Spectrometrie de masă cuplată cu gaz cromatograf; principii şi aplicaƫii ȋn analiza uleiurilor comestibile şi industriale
Cuprins 2.Cromatografia de gaze\Spectrometria de masă-model teoretic…...3 3.Cuplajul spectrometru de masă-cromatograf de gaze………...…..7 4.Caracteristici de bază ale sistemului GC\MS…………………..…9 5.Caracterizarea compuşilor din uleiurile volatile prin GC\MS……9 6.Ȋnregistrarea şi prelucrarea datelor. ……………………………..10 7.Rezultate şi concluziii…………………………………………...11 8.Bibliografie………………………………………………………1
2
2.Cromatografia de gaze\Spectrometria de masă-model teoretic Cromatografia de gaze și spectrometria de masă fac ȋmpreună o metodă eficientă de analiză chimică.Cei mai mulƫi utilizatori apelează la sistemul de analiză GC\MS din următoarele motive: -se doreşte identificarea sau caracterizarea analiƫilor oferind rezultate concrete, din acest punct de vedere dovedindu-se un instrument de dovadă concludentă a identităƫii. -se doreşte creşterea sensibilităƫii analitice Pentru a utiliza ȋnsă ȋn mod eficient sistemul trebuie ȋnƫeles procesul.
1.1 Cromatografia de gaze Analiza GC este un test comun de confirmare descoperit de Mikhail Semenovich Tsvett. Printre tipurile de cromatografie în faza gazoasă, cromatografia gaz-lichid este metoda cea mai frecvent utilizată pentru a separa compuși organici. Un cromatogarf cu gaz constă dintr-un port de injectare, o coloană, echipamente de control al gazului purtător, cuptoare și încălzitoare pentru menținerea temperaturii, un înregistrator grafic și un detector. Pentru a separa compușii, o probă soluție ce conține compușii organici de interes este injectată prin portul monstrei unde urmează să fie vaporizată. Proba vaporizată este apoi transportată de un gaz inert, cel mai des folosite fiind heliu și hidrogen.Gazul va trece printr-o coloană de sticlă acoperită de un lichid. Materialele mai puțin solubile în lichid vor da mai repede un rezultat decât cele mai solubile. În analiza GC unele caractersitici chimice și fizice ale moleculelor le face să migreze prin coloană cu viteze diferite. Dacă molecula are masa moleculară mică, ea va călători mai repede. Totodată, timpul de ieșire din colonă este afectat și de forma moleculei. Interacțiunile dintre molecule și suprafața coloanei face ca molecula să fie reținută în interiorul coloanei într-un timp diferit față de celelalte molecule existente în amestec.
3
Descrierea procesului
Echipamentul utilizat în cromatografia în fază gazoasă constă în general dintr-un orificiu de injecție la un capat al coloanei și un detector la celălalt capăt al coloanei. Un gaz purtător propulsează proba de-a lungul coloanei. Se urmarește permanent debitul de gaz purtător ca acesta să rămână constant. Este esențial ca gazul să nu reacționeze cu proba pentru a se obține rezultate fiabile și de asemenea se recomandă ca acesta să fie de puritate ridicată pentru a nu contamina proba. Gazul purtător trebuie să fie uscat, fără oxigen și inert chimic. Din acest motiv, gazele purtătoare sunt de obicei argon, heliu, hidrogen sau azot. Hidrogenul este în general un gaz purtător bun, însă poate reacționa și converti proba într-o altă substanță. În mod normal proba este injectată în fanta de injecție cu un ac hipodermic. Acul este blocat într-un sept de silicon care acoperă portul de injectare. Portul de injecție este menținut la temperatura la care proba se vaporizează instantaneu. Ideal, proba se împrăștie uniform pe secțiunea transversală formând un dop. Procesul de separare se realizează în coloana cromatografică, un tub subțire și lung de câțiva metri care poate să fie de mai multe feluri:coloane umplute, coloane capilare având pe perete un film lichid imobilizat sau coloane capilare ce au pe pereții interiori un strat de particule. Componenții sunt separați în coloana în functie de volatilitatea acestora. Substanțele cu volatilitate ridicată vor migra mai repede prin coloană. 4
Instrumentul GC utilizează un detector pentru a identifica fiecare compus din amestecul dat. Fiecare detector are două părți principale care cuplate convertesc o anumită proprietate într-un semnal electric care este întregistrata ca o cromatogramă. Analiza GC este foarte fiabilă dacă instrumentul este întreținut corespunzător. În cazul unei analize trebuie prelucrată o probă etalon ce conține o compoziție identică cu conținutul din probă. Acest eșantion trebuie prelucrat înainte și după probă, în condiții identice. Orice valoare care nu se potriveste cu proba standard este neconcludentă. De asemenea dacă există o bază de date de referință, datele testate trebuie să corespundă cu acestea.
