Αέρια χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας

Ιστορία

Οι πρώτες ερευνητικές εργασίες για τη χρωματογραφία αερίου-υγρού δημοσιεύθηκαν το 1950. Οι χημικοί χρησιμοποιούσαν διάφορους ανιχνευτές για να δουν ότι οι ενώσεις έβγαιναν από το άκρο του χρωματογράφου. Οι περισσότεροι από τους ανιχνευτές κατέστρεφαν τις ενώσεις, επειδή τις έκαιγαν ή τις ιονίζονταν. Αυτοί οι ανιχνευτές άφηναν τους χημικούς να μαντεύουν την ακριβή ταυτότητα κάθε ένωσης στο δείγμα. Στη δεκαετία του 1950, ο Roland Gohlke και ο Fred McLafferty ανέπτυξαν ένα νέο συνδυασμένο μηχάνημα. Χρησιμοποίησαν ένα φασματόμετρο μάζας ως ανιχνευτή στην αέρια χρωματογραφία. Αυτές οι πρώιμες συσκευές ήταν μεγάλες, εύθραυστες και αρχικά περιορίζονταν σε εργαστηριακά περιβάλλοντα.

Ο σχεδιασμός ήταν πολύπλοκος. Το χρονικό διάστημα μεταξύ των διαφόρων ενώσεων που έβγαιναν από τον χρωματογράφο ήταν δύσκολο να ελεγχθεί. Έτσι, ο φασματογράφος μάζας έπρεπε να ολοκληρώσει την επεξεργασία μιας ένωσης προτού η επόμενη βγει από τον χρωματογράφο. Στα πρώτα μοντέλα, οι μετρήσεις από το φασματόμετρο μάζας καταγράφονταν σε χαρτί γραφικής παράστασης. Υψηλά εκπαιδευμένοι χημικοί μελετούσαν τα μοτίβα των κορυφών για να αναγνωρίσουν κάθε ένωση. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, στους φασματογράφους μάζας προστέθηκαν αναλογικοψηφιακοί μετατροπείς. Αυτό επέτρεψε στους υπολογιστές να αποθηκεύουν και να ερμηνεύουν τα αποτελέσματα. Καθώς οι υπολογιστές γίνονταν ταχύτεροι και μικρότεροι, το GC-MS έγινε ταχύτερο και εξαπλώθηκε από τα εργαστήρια στην καθημερινή ζωή. Σήμερα, τα υπολογιστικά όργανα GC-MS χρησιμοποιούνται ευρέως στην περιβαλλοντική παρακολούθηση του νερού, του αέρα και του εδάφους. Χρησιμοποιείται επίσης στη ρύθμιση της γεωργίας, στην ασφάλεια των τροφίμων και στην ανακάλυψη και παραγωγή φαρμάκων.

Η ανάπτυξη μικρών υπολογιστών βοήθησε στην απλούστευση των μηχανημάτων GC-MS. Μείωσε επίσης σημαντικά τον χρόνο που απαιτείται για την ανάλυση ενός δείγματος. Electronic Associates, Inc. (EAI) ήταν ένας κορυφαίος προμηθευτής αναλογικών υπολογιστών στις ΗΠΑ. Το 1964, η EAI ξεκίνησε την ανάπτυξη ενός ελεγχόμενου από υπολογιστή φασματομέτρου μάζας υπό τη διεύθυνση του Robert E. Finnigan. Μέχρι το 1966 είχαν πωληθεί πάνω από 500 όργανα ανάλυσης αερίων. Το 1967 ιδρύθηκε η Finnigan Instrument Corporation (FIC). Στις αρχές του 1968, παρέδωσε τα πρώτα πρωτότυπα τετραπολικά όργανα GC-MS στο Στάνφορντ και στο Πανεπιστήμιο Purdue. Η FIC μετονομάστηκε τελικά σε Finnigan Corporation και καθιερώθηκε ως ο παγκόσμιος ηγέτης στα συστήματα GC-MS.

