Максимальная Чувствительность в Технологии GCMS

По Материалам фирмы Shimadzu Scientific Instruments, Inc.
Максимальная Чувствительность в Технологии GCMS
Комбинированный
метод
Газовой
Хроматографии
и
Масс
Спектрометрии (GCMS) - мощное средство сепарации, идентификации и
количественного анализа соединений в сложных смесях. Способность GCMS
детектировать и идентифицировать мельчайшее присутствие соединений
используется в многочисленных приложениях. Все более чувствительные
инструменты дают возможность экспертам в самых разнообразных областях
идентифицировать следы соединений в сложных образцах.
Производители инструментов GCMS и их пользователи часто приравнивают
такие понятия, как “лучший” и “самый чувствительный”. Спецификации
инструментов
должны
содержать
информацию,
которая
необходима
пользователям для принятия оптимальных решений в отношении адекватности
конкретного инструмента с точки зрения точных и надежных измерений тех
образцов, которые могут встретиться в реальной лаборатории.
Желание производителей инструментов публиковать впечатляющие
спецификации производительности естественно – это лучший способ убедить
потенциального пользователя. В своем стремлении превзойти конкурента
производители публикуют для своих моделей данные о самых высоких
спецификациях “X” или самых низких параметрах
“Y”. Чтобы определить,
насколько информация производителей отвечает задачам покупателя,
последнему приходится не только сравнивать характеристики различных
моделей, но и декодировать запутанную, специфичную для данного сегмента
рынка терминологию.
На самом деле, спецификации должны помогать пользователю в его
оптимальном выборе системы GCMS. С точки зрения пользователя спецификация
должна отвечать минимум на три фундаментальных вопроса:
1. Насколько точными будут мои измерения?
2. Насколько устойчивыми будут мои измерения?
3. Какова наименьшая масса или концентрация анализируемого соединения,
которая может быть точно и надежно измерена; другими словами,
насколько чувствителен прибор?
На первый взгляд, ответить на эти вопросы можно очень просто. Например,
производитель может определить точность измерений как сравнение измеренных
данных со справочными данными для сертифицированного справочного
стандарта. Устойчивость измерений можно определить как стандартное
отклонение
или
относительное
стандартное
отклонение
измерений,
произведенных на сертифицированном справочном стандарте. Однако, в
реальности очень часто при выборе инструмента GCMS первый и единственный
вопрос, который возникает у пользователя: “Насколько этот инструмент
чувствителен?”
Определение Чувствительности
На самом деле определить чувствительность не так просто. В отличие от
первых двух вопросов, вопрос о регистрируемом минимуме анализируемых
соединений (т.е. о чувствительности) не дает такого же быстрого и легкого ответа.
А производители, как правило, используют спецификацию на чувствительность
как базу для продвижение своих инструментов – для демонстрации превосходства
своих инструментов над моделями конкурентов.
Наиболее распространенное определение чувствительности - “Отношение
Сигнал-Шум” (“Signal-to-Noise” или S/N). В идеале это численное значение
является реальным индикатором регистрируемого минимума анализируемого
соединения,
а
также
полезной
сравнительной
характеристикой
производительности данного инструмента. И все же, такие значения сами по себе
не могут выполнять эту роль. Необходима дополнительная информация, в
частности, о деталях измерений сигнала и шума. Чтобы численное значение S/N
имело смысл, необходима точная информация об условиях измерений как
сигнала, так и шума.
Хроматографические условия влияют на финальное значение S/N для
инструментов типа GCMS. Поэтому, чтобы спецификация S/N для конкретной
модели GCMS имела смысл, необходимо знать следующее:
1. Используемые модели Газовой Хроматографии (GC) и Масс Спектрометрии
(MS)
2. Рабочие хроматографические условия
3. Рабочие условия для масс спектрометрии
4. Идентичность и источник анализируемого соединения
5. Определение “сигнала”
6. Определение “шума”
Промышленный стандарт чувствительности инструментов GCMS основан
на октафторонафталине (OFN); чувствительность инструмента определяется как
соотношение сигнала к шуму (S/N), полученное от инжекции 1μL раствора,
содержащего 1pg/μL OFN. На первый взгляд, вся необходимая информация для
объективной оценки чувствительности имеется. И все же, не смотря на то, что
условия GCMS, идентичность анализируемого вещества и его количество
являются объективными параметрами, определения “сигнала” и “шума” остаются
за авторами спецификаций инструментов и как правило превращаются в поле для
маркетинговых творческих упражнений.
“Сигнал” от масс спектрометра – это серии масс спектров, которые взяты
через регулярные интервалы времени. Оборудование может отображать эти
сигналы по-разному, как правило - в виде “масс хроматограмм”.
Принято считать, что для получения точных измерений необходимо иметь
минимум десять точек (спектров) на хроматографический пик. Это транслируется
в скорости сканирования (0.2-0.4) секунды на скан (или 2.5-5 спектров в секунду)
для наиболее распространенных колонн Газовой Хроматографии (GC).
