Cette note d'application a été publiée pour la première fois dans le livre d'Applications de la LCGC en juillet 2017.
Effet de l'Extraction du Diamètre de la Lentille sur la Sensibilité de l'analyse GC – MS
Par Ed Connor et Carlos Fidelis, Peak Scientific et Département de chimie, UNICAMP Sao Paolo, Brésil
La chromatographie en phase gazeuse – spectrométrie de masse (GC – MS) permet d'isoler et d'identifier des analytes individuels dans un mélange complexe. L'hélium a toujours été le gaz vecteur de premier choix en raison de son inertie, de ses performances et de son prix relativement bon marché. Depuis 2001, cependant, l'hélium est devenu de plus en plus cher, avec une augmentation globale du prix de 500% entre 2001 et 2016 (1). En 2012-2013, la pénurie mondiale d'hélium a augmenté le nombre d'utilisateurs du GC qui ont opté pour des gaz vecteurs alternatifs et a amélioré la disponibilité des informations sur leur utilisation.
L'hydrogène est deux fois moins visqueux que l'hélium à la même température et à la même pression, alors que la diffusion d'un échantillon dans les deux gaz est similaire, ce qui signifie que l'hydrogène traverse la colonne GC plus rapidement et offre une analyse plus rapide que l'hélium. La courbe de Van Deemter (Figure 1) montre l'efficacité relative de l'hydrogène, de l'hélium et de l'azote à différents débits et montre comment l'hydrogène a un rendement de colonne supérieur à des débits plus élevés. En utilisant un logiciel de conversion de méthode (2,3), il est possible de modéliser l’effet de la conversion d’une méthode de l’hélium en hydrogène in silico pour voir quels gains de temps peuvent être réalisés et quelles modifications de la méthode il est nécessaire de réaliser.
Pour résoudre les problèmes liés à la réduction de la sensibilité et aux temps de stabilisation associés au gaz vecteur d'hydrogène, il est possible d'effectuer des modifications matérielles telles qu'augmenter le diamètre de l’orifice de l’objectif de la lentille d’extraction et cuire la source d’ions. L'analyse suivante d'un mélange d'huiles essentielles est conduite en utilisant un gaz vecteur d'hélium avec un volume d'ions standard et un gaz vecteur d'hydrogène, avec une lentille d'extraction de diamètre supérieur, avec une plage de débits, un temps de stabilisation, de résolution des pics et de rapport signal-bruit évalués.
Matériels et Méthodes
Analyse de Chromatographie en Phase Gazeuse – Spectrométrie de Masse (GC – MS) :
Toutes les analyses GC – MS ont été effectuées à l'aide d'un chromatographe gazeux Agilent 7890B avec détecteur de masse sélectif Série 5975. Le tableau 1 indique les conditions de GC et de MSD pour les huiles essentielles fournies par le professeur Lauro Barata de l'UFOPA (Universidade Estadual do Oeste do Pará). Le mélange de COV a été acheté chez Supelco (EPA VOC Mix 2). Les analyses d'échantillons effectués avec du gaz vecteur d'hélium ont été acquises à l'aide d'une plaque d'extraction inerte de 3 mm (G2589-20100). Tous les échantillons analysés avec du gaz vecteur hydrogène ont été obtenus à l'aide d'une plaque d'extraction neutre de 6 mm (G2589-20045).
La stabilisation de fond a été évaluée en faisant passer un mélange organique volatil pendant 7 jours après le changement de gaz vecteur. La source d'ions a été cuite en utilisant une légère modification des recommandations (p35–37) de Agilent Technologies (4), la température de la source étant réglée sur 300 ° C et le filament activé pendant 3 heures.
Figure 1: courbe de Van Deemter illustrant les rendements relatifs de l'hydrogène, de l'hélium et de l'azote à différents débits.
Résultats
Effet du Gaz Vecteur sur le rapport Signal sur Bruit: Le rapport signal sur bruit (S / N) et la résolution (Rs) ont été calculés à l'aide de 1,3,5-trichloro benzène, le dernier pic éluant d'un mélange d'huiles essentielles (tableau 2). Les échantillons analysés avec du gaz vecteur d'hélium en mode de balayage complet ont montré une relation inverse entre le débit et le rapport signal sur bruit, le rapport S / N ayant chuté de 1988,3 au débit optimal de 1,0 mL / min à 864,9 à 2,0 mL / min (tableau 2). Lors de l'analyse d'échantillons utilisant du gaz vecteur hydrogène, la relation inverse entre le débit et le rapport signal sur bruit a été mise en évidence, le rapport signal sur bruit augmentant de 106,0 à 209,6 à mesure que le débit de la colonne augmentait (tableau 2).