Βασική λειτουργία

Το GC-MS μπορεί να βρει όλες τις ενώσεις που αναμειγνύονται μαζί σε ένα αντικείμενο δείγματος. Ο χειριστής διαλύει το δείγμα σε ένα υγρό. Στη συνέχεια, ο χειριστής εγχέει το υγρό σε ρεύμα αερίου. (Συχνότερα χρησιμοποιείται αέριο ήλιο, υδρογόνο ή άζωτο.) Το αέριο ρέει μέσω ενός σωλήνα με ειδική επίστρωση. Επειδή κάθε ένωση στο δείγμα προσκολλάται στην επίστρωση με διαφορετικό τρόπο, κάθε ένωση βγαίνει από το σωλήνα σε διαφορετικό χρόνο. Έτσι, η επίστρωση χρησιμοποιείται για να διαχωρίσει κάθε ένωση που αναμιγνύεται μαζί στο δείγμα. Καθώς κάθε ένωση βγαίνει στο τέλος του σωλήνα, ιονίζεται και αποκτά ηλεκτρικό φορτίο. Οι περισσότερες ενώσεις διασπώνται όταν ιονίζονται. Τα διάφορα κομμάτια πετούν κάτω από έναν μαγνήτη, ο οποίος διαχωρίζει τα κομμάτια με βάση το βάρος και το φορτίο τους. Στη συνέχεια, ένας υπολογιστής μετράει όλα τα κομμάτια κάθε ένωσης. Συγκρίνοντας τις μετρήσεις με μια ηλεκτρονική βιβλιοθήκη γνωστών ενώσεων, ο υπολογιστής δημιουργεί έναν κατάλογο με τα ονόματα όλων των ενώσεων του δείγματος. Ο υπολογιστής μπορεί επίσης να πει πόση ποσότητα κάθε ένωσης υπήρχε στο δείγμα.

Οργανολογία

Το GC-MS αποτελείται από δύο βασικά δομικά στοιχεία: τον αέριο χρωματογράφο και το φασματόμετρο μάζας. Ο αέριος χρωματογράφος χρησιμοποιεί μια τριχοειδή στήλη η οποία εξαρτάται από τις διαστάσεις της στήλης (μήκος, διάμετρος, πάχος φιλμ) καθώς και από τις ιδιότητες της φάσης (π.χ. 5% φαινυλοπολυσιλοξάνιο). Η διαφορά στις χημικές ιδιότητες μεταξύ διαφορετικών μορίων σε ένα μείγμα θα διαχωρίσει τα μόρια καθώς το δείγμα ταξιδεύει κατά μήκος της στήλης. Τα μόρια χρειάζονται διαφορετικά χρονικά διαστήματα (που ονομάζονται χρόνος κατακράτησης) για να εξέλθουν (εκλούονται) από τον αέριο χρωματογράφο. Αυτό επιτρέπει στο φασματόμετρο μάζας που ακολουθεί να συλλάβει, να ιονίσει, να επιταχύνει, να εκτρέψει και να ανιχνεύσει τα ιονισμένα μόρια ξεχωριστά. Το φασματόμετρο μάζας το κάνει αυτό διασπώντας κάθε μόριο σε ιονισμένα θραύσματα και ανιχνεύοντας αυτά τα θραύσματα χρησιμοποιώντας τον λόγο μάζας προς φορτίο τους.

Αυτά τα δύο μηχανήματα, που χρησιμοποιούνται μαζί, επιτρέπουν πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια στην ταυτοποίηση ουσιών από ό,τι η κάθε μονάδα ξεχωριστά. Δεν είναι δυνατόν να γίνει ακριβής ταυτοποίηση ενός συγκεκριμένου μορίου μόνο με τη χρωματογραφία αερίου ή τη φασματομετρία μάζας. Η διαδικασία της φασματομετρίας μάζας απαιτεί συνήθως ένα πολύ καθαρό δείγμα. Στο παρελθόν, η αέρια χρωματογραφία χρησιμοποιούσε άλλους ανιχνευτές, όπως ανιχνευτή ιονισμού φλόγας. Αυτοί οι ανιχνευτές δεν μπορούν να διαχωρίσουν διαφορετικά μόρια που τυχαίνει να χρειάζονται τον ίδιο χρόνο για να διανύσουν τη στήλη. (Όταν δύο διαφορετικά μόρια έχουν τον ίδιο χρόνο κατακράτησης, λέγεται ότι "συνδιαλύονται"). Τα μόρια που συγκαταλέγονται θα προκαλέσουν σύγχυση στα προγράμματα υπολογιστών που διαβάζουν ένα ενιαίο φάσμα μάζας και για τα δύο μόρια.