В таком случае, как же определить “сигнал”? Может быть, это значение
максимального отклика (response) для известного количества определенного
анализируемого соединения при определенных условиях? Берется ли при этом
только область пикового значения, или берется сумма дискретных откликов по
пику для определенного анализируемого соединения? И в каких случаях отклик
определяется как “шум”? Эти важные соображения следует учитывать при
понимании и сравнении чувствительности инструментов.
Критически важно знать, что условия, при которых производитель
инструмента определял спецификацию S/N, представляют собой повседневные
рабочие условия. Все условия, которые использовались при измерении S/N, в том
числе алгоритмы подавления шумов, должны быть одни и те же - и для
вычислений соотношения S/N, и для всех остальных рутинных исследований.
Как Добиться Более Высокой Чувствительности
Есть несколько путей оптимизации чувствительности в инструментах
GCMS. Если чувствительность определяется в терминах соотношения S/N, то
повысить чувствительность можно повысив сигнал или понизив шум, либо
комбинируя эти два фактора. Поскольку S/N – простое соотношение, то и
факторы, влияющие на сигнал и шум, имеют одинаковое воздействие на
чувствительность (S/N).
Оптимизация передачи анализируемого соединения от инжектора через все
компоненты системы GCMS в детектор может повысить сигнал. Оптимизация
отклика детектора и получение адекватного сигнала без избыточных шумов –
дополнительный способ повышения сигнала.
Многие компоненты системы GCMS могут давать свой вклад в фон, или в
химический шум. Кроме того, шум может происходить из самого образца, от
методики инжекции или от типа хроматографической колонны. Электронный и
детекторный шум в основном зависят от конструктивных особенностей
инструмента и условий эксплуатации. Существенный шум может также исходить
от источника электропитания.
Повышение Сигнала
Оптимизация сигнала возможна на трех фазах: максимальное увеличение
инжекции, или передачи анализируемого соединения в колонну GC; оптимизация
колонны GC для максимальной чувствительности; и оптимизация условий
детектирования в масс спектрометре (MS).
Инжекция и Выбор Колонны GC
Эффективная передача образца в колонну GC зависит от условий
инжекции. Оптимальная технология инжекции, позиционирование колонны в
инжекторе, а также другие параметры влияют на эффективную передачу
анализируемого соединения в колонну GC.
В большинстве приложений GCMS, как правило, используются длинные
узкие капиллярные колонны. Чем меньше диаметр колонны GC, тем выше ее
чувствительность – более узкие колонны дают более высокие и узкие пики. Если
шум постоянен, то соотношение
хроматографических пиков.
S/N
выше
для
высоких
и
узких
Оптимизация Сигнала Масс Спектрометра (MS)
Генерация сигнала в MS состоит из трех процессов:
z
z
z
Создание ионов (от ионного источника)
Трансмиссия ионов (через линзы и масс фильтр)
Детектирование ионов (при помощи электронного умножителя)
Комбинированная эффективность этих процессов дает оптимизацию
интенсивности сигнала. В некоторых случаях неэффективность этих процессов
может также влиять на шум. Эти эффективности зависят от дизайна и состояния
инструмента, а также от рабочих параметров. Так или иначе, существенный вклад
в различия чувствительности различных моделей инструментов GCMS дает
именно дизайн.
Ионизация и Трансмиссия Ионов
Чувствительность существенно зависит от состояния ионного источника (от
чистоты) и оптимальности настроек. Рабочие параметры ионного источника в
большой степени влияют на чувствительность – эти параметры управляют
производством ионов.
Прогресс последних лет в дизайне источников масс спектрометров дал
существенное улучшение чувствительности. Одно из таких конструктивных
улучшений – конструкция и расположение нитей накаливания источников ионов. В
частности, защита нитей накаливания может обеспечить эффективный транспорт
ионов в детектор и одновременно защитить термочувствительные соединения.
Высокоэффективный ионный источник обеспечивает более однородный
температурный режим и более высокую чувствительность.
Вакуумная система также существенно влияет на трансмиссию ионов.
Вакуумные системы с дифференциальной откачкой, которые применяются в
конструкциях некоторых масс спектрометров, поддерживают в области масс
анализатора вакуум более высокого уровня. Более высокий вакуум дает больший
средний свободный пробег ионов, а это означает более эффективную
трансмиссию ионов через масс фильтр. Что, в свою очередь, дает более высокую
чувствительность.
В
большинстве
конструкций
инструментов
с
дифференциальной откачкой применяется два независимых турбо молекулярных
или масляных диффузионных насоса.
Детекторы
Электронные умножители детектируют ионы и конвертируют их в сигнал.
При попадании заряженной частицы (иона) поверхность умножителя испускает
несколько электронов – это называется вторичной эмиссией. Этот процесс
повторяется несколько раз; в результате, каждый ион, попавший на поверхность
электронного умножителя, генерирует множество (до миллиона) электронов.
Усиление сигнала определяется напряжением, которое может достигать от
нескольких сот до нескольких тысяч вольт.
