基于 Orbitrap 技術(shù)的全新GC-MS具有超高分辨率和亞ppm級的精確質(zhì)量能力

Cristian Cojocariu, Dominic Roberts, and Paul Silcock

Thermo Fisher Scientific, Runcorn, UK

 

氣相色譜；高分辨率；質(zhì)量準(zhǔn)確度；Orbitrap 技術(shù)

 

Thermo Scientific™ Q Exactive™ GC 組合型四極桿 Orbitrap 質(zhì)譜儀是一款全新的臺式質(zhì)譜，致力于將氣相色譜（GC）的高分離能力與 Orbitrap 高分辨精確質(zhì)量數(shù)（HR/AM）能力完美結(jié)合。

 

高質(zhì)量數(shù)精度的質(zhì)譜儀（MS）對于復(fù)雜基質(zhì)下的目標(biāo)化合物和非目標(biāo)化合物測量非常關(guān)鍵，在進行化合物識別和確認(rèn)時，對于提高測量結(jié)果的可靠性也非常關(guān)鍵。對于前者，獲得穩(wěn)定高質(zhì)量數(shù)精度可以使用相對較窄的質(zhì)量數(shù)提取窗口，充分利用該儀器的質(zhì)量數(shù)解析能力優(yōu)勢；對于后者，提供足夠準(zhǔn)確的測量化合物質(zhì)量數(shù)，允許化學(xué)家可靠預(yù)測元素組成和同位素比，以識別物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

 

結(jié)果證實，在使用 Q Exactive GC 質(zhì)譜儀的高分辨率時，即使在很寬的濃度范圍和復(fù)雜化學(xué)背景下，也能獲得出色且穩(wěn)定的質(zhì)量精度。

 

使用校準(zhǔn)物質(zhì)（FC 43, CAS 311-89-7）已知質(zhì)量數(shù)調(diào)諧和校正 Q Exactive GC 系統(tǒng)，可獲得 < 0.5 ppm RMS 的質(zhì)量數(shù)精度。如圖 1 所示，使用全掃描和不同分辨率（FWHM）在電子轟擊電離（EI）模式下操作該系統(tǒng)�？梢允褂� GC 色譜柱聚硅氧烷流失物的質(zhì)量數(shù)進行質(zhì)量數(shù)校正。

 

表 1. 質(zhì)譜儀條件

 

采用 Q Exactive GC 技術(shù)可達(dá)到亞 ppm 級質(zhì)量數(shù)精度和超高分辨率，可以在復(fù)雜基質(zhì)中檢測目標(biāo)分析物。圖 1 中展示了這種功能，以 60k 分辨率（FWHM，m/z 200）在全掃描模式下采集韭菜樣品提取物（加標(biāo)數(shù)個農(nóng)殘化合物，濃度為 10 ng/g）。采用 ±5 ppm 質(zhì)量數(shù)偏差窗口提取異丙二酮質(zhì)量數(shù)（m/z 314.0094），可在韭菜基質(zhì)背景下生成一個化學(xué)干擾少，選擇性高的提取離子色譜圖（XIC）。作為對比，一個單位質(zhì)量數(shù)提取窗口（±3,184 ppm），模擬單位質(zhì)量數(shù)分辨率采集，該分辨率沒有為檢測該農(nóng)殘化合物提供足夠的選擇性（圖 1）。

 

 

圖 1. 采用一個韭菜樣品中 10 ng/g的異丙二酮證實了全掃描精確質(zhì)量數(shù)選擇性。精確質(zhì)量數(shù)測量實現(xiàn)可靠檢測（±5 ppm）（頂部），在單位質(zhì)量數(shù)下采集時沒有檢測到該農(nóng)殘化合物（±3,184 ppm）（底部）。

 

獲得精確而穩(wěn)定的質(zhì)量數(shù)可以大大提高化合物識別和元素組分歸屬的可靠性。如果測量質(zhì)量數(shù)的精度很高，則可歸屬到已知化合物的分子式數(shù)量會明顯減少。圖 2 中顯示了精確質(zhì)量數(shù)測量和候選分子式數(shù)量之間的關(guān)系。其中，一個 50 ppm 質(zhì)量數(shù)精度窗口生成（從預(yù)選的 C、H、O、N 和 Cl 數(shù)量）147 個對應(yīng)測量質(zhì)量數(shù) m/z 314.00940 的候選分子式。

