Времяпролетная масс-спектрометрия с импульсным тлеющим разрядом для прямого определения летучих органических соединений в воздухе, азоте и аргоне. Процессы ионизации летучих органических соединений
Аннотация
Определение летучих органических соединений (ЛОС) в различных газах, в том числе в атмосферном и выдыхаемом человеком воздухе, требуется для решения широкого круга экологических задач, контроля состава различных газов и все шире применяется для диагностики различных заболеваний. В последнее время быстро развиваются методы мягкой ионизации с минимальной фрагментацией компонентов. В частности, нашей научной группой развивается подход к прямому анализу смесей ЛОС с помощью времяпролетной масс-спектрометрии импульсного тлеющего разряда. Ранее не сравнивали влияние на процессы ионизации различных газов и газовых смесей. В связи с этим в настоящей работе исследованы механизмы ионизации ЛОС в аргоне, азоте и воздухе. В качестве модельных ЛОС выбраны толуол, п-ксилол, хлорбензол и 1,2,4-триметилбензол. Проведена оптимизация параметров микросекундного импульсного тлеющего разряда (период и длительность разрядного импульса, задержка выталкивающего импульса, давление в разрядной ячейке) для каждого соединения и газовой смеси нескольких ЛОС. Преобладающими механизмами ионизации являются образование молекулярного иона ЛОС с помощью Пеннинговской ионизации и реакция с переносом протона, при этом для разных газов их влияние различно. Показано, что использование аргона даже с небольшой добавкой воды приводит к преобладанию реакции переноса протона, тогда как в азоте и воздушной смеси преобладает Пеннинговская ионизация. В оптимизированных условиях в воздухе, для которого были достигнуты наибольшие интенсивности ЛОС, проведена апробация разработанного подхода для анализа выдыхаемого человеком воздуха и проб атмосферного воздуха.
Ключевые слова: летучие органические соединения, механизм ионизации, тлеющий разряд, масс-спектрометрия, анализ выдыхаемого воздуха, анализ воздуха
Полный текст:
PDFЛитература
REFERENCES
Schmidt K., Podmore I. Current Challenges in Volatile Organic Compounds Analysis as Potential Biomarkers of Cancer. J. Biomark., 2015, vol. 2015, article 981458. DOI: 10.1155/2015/981458
Joguet N., Jing L., Jamois F., Dumargue P. Characterization of Volatile Organic Compounds (VOCs) from Farms Effluents: Interest of HS-SPME-GC-MS Technique for Laboratory and Field Test. Atmosphere, 2023, vol. 14, no. 6, pp. 928. DOI: 10.3390/atmos14060928
Halder S., Xie Z., Nantz M. H., Fu X.-A. Integration of a micropreconcentrator with solid-phase microextraction for analysis of trace volatile organic compounds by gas chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A, 2022, vol. 1673, article 463083. DOI: 10.1016/j.chroma.2022.463083
Smith D., Španěl P., Demarais N., Langford V. S., McEwan M. J. Recent developments and applications of selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS). Mass Spectrom. Rev., 2023, Online Version of Record before inclusion in an issue e21835. DOI: 10.1002/mas.21835
Erhart S., Amann A., Haberlandt E., Edlinger G., Schmid A., Filipiak W., Schwarz K., Mochalski P., Rostasy K., Karall D., Scholl-Bürgi S. 3-Heptanone as a potential new marker for valproic acid therapy. J. Breath Res., 2009, vol. 3, no. 1, article 016004. DOI: 10.1088/1752-7155/3/1/016004
Bajtarevic A., Ager C., Pienz M., Klieber M., Schwarz K., Ligor M., Ligor T., Filipiak W., Denz H., Fiegl M., Hilbe W., Weiss W., Lukas P., Jamnig H., Hackl M., Haidenberger A., Buszewski B., Miekisch W., Schubert J., Amann A. Noninvasive detection of lung cancer by analysis of exhaled breath. Cancer Med., 2009, vol. 9, no. 1, pp. 348. DOI: 10.1002/cam4.162