Μερικές φορές δύο διαφορετικά μόρια μπορεί επίσης να έχουν παρόμοιο μοτίβο ιονισμένων θραυσμάτων σε ένα φασματόμετρο μάζας (φάσμα μάζας). Ο συνδυασμός των δύο διαδικασιών μειώνει την πιθανότητα σφάλματος. Είναι εξαιρετικά απίθανο δύο διαφορετικά μόρια να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο τόσο σε έναν αέριο χρωματογράφο όσο και σε ένα φασματόμετρο μάζας. Επομένως, εάν ένα φάσμα μάζας ταιριάζει με τον αναλύτη που μας ενδιαφέρει, ο χρόνος κατακράτησης του εν λόγω φάσματος μπορεί να ελεγχθεί σε σύγκριση με έναν χαρακτηριστικό χρόνο κατακράτησης GC για να αυξηθεί η βεβαιότητα ότι ο αναλύτης βρίσκεται στο δείγμα.

Τύποι ανιχνευτών φασματόμετρου μάζας

Ο πιο συνηθισμένος τύπος MS που συνδέεται με ένα GC είναι το τετραπολικό φασματόμετρο μάζας. Η Hewlett-Packard (τώρα Agilent) το διαθέτει στην αγορά με την εμπορική ονομασία "Mass Selective Detector" (MSD). Ένας άλλος σχετικά κοινός ανιχνευτής είναι το φασματόμετρο μάζας παγίδας ιόντων. Επιπλέον, μπορεί να βρεθεί ένα φασματόμετρο μάζας μαγνητικού τομέα. Ωστόσο, αυτά τα συγκεκριμένα όργανα είναι ακριβά και ογκώδη και δεν βρίσκονται συνήθως σε εργαστήρια υπηρεσιών υψηλής απόδοσης. Χρησιμοποιούνται και άλλοι ανιχνευτές, όπως ο χρόνος πτήσης (TOF), τα τετράπολα tandem (MS-MS) (βλ. παρακάτω) ή στην περίπτωση ενός MS ιονοπαγίδας ⁿ. Το n υποδηλώνει τον αριθμό των σταδίων φασματομετρίας μάζας.

Το εσωτερικό του GC-MS, με τη στήλη του αέριου χρωματογράφου στο φούρνο στα δεξιά.


Σχηματική απεικόνιση GC-MS

Ανάλυση

Ένα φασματόμετρο μάζας χρησιμοποιείται συνήθως με έναν από τους δύο τρόπους: Πλήρης σάρωση ή επιλεκτική παρακολούθηση ιόντων (SIM). Το τυπικό GC-MS μπορεί να λειτουργήσει με οποιονδήποτε από τους δύο τρόπους ή και με τους δύο ταυτόχρονα.

Πλήρης σάρωση MS

Κατά τη συλλογή δεδομένων στη λειτουργία πλήρους σάρωσης, επιλέγεται ένα εύρος στόχων θραυσμάτων μάζας και τίθεται στη μέθοδο του οργάνου. Ένα παράδειγμα ενός τυπικού ευρέος φάσματος θραυσμάτων μάζας προς παρακολούθηση θα ήταν m/z 50 έως m/z 400. Ο καθορισμός του εύρους που πρέπει να χρησιμοποιηθεί καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το τι αναμένεται να υπάρχει στο δείγμα, ενώ παράλληλα λαμβάνεται υπόψη ο διαλύτης και άλλες πιθανές παρεμβολές. Εάν ένα MS αναζητά θραύσματα μάζας με πολύ χαμηλό m/z, μπορεί να ανιχνεύσει τον αέρα ή άλλους πιθανούς παράγοντες παρεμβολής. Η χρήση μεγάλου εύρους σάρωσης μειώνει την ευαισθησία του οργάνου. Το μηχάνημα θα εκτελεί λιγότερες σαρώσεις ανά δευτερόλεπτο, επειδή κάθε σάρωση θα απαιτεί περισσότερο χρόνο για να ανιχνεύσει ένα ευρύτερο φάσμα θραυσμάτων μάζας.

