LTP i kombination med et quadrupol time-of-flight massespektrometer kan anvendes til direkte analyse af en lang række forskellige prøver. Her gives et par korte eksempler på denne kombinations mange anvendelighedsmuligheder.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2014 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Hans Christian Budtz1,2, Bo Svensmark1 og Asger W. Nørgaard2
1Institut for Plante- og Miljøvidenskab, KU
2Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø
Kombinationen af lavtemperatur plasma (LTP) og et atmosfæretrykinlet-massespektrometer udgør en nyere metode til direkte analyse af gasser, væsker og faste stoffer [1].
En kold plasma (~30°C) genereres inde i et glasrør vha. en højspændingselektrode, en modelektrode og et konstant flow af en udladningsgas (figur 1). Den åbne ende af glasrøret placeres 0,5-1 cm fra massespektrometrets inlet-kapillar og peges mod det emne, som ønskes analyseret.
Den kolde plasma dannes ud fra en masse mikro-udladninger på indersiden af glasrøret, der fungerer som dielektriske barrier mellem de to elektroder. Udladningerne resulterer i dannelse af en kold plasma indeholdende ioner, elektroner og metastabile atomer [2]. Anvendes helium som udladningsgas, er He2+ den dominerende ion inde i glasrøret. Når plasmaen kommer i kontakt med atmosfærisk luft dannes N2+⋅, O2+⋅ og siden vand-clustre [(H2O)n + H]+ ved ladningsoverførselsreaktioner [3]. LTP-ionisering i atmosfærisk luft vil, i positiv mode, hovedsagelig give anledning til dannelsen af protoniserede molekyler [M+H]+. Radikal kationer M+⋅ og og adduktioner som [M+NO]+ kan også forekomme. LTP-ionisering virker kun for stoffer med et damptryk. Således kan opvarmning af prøven være nødvendig ved analyse af tungt-flygtige stoffer. Endvidere danner plasmaen ozon ved kontakt med luftens oxygen. Derfor vil man ofte observere oxidationsprodukter ved analyse af umættede forbindelser.
LTP-probens design muliggør direkte analyse af en række forskellige prøver. Den har været anvendt til direkte analyse af f.eks. lægemiddeltabletter og olivenolie [4,5]. Endvidere har man anvendt LTP til at følge en vådkemisk reaktion i et bægerglas [6].
Kokain på danske pengesedler
I et tidligere studie har man påvist kokain på så godt som alle danske pengesedler [7]. Utroligt, men sandt. Vi fandt kokain på hele 7 ud af 8 tilfældigt udvalgte 50, 100 og 200 kr. sedler. LTP-MS-analyse af især kanter og hjørner gav anledning til tydelige signaler som det vist i figur 3.
Kokain er et alkaloid med sumformlen C17H21NO4, en monoisotopisk masse på 303.147 Da og et damptryk på ca. 10-8 mbar. Ved LTP-analyse observeres det protoniserede molekyle, m/z 304.154, som ved kollisionsaktivering giver anledning til m/z 182.118 og 123.044 (resulterende fragmentioner fra spaltning af bindingen markeret i figur 3).
Analyse af simpelt imprægneringsprodukt
Et ”nanoteknologi”-baseret imprægneringsprodukt til badeværelsesfliser blev påført en glasplade og analyseret direkte. Figur 4 viser det resulterende massespektrum, hvoraf produktets indhold af hexadecyl triethoxysilans hydrolysater og kondensater fremgår. Ingen andre aktivstoffer blev observeret.
In situ studie af terpenoxidationsreaktioner
Terpen-duftstoffer som limonen reagerer hurtigt med ozon og giver anledning til en lang række af produkter. Reaktionen kan studeres in situ vha. LTP, der genererer ca. 2 ppm ozon i et området, hvor plasmaen kommer i kontakt med atmosfærisk luft (figur 1). Hvis man afsætter en lille dråbe limonen på et stykke filterpapir og placerer det umiddelbart under LTP og MS-inlet, vil man øjeblikkeligt kunne observere en lang række ozonolyseprodukter – både monomere og polymere. Resultat af et sådan eksperiment er vist i figur 5. Ioner af ozonolyseprodukter blev observeret i intervallet m/z 139 (C9H15O) til ca. m/z 1005 (C60H91O9).