Nunome Y., Park H., Kodama K., Ueki Y., Yoshiie R., Lee S. C., Kitagawa K., Wagatsuma K., Naruse I. Use of Soft Plasma Ionization Source at Evacuated Air Atmospheres in Time-of-Flight Mass Spectrometry to Suppress Fragmentation of Volatile Organic Compounds. Spectrosc. Lett., 2015, vol. 48, no. 6, pp. 436-440. DOI: 10.1080/00387010.2014.905962
Gubal A., Chuchina V., Lyalkin Y., Ivanenko N., Solovyev N., Stroganov A., Ganeev A. New Possibilities for the Determination of Volatile Organic Compounds by Their Molecular Ions in Air Using µs-Pulsed GD TOFMS. At. Spectrosc., 2021, vol. 42, no. 3, pp. 120-127. DOI: 10.46770/AS.2021.031
Bouza M., Fandino J., Bordel N., Pereiro R., Sanz-Medel A. Volatile organic compound analysis by pulsed glow discharge time of flight mass spectrometry as a structural elucidation tool. J. Mass Spectrom., 2017, vol. 52, no. 9, pp. 561-570. DOI: 10.1002/jms.3958
Linstrom P. J., Mallard W. G. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69. 1997, pp. 20899. DOI: 10.18434/T4D303
Yuan B., Koss A. R., Warneke C., Coggon M., Sekimoto K., de Gouw J. A. Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry: Applications in Atmospheric Sciences. Chem. Rev., 2017, vol. 117, no. 21, pp. 13187-13229. DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00325
Smith D., Španěl P. Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis. Mass Spectrom. Rev., 2005, vol. 24, no. 5, pp. 661-700. DOI: 10.1002/mas.20033
Nunome Y., Kodama K., Ueki Y., Yoshiie R., Naruse I., Wagatsuma K. Development of soft ionization using direct current pulse glow discharge plasma source in mass spectrometry for volatile organic compounds analysis. Spectrochim. Acta Part B: At. Spectrosc., 2018, vol. 139, pp. 44-49. DOI: 10.1016/j.sab.2017.11.002
Lindinger W., Hansel A., Jordan A. On-line monitoring of volatile organic compounds at pptv levels by means of proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS) medical applications, food control and environmental research. Int J Mass Spectrom. Ion Process., 1998, vol. 173, no. 3, pp. 191-241. DOI: 10.1016/S0168-1176(97)00281-4
Olivenza-León D., Mayhew C. A., González-Méndez R. Proton transfer reaction mass spectrometry investigations of phthalate esters via direct headspace sampling. Int. J. Mass Spectrom., 2021, vol. 461, pp. 116497. DOI: 10.1016/j.ijms.2020.116497
Blake R. S., Monks P. S., Ellis A. M. Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometry. Chem. Rev., 2009, vol. 109, no. 3, pp. 861-896. DOI: 10.1021/cr800364q
de Gouw J. A., Goldan P. D., Warneke C., Kuster W. C., Roberts J. M., Marchewka M., Bertman S. B., Pszenny A. A. P., Keene W. C. Validation of proton transfer reaction-mass spectrometry (PTR-MS) measurements of gas-phase organic compounds in the atmosphere during the New England Air Quality Study (NEAQS) in 2002. J. Geophys. Res.: Atmos., 2003, vol. 108, no. D21, pp. 4682. DOI: 10.1029/2003JD003863
de Gouw J., Warneke C. Measurements of volatile organic compounds in the earth's atmosphere using proton-transfer-reaction mass spectrometry. Mass Spectrom. Rev., 2007, vol. 26, no. 2, pp. 223-57. DOI: 10.1002/mas.20119
Solà-Vázquez A., Fernández B., Costa-Fernández J. M., Pereiro R., Sanz-Medel A. Improving pulsed radiofrequency glow discharge for time-of-flight mass spectrometry simultaneous elemental and molecular analysis. Anal. Bioanal. Chem., 2014, vol. 406, no. 29, pp. 7431-7443. DOI: 10.1007/s00216-014-7613-2
