닫기

지역 사이트 선택

닫기

전자 이온화(EI)와 광 이온화(PI)를 결합한 이온 소스와 함께 GC×GC-HRTOFMS를 사용한 석유 샘플의 바이오마커 분석 [GC-TOFMS 응용 프로그램]

절뉴스 Vol.53 No.9 우부카타 마사아키, 우에다 요시히사
JEOL(주) MS사업부

높은 질량 분해능과 고속 질량 스펙트럼 획득 능력을 갖춘 JEOL GC-TOFMS(가스 크로마토그래프 비행시간형 질량 분석기)의 최신 모델인 "JMS-T200GC AccuTOFTM GCx-plus"로 두 종류의 석유 시료를 분석했습니다. 광이온화 소스 및 GC×GC 시스템과 결합됩니다. 18-Norabiotane, Cholestane, Hopane, Adamantane, Iceane 및 Diamantane과 같은 여러 종류의 바이오마커는 GC×GC 및 광이온화에 의해 분리되고 선택적으로 검출될 수 있습니다.

개요

최근 가스 크로마토그래피(이하 "GC"라 함) 기술, 특히 캐필러리 컬럼 기술의 발전으로 인해 분리 능력이 다른 다양한 캐필러리 컬럼이 개발되었습니다. 또한 이러한 캐필러리 컬럼 기능을 사용하여 매우 복잡한 조성을 가진 화학 물질을 분리하는 포괄적인 1차원 GC(이하 "GC×GC"라고 함)가 개발되었습니다[2, 5]. GC×GC 시스템은 서로 다른 분리 모드가 직렬로 연결된 두 가지 유형의 캐필러리 컬럼으로 구성됩니다. 또한 첫 번째 열과 두 번째 열 사이에 배치된 cryo-trap 시스템(열 변조기)이 있어 두 번째 열로의 샘플 주입을 조절합니다. 이 두 개의 컬럼 시스템을 통해 GC×GC는 단일 분석에서 두 가지 분리 모드를 사용할 수 있습니다. 구성 요소는 첫 번째 컬럼에서 분리되고 10~5초 동안 cryo-trapped 후 Thermal modulator에 의해 내경이 좁고 길이가 짧은 두 번째 컬럼으로 빠르게 방출됩니다. 이 과정은 첫 번째 컬럼에서 용출된 성분이 10~XNUMX초 간격으로 포집 및 방출된 후 두 번째 컬럼에서 연속적이고 빠르게 분리되는 것을 의미합니다. 결과적으로 XNUMX차원 크로마토그램에는 XNUMX개의 머무름 시간 축이 포함됩니다. 하나는 기본 컬럼용이고 다른 하나는 보조 컬럼용입니다.
일반적으로 GC-MS 측정에는 사중극자 질량 분석기(이하 "QMS"라고 함)가 널리 사용됩니다. 그러나 이러한 시스템은 일반적으로 GC×GC 검출기로 적합하지 않습니다. 앞에서 설명한 것처럼 GC×GC 시스템의 두 번째 컬럼은 구성 요소를 매우 빠르게 분리하는 고유한 형상(좁은 직경과 짧은 길이)을 가지고 있습니다. 이 기능으로 인해 각 분석물 피크에서 충분한 데이터 포인트를 수집하기 위해 높은 데이터 수집 속도가 필요한 크로마토그래피적으로 좁은 피크 폭이 생성됩니다. QMS를 사용하는 경우 크로마토그램의 2차원 피크에 대해 측정된 데이터 포인트가 제한되어 XNUMXD 크로마토그래피 데이터의 품질이 저하됩니다. 따라서 GC×GC 검출기로 QMS 시스템을 사용하는 것은 최적이 아닙니다.
이 문제를 극복하기 위해 JEOL은 높은 질량 분해능(R=10,000)과 고속 질량 스펙트럼 데이터 수집(최대 50Hz)을 모두 갖춘 가스 크로마토그래프 비행 시간형 질량 분석기(이하 GC-TOFMS라고 함)를 개발했습니다. GC×GC와의 조합에 최적입니다. 이 조합 GC×GC-TOFMS 시스템은 2004년에 처음 도입되었으며 다양한 복합 시료 분석에 널리 사용됩니다[3-7]. 이 보고서에서는 4가지를 사용합니다.th GC-TOFMS 세대 모델 "JMS-T200GC AccuTOF™ GCx"(선택 사항인 광이온화 소스 및 석유 샘플의 바이오마커 분석을 위한 GC×GC 시스템 포함).

