Hoe snel kunt u een monster analyseren met GCMS zonder te hoeven inleveren op de resolutie? Ongeveer tien keer sneller dan u denkt.

Het kan een kwestie zijn van ‘tijd is geld’. Loopt een schip de haven binnen, dan wil je geen uur hoeven wachten tot een analyse uitwijst dat de lading in orde is en je kunt gaan lossen. Het kan ook gewoon ‘geld is geld’ zijn: kosten je analyses minder tijd, dan hoef je misschien geen tweede apparaat te kopen. Maar het kan ook een zaak zijn van leven of dood. Word je met een vergiftiging naar het ziekenhuis gebracht, dan heb je geen zin om een uur op de diagnose te wachten.

Redenen genoeg dus om de notoir lange run time van de combinatie gaschromatografie en massaspectrometrie (GCMS) te willen verkorten, zo stellen productspecialist Roddy Poodt en sales support man Mark van Lieshout, van Shimadzu Benelux in Den Bosch. Hun Japanse moederconcern is wereldwijd een van de voortrekkers op het gebied van ‘Fast GCMS’. “Het is een voorbeeld van onze innovatieve kracht”, zo stellen ze. “Veel leveranciers stellen dat ze fast kunnen, maar vaak gaat dat gepaard met verlies aan resolutie en gevoeligheid.”

Niets missen

Zoals bekend is het idee van GCMS dat de te analyseren mengsels eerst door een GC-kolom worden opgesplitst in hun verschillende componenten. Vervolgens worden in het MS-gedeelte alle componenten gebombardeerd met elektronen. Die ioniseren de aanwezige moleculen, die daarbij deels in stukken breken. De massa’s van de fragmenten worden gemeten. Uit de intensiteit van het MS-signaal is de concentratie af te leiden, en door het signaalpatroon (massaspectrum) elektronisch te vergelijken met een digitale bibliotheek met fingerprints, kun je met vrij grote zekerheid achterhalen om welke stoffen het gaat.

Om dit proces te versnellen moet je zowel de GC als de MS verbeteren, zo leggen Poodt en Van Lieshout uit. De GC lijkt op het eerste gezicht de snelheidsbepalende stap. Traditioneel duurt het vaak tientallen minuten voordat een monster helemaal door een kolom heen is. Maar als je die tijd verkort, worden de pieken in het uitgangssignaal navenant smaller. Om de vorm van zo’n piek goed te beschrijven heb je toch wel zo’n twintig meetpunten nodig. Kan de bemonsteringsfrequentie van de MS dat niet meer bijbenen, dan ga je details missen en gaat de kwaliteit van de analyse achteruit.

Narrow bore

De versnelling van het GC-gedeelte is vooral een mechanische kwestie. “Je verhoogt de inlaatdruk zodat het gas sneller door de kolom stroomt”, vertelt Van Lieshout. “Bij conventionele apparaten is 4 à 5 bar al aan de hoge kant, wij gaan tot 10 bar.” Een conventionele kolom zou dan ver buiten zijn normale werkgebied opereren en een slechte resolutie geven, maar de huidige narrow bore-kolommen zijn er wel geschikt voor. “Het zijn echte capillairen. Glazen buisjes, fused silica, met een lengte van vijftien meter en een interne diameter van 100 tot 150 micrometer, inwendig gecoat met een 0,15 micrometer dunne laag. We maken ze niet zelf, het zijn standaardproducten van andere leveranciers. Het bijzondere zit in dit geval ook niet in de kolom maar in de apparatuur.”

Er zijn namelijk meer aanpassingen nodig. Zo moet de temperatuurprogrammering van de oven, waarin de kolom hangt, de snelheidsverhoging kunnen bijhouden. Een stijging van 80 °C per minuut is bij Fast GCMS normaal. “Als je dit niet reproduceerbaar doet, gaat dat ten koste van de reproduceerbaarheid van je metingen”, weet Van Lieshout. “Bij een klassieke GC met een analysetijd van dertig minuten is het niet zo’n ramp wanneer je pieken twee seconden verschuiven. Maar als de analyse nog maar twee minuten kost…”

Verbetering van het MS-gedeelte is meer een kwestie van ‘superieure’ Japanse elektronica. De grootste winst blijkt niet eens te zitten in de snelheid waarmee elk meetpunt wordt gescand, maar in de tijd die het systeem nodig heeft om zichzelf tussen twee meetpunten te resetten. “Onze QP 2010 MS kan vijftig full scans per seconde aan”, vertelt Poodt. “Een snellere quadrupool-MS is momenteel niet op de markt.”

Met een full scan wordt bedoeld dat het apparaat bij elk meetpunt naar de aanwezigheid van 150 verschillende massa’s kijkt. “In sim-mode, dat staat voor selective ion monitoring, kun je zelfs tot honderd meetpunten per seconde gaan. Maar dan kijk je naar enkele massa’s en mis je de rest van het patroon. Dat geeft een onzekerheid: tolueen geeft een piek bij massa 91 maar niet alles wat bij 91 een piek geeft, is tolueen.”

Amfetaminen

Overweldigend veel toepassingen van Fast GCMS zijn er nog niet. Zelf maakt Shimadzu graag reclame met een applicatie, waarbij binnen één minuut een mengsel van amfetaminen wordt geanalyseerd. Niet omdat dat zo’n moeilijke scheiding is, maar omdat je er echt de specificaties van het Fast-systeem voor nodig hebt. In theorie zou het kunnen betekenen dat je atleten voortaan na de wedstrijd kunt testen op dopinggebruik en nog voor de huldiging de uitslag binnen hebt; jammer dat de monstername en de monstervoorbewerking nog niet zo ‘fast’ zijn.

Een ander favoriet voorbeeld betreft de detectie van allergenen in parfums. Dat draait om 26 componenten, waarvan de GC-pieken dicht bij elkaar liggen. Op een klassieke 0,25 mm-kolom moet je daar 75 minuten voor uittrekken. Een Fast-systeem kan het in zes, waarbij de pieken er zelfs beter uitkomen, omdat ze door de kortere retentietijd minder de kans krijgen om zich te verbreden. Volgens Poodt en Van Lieshout zijn in de wereld van de voedingsmiddelen, geur- en smaakstoffen nogal wat vergelijkbare toepassingen te bedenken, met componenten in heel lage concentraties die sterk op elkaar lijken.

Is over een paar jaar alles fast? “Tsja, de vraag neemt wel toe, maar mensen zijn conservatief”, volgens Poodt. “Twintig jaar geleden had je alleen gepakte GC-kolommen. De overgang op capillaire kolommen kostte tijd. Dat zal bij de overgang naar narrow bore-kolommen wellicht weer zo zijn.” Vandaar dat de klanten voorlopig mogen kiezen. “Al onze GCMS-QP 2010’s zijn voorbereid op Fast. Maar het is een universeel instrument. Als klanten alleen de gevoeligheid willen gebruiken en niet de snelheid, dan kan dat.”

www.shimadzu.nl