Η πλήρης σάρωση είναι χρήσιμη για τον προσδιορισμό άγνωστων ενώσεων σε ένα δείγμα. Παρέχει περισσότερες πληροφορίες από τη SIM όταν πρόκειται για την επιβεβαίωση ή την ανάλυση ενώσεων σε ένα δείγμα. Τα περισσότερα όργανα ελέγχονται από έναν υπολογιστή ο οποίος λειτουργεί ένα πρόγραμμα υπολογιστή που ονομάζεται "μέθοδος οργάνου". Η μέθοδος οργάνου ελέγχει τη θερμοκρασία στο GC, τον ρυθμό σάρωσης MS και το εύρος των μεγεθών θραυσμάτων που ανιχνεύονται. Όταν ένας χημικός αναπτύσσει μια μέθοδο οργάνου, ο χημικός στέλνει διαλύματα δοκιμής μέσω του GS-MS σε λειτουργία πλήρους σάρωσης. Έτσι ελέγχεται ο χρόνος κατακράτησης GC και το δακτυλικό αποτύπωμα θραυσμάτων μάζας πριν προχωρήσει σε μια μέθοδο οργάνου SIM. Τα εξειδικευμένα όργανα GC-MS, όπως οι ανιχνευτές εκρηκτικών υλών, έχουν μια μέθοδο οργάνου προφορτωμένη στο εργοστάσιο.

Παρακολούθηση επιλεγμένων ιόντων

Στην παρακολούθηση επιλεγμένων ιόντων (SIM), η μέθοδος του οργάνου επικεντρώνεται σε ορισμένα θραύσματα ιόντων. Μόνο αυτά τα θραύσματα μάζας ανιχνεύονται από το φασματόμετρο μάζας. Τα πλεονεκτήματα της SIM είναι ότι το όριο ανίχνευσης είναι χαμηλότερο, δεδομένου ότι το όργανο εξετάζει μόνο ένα μικρό αριθμό θραυσμάτων (π.χ. τρία θραύσματα) κατά τη διάρκεια κάθε σάρωσης. Μπορούν να πραγματοποιούνται περισσότερες σαρώσεις ανά δευτερόλεπτο. Δεδομένου ότι παρακολουθούνται μόνο λίγα θραύσματα μάζας ενδιαφέροντος, οι παρεμβολές μήτρας είναι συνήθως χαμηλότερες. Για να βελτιωθούν οι πιθανότητες ορθής ανάγνωσης ενός θετικού αποτελέσματος, οι λόγοι ιόντων των διαφόρων θραυσμάτων μάζας είναι συγκρίσιμοι με ένα γνωστό πρότυπο αναφοράς.

Τύποι ιονισμού

Αφού τα μόρια διανύσουν το μήκος της στήλης, περάσουν από τη γραμμή μεταφοράς και εισέλθουν στο φασματόμετρο μάζας, ιονίζονται με διάφορες μεθόδους. Συνήθως χρησιμοποιείται μόνο μία μέθοδος ιονισμού ανά πάσα στιγμή. Μόλις το δείγμα κατακερματιστεί, στη συνέχεια θα ανιχνευθεί, συνήθως από μια δίοδο πολλαπλασιαστή ηλεκτρονίων. Η δίοδος αντιμετωπίζει το ιονισμένο θραύσμα μάζας σαν ένα ηλεκτρικό σήμα που στη συνέχεια ανιχνεύεται.

Οι χημικοί επιλέγουν μια τεχνική ιονισμού ξεχωριστά από την επιλογή παρακολούθησης Full Scan ή SIM.