GC×GC-PI-TOFMS 시스템

GC×GC 시스템

Zoex Corporation ZX2 GC×GC 열 변조기 시스템은 GC-TOFMS 시스템과 함께 사용되었습니다. GC×GC 열 변조기의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다. 이 변조 장치는 "차가운 제트 가스"를 사용하여 첫 번째 컬럼에서 용출되는 성분을 cryo-trap하기 위해 두 개의 모세관 컬럼 사이에 배치되었습니다. "뜨거운 제트 가스"를 사용하여 방출하십시오. "hot jet gas"는 일정한 간격(300-400초)으로 매우 짧은 시간(5-10 msec) 동안 분사되기 때문에 방출된 성분은 매 간격마다 규칙적으로 두 번째 컬럼으로 유입되어 2차원 크로마토그래피 분리가 이루어집니다. 그림 XNUMX와 같이 달성됩니다.

Fig.1 GC×GC 변조기의 개략도

GC×GC 변조기의 개략도

Fig.2 GC×GC로 얻은 2D 크로마토그램의 개념도

GC×GC로 얻은 2D 크로마토그램의 개념도

광이온화 소스(PI)

GC-MS에 가장 일반적으로 사용되는 이온화 방법은 전자 이온화(EI)입니다. EI는 고에너지 전자를 사용하여 분석 물질을 이온화하여 많은 조각 이온을 생성하는 하드 이온화 기술입니다. 이러한 질량 스펙트럼은 대상 화합물의 화학적 구조 분석에 매우 유용할 수 있으며 NIST 데이터베이스와 같은 MS 검색 라이브러리와 비교하여 대상 화합물의 정체를 확인할 수 있습니다. 그러나 EI 스펙트럼은 종종 낮은 강도의 분자 이온을 포함할 수 있으며, 이로 인해 측정된 정확한 질량에서 원소 조성을 추정하기 어려울 수 있습니다. 결과적으로 이 기술은 이러한 목적에 항상 이상적인 이온화 방법이 아닙니다. 또는 낮은 에너지 방법을 사용하여 샘플 분석 물질을 이온화하는 소프트 이온화 기술을 사용하여 더 높은 강도의 분자 이온을 생성할 수 있습니다. GC-MS 분석 분야에서 CI(Chemical Ionization)는 가장 일반적인 소프트 이온화 방법입니다. JEOL은 CI뿐만 아니라 JMS-T200GC를 위한 선택적 소프트 이온화 방법으로 FI(Field Ionization) 및 PI(Photoionization)를 제공합니다.
PI 광자 소스는 115~400nm의 방사 파장을 가진 중수소 램프입니다. 가장 작은 파장(115nm)의 에너지는 10.8eV이며, 이는 일반적인 유기 화합물(~10eV)의 XNUMX차 이온화 에너지와 잘 일치합니다. 결과적으로 이 소스는 이러한 유형의 분석물의 연성 이온화에 적합합니다.
PI 소스 회로도는 그림 3에 나와 있습니다. JEOL PI 소스는 표준 EI 소스에 통합되어 진공 상태를 유지하면서 EI와 PI 사이를 전환하는 고유한 기능을 허용합니다. EI 측정에 필요한 모든 것은 EI 필라멘트를 켜고 PI 측정을 위해 간단히 EI 필라멘트를 끄고 중수소 램프를 켜는 것입니다.

