ASMS im Rückblick: Frank Dorman, Penn State

Aufgrund der zunehmenden chemischen Komplexität der Umwelt ist GC×GC-TOFMS mit seiner nicht zielgerichteten Verbundsanalyse die ideale Technologie für diese komplizierten Proben.

In seiner Präsentation Analyse der Umweltverschmutzung im Susquehanna River beschreibt Frank die Verschmutzung des Wassereinzugsgebietes. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf dem Exposom und den Molekülen, die entstehen, wenn künstliche Materialien mit ihm interagieren. Wie können wir Expositionsprobleme proaktiv „entdecken“? Die Fischkontamination ist der Referenzindikator für diese Analyse. Die Verfolgung ihrer Mutationen oder makro- und mikroskopischen Erkrankungen hilft nicht nur bei der Ermittlung der Schuldzuweisung, sondern auch bei der Lösung dieses Problems, bevor die menschliche Gesundheit negativ beeinflusst wird. Die kontinuierliche Arbeit des Teams mit zweidimensionaler Flugzeit-Massenspektrometrie für Gaschromatografie war ein wichtiges Instrument, um dies umfassend zu untersuchen.

Frank erläutert seine Gründe, warum er GC×GC anstelle von LC oder GC gewählt hat, um diese Proben zu analysieren: „Diese Probenextrakte sind chemisch sehr komplex, daher werde ich GC×GC verwenden. Warum? Weil es das beste Trennwerkzeug im Labor ist. Es hat viel mehr Spitzenkapazität als 1D-GC und die gesamte GC hat viel mehr Spitzenkapazität als die Flüssigchromatografie.“

Das bedeutet, dass sie nicht nur in der Lage sind, die bekannten Kenntnisse zu identifizieren, sondern auch bekannte Unbekannte in der Probe entdecken können, was andere Technologien nicht auf dem gleichen Niveau tun. Separation, Genauigkeit, Auflösungsvermögen, Dekonvolution und Geschwindigkeit sind für die Charakterisierung komplexer Proben von entscheidender Bedeutung. Frank benutzte das Tischgerät unseres Pegasus BT 4D GC×GC-TOFMS-Systems, um dies zu erreichen.

„Der BT hat eine hohe Empfindlichkeit. Eine unserer ersten Fragen war: „Okay, BT, was machst du, wenn wir dich mit einem fiesen Fisch-Extrakt füttern?“ und ich bin froh zu sagen, dass er sich recht gut schlägt. Er hat die Fähigkeit (da es sich um eine Standard-Elektronenionisationsquelle handelt), hohe Mengen an Verunreinigungen in den Extrakten zu bewältigen.“

Abbildung 1	Abbildung 2

Die Empfindlichkeit für den Umgang mit diesen komplexen Proben ist von größter Bedeutung, da es keine „sauberen“ Fische gibt. Darüber hinaus ist die Pegasus BT 4D-ChromaTOF^®-Markensoftware für die fortschrittliche Chromatografie-Datenverarbeitung, wie der hier beschriebenen, konzipiert. Sie enthält Tools wie NonTarget Deconvolution^®, Target Analyte Find, Bibliothekssuche und mehr, um mehr Analyten als je zuvor zu identifizieren. Wenn es um die Nachweisgrenzen geht, erklärt Frank, dass der BT 4D eine Reihe traditionellerer Typen von Massenspektrometern übertreffen konnte, da sie in Bezug auf die Nachweisgrenzen um einige Größenordnungen schlechter waren. Außerdem würden die Nachweisgrenzen noch mehr leiden, wenn die gleiche Analyse an einem einzigen Quadrupol durchgeführt würde. Im Vergleich dazu kann ein Triple-Quadrupol recht gute Nachweisgrenzen liefern, aber er erlaubt es nicht, nach Non-Targets zu suchen. Hier zeigt der BT 4D seine Datenstärke (Abbildung 1).