 

作為對比，< 1 ppm 的質(zhì)量數(shù)精度窗口只為該質(zhì)量數(shù)給出兩個可能的元素組成。為了進一步區(qū)分這兩個分子式，可以比較測量每個候選分子式的理論同位素分布和測量同位素分布。

 

如圖 2 所示，很明顯看出分辨率和質(zhì)量數(shù)精度的內(nèi)在聯(lián)系，使用足夠分辨率可以將目標(biāo)離子從背景干擾中分離出來，這對于準(zhǔn)確測定目標(biāo)化合物的質(zhì)量數(shù)非常關(guān)鍵。

 

 

圖 2. 質(zhì)量數(shù)精度對于測定質(zhì)量數(shù) m/z 314.00940（在 60k FWHM 分辨率下測量）的候選分子式數(shù)量（從插入表格中顯示的選中化學(xué)元素生成）的影響。即使采用 1 ppm 質(zhì)量數(shù)精度，也會為測定質(zhì)量數(shù)給出兩個候選分子式。在此情況下，同位素分布比較（測量 VS 理論）可以用于淘汰候選分子式（左下）并確認(rèn)最匹配的化學(xué)組成（右下）。

 

在實驗中，可觀察到60,000 FWHM（m/z 200）或更高分辨率下，不同農(nóng)殘化合物的質(zhì)量數(shù)差值小于 1 ppm。作為對比，對于接近和低于30,000 FWHM（m/z 200）的分辨率，測量結(jié)果具有更大的質(zhì)量數(shù)誤差。這些誤差是源自化學(xué)背景離子對目標(biāo)離子的干擾（圖 3）。

 

 

圖 3. 加標(biāo) 10 ng/g 農(nóng)藥的韭菜樣品中，分辨率（m/z 200 下）對于氯苯胺靈、腐霉利和異丙二酮測量質(zhì)量數(shù)精度的影響。高于 30k 的分辨率可以將這些農(nóng)藥和干擾基質(zhì)離子完全分開，提供小于 1 ppm 的質(zhì)量數(shù)精度。

 

在整個色譜峰范圍內(nèi)，從峰起點掃描到峰頂點掃描，Q Exactive GC 系統(tǒng)都可提供 < 1 ppm 的常規(guī)穩(wěn)定質(zhì)量數(shù)精度（內(nèi)標(biāo)校正）。

 

 

圖 4. 以 小于0.5（RMS）的質(zhì)量數(shù)精度（掃描與掃描之間），識別了胡蘿卜樣品中 10 ng/g 的聯(lián)苯（C12H10）。在 60k（FWHM，m/z 200）分辨率下以大于 18 個掃描/峰（峰寬 4 s）的速度采集數(shù)據(jù)。

 

另外，在復(fù)雜基質(zhì)樣品中，在不同目標(biāo)濃度下獲得精確的質(zhì)量數(shù)測量（圖 5）。

 

 

 

當(dāng)重復(fù)進樣加標(biāo) 5 ng/g 農(nóng)殘化合物的嬰兒食品樣品時，可觀察到測量數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定的亞 ppm 質(zhì)量數(shù)精度。這個結(jié)果表明，當(dāng)日常分析復(fù)雜樣品如農(nóng)殘?zhí)崛∥飼r，系統(tǒng)出色穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。

 

 

圖 6. 加標(biāo) 5 ng/g 農(nóng)殘化合物的嬰兒食品樣品的 14 次重復(fù)進樣的質(zhì)量數(shù)精度

 

 

