Coupling of thermogravimetry with mass spectrometry for the analysis of complex samples
Analyzing complex solid and liquid samples is a major challenge today. It is important to eliminate the cost of extraction methods and to perform the analysis in a short time. This was realized by coupling thermogravimetry and Orbitrap (TG-HRMS) via a photoionization source at atmospheric pressure. The direct use of the sample in the crucible also helps to avoid the absorption of VUV photons by a solvent. The two devices are connected by a transfer line. This consists of ceramic beads and corrugated steel tubes with a quartz glass capillary, which can be heated up to 350°C and is flexible.
To take advantage of thermogravimetry, once some of its physical properties are known, the sample is placed in the crucible, vaporized in the oven and the analytes are transferred through the fused silica capillary connected to the photoionization source at atmospheric pressure and the Orbitrap.
After optimizing the capillary diameter, installing the equipment, adjusting the nitrogen inlet and outlet and using temperatures between 50 and 300°C, the coupling was successful at a transfer temperature of 250°C.
In preliminary work, thermogravimetry was coupled with a quadrupole mass spectrometer and some drugs were successfully analyzed with the APPI used, whereby satisfactory qualitative results were achieved without additional sample preparation. However, quadrupole mass spectrometry is not suitable for analyzing more complex samples due to the low mass resolution without chromatographic pre-separation.
After combining thermogravimetry with the high-resolution Orbitrap mass spectrometer, which not only has a higher resolution but also better mass accuracy, the analysis parameters had to be optimized to increase sensitivity. Several complex samples were then analyzed.
The analysis of Arabica and Robusta coffee varieties was carried out to identify some differences between the two varieties and to detect blending and fraud. The coffee samples were successfully analyzed and showed mass errors of less than 1.0 ppm e.g. for caffeine. The analysis showed the presence of eight specific Arabica markers and 11 signals found only in Robusta samples, with 3 replicates demonstrating their presence. Subsequently, commercial samples were analyzed.