Bei der Betrachtung dieser Daten wird zunächst deutlich, dass sie auch ohne Probenvorkonzentration methodische Nachweisgrenzen im Bereich von Zehntel Nanogramm pro Gramm erreichen konnten. Zweitens erinnert uns Frank daran, dass Sie zwar daran gewöhnt sein mögen, etwas bessere Nachweisgrenzen zu sehen, dass dies aber sehr starke Ergebnisse sind, wenn man die fehlende Probenvorbereitung berücksichtigt. Dies ist ein deutlicher Verweis auf die chromatografische Leistung des Pegasus BT 4D. Frank und sein Team brauchen ihre Proben nicht zu konzentrieren, auch wenn es sich um eine außerordentlich komplizierte Matrix aus ganzen Fischen handelt. Es genügt eine einfache, einminütige Extraktion und dann das Abziehen von Lösemittel. Das spart seinem Team nicht nur Zeit und erhöht die Produktivität, sondern spart auch wertvolle Laborressourcen.

Die Verwendung der Datenverarbeitungstools von ChromaTOF ermöglichte den Vergleich der 50 wichtigsten Merkmale auf der Grundlage der Fischer-Quotienten nach dem statistischen Vergleich der betroffenen mit den Kontrollproben (Abbildung 2). Wie man in der vorherigen Abbildung sehen kann, zeigt es eine sehr schöne, klare Trennung zwischen drei Fischgruppen: die Proben der Kontrollgruppe, die Proben der Erkrankten des Juniata-Flusses und die Proben der Erkrankten des West Branch-Flusses. Der Pegasus BT 4D ermöglicht diese verbesserten Nachweisgrenzen und bietet einen guten Einstieg in die Identifizierung dieser gezielten und ungezielten Unbekannten, ohne dass Sie Ihre Probe konzentrieren müssen und in Anbetracht der Tatsache, dass die Probenmatrix sehr anspruchsvoll ist.

Doch wohin soll es von hier aus gehen? Um seine Forschung einen Schritt weiter zu führen, verwendete Frank die GC×GC HR-TOFMS-Analyse (Pegasus GC-HRT+ 4D), um noch MEHR bekannte unbekannte Verbindungen aufzudecken. Frank und sein Team wollen diese Moleküle identifizieren können, doch mit GC×GC-TOFMS finden sie nur eine Handvoll Targets in den erkrankten Fischen. Dies ist ungewöhnlich, aber Frank weist darauf hin, dass das Hauptinteressengebiet eine massive, komplizierte Fischmatrix beinhaltet. Frank erklärt, dass eine hohe Auflösung dazu beiträgt, diese Koelution noch weiter zu lösen, und dass der Benutzer aufgrund der damit verbundenen Spezifität mehr Moleküle voneinander trennen kann, um alternative Ionisationen und chemische Ionisationen zu untersuchen (Abbildung 3).  

Abbildung 3	Abbildung 4

Zusätzlich war das HRT-System in der Lage, Dutzende Organohalogene mithilfe der negativen chemischen Ionisation (NCI) zu identifizieren. Die Verwendung dieses NCI-Modus führte zu weicher Ionisierung (weniger Fragmentierung), selektiven (elektrophilen) Verbindungen, einer nahezu perfekten (991/1000) Wiedergabetreue und einer allgemeinen Verbesserung der Empfindlichkeit (Abbildung 4).

„Sie sehen das als analytischer Chemiker, und es ist wirklich cool … als ich diese Folie gesehen habe, habe ich über das ganze Gesicht gestrahlt … das ist nicht aus dem Lehrbuch, das ist ECHT.“

Frank und seine Forschungsgruppe an der Penn State tauchen weiterhin tief in das Geheimnis ein, das die Fischkontamination und die äußeren Faktoren, die sie verursachen, umgibt. Die analytische Leistungsfähigkeit des GC×GC-TOFMS ist der Schlüssel, um mehr über dieses komplexe Umweltproblem herauszufinden.

Insgesamt sind GC×GC-TOFMS und hochauflösende TOFMS wertvolle Werkzeuge für die Beantwortung der Frage „Was ist noch in meiner Probe enthalten?“. Aus Franks Forschungen geht klar hervor, dass nicht zielgerichtete Verbindungen weiterhin einen größeren Einfluss auf die Korrelation von Krankheiten haben als zielgerichtete, und diese Technologien ebnen den Weg für neue Verfahren.