그림 3 PI(광 이온화) 소스의 개략도

PI(광 이온화) 소스의 개략도

고해상도 TOFMS 시스템

이온 소스, 이온 전달 시스템 및 이온 광학 시스템에 대한 도식과 함께 JEOL AccuTOF™ GCx의 외부 사진이 그림 4에 나와 있습니다. GC 컬럼에서 용출되는 화합물은 이온 소스에서 먼저 이온화되고 그 다음 약 30eV의 낮은 운동 에너지를 사용하여 TOF 분석기로 전송됩니다. 그 후, 이온 전달 방향에서 이온을 직각으로 가속시키는 단일 단계 반사형 TOF 분석기를 사용하여 이온을 측정합니다. 이러한 유형의 TOFMS를 "Orthogonal-Acceleration Time-of-Flight Mass Spectrometer"(oa-TOFMS)라고 합니다.
TOF 기기를 GC-MS 검출기로 사용하는 데 몇 가지 문제가 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 특히, 헬륨 가스는 GC 캐리어 가스로 사용되는데, 이는 이 가스의 부피가 시료 주입에 존재하는 대상 화합물에 비해 상대적으로 크다는 것을 의미합니다. EI의 경우 헬륨도 이온화되어 샘플 이온과 함께 분석기로 전달되어 이온 빔에 많은 수의 헬륨 이온이 생성됩니다. 이러한 이온은 기기의 분해능을 저하시킬 수 있는 분석기 내에서 큰 공간 대전 효과(전하 등)를 생성할 수 있습니다. 또한 TOFMS 분석기의 경우 이러한 헬륨 이온이 검출기에 도달하여 마이크로채널 플레이트(MCP)의 급속한 열화를 초래합니다. 이를 극복하기 위해 JEOL GC-TOFMS 시스템은 Ion Transfer System이 Lens Balance Voltage를 조절하여 Ion Source에서 생성된 헬륨 이온을 99.9% 이상 제거하도록 혁신적으로 설계되었습니다.

Fig.4 JMS-T200GC의 사진 및 회로도

JMS-T200GC의 사진 및 회로도

GC×GC-PI-TOFMS를 이용한 석유 시료의 바이오마커 분석

원유 및 원석에 포함된 바이오마커는 종종 석유 샘플을 색인화하고 석유 샘플 기원을 결정하기 위해 조사됩니다. 바이오마커는 오일의 원료 물질에 존재하는 살아있는 유기체에서 유래한 유기 화합물입니다. 유기물 기원, 퇴적환경, 성숙도 등의 지표가 되는 이러한 바이오마커 분자는 미지의 원유의 기원을 규명하는데 이용될 수 있다. 그러나 석유 샘플은 수백 또는 수천 개의 탄화수소 집합체로 구성됩니다. 상황을 더욱 복잡하게 만드는 것은 바이오마커가 이러한 복잡한 석유 샘플에서 발견되는 특정 구조를 가진 탄화수소라는 것입니다. 결과적으로 석유 샘플 내에서 바이오마커를 종합적으로 검출하는 것은 매우 어렵습니다.
이 보고서에서는 GC×GC의 높은 분리 기능을 콤보 EI/PI 소스 및 높은 질량 분해능 TOFMS와 함께 사용하여 석유 시료 내의 바이오마커를 종합적으로 검출할 것입니다.

측정 조건

측정 조건은 표 1에 기재되어 있다. GC×GC 측정에는 ZX2 열 변조 시스템(Zoex Corporation)을 사용하였다. 첫 번째 컬럼에는 비극성 BPX5 컬럼(SGE Corporation, 길이 30m, ID 0.25mm, 액상 두께 0.25μm)을 사용했습니다. 보다 극성인 BPX50 컬럼(SGE Corporation, 길이 3m, ID 0.1mm, 액상 두께 0.1μm)을 두 번째 컬럼에 사용했습니다. 이 테스트를 위해 두 개의 테스트 샘플(Petroleum Fractions A 및 B)을 준비하고 바이오마커 양을 추정하고 각 부분에 대해 비교했습니다.

