Gasskromatografi-massespektrometri sammen med total fordampning fastfase mikroekstraksjon som rettsmedisinsk verktøy
Summary
Total fordampning Solid Phase Microextraction (TV-SPME) fordamper helt en væskeprøve mens analytter blir sorbed på en SPME fiber. Dette gjør det mulig å partisjonere analytten mellom bare løsningsmiddeldampen og SPME fiberbelegget.
Abstract
Gasskromatografi – Massespektrometri (GC-MS) er en ofte brukt teknikk for analyse av mange analytter av rettsmedisinsk interesse, inkludert kontrollerte stoffer, antennelige væsker og eksplosiver. GC-MS kan kombineres med Solid-Phase Microextraction (SPME), der en fiber med et sorptive belegg plasseres i hoderommet over en prøve eller nedsenkes i en flytende prøve. Analytter blir sorbed på fiberen som deretter plasseres inne i det oppvarmede GC-innløpet for avledning. Total fordampning Solid-Phase Microextraction (TV-SPME) benytter samme teknikk som nedsenking SPME, men fordyper fiberen i et helt fordampet prøveekstrakt. Denne komplette fordampningen resulterer i en partisjon mellom bare dampfasen og SPME-fiberen uten forstyrrelser fra en væskefase eller uoppløselige materialer. Avhengig av kokepunktet til løsningsmidlet som brukes, tillater TV-SPME store prøvevolumer (f.eks. opptil hundrevis av mikroliter). Avledning på fiber kan også utføres ved hjelp av TV-SPME. TV-SPME har blitt brukt til å analysere narkotika og deres metabolitter i hår, urin og spytt. Denne enkle teknikken har også blitt brukt på gatemedisiner, lipider, drivstoffprøver, eksplosive rester etter eksplosjonen og miljøgifter i vann. Dette dokumentet fremhever bruken av TV-SPME for å identifisere ulovlige utroskap i svært små prøver (mikrolitermengder) av alkoholholdige drikker. Både gamma-hydroksybutyrat (GHB) og gamma-butyrolactone (GBL) ble identifisert på nivåer som ville bli funnet i spiked drinker. Avledning av et trimetylsilylmiddel tillatt for konvertering av vandig matrise og GHB til deres TMS-derivater. Totalt sett er TV-SPME rask, enkel og krever ingen prøveforberedelse bortsett fra å plassere prøven i et hetteglass med hoderom.
Introduction
Solid-Phase Microextraction (SPME) er en prøvetakingsteknikk der en væske eller fast prøve plasseres i et hoderomsflaske og en SPME fiber, belagt med et polymert materiale, blir deretter introdusert i prøvehoderommet (eller nedsenket i en væskeprøve). Analytten blir sorbed på fiberen og deretter fiberen er plassert inne i GC-innløpet for desorpsjon1,2. Total fordampning Solid-Phase Microextraction (TV-SPME) er en lignende teknikk som nedsenking SPME, men fordamper helt en væskeprøve før analytter adsorberes på fiberen. Dette gjør det mulig å partisjonere analytten mellom bare løsningsmiddeldampen og belegget av fiberen, slik at mer av analytten kan adsorberes på fiberen og resulterer i god følsomhet3. Det er forskjellige SPME-fibre tilgjengelig, og fiberen bør velges basert på analytten av interesse, løsningsmiddel / matrise og avledningsmiddel. Se tabell 1 for etablerte TV-SPME-analytter.
| eksempel | Analytt(er) | Anbefalt SPME Fiber | Referanse(er) |
| Menneskehår | Nikotin, cotinine | Polydimetylsiloksan/divinylbenzen (PDMS/DVB), polyakrylat (PA) | 3 |
| Røykfritt pulver | Nitroglyserin, difenylamin | Polydimetylsiloksan (PDMS), polyetylenglykol (PEG) | 7, 8 |
| Racing drivstoff | Metanol, nitrometan | plugg | 9 |
| Vann | Polysykliske aromatiske hydrokarboner | PDMS | 10 |
| Drikkevarer | ɣ-Hydroksybutyrsyre, ɣ-butyrolactone | PDMS | Dette arbeidet |
| Fast pulver | Metamfetamin, amfetamin | PDMS/DVB | upublisert |
Tabell 1. Anbefalte SPME-fibre med etablerte TV-SPME-analytter.