Ιονισμός ηλεκτρονίων

Ο πιο συνηθισμένος τύπος ιονισμού είναι ο ιονισμός ηλεκτρονίων (EI). Τα μόρια εισέρχονται στο MS (η πηγή είναι ένα τετράπολο ή η ίδια η ιονοπαγίδα σε ένα MS με ιονοπαγίδα) όπου προσπίπτουν με ελεύθερα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από ένα νήμα. Αυτό είναι σαν το νήμα που θα βρει κανείς σε μια τυπική λάμπα πυρακτώσεως. Τα ηλεκτρόνια χτυπούν τα μόρια, προκαλώντας τον κατακερματισμό του μορίου με χαρακτηριστικό τρόπο που μπορεί να επαναληφθεί. Αυτή η τεχνική "σκληρού ιονισμού" έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία περισσότερων θραυσμάτων με χαμηλό λόγο μάζας προς φορτίο (m/z). Η EI έχει λίγα, αν υπάρχουν, θραύσματα με μάζα που είναι κοντά στη μάζα του αρχικού μορίου. Οι χημικοί θεωρούν ότι ο σκληρός ιονισμός είναι η εκτόξευση ηλεκτρονίων στα μόρια του δείγματος. Αντίθετα, ο "μαλακός ιονισμός" είναι η τοποθέτηση φορτίου στο μόριο του δείγματος με το χτύπημά του με ένα εισαγόμενο αέριο. Το μοτίβο του μοριακού κατακερματισμού εξαρτάται από την ενέργεια των ηλεκτρονίων που εφαρμόζεται στο σύστημα, συνήθως 70 eV (ηλεκτρονικά βολτ). Η χρήση των 70 eV βοηθά στη σύγκριση των φασμάτων που παράγονται από το δείγμα δοκιμής με γνωστά φάσματα βιβλιοθήκης. (Τα φάσματα της βιβλιοθήκης μπορεί να προέρχονται από λογισμικό που παρέχεται από τον κατασκευαστή ή από λογισμικό που έχει αναπτυχθεί από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων (NIST-USA)). Το λογισμικό αναζητά τα φάσματα της βιβλιοθήκης χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο αντιστοίχισης, όπως ο αλγόριθμος Probability Based Matching ή ο αλγόριθμος dot-product matching. Πολλοί οργανισμοί τυποποίησης μεθόδων ελέγχουν πλέον αυτούς τους αλγορίθμους και τις μεθόδους για να διασφαλίσουν την αντικειμενικότητά τους.

Χημικός ιονισμός

Στον χημικό ιονισμό (CI), ένα αέριο αντιδραστήριο, συνήθως μεθάνιο ή αμμωνία, εισάγεται στο φασματόμετρο μάζας. Υπάρχουν δύο τύποι CI: θετικός CI ή αρνητικός CI. Με οποιονδήποτε τρόπο, το αέριο αντιδραστήριο αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια και τον αναλύτη και προκαλεί έναν "μαλακό" ιονισμό του μορίου ενδιαφέροντος. Ένας πιο μαλακός ιονισμός κατακερματίζει το μόριο σε μικρότερο βαθμό από τον σκληρό ιονισμό της EI. Οι χημικοί προτιμούν το CI έναντι του EI. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το CI παράγει τουλάχιστον ένα θραύσμα μάζας με βάρος, το οποίο είναι σχεδόν ίδιο με το μοριακό βάρος του αναλύτη που ενδιαφέρει.

Θετικός χημικός ιονισμός

Στον θετικό χημικό ιονισμό (PCI) το αέριο αντιδραστήριο αλληλεπιδρά με το μόριο-στόχο, τις περισσότερες φορές με ανταλλαγή πρωτονίων. Αυτό παράγει τα είδη ιόντων σε σχετικά υψηλές ποσότητες.

Αρνητικός χημικός ιονισμός

Στον αρνητικό χημικό ιονισμό (NCI) το αέριο αντιδραστήριο μειώνει την επίδραση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στον αναλυτή-στόχο. Αυτή η μειωμένη ενέργεια αφήνει συνήθως το θραύσμα σε μεγάλη προσφορά. (Τα θραύσματα δεν διασπώνται περαιτέρω).

Ερμηνεία

Ο πρωταρχικός στόχος της ενόργανης ανάλυσης είναι η μέτρηση μιας ποσότητας ουσίας. Αυτό επιτυγχάνεται με τη σύγκριση των σχετικών συγκεντρώσεων μεταξύ των ατομικών μαζών στο παραγόμενο φάσμα μάζας. Δύο είδη ανάλυσης είναι δυνατά, η συγκριτική και η αρχική. Η συγκριτική ανάλυση ουσιαστικά συγκρίνει το δεδομένο φάσμα με μια βιβλιοθήκη φασμάτων για να διαπιστώσει αν τα χαρακτηριστικά του είναι παρόντα για κάποιο γνωστό δείγμα στη βιβλιοθήκη. Αυτό εκτελείται καλύτερα από υπολογιστή, διότι υπάρχουν πολλές οπτικές παραμορφώσεις που μπορούν να λάβουν χώρα λόγω των διακυμάνσεων της κλίμακας. Οι υπολογιστές μπορούν επίσης να συσχετίσουν περισσότερα δεδομένα (όπως οι χρόνοι κατακράτησης που προσδιορίζονται από το GC), για να συσχετίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια ορισμένα δεδομένα.