        

표 1 측정 조건

악기 JEOL AccuTOF™ GC 시리즈
Zoex ZX2 열 변조기
1st  BPX5, 30m × 0.25mm, 0.25μm
2nd  BPX50, 3m × 0.1mm, 0.1μm
변조기 기간 6초
입구 압력 350kPa (유출량 : 1.75mL/분)
입구 모드 Cool on column, 오븐 트랙 모드, 1μL 주입
오븐 온도 50°C(2분) → 10°C/분 → 250°C
이온 소스 EI/PI 조합 이온 소스
이온화 모드 파이+(디2 램프, 115~400nm)
m / z 범위 m / z 35 ~ 700
스펙트럼 기록 속도 25 스펙트럼/초

측정 결과

대표적인 바이오마커인 Cholestane과 Adamantane의 PI 질량 스펙트럼을 Fig. 5에 나타내었다. 분자 이온 M+・ 이들 화합물 각각에 대한 기본 피크로 검출되어 PI가 이러한 바이오마커 분자 이온을 검출하는 데 효과적임을 확인했습니다.
GC×GC/PI 측정을 위한 2D TICC(총 이온 전류 크로마토그램)는 각 원유 샘플에 대해 그림 6과 그림 7에 나와 있습니다. 두 샘플 모두 n-Alkanes(CnH2n + 2) 및 사이클로알칸(CnH2n + 1) 이후 XNUMX차 컬럼 머무름 시간에 검출되는 수많은 화학 화합물과 함께. 이 화합물은 C로 확인되었습니다.nH2n-4, CnH2n-6 및 CnH2n-8 n-Alkanes 및 Cycloalkanes보다 불포화도가 높습니다. 또한, 이들 XNUMX개의 석유 유분 시료는 동일한 조건에서 GC×GC/EI로 측정하였다. C에 해당하는 EI 질량 스펙트럼에 대한 라이브러리 검색 결과를 기반으로 함nH2n-4, CnH2n-6 및 CnH2n-8, 석유 분획 A는 주로 콜레스탄 다환식 포화 탄화수소를 함유한 반면, 석유 분획 B는 주로 아다만텐 포화 가교 사이클릭 탄화수소를 함유했습니다.
다음으로, 일반적으로 바이오마커로 알려진 2가지 화합물의 분자 이온에 대해 고선택성 2D EIC(Extracted Ion Chromatograms)를 구성했습니다(표 8). 도 9 및 도 18에 나타낸 바와 같이, 2-Norabietane, Cholestane 및 Hopane은 Petroleum Fraction A에서 특이적으로 확인되었고 Adamantane, Iceane 및 Diamantane은 Petroleum Fraction B에서 확인되었다. 다음으로 이들 바이오마커에 대한 관련 화합물을 체계적으로 평가하였다. C에 대해 합산된 XNUMXD EIC를 생성하여nH2n-4, CnH2n-6 및 CnH2n-8 시리즈. 이 시리즈의 2D EIC는 그림 10과 그림 11에 나와 있습니다.
이러한 결과는 바이오마커 및 관련 화합물이 각 석유 분획 내에 존재함을 명확하게 보여주었습니다. PI 방법은 이러한 분석 물질에 대한 분자 이온을 선택적으로 생성하기 때문에 GC×GC의 높은 분리 기능과 PI의 연성 이온화 및 고해상도 TOFMS를 결합하여 바이오마커 양에 대한 체계적인 평가가 이루어졌습니다. 또한 PI 측정을 위한 2D EIC를 사용하면 데이터를 훨씬 쉽게 해석하고 원유 샘플에서 바이오마커 ID를 올바르게 할당할 수 있습니다.

