanol, nitromethaan | pin | 9 |
| Water | Polycyclische aromatische koolwaterstoffen | PDMS | 10 |
| Dranken | ɣ-hydroxyboterzuur, ɣ-butyrolactone | PDMS | Dit werk |
| Vast poeder | Methamfetamine, amfetamine | PDMS/DVB | ongepubliceerd |
Tabel 1. Aanbevolen SPME vezels met gevestigde TV-SPME analyten.
Om TV-SPME uit te voeren, worden analyten opgelost in een oplosmiddel en wordt een aliquot van dit mengsel in een headspace-flacon geplaatst. Monsters hoeven niet te worden gefilterd omdat alleen het oplosmiddel en vluchtige analyten zullen verdampen. Er moeten specifieke hoeveelheden vloeibare monsters worden gebruikt om de totale verdamping van het monster te waarborgen. Deze volumes worden bepaald met behulp van de Ideale Gaswet om het aantal moedervlekken van een oplosmiddel vermenigvuldigd met het molaire volume van de vloeistof te berekenen (vergelijking 1).
Vergelijking 1
waarbij Vo het volume van het monster (ml) is, P de dampdruk van het oplosmiddel (bar), Vv het volume van de flacon (L), R de ideale gasconstante (0,083145 
), M de molaire massa van het oplosmiddel (g/mol), T temperatuur (K) en 
de dichtheid van het oplosmiddel (g/ml). 3
Om de juiste dampdruk te gebruiken, wordt de Antoine-vergelijking (vergelijking 2) gebruikt om rekening te houden met de invloed van temperatuur:4
Vergelijking 2
waarbij T temperatuur is en A, B en C de Antoine-constanten voor het oplosmiddel. Vergelijking 2 kan worden vervangen door vergelijking 1, wat opbrengt:
Vergelijking 3
Vergelijking 3 geeft het volume van het monster (Vo) dat volledig kan worden verdampt als functie van de gebruikte temperatuur en oplosmiddel.
Om derivatisatie met TV-SPME uit te voeren, wordt de SPME-vezel eerst blootgesteld aan een flacon met het derivatisatiemiddel gedurende een vooraf bepaalde hoeveelheid tijd, afhankelijk van de analyt. De SPME-vezel wordt vervolgens blootgesteld aan een nieuwe flacon met de analyt van belang. Deze flacon wordt verwarmd in een verwarmd roerwerk. De analyt wordt vervolgens geadsorbeerd op de vezel met het derivatisatiemiddel. De derivatisatie van de analyt en/of de matrix vindt plaats op de vezel voordat deze in de GC-inlaat voor desorptie wordt ingebracht. Figuur 1 toont een weergave van het TV-SPME proces met derivatisatie.
Figuur 1: Weergave van het TV-SPME proces met derivatisatie. De SPME-vezel komt eerst in de derivatisatieflacon waar het derivatisatiemiddel (gele cirkels) op de vezelsorbeert. De vezel wordt vervolgens in het monster (blauwe cirkels) geïntroduceerd en verwarmd. Vorming van het derivaat (groene cirkels) vindt plaats op de vezel tijdens de extractietijd. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
TV-SPME is gunstig omdat het mogelijk maakt om de analyt te derivatiseren tijdens het extractieproces, wat de analysetijd vermindert. Andere methoden, zoals vloeistofinjectie, vereisen dat de analyt reageert met het derivatiserende middel in oplossing voordat het in de GC wordt geïnjecteerd. TV-SPME vereist ook weinig tot geen monstervoorbereiding. Een matrix met een analyt kan rechtstreeks in de flacon van de hoofdruimte worden geplaatst en worden geanalyseerd. Veel verbindingen van belang zijn compatibel met TV-SPME. Verbindingen moeten oplosbaar zijn in een oplosmiddel en voldoende vluchtig zijn om verdamping mogelijk te maken. Bovendien moeten verbindingen thermisch stabiel zijn om door GC-MS te worden geanalyseerd. TV-SPME is gebruikt voor de analyse van drugs en drug metabolieten, racebrandstoffen, polycyclische aromatische koolwaterstoffen, en explosieve materialen3,5,6,7,8,9,10.