1.2 Spectrometria de masa Spectrometria de masă permite măsurarea maselor moleculare relative a unor Compuși precum și evidențierea grupărilor funcționale prezente în compusul analizat. Pentru a măsura caracteristicile individuale ale moleculelor, un spectrometru de masă le convertește în ioni, pentru a putea fi transportate și manipulate de câmpuri electromagnetice. Reprezentarea grafică afișează masa fiecarui fragment. Spetrul de masă poate fi utilizat și pentru identificări calitative. Toate fragmentele de masă sunt utilizate apoi ca niște piese de puzzle pentru identificarea masei moleculei originale, astfel descoperindu-se identitatea specimenului din proba.
Descrierea procesului Cele 3 componente esențiale ale unui spectrometru de masă sunt: - SURSA DE IONI- o probă este ionizată de obicei, prin pierderea unui electron, formându-se cationi. -ANALIZATORUL DE MASĂ- ionii sunt sortați și separați în funcție de masă și de încarcarea acestora. -DETECTORUL-ionii separați sunt apoi măsurați, iar rezultatele sut afișate pe grafic.
5
Un instrument clasic MS conține un locaș de introducere a probei care este menținut la temperaturi de până la 400°C pentru a se asigura că eșantionul rămâne în fază gazoasă. În continuare proba intră în camera de ionizare unde un fascicul de electroni este accelerat la o tensiune înaltă. Fiecare fragment este încarcat și se depasează la acceleratorul de particule ca un individ. În camera de accelerare viteza particulelor încarcate creste suficientă încât să fie împinse către detector.În momentul în care particulele individuale se ciocnesc de suprafața detectorului, acesta emite la randul său alți electroni care-i accelerează spre o a doua suprafață, generând mai mulți electroni, care bombardează o altă suprafață. După mai multe ciocniri cu suprafețe multiple se generează mii de electroni care vor ajunge la ultima suprafață. Rezultatul este o amplificare a încărcăturii inițiale printr-o cascadă de electroni care sosesc la colector. În acel moment instrumentul măsoară și înregistrează sarcina și fragmentele de masă, iar la ieșire se formează o serie de vârfuri pe un grafic, spectrul de masă. Fiecare vârf crește cu numărul .de fragmente detectate. De asemenea, fiecare substanță are propriul spectru de masă in condiții special controlate. Exemplarele testate se pot identifica prin comparație cu spectrul de masă al unor compuși cunoscuți.
6
3. Cuplajul spectrometru de masă/cromatograf de gaze Combinația cromatogarfică de gaze pentru seprarare și spectrometria de masă pentru detecție a devenit un instrument analitic esențial în identificarea componenților unui amestec. Spectrometrul de masă poate fi utilizat pentru a fragmenta analiți și pentru a produce un spectru de masă care poate servi ca amprentă a moleculei apoi identificată în biblioteca de date. Dacă acel compus nu poate fi identificat într-o bibliotecă, prin utilizarea spectrului de masă se poate propune greutatea moleculară a analitului și compoziția elementală, se identifică caracteristicile majore și se elucidează structura moleculei.