Μια άλλη μέθοδος ανάλυσης μετρά τις κορυφές σε σχέση μεταξύ τους. Σε αυτή τη μέθοδο, η ψηλότερη κορυφή ορίζεται στο 100%. Στις άλλες κορυφές δίνεται τιμή ίση με το λόγο του ύψους της κορυφής προς το ύψος της ψηλότερης κορυφής. Όλες οι τιμές που υπερβαίνουν το 3% αποδίδονται. Η συνολική μάζα της άγνωστης ένωσης υποδεικνύεται συνήθως από τη μητρική κορυφή. Η τιµή αυτής της µητρικής κορυφής µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να ταιριάξει µε έναν χηµικό τύπο που περιέχει τα διάφορα στοιχεία που πιστεύεται ότι περιέχονται στην ένωση. Το μοτίβο ισοτόπων στο φάσμα είναι μοναδικό για τα στοιχεία που έχουν πολλά ισότοπα. Έτσι, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση των διαφόρων στοιχείων που υπάρχουν. Αυτό λέει τον συνολικό χημικό τύπο του άγνωστου μορίου. Επειδή η δομή και οι δεσμοί ενός μορίου διασπώνται με χαρακτηριστικούς τρόπους, μπορούν να ταυτοποιηθούν από τη διαφορά στις μάζες των κορυφών. Η ταυτοποιημένη δομή του μορίου πρέπει να είναι σύμφωνη με τα χαρακτηριστικά που καταγράφονται από το GC-MS. Συνήθως, αυτή η ταυτοποίηση γίνεται αυτόματα από προγράμματα υπολογιστή που συνοδεύουν το όργανο. Τα προγράμματα αυτά αντιπαραβάλλουν τα φάσματα με μια βιβλιοθήκη γνωστών ενώσεων που έχουν τον ίδιο κατάλογο στοιχείων που θα μπορούσαν να υπάρχουν στο δείγμα.

Μια ανάλυση "πλήρους φάσματος" εξετάζει όλες τις "κορυφές" εντός ενός φάσματος. Όμως, η επιλεκτική παρακολούθηση ιόντων (SIM) παρακολουθεί μόνο επιλεγμένες κορυφές που σχετίζονται με μια συγκεκριμένη ουσία. Οι χημικοί υποθέτουν ότι σε έναν δεδομένο χρόνο κατακράτησης, ένα σύνολο ιόντων είναι χαρακτηριστικό μιας συγκεκριμένης ένωσης. Η SIM είναι μια γρήγορη και αποτελεσματική ανάλυση. Η SIM λειτουργεί καλύτερα όταν ο αναλυτής έχει προηγούμενες πληροφορίες για ένα δείγμα ή αναζητά μόνο μερικές συγκεκριμένες ουσίες. Όταν μειώνεται η ποσότητα των πληροφοριών που συλλέγονται σχετικά με τα ιόντα σε μια δεδομένη κορυφή χρωματογραφίας αερίου, αυξάνεται η ευαισθησία της ανάλυσης. Έτσι, η ανάλυση SIM επιτρέπει την ανίχνευση και τη μέτρηση μικρότερης ποσότητας μιας ένωσης. Αλλά ο βαθμός βεβαιότητας για την ταυτότητα της εν λόγω ένωσης μειώνεται.

GC-tandem MS

Όταν προστίθεται μια δεύτερη φάση κατακερματισμού της μάζας, για παράδειγμα με τη χρήση ενός δεύτερου τετραπόλου σε ένα τετραπολικό όργανο, ονομάζεται tandem MS (MS/MS). Τα MS/MS είναι καλά στη μέτρηση χαμηλών επιπέδων ενώσεων-στόχων σε ένα δείγμα με μήτρα ενώσεων υποβάθρου που δεν ενδιαφέρουν.