Protocol
Representative Results
Discussion
TV-SPME heeft enkele voordelen ten opzichte van vloeistofinjectie GC in die tijd dat grote monstergrootten (bijv. 100 μL) zonder instrumentaanpassingen kunnen worden gebruikt. TV-SPME heeft ook enkele van dezelfde voordelen als headspace SPME. Headspace SPME vereist geen extractie of filtratie omdat niet-volatiele verbindingen in de headspace-flacon blijven en niet op de vezel worden geadsorbeerd, wat een schoon monster oplevert. Deze methode helpt ook om matrixeffecten te elimineren omdat dit een tweefasig systeem (hea…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door het National Institute of Justice (Award No. 2015-DN-BX-K058 & 2018-75-CX-0035). De meningen, bevindingen en conclusies die hier naar voren worden gebracht, zijn die van de auteur en weerspiegelen niet noodzakelijk die van de financieringsorganisaties.
Materials
| 10 µL Syringe | Gerstel | 100111-014-00 | |
| BSTFA + 1% TMCS (10 x 1 GM) | Regis Technologies Inc. | 50442882 | |
| eVol XR Sample Dispensing System Kit | ThermoFisher Scientific | 66002-024 | |
 -Butyrolactone (GBL) |
Sigma-Aldrich | B103608-26G | |
| -Hydroxy Butyric Acid (GHB) |
Cayman Chemicals | 9002506 | |
| Headspace Screw-Thread Vials, 18 mm | Restek | 23083 | |
| Magnetic Screw-Thread Caps, 18 mm | Restek | 23091 | |
| Optima water for HPLC | Fisher Chemical | W71 | |
| SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane (PDMS) | Supelco | 57341-U | |
| SPME Fiber Assembly Polydimethylsiloxane/Divinylbenzene (PDMS/DVB) | Supelco | 57293-U | |
| Topaz 2.0 mm ID Straight Inlet Liner | Restek | 23313 |
References
- Pawliszyn, J. B. Method and Device for Solid Phase Microextraction and Desorption. United States patent. , (2005).
- Pawliszyn, J. . Solid phase microextraction: theory and practice. , (1997).
- Rainey, C. L., Bors, D. E., Goodpaster, J. V. Design and optimization of a total vaporization technique coupled to solid-phase microextraction. Analytical Chemistry. 86 (22), 11319-11325 (2014).
- Sinnott, R. . Chemical Engineering Design: Chemical Engineering. 6, (2005).
- Davis, K. . Detection of Illicit Drugs in Various Matrices Via Total Vaporization Solid-Phase Microextraction (TV-SPME). , (2019).
- Ash, J., Hickey, L., Goodpaster, J. Formation and identification of novel derivatives of primary amine and zwitterionic drugs. Forensic Chemistry. 10, 37-47 (2018).
- Sauzier, G., Bors, D., Ash, J., Goodpaster, J. V., Lewis, S. W. Optimisation of recovery protocols for double-base smokeless powder residues analysed by total vaporisation (TV) SPME/GC-MS. Talanta. 158, 368-374 (2016).
- Bors, D., Goodpaster, J. Mapping smokeless powder residue on PVC pipe bomb fragments using total vaporization solid phase microextraction. Forensic science international. 276, 71-76 (2017).
- Bors, D., Goodpaster, J. Chemical analysis of racing fuels using total vaporization and gas chromatography mass spectrometry (GC/MS). Analytical Methods. 8 (19), 3899-3902 (2016).
- Beiranvand, M., Ghiasvand, A. Design and optimization of the VA-TV-SPME method for ultrasensitive determination of the PAHs in polluted water. Talanta. 212, 120809 (2020).