Privire în ansamblu asupra unui sistem GC/MS Exista mai multe etape distincte ale analizei GC/MS care, de obicei includ: -introducerea probei -separarea componenților -transferul de la cromatograful de gaze la spectrometrul de masă -ionizarea componentelor din probă -separarea și detectarea ionilor in faza gazoasă Diagrama schematică a unui cuplaj GC/MS
Ordinea prezentării componenților coincide cu ordinea desfășurării analizei probei în sistemul GC/MS
7
1. Port de injectare gaz purtător: cele mai utilizate și recomandate gaze purtătoare: H, He, N2, permit migrarea probei de-a lungul coloanei și oferă condițiile necesare de presiune functionării corecte. 2. Dispozitiv de reglare 3. Injector probă: aici proba se volatilizează și gazele rezultate antrenate de fluxul purtător sunt conduse către coloană 4. Cuptor: programat la temperaturi capabile să mențină proba în stare gazoasă (până la 400°C) 5. Coloana: segmentul cromatografului în care se desfășoară procesul de separare a componenților din probă 6. Interfața: după separarea componenților în sistemul GC speciile trebuie transportate la spectrometrul de masă unde urmează să fie ionizate și detectate. 7. Sursa de ioni: aici, compușii sunt ionizați înainte de a fi anlizați. Ionizarea reprezintă procesul în care o moleculă este încărcată prin crearea unui cation (impact de electroni) sau prin asociere sau transfer de sarcină (ionizare chimică, Cl), producându-se ioni. 8. Analizatorul de masă: ionii sunt filtrați apoi în funție de masa lor moleculară. 9. Detectorul: fasciculul de ioni ce se desprinde din analizatorul de masă, trebuie să fie detectat și transformat într-un semnal utilizabil. 10. Sistem de vid: este necesar ca analiza să se poată desfășura într-un mod previzibil și eficient 11. Control electronic.
4. Caracteristici de bază ale sistemului GC/MS Dupa separarea în coloana GC speciile analit trebuie transportate la spectrometrul de masă unde vor fi ionizate, filtate după masa moleculară și detectate. Ieșirea din coloană trebuie să fie conectată la sursa de ioni a spectrometrului de masă utilizându-se diferite stagii de implementare pentru a putea face posibilă conexiunea: -analitul nu trebuie să condenseze pe interfață -analitul nu trebuie să se descompună înainte de a intra în spectrometrul de masă la sursa de ioni 8
-volumul de gaz ce intră în sursa de ioni trebuie menținut la capacitatea de pompare a spectrometrului de masă. Metoda fizică de conectare a cromatografului de gaze la spectrometrul de masă este importantă, în special în ceea ce privește oferirea unui sigiliu etanș. Deși considerat „standardul de aur” în analiza științifică, cuplajul GC/MS are unele limite. Unele probleme apar în timpul analizei la cromatograf. Dacă acesta nu a separat componenții în mod corespunzător, proba ce se alimenteaza în spectrometrul de masă este impură. Acest lucru conduce la un fundal „zgomot” în spectrul de masă. De asemenea, dacă gazul purtător deviază pe drumul către spectrometru pot apărea contaminări similare. Pentru a confirma în totalitate identitatea probei de interes este recomandat ca proba să fie analizată și cu o altă tehnică de încredere.
