Cristian Cojocariu, Dominic Roberts, and Paul Silcock

Thermo Fisher Scientific, Runcorn, UK

 

氣相色譜；高分辨率；質量準確度；Orbitrap 技術

 

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

 

高質量數精度的質譜儀（MS）對于復雜基質下的目標化合物和非目標化合物測量非常關鍵，在進行化合物識別和確認時，對于提高測量結果的可靠性也非常關鍵。對于前者，獲得穩定高質量數精度可以使用相對較窄的質量數提取窗口，充分利用該儀器的質量數解析能力優勢；對于后者，提供足夠準確的測量化合物質量數，允許化學家可靠預測元素組成和同位素比，以識別物質的化學結構。

 

結果證實，在使用 Q Exactive GC 質譜儀的高分辨率時，即使在很寬的濃度范圍和復雜化學背景下，也能獲得出色且穩定的質量精度。

 

使用校準物質（FC 43, CAS 311-89-7）已知質量數調諧和校正 Q Exactive GC 系統，可獲得 < 0.5 ppm RMS 的質量數精度。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。可以使用 GC 色譜柱聚硅氧烷流失物的質量數進行質量數校正。

 

表 1. 質譜儀條件

 

采用 Q Exactive GC 技術可達到亞 ppm 級質量數精度和超高分辨率，可以在復雜基質中檢測目標分析物。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（加標數個農殘化合物，濃度為 10 ng/g）。采用 ±5 ppm 質量數偏差窗口提取異丙二酮質量數（m/z 314.0094），可在韭菜基質背景下生成一個化學干擾少，選擇性高的提取離子色譜圖（XIC）。作為對比，一個單位質量數提取窗口（±3,184 ppm），模擬單位質量數分辨率采集，該分辨率沒有為檢測該農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量數選擇性。精確質量數測量實現可靠檢測（±5 ppm）（頂部），在單位質量數下采集時沒有檢測到該農殘化合物（±3,184 ppm）（底部）。

 

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

 

作為對比，< 1 ppm 的質量數精度窗口只為該質量數給出兩個可能的元素組成。為了進一步區分這兩個分子式，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量數精度的內在聯系，使用足夠分辨率可以將目標離子從背景干擾中分離出來，這對于準確測定目標化合物的質量數非常關鍵。

 

 

圖 2. 質量數精度對于測定質量數 m/z 314.00940（在 60k FWHM 分辨率下測量）的候選分子式數量（從插入表格中顯示的選中化學元素生成）的影響。即使采用 1 ppm 質量數精度，也會為測定質量數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）并確認最匹配的化學組成（右下）。

 

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

 

 

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

 

在整個色譜峰范圍內，從峰起點掃描到峰頂點掃描，Q Exactive GC 系統都可提供 < 1 ppm 的常規穩定質量數精度（內標校正）。

 

 

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

 

另外，在復雜基質樣品中，在不同目標濃度下獲得精確的質量數測量（圖 5）。

 

 

 

當重復進樣加標 5 ng/g 農殘化合物的嬰兒食品樣品時，可觀察到測量數據具有穩定的亞 ppm 質量數精度。這個結果表明，當日常分析復雜樣品如農殘提取物時，系統出色穩定性起到關鍵作用。

 

 

圖 6. 加標 5 ng/g 農殘化合物的嬰兒食品樣品的 14 次重復進樣的質量數精度

 

 

可提供較寬的質譜豐度線性范圍和質譜動態范圍對于任何精確質量數分析器都非常重要。這個范圍對于日常農殘篩查尤其重要，因為在這類篩查中，目標物的濃度不可預測可能非常高或者非常低，而且還可能和高濃度基質組分共流出。質量數精度在很寬的濃度線性動態范圍表現良好。“質譜內”動態范圍說明了在一個質譜圖內，儀器測量低豐度和高豐度離子的準確質量數的能力。直到現在，臺式 HR/AM GC-MS 儀器一直努力為不同濃度化合物提供穩定的足夠寬的線性動態范圍。達不到所需的動態范圍通常是因為分辨率不夠或者檢測器的局限。

 

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

 

測試范圍超過五個數量級（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量數精度測量。

 

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

 

數據顯示在單一質譜圖內，質量準確度仍表現出良好的動態線性范圍。

 

在復雜基質中，基質組分很可能干擾極低濃度的目標分析物，評估Q Exactive GC 系統的質量數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 級的質量數精度。就信號和質量數精度而言，這些數據證實了很寬的質動態范圍。

 

 

圖 8 和圖 9 可以證實，69–960 Da 的質量數范圍內，測量數據均具有亞 ppm 級的質量數精度。

 

 

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量數 tri-BDE 范圍（69–960 Da）下的質量數精度。

 

 

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

 

本文數據證實，Q Exactive GC 質譜儀在一系列嚴苛實驗分析條件下為目標化合物和非目標化合物測量提供了精確質量數。對于各種化合物和不同基質類型，無論在高濃度和低濃度下，整個色譜峰范圍內都獲得穩定的質量數精度。該系統的高分辨率實現了出色的質量數精度，這個組合可為各種不同領域的化合物研發、篩查、識別和定量提供所需的高度可靠的數據支持。

 

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意見和實驗樣品。