В большинстве инструментов GCMS используется один из двух типов
электронных умножителей: динод непрерывного или дискретного типа.
Электронные умножители с дискретным динодом, как правило, работают при
меньших напряжениях и имеют немного меньший уровень шума, нежели
электронные умножители с непрерывным динодом. Чувствительность
электронного умножителя можно оптимизировать таким образом, чтобы получить
максимальный сигнал с минимальным шумом.
Понижение Шума
Проблемы и соответствующие их решения в Газовой Хроматографии (GC)
могут влиять на соотношение сигнал/шум (S/N) и, таким образом, оказывать
непосредственное воздействие на чувствительность системы GCMS в целом.
Понижение
фонового
сигнала,
исходящего
от
GC,
и
улучшение
хроматографического разрешения могут повысить чувствительность GC. Чем
меньшее количество анализируемого соединения необходимо детектировать, тем
большей проблемой могут быть малейшие интерференции и помехи.
Транспортирующий Газ
Максимально возможная чистота транспортирующего газа дает
возможность понизить шум, в частности “химический”. Например, углекислый газ
дает фоновый сигнал, увеличивающий химический шум, при соотношении
масса/заряд (m/z), равном 44. Использование чистого транспортного газа,
предотвращение его загрязнений и утечек – важные факторы, влияющие на
чувствительность инструмента и на хроматографическую производительность в
целом. Использование сверх-чистого газа с соответствующими фильтрами может
существенно снизить фоновый сигнал и, таким образом, повысить
чувствительность.
Газовые Хроматографические (GC) Колонны
Еще один распространенный источник фонового шума исходит от
стационарных фаз колонны GC. Следы кислорода в транспортном газе могут
вызывать деградацию жидкой фазы. Чтобы минимизировать этот эффект,
температуры колонны GC, инжекционного порта и линии передачи не должны
быть выше максимальной температуры жидкой фазы капиллярной колонны.
Тонкие жидкие фазы понижают утечки в колонне и понижают химический шум.
Электронный и Вибрационный Шум
Электронный шум в большой степени определяется дизайном инструмента
и условиями его работы. Как правило, шум минимизируется за счет “чистоты”
электропитания. Кроме того, важно минимизировать вибрацию от моторов и
других устройств (в частности, от механических насосов).
Оценка Спецификаций Чувствительности
Производители делают все возможное, чтобы представить свои продукты в
позитивном свете. В отсутствии промышленных стандартов на процедуры
тестирования (типа крэш-тестов на надежность, как в автомобильной
промышленности) производители вряд ли возьмут на себя ответственность за
стандартизацию условий, при которых оценивается чувствительность.
Оптимальные условия для одной модели могут быть неадекватными для другой
модели.
Выше мы привели все факторы, которые могут влиять на чувствительность.
Как же пользователю объективно оценить спецификации чувствительности,
декларируемые производителем? Ответ на этот вопрос содержится в
определении соотношения сигнал/шум (S/N) и в некоторых деталях, которые
сопровождают спецификацию производителя.
Как минимум, производитель должен предоставить базовую информацию
относительно условий измерения S/N, которые должны соответствовать
“обычным” рабочим параметрам. При оценке спецификаций на инструмент
следует рассмотреть следующие вопросы:
1. Использовались ли разумные, обычные хроматографические условия
(колонна GC, инжектор и прочее)? Обычными являются колонны с
размерами порядка 0.25 mm (диаметр) x 15-30 M (длина).
2. Были ли параметры сбора данных, которые использовались для измерений
S/N, обычными – соответствовали ли они “реальным” приложениям?
Например, для колонн диаметром 0.25 мм адекватны интервалы
сканирования 0.2-0.5/sec. Диапазоны сканирования не должны быть очень
малы (<100 amu).
3. Объективно ли оценивался шум? Если очевидно, что применялись
необычные алгоритмы подавления шума, то наиболее вероятный ответ на
этот вопрос - “нет”.
Наконец, представляет ли спецификация S/N оптимальное, среднее или
минимальное значение для некоторого количества устройств данной модели?
Хорошая проверка – насколько часто производился тест на измерение S/N. Если
тестирование производилось для всех инструментов данной модели при каждой
их инсталляции, тогда спецификация S/N, вероятно, представляет реалистичную
минимальную чувствительность инструмента.
Заключение
Сочетание аналитических технологий Газовой Хроматографии и Масс
Спектрометрии (GCMS) делает эту методику чрезвычайно мощным инструментом
аналитической химии. Эволюция технологий GC и MS обеспечивает высокий
уровень точности при количественном и качественном анализе и идентификации
веществ.
Чувствительность инструмента можно оптимизировать адекватным
выбором условий его работы и расходных материалов. Однако, надо иметь в
виду, что чувствительность фундаментально связана с дизайном и типом
конкретной
модели
масс
спектрометра.
При
оценке
спецификаций
чувствительности инструмента необходимо обращать внимание на методику
измерения сигнала и шума.