En mode SIM, le rapport S / N variait peu quel que soit le débit lors de l'utilisation d'un gaz vecteur à l'hélium. Cependant, avec le gaz vecteur hydrogène, le rapport signal sur bruit s’améliorait à mesure que le débit du transporteur augmentait, le rapport signal sur bruit augmentant de 798,8 à 1,0 mL / min à 2359,3 à 2,0 mL / min, ce qui signifie que le rapport S / N avec de l’hydrogène à des débits plus élevés était presque le même avec l'hélium (tableau 2).
Effet du Gaz Vecteur sur la Résolution: en mode de balayage complet, le gaz vecteur de l'hélium suivait un schéma similaire à celui des résultats S / N, les valeurs Rs diminuant lorsque le débit augmente au-delà de la vitesse optimale. Lors de l'analyse d'échantillons utilisant de l'hydrogène, il n'y avait pas de relation claire entre les valeurs Rs et le débit, la meilleure résolution étant de 1,5 mL / min. Lorsque l'on compare les débits optimaux de chaque gaz (1,0 – He et 2,0 – H2), la résolution maximale avec le gaz vecteur de l'hélium était presque le double (1,9 ×) de celle de l'hydrogène (tableau 2).
En mode SIM, lorsque l’hélium était utilisé, les valeurs de Rs diminuaient par rapport aux valeurs de balayage complet et étaient inférieures à celles observées avec le gaz vecteur hydrogène (Tableau 2). Le taux d’hydrogène était considérablement amélioré en mode SIM par rapport au mode balayage (1,9 ×) et, à des débits optimaux, l’hydrogène donnait un taux amélioré (1,76 ×) par rapport à l’hélium.
Stabilisation du contexte : Les résultats ont montré que le contexte était stable après 3 jours, avec des injections répétées du mélange de COV EPA testées pendant 7 jours (Figure 2).
Analyse
Un certain nombre d'applications utilisent le gaz vecteur hydrogène comme alternative viable à l'hélium. Les résultats de GC – MS, lorsque l'on compare Rs et S / N, correspondent apparemment directement au débit du gaz porteur par rapport à la vitesse optimale du gaz porteur des deux gaz. Lorsque l'écoulement d'hélium dans la colonne est optimal, les meilleures performances pour Rs et S / N ont été observées en mode de balayage complet. La détection SIM a semblé résoudre certains des problèmes de réduction de l'efficacité de l'hélium en gaz porteur à des vitesses plus élevées, la différence étant faible en Rs ou en S / N sur toute la plage de débits testés. De même que pour l'hélium, l'analyse d'échantillons contenant du gaz vecteur d'hydrogène à un débit non optimal affectait considérablement les valeurs Rs et S / N en mode balayage et en mode SIM. Fait intéressant, le gaz vecteur d'hydrogène présentait un meilleur pic de Rs en mode SIM que l'hélium dans les trois débits. Il semble que le fonctionnement en mode SIM élimine en grande partie le bruit de fond qui provoque des interférences en mode de balayage complet lors de l'utilisation d'hydrogène. Lorsque l'on suit les recommandations pour la préparation du système lors du passage à l'hydrogène, le bruit de fond met au moins 3 jours à se stabiliser.
Cette étude démontre clairement que l'hydrogène peut être utilisé pour l'analyse de routine des composés connus. Lors de l'utilisation du mode d'analyse complète, les analystes doivent être conscients qu'il est probable que la sensibilité diminuera de deux à cinq fois (4). Lors de l'utilisation de gaz vecteur d'hydrogène pour la GC-MS, il est essentiel de se concentrer au départ sur l'atténuation des facteurs entraînant une sensibilité réduite.
Figure 2: Stabilisation du mélange de COV stabilisée pendant plusieurs jours consécutifs après le passage du gaz vecteur de l’hélium à l’hydrogène.
Références
(1) https://www.theguardian.com/science/2016/jun/28/huge-helium-gastanzania-east-africa-averts-medical-shortage
(2) http://www.restek.com/ezgc-mtfc
(3) http://www.agilent.com/en-us/support/gas-chromatography/gcmethodtranslation
(4) http://bit.ly/2rqxQQu