可提供較寬的質(zhì)譜豐度線性范圍和質(zhì)譜動態(tài)范圍對于任何精確質(zhì)量數(shù)分析器都非常重要。這個范圍對于日常農(nóng)殘篩查尤其重要，因為在這類篩查中，目標(biāo)物的濃度不可預(yù)測可能非常高或者非常低，而且還可能和高濃度基質(zhì)組分共流出。質(zhì)量數(shù)精度在很寬的濃度線性動態(tài)范圍表現(xiàn)良好�！百|(zhì)譜內(nèi)”動態(tài)范圍說明了在一個質(zhì)譜圖內(nèi)，儀器測量低豐度和高豐度離子的準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)的能力。直到現(xiàn)在，臺式 HR/AM GC-MS 儀器一直努力為不同濃度化合物提供穩(wěn)定的足夠?qū)挼木�性動態(tài)范圍。達(dá)不到所需的動態(tài)范圍通常是因為分辨率不夠或者檢測器的局限。

 

為了調(diào)節(jié)進入 Orbitrap MS 的離子的數(shù)量，使用自動增益控制（AGC）的 C-Trap 捕集阱確保進入Orbitrap的離子數(shù)量是合適的，這同時也帶來良好的質(zhì)量數(shù)準(zhǔn)確測量。為了驗證 Q Exactive GC 系統(tǒng)高質(zhì)量數(shù)精度測量所達(dá)到的濃度范圍，我們設(shè)計了濃度逐漸增大的六氯苯樣品。在這個濃度范圍內(nèi)，每個測量離子的質(zhì)量誤差不超過 0.8 ppm。

 

測試范圍超過五個數(shù)量級（0.1 ng/mL 到 250,000 ng/mL）。表 2 提供了六氯苯生成的四個離子的質(zhì)量數(shù)精度測量。

 

表 2. 六氯苯的四個選中離子的質(zhì)量數(shù)精度良好的濃度線性范圍大于 5 個數(shù)量級。

 

數(shù)據(jù)顯示在單一質(zhì)譜圖內(nèi)，質(zhì)量準(zhǔn)確度仍表現(xiàn)出良好的動態(tài)線性范圍。

 

在復(fù)雜基質(zhì)中，基質(zhì)組分很可能干擾極低濃度的目標(biāo)分析物，評估Q Exactive GC 系統(tǒng)的質(zhì)量數(shù)精度性能就很有必要。在下面例子中，測量水果和蔬菜嬰兒食品樣品中的敵敵畏（圖 7），可獲得亞 ppm 級的質(zhì)量數(shù)精度。就信號和質(zhì)量數(shù)精度而言，這些數(shù)據(jù)證實了很寬的質(zhì)動態(tài)范圍。

 

 

圖 8 和圖 9 可以證實，69–960 Da 的質(zhì)量數(shù)范圍內(nèi)，測量數(shù)據(jù)均具有亞 ppm 級的質(zhì)量數(shù)精度。

 

 

圖 8. 通過 deca-BDE 的一次進樣，利用校正氣體離子（FC43）和 tri-BDE 的分子離子測量的質(zhì)量數(shù) tri-BDE 范圍（69–960 Da）下的質(zhì)量數(shù)精度。

 

 

圖 9. deca-BDE 分子離子簇（C₁₂Br₁₀O）高質(zhì)量數(shù)的質(zhì)量數(shù)精度（0.6 ppm RMS）。60k 分辨率下以全掃描模式采集數(shù)據(jù)。

 

本文數(shù)據(jù)證實，Q Exactive GC 質(zhì)譜儀在一系列嚴(yán)苛實驗分析條件下為目標(biāo)化合物和非目標(biāo)化合物測量提供了精確質(zhì)量數(shù)。對于各種化合物和不同基質(zhì)類型，無論在高濃度和低濃度下，整個色譜峰范圍內(nèi)都獲得穩(wěn)定的質(zhì)量數(shù)精度。該系統(tǒng)的高分辨率實現(xiàn)了出色的質(zhì)量數(shù)精度，這個組合可為各種不同領(lǐng)域的化合物研發(fā)、篩查、識別和定量提供所需的高度可靠的數(shù)據(jù)支持。

 

感謝 Thermo Fisher Scientific, Austin, Texas USA 的 Brody Guckenberger 和 Scott T. Quarmby，以及來自 RIKILT Wageningen, Netherlands 的 Hans Mol 和 Marc Tienstra，感謝他們給予的寶貴科學(xué)意見和實驗樣品。