Reaktionsprodukterne kommer hovedsageligt fra ozonolyse af endo-dobbeltbindingen. Se strukturer af udvalgte monomere produkter i figur 6.
Af de mange observerede reaktionsprodukter, kunne kun 5 identificeres ud fra deres kollisionsspektre [8]. Der dannes nemlig adskillige isomere med samme sumformel, som det er tilfældet for f.eks. C10H16O3 (figur 6). Det er ikke muligt at adskille dem med massespektrometri alene. Således kan der for størsteparten af reaktionsprodukterne kun angives en sumformel.
Konklusion
LTP ambient massespektrometri er en hurtig analysemetode, der anvendes til direkte analyse af en lang række forskellige prøver. Metoden er kun semi-kvantitativ, og den kræver at analytterne har et vist damptryk. Da der ikke er nogen form for kromatografisk separation, er det en stor fordel at anvende et højtopløsende massespektrometer med mulighed for kollisionsaktivering.
Referencer
1. Harper, J. D.; Charipar, N. A.; Mulligan, C. C.; Zhang, X.; Cooks, R. G.; Ouyang, Z. Analytical Chemistry 2008, 80, 9097.
2. Chan, G. C. Y.; Shelley, J. T.; Jackson, A. U.; Wiley, J. S.; Engelhard, C.; Cooks, R. G.; Hieftje, G. M. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2011, 26, 1434.
3. Chan, G. C. Y.; Shelley, J. T.; Wiley, J. S.; Engelhard, C.; Jackson, A. U.; Cooks, R. G.; Hieftje, G. M. Analytical Chemistry 2011, 83, 3675.
4. Liu, Y.; Lin, Z.; Zhang, S.; Yang, C.; Zhang, X. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2009, 395, 591.
5. Garcia-Reyes, J. F.; Mazzoti, F.; Harper, J. D.; Charipar, N. A.; Oradu, S.; Ouyang, Z.; Sindona, G.; Cooks, R. G. Rapid Communications in Mass Spectrometry 2009, 23, 3057.
6. Ma, X.; Zhang, S.; Lin, Z.; Liu, Y.; Xing, Z.; Yang, C.; Zhang, X. The Analyst 2009, 134, 1863.
7. Johannsen, M., Insititut for Retsmedicin – Retskemisk, Aarhus Universitet, personlig meddelse 2014.
8. Nørgaard, A. W.; Vibenholt, A.; Benassi, M.; Clausen, P. A.; Wolkoff, P. Journal of the American Society for Mass Spectrometry 2013, 24, 1090.
9. Ifa, D. R.; Wu, C.; Ouyang, Z.; Cooks, R. G. The Analyst 2010, 135, 669.
Figur 1. Diagram over et LTP-setup fra Ifa et al 2010 [9].
Figur 2. Eksperimentel LTP-MS-opstilling på NFA. LTP-proben er placeret i en ca. 45° vinkel med en afstand på ca. 1 cm til inletkapillaret. Et Peltierelement anvendes til opvarmning af prøvemateriale.
Figur 3. Kollisionsspektrum af m/z 304 fra LTP-analyse af en dansk 100 kr. pengeseddel.
Figur 4. LTP(+)-spektrum af imprægneringsprodukt til fliser.
Figur 5. LTP(+)-spektre af limonen 20 sekunder efter afsætning på filterpapir optaget i positiv mode; (a) monomere produkter samt fragmentioner; (b) polymere produkter.
Figur 6.Strukturer af d-limonen (a) og udvalgte produkter fra dets reaktion med ozon: (b) levulinsyre, (c) 4-acetyl-1-methylcyclohexen, (d) limonenepoxid, (e) 3-isopropenyl-6-oxo-heptanal, (f) sekundært limonenozonid, (g) 7-OH-limonaldehyd og (h) limonsyre.