Το πρώτο τετράπολο (Q1) συνδέεται με ένα κελί σύγκρουσης (q2) και ένα άλλο τετράπολο (Q3). Και τα δύο τετράπολα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε λειτουργία σάρωσης ή στατική λειτουργία, ανάλογα με τον τύπο της ανάλυσης MS/MS που χρησιμοποιείται. Οι τύποι ανάλυσης περιλαμβάνουν σάρωση ιόντων προϊόντος, σάρωση πρόδρομων ιόντων, παρακολούθηση επιλεγμένων αντιδράσεων (SRM) και σάρωση απώλειας ουδετερότητας. Για παράδειγμα: Όταν το Q1 βρίσκεται σε στατική λειτουργία (εξετάζοντας μία μόνο μάζα όπως στη SIM) και το Q3 βρίσκεται σε λειτουργία σάρωσης, λαμβάνεται το λεγόμενο φάσμα ιόντων προϊόντος (που ονομάζεται επίσης "φάσμα θυγατρικών"). Από αυτό το φάσμα, μπορεί κανείς να επιλέξει ένα εξέχον ιόν προϊόντος το οποίο μπορεί να είναι το ιόν προϊόντος για το επιλεγμένο πρόδρομο ιόν. Το ζεύγος αυτό ονομάζεται "μετάβαση" και αποτελεί τη βάση για το SRM. Η SRM είναι εξαιρετικά ειδική και εξαλείφει σχεδόν πλήρως το υπόβαθρο της μήτρας.

Εφαρμογές

Περιβαλλοντική παρακολούθηση και εξυγίανση

Πολλοί χημικοί πιστεύουν ότι το GC-MS είναι το καλύτερο εργαλείο για την παρακολούθηση των οργανικών ρύπων στο περιβάλλον. Το κόστος του εξοπλισμού GC-MS έχει μειωθεί πολύ. Ταυτόχρονα έχει αυξηθεί η αξιοπιστία του GC-MS. Και οι δύο βελτιώσεις έχουν αυξήσει τη χρήση στις περιβαλλοντικές μελέτες. Ορισμένες ενώσεις, όπως ορισμένα φυτοφάρμακα και ζιζανιοκτόνα, δεν μπορούν να προσδιοριστούν με το GS-MS. Είναι πολύ παρόμοιες με άλλες συναφείς ενώσεις. Αλλά για τις περισσότερες οργανικές αναλύσεις περιβαλλοντικών δειγμάτων, συμπεριλαμβανομένων πολλών σημαντικών κατηγοριών φυτοφαρμάκων, η GC-MS είναι πολύ ευαίσθητη και αποτελεσματική.

Ποινική εγκληματολογία

Το GC-MS μπορεί να αναλύσει τα σωματίδια από ένα ανθρώπινο σώμα προκειμένου να βοηθήσει στη σύνδεση ενός εγκληματία με ένα έγκλημα. Ο νόμος δέχεται τη χρήση GC-MS για την ανάλυση υπολειμμάτων πυρκαγιάς. Στην πραγματικότητα, η Αμερικανική Εταιρεία Δοκιμών Υλικών (ASTM) διαθέτει ένα πρότυπο για την ανάλυση υπολειμμάτων πυρκαγιάς. Η GCMS/MS είναι ιδιαίτερα χρήσιμη εδώ, καθώς τα δείγματα συχνά περιέχουν πολύ σύνθετες μήτρες και τα αποτελέσματα, που χρησιμοποιούνται στο δικαστήριο, πρέπει να είναι εξαιρετικά ακριβή.

Επιβολή του νόμου

Το GC-MS χρησιμοποιείται για την ανίχνευση παράνομων ναρκωτικών ουσιών και μπορεί τελικά να αντικαταστήσει τους σκύλους ανίχνευσης ναρκωτικών. Χρησιμοποιείται επίσης συνήθως στην ιατροδικαστική τοξικολογία. Βοηθά στην ανεύρεση ναρκωτικών ή/και δηλητηρίων σε βιολογικά δείγματα που λαμβάνονται από υπόπτους, θύματα ή ένα πτώμα.

Ασφάλεια

Μετά τις τρομοκρατικές επιθέσεις της 11ης Σεπτεμβρίου 2001, τα συστήματα ανίχνευσης εκρηκτικών έγιναν μέρος όλων των αεροδρομίων των ΗΠΑ. Τα συστήματα αυτά βασίζονται σε πλήθος τεχνολογιών, πολλές από τις οποίες βασίζονται στο GC-MS. Υπάρχουν μόνο τρεις κατασκευαστές πιστοποιημένοι από την FAA για την παροχή αυτών των συστημάτων. Ο πρώτος είναι η Thermo Detection (πρώην Thermedics), η οποία παράγει το EGIS, μια σειρά ανιχνευτών εκρηκτικών που βασίζονται σε GC-MS. Ο δεύτερος είναι η Barringer Technologies, η οποία ανήκει πλέον στην Smith's Detection Systems. Η τρίτη είναι η Ion Track Instruments (τμήμα της General Electric Infrastructure Security Systems).

Ανάλυση τροφίμων, ποτών και αρωμάτων

Τα τρόφιμα και τα ποτά περιέχουν πολλές αρωματικές ενώσεις, ορισμένες από τις οποίες υπάρχουν φυσικά στις πρώτες ύλες και άλλες σχηματίζονται κατά την επεξεργασία. Το GC-MS χρησιμοποιείται ευρέως για την ανάλυση αυτών των ενώσεων, οι οποίες περιλαμβάνουν εστέρες, λιπαρά οξέα, αλκοόλες, αλδεΰδες, τερπένια κ.λπ. Χρησιμοποιείται επίσης για την ανίχνευση και τη μέτρηση προσμίξεων από αλλοίωση ή νοθεία που μπορεί να είναι επιβλαβείς. Οι προσμείξεις συχνά ελέγχονται από κυβερνητικούς οργανισμούς, όπως για παράδειγμα τα φυτοφάρμακα.

Αστροχημεία

Αρκετοί GC-MS έχουν εγκαταλείψει τη γη. Δύο πήγαν στον Άρη στο πλαίσιο του προγράμματος Viking. Το Venera 11 και 12 και το Pioneer Venus ανέλυσαν την ατμόσφαιρα της Αφροδίτης με GC-MS. Το σκάφος Huygens της αποστολής Cassini-Huygens προσγείωσε ένα GC-MS στο μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου, τον Τιτάνα. Το υλικό στον κομήτη 67P/Churyumov-Gerasimenko θα αναλυθεί από την αποστολή Rosetta με ένα χειρόμορφο GC-MS το 2014.

Ιατρική

Τα GC-MS χρησιμοποιούνται σε εξετάσεις διαλογής νεογέννητων. Οι εξετάσεις αυτές μπορούν να εντοπίσουν δεκάδες συγγενείς μεταβολικές ασθένειες (επίσης γνωστές ως εκ γενετής σφάλματα μεταβολισμού). Το GC-MS μπορεί να προσδιορίσει ενώσεις στα ούρα ακόμη και σε πολύ μικρές ποσότητες. Οι ενώσεις αυτές κανονικά δεν υπάρχουν αλλά εμφανίζονται σε άτομα που πάσχουν από μεταβολικές διαταραχές. Αυτός γίνεται ένας συνηθισμένος τρόπος διάγνωσης των ΙΕΜ για την έγκαιρη διάγνωση και την έναρξη της θεραπείας. Αυτό οδηγεί τελικά σε καλύτερο αποτέλεσμα. Είναι πλέον δυνατό να ελεγχθεί ένα νεογέννητο για πάνω από 100 γενετικές μεταβολικές διαταραχές με μια εξέταση ούρων κατά τη γέννηση με βάση την GC-MS.

Σε συνδυασμό με την ισοτοπική σήμανση των μεταβολικών ενώσεων, το GC-MS χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μεταβολικής δραστηριότητας. Οι περισσότερες εφαρμογές βασίζονται στη χρήση του ¹³C ως σήμανση και στη μέτρηση των λόγων ¹³C- C ¹²με φασματογράφο μάζας ισοτοπικού λόγου (IRMS). Το IRMS είναι ένα φασματόμετρο μάζας με ανιχνευτή σχεδιασμένο να μετρά μερικά επιλεγμένα ιόντα και να επιστρέφει τιμές ως αναλογίες.