For å utføre TV-SPME oppløses analytter i et løsningsmiddel og en aliquot av denne blandingen plasseres i et hoderoms hetteglass. Prøver trenger ikke å filtreres fordi bare løsningsmidlet og flyktige analytter vil fordampe. Spesifikke mengder væskeprøver må brukes for å sikre total fordampning av prøven. Disse volumene bestemmes ved å bruke Ideal Gas Law til å beregne antall mol av et løsningsmiddel multiplisert med væskens molarvolum (ligning 1).
Formel 1
hvor Vo er volumet av prøven (ml), P er damptrykket til løsningsmidlet (bar), Vv er volumet av hetteglasset (L), R er den ideelle gasskonstanten (0,083145 
), M er molarmassen til løsningsmidlet (g / mol), T er temperatur (K), og 
er tettheten av løsningsmidlet (g / ml). 3
For å bruke riktig damptrykk, brukes Antoine-ligningen (Formel 2) til å ta hensyn til påvirkning av temperatur:4
Formel 2
der T er temperatur og A, B og C er Antoine-konstantene for løsningsmidlet. Ligning 2 kan erstattes i formel 1, noe som gir:
Formel 3
Ligning 3 gir volumet av prøven (Vo) som kan fordampes helt som en funksjon av temperaturen og løsningsmidlet som brukes.
For å utføre avledning med TV-SPME, blir SPME-fiberen først utsatt for et hetteglass som inneholder avledningsmiddelet i en forhåndsbestemt tidsperiode, avhengig av analytten. SPME-fiberen blir deretter utsatt for et nytt hetteglass som inneholder analytten av interesse. Dette hetteglasset varmes opp inne i en oppvarmet agitator. Analytten adsorberes deretter på fiberen med avledningsmiddelet. Avledningen av analytten og/eller matrisen foregår på fiberen før den settes inn i GC-innløpet for desorpsjon. Figur 1 viser en skildring av TV-SPME-prosessen med avledning.
Figur 1: Skildring av TV-SPME-prosessen med avledning. SPME fiber går først inn i avlednings hetteglasset der derivatiseringsmiddelet (gule sirkler) sorb på fiberen. Fiberen blir deretter introdusert til prøven (blå sirkler) og oppvarmet. Dannelse av derivatet (grønne sirkler) foregår på fiberen i ekstraksjonstiden. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
TV-SPME er gunstig fordi det gjør det mulig å avlede analytten under ekstraksjonsprosessen, noe som reduserer analysetiden. Andre metoder, som væskeinjeksjon, krever at analytten reagerer med avledningsmiddelet i oppløsning før den injiseres i GC. TV-SPME krever også lite eller ingen prøveforberedelse. En matrise som inneholder en analytt kan plasseres direkte i hetteglasset i hoderommet og analyseres. Mange forbindelser av interesse er kompatible med TV-SPME. Forbindelser må være oppløselige i et løsningsmiddel og tilstrekkelig flyktig for å tillate fordampning. I tillegg må forbindelser være termisk stabile for å bli analysert av GC-MS. TV-SPME har blitt brukt til å analysere narkotika og narkotikametabolitter, racingbrensel, polysykliske aromatiske hydrokarboner og eksplosive materialer3,5,6,7,8,9,10.
Protocol
Representative Results
Discussion
TV-SPME har noen fordeler i forhold til væskeinjeksjon GC ved at store prøvestørrelser (f.eks. 100 μL) kan brukes uten instrumentmodifikasjoner. TV-SPME har også noen av de samme fordelene som headspace SPME. Headspace SPME krever ingen ekstraksjon eller filtrering fordi noen ikke-flyktige forbindelser vil forbli i hoderom hetteglasset og vil ikke bli adsorbert på fiberen, noe som gir en ren prøve. Denne metoden bidrar også til å eliminere matriseeffekter på grunn av at dette er et tofaset system (hoderom og fi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av National Institute of Justice (Award No. 2015-DN-BX-K058 &2018-75-CX-0035). Meningene, funnene og konklusjonene som uttrykkes her, er forfatterens og gjenspeiler ikke nødvendigvis finansieringsorganisasjonens.
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).