5. Caracterizarea compușilor din uleiurile volatile prin GC/MS APLICAȚII ÎN ANALIZA ULEIURILOR INDUSTRIALE ȘI COMESTIBILE -analiza produselor petroliere -analiza uleiurilor esențiale cu aplicații în cosmetică, medicină, alimentație -analize de mediu prin separarea și identificarea substanțelor necunoscute din ape Analiza uleiurilor presupune parcurgerea a două etape esențiale: pregătirea probei și analiza propriu-zisă. Această analiză se realizează pentru a se putea stabili calitatea produșilor, determinarea acestora, pentru a se identifica compușii cheie sau cei deranjanți sau pentru a putea dezvălui posibilele falsificări (în functie de utilitatea uleiului). Preluarea probelor pentru analiză se efectuează prin metode uzuale precum extracția în solvenți sau antrenarea cu vapori de apă. După prelucrarea acesteia, poba de analizat este introdusă ăn cromatograf urmându-se următorii pași: -uleiul este introdus în camera de injectare unde este vaporizat -este apoi transportat de gazul purtător la coloana unde întâlnește faza staționară. Migrarea prin coloană a fiecărui compus în parte din componența uleiului testat variază. -moleculele separate sunt trimise în camera de ionizare unde sunt bombardate cu electroni dând un semnal de ieșire specific. Cromatograma indică concentrația relativă însă nu poate identifica componentele. De aceea este necesară interpretarea spectrului de masă. Din acest punct de vedere citirea și interpretarea necesită îndemânare și experiență. 9
6. Înregistrarea și prelucrarea datelor ANALIZA DE PETROL În acest caz cromatograma conține un număr mare de vârfuri de hidrocarburi ce le face greu de citit fiind nevoie și de metode ajutătoare. ANALIZA ULEIURILOR ESENȚIALE Este un domeniu în care cuplajul GC/MS își arată eficiența. Combinând cele două instrumente se permite separarea componenților din uleiurile aromatizante și identificarea eventualelor inpurificări. ANALIZA DE MEDIU În analiza substanțelor din apă, deoarece concentrația este scăzută și există un număr mare de componenți, rezultatele cantitative conțin erori mari. Deoarece rezultatele în analizele pe uleiurile esențiale sunt cele mai concludente există numeroase testări în acest domeniu. Scopul esențial este determinarea caracteristicilor chimice a diferitelor uleiuri extrase din plante.
ULEI EXTRAS DIN
Principalul constituent
Alte componente
Utilizări
Scorțisoara
aldehida cinamică
Citral, terpene, eugenol
Agent aromatizant în alimentație și
menta
Mentol si mentona
Pinen, isomentona
cosmetice, antiseptic Agent aromatizant în produse farmaceutice și
citral
Camfen, limonen,
alte produse de consum În parfumerie, produse
terbentina
terpiene
terpene Camfor, limonen
cosmetice Insecticid, vopsea de
cimbrul
timol, carvacrol
terpene
mobilier și solvent În produse
Iarba de lămâie
10
farmaceutice, în alimentație
7.Rezultate si concluzii Utilizarea combinată a cromatografului de gaze cu spectrometrul de masă în analize (facilitate de o bibliotecă de căutare) s-a reușit identificarea a mii de compuși în uleiurile extrase din plante, produse petroliere sau alte surse. Datele prelucrate în urma anlizelor ne ajuta sa înțelegem relația dintre uleiurile esențiale și metoda de extracție precum și cunoașterea a multitudinilor de componente aromatice. Metoda aleasă furnizează informații utile pentru studiile de referință ulterioare și oferă industriei de uleiuri esențiale un ajutor practic datorită vastei biblioteci de componenti creată, clasificate dupa rolul fiziologic al acestora și dupa originea fiecarui ulei în parte.
8. Bibliografie 1. Jiang MH , Yang L, Zhu L „Comparative GC/MS analysis of essential oils extracted by 3 methods from the bud of Citrus aurantium L. var. amara Engl.”, 2011 2. Charles J. Glover, Jerry A. Bullin, „Identification of heavy Residual oils by GC-MS”, 1989:57-75 3. Ester Speroni, Mohammad Hudaib, „GC/MS evaluation of thyme (Thymus vulgaris L.) oil composition and variations during the vegetative cycle”, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, volume 29, 2002:691-700 4. Inderjit Kaur, Sitharaman B, Vivek R., „Characterization and Identification of Essential Oil Components by GC-MS”, Thermo Scientific, 2002 5. Gas chromatography-Mass spectrometry, University of Bristol, 2002 6. Frederic Douglas, „GC/MS analysis”, Scientific Testimony, 11
7. Kyaw Thet, „Gas chromatography”, UCDavis Chemwiki 8. Iordache Andreea Maria, „Studiul unor sisteme complexe cu aplicatii biomedicale si ecologice”, 2011
12