Fig.5 Cholestane과 Adamantane의 PI 질량 스펙트럼

Cholestane 및 Adamantane의 PI 질량 스펙트럼

Fig.6 GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 A의 2D TIC

GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 A의 2D TIC

Fig.7 석유 유분 B의 2D TIC, GC×GC/PI로 측정

GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 B의 2D TIC

그림 8 GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 A의 2D EIC

GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 A의 2D EIC

( m / z 262.2661, 372.3756, 412.4069)

그림 9 GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 B의 2D EIC

GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 B의 2D EIC

( m / z 136.1252, 162.1409, 188.1565)

그림 10 GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 A의 총 2D EIC

GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 A의 총 2D EIC

( 씨nH2n-4 : n=19~31, CnH2n-6 : n=19~31, CnH2n-8 : n=27~35)

그림 11 GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 B의 총 2D EIC

GC×GC/PI로 측정한 석유 유분 B의 2D EIC

( 씨nH2n-4 : n=10~18, CnH2n-6 : n=12~19, CnH2n-8 : n=14~20)

표 2 전형적인 바이오마커 및 "m / z" 그들의 분자 이온

화합물 시성식 m / z
18-노라비에탄 C19H34 262.2661
콜레스테롤 C27H48 373.3756
호판 C30H52 412.4069
아 다만 탄 C10H16 136.1252
아이세인 C12H18 162.1409
디아만탄 C14H20 188.1565

요약

GC×GC는 기존 1D GC보다 훨씬 높은 크로마토그래피 분리 기능을 제공하는 고급 GC 기술입니다. 이러한 고분리 능력으로 얻은 데이터의 품질을 극대화하기 위해서는 고속 데이터 수집과 높은 질량 분해능을 모두 제공하는 TOFMS를 하드 이온화 및 소프트 이온화 방법과 함께 사용하는 것이 효과적입니다. EI/PI 조합 소스가 장착된 JEOL GC×GC-TOFMS 시스템은 이 모든 것을 단일 패키지로 수행합니다.
이 애플리케이션 노트에 보고된 바와 같이, 당사의 최신 GC×GC-TOFMS는 선택적 EI/PI 소스와 함께 석유 시료의 바이오마커와 같은 복잡한 혼합물을 분석하기 위한 매우 강력한 도구입니다.

참고자료

  • Z. 리우, JB 필립스, J. Chromatogr. 과학, 29 227 (1991).
  • JC 기딩스, 항문. 화학, 56 1258A(1984).
  • GERSTEL KK Japan, N. Ochiai, "GC×GC-TOFMS를 사용한 환경 오염 물질의 초미량 분석", JEOL MS 사용자 회의(2008)(일본어).
  • S. 하시모토, Y. 다카자와, A. 후시미, H. 이토, K. 타나베, Y. 시바타, M. 우부카타, A. 쿠사이, K. ​​다나카, H. 오츠카, K. 아네자키, J. Chromatogr. ㅏ., 1178 187 (2008).
  • 큐슈 환경 평가 협회, M. Ueda, "GC×GC-HRTOFMS를 사용한 연료유 내 유기 화합물의 정성 및 정량 분석", JEOL MS 사용자 회의(2010)(일본어).
  • 니혼덴시 뉴스 Vol. 44(2017), p40~49(일본어).
  • Anupam Giri 외, 항문. 화학, 89 (10)(2017), p5395-5403.

관련 상품

분야별 솔루션

닫기
주의

귀하는 의료 전문가 또는 의료에 종사하는 직원입니까?

아니

이 페이지는 일반 대중에게 제품에 대한 정보를 제공하기 위한 것이 아닙니다.

과학 기초

메커니즘에 대한 쉬운 설명과
JEOL 제품의 응용

Contacts

JEOL은 고객이 안심하고 제품을 사용할 수 있도록 다양한 지원 서비스를 제공합니다.
Please feel free to contact us.