Lewis C. L., Moser M. A., Hang W., Dale Jr D. E., Hassell D. C., Majidi V. Influence of discharge parameters on real-time chemical speciation for gas chromatography pulsed glow discharge plasma time-of-flight mass spectrometry. J. Anal. Atom. Spectrom., 2003, vol. 18, no. 6, pp. 629-636. DOI: 10.1039/B212795B
Fliegel D., Waddell R., Majidi V., Günther D., Lewis C. L. Quantification of aromatic and halogenated hydrocarbons and alcohol mixtures at the elemental, structural, and parent molecular ion level. Anal. Chem., 2005, vol. 77, no. 6, pp. 1847-1852. DOI: 10.1021/ac0484878
Hastie C., Thompson A., Perkins M., Langford V. S., Eddleston M., Homer N. Z. M. [Selected Ion Flow Tube-Mass Spectrometry (SIFT-MS) as an Alternative to Gas Chromatography/Mass Spectrometry (GC/MS) for the Analysis of Cyclohexanone and Cyclohexanol in Plasma]. ACS Omega, 2021, vol. 6, no. 48, pp. 32818-32822. DOI: 10.1021/acsomega.1c03827
Prince B. J., Milligan D. B., McEwan M. J. Application of selected ion flow tube mass spectrometry to real-time atmospheric monitoring. Rapid Commun. Mass Spectrom., 2010, vol. 24, no. 12, pp. 1763-1769. DOI: 10.1002/rcm.4574
Kravtsov D., Gubal A., Chuchina V., Ivanenko N., Solovyev N., Stroganov A., Jin H., Ganeev A. Volatile Organic Compound Fragmentation in the Afterglow of Pulsed Glow Discharge in Ambient Air. Molecules, 2022, vol. 27, no. 20, pp. 6864. DOI: 10.3390/molecules27206864
Ganeev A., Gubal A., Chuchina V., Kravtsov D., Stroganov A. Microsecond pulsed glow discharge reveals a new approach to ionization and determination of volatile organic compounds. 5th International Glow Discharge Spectroscopy Symposium. Oviedo, Spain, 2022, pp. 2.
Voronov M., Ganeev A. Model of microsecond pulsed glow discharge in hollow cathode for mass spectrometry. Spectrochim. Acta Part B: At. Spectrosc., 2009, vol. 64, no. 5, pp. 416-426. DOI: 10.1016/j.sab.2009.05.004
Fandino J., Bouza M., Pisonero J., Blanco D., Sanz-Medel A., Bordel N. A novel gas sampling introduction interface for fast analysis of volatile organic compounds using radiofrequency pulsed glow discharge time of flight mass spectrometry. Anal. Chim. Acta, 2018, vol. 1038, pp. 59-66. DOI: 10.1016/j.aca.2018.08.013
Nunome Y., Kodama K., Wagatsuma K. Glow Discharge Plasma Ionization Mass Spectrometry for Direct Detection of Oxygenated Organic Compounds in the Gas-phase. Anal. Sci., 2020, vol. 36, no. 2, pp. 269-273. DOI: 10.2116/analsci.19P252
Gubal A., Chuchina V., Ivanenko N., Qian R., Solovyev N., Ganeev A. Microsecond pulsed glow discharge in copper hollow cathode reveals a new approach to ionization and determination of volatile organic compounds. Spectrochim. Acta Part B: At. Spectrosc., 2020, vol. 173, pp. 105986. DOI: 10.1016/j.sab.2020.105986
Pisonero J., Turney K., Bordel N., Sanz-Medel A., Harrison, W. W. A double microsecond-pulsed glow discharge ion source. J. Anal. At. Spectrom., 2003, vol. 18, no. 6, pp. 624-628. DOI: 10.1039/b300518f
Kononov A., Korotetsky B., Jahatspanian I., Gubal A., Vasiliev A., Arsenjev A., Nefedov A., Barchuk A., Gorbunov I., Kozyrev K., Rassadina A., Iakovleva E., Sillanpää M., Safaei Z., Ivanenko N., Stolyarova N., Chuchina V., Ganeev A. Online breath analysis using metal oxide semiconductor sensors (electronic nose) for diagnosis of lung cancer. J. Breath Res., 2020, vol. 14, no. 1, pp. 016004. DOI: 10.1088/1752-7163/ab433d
DOI: https://doi.org/10.15826/analitika.2023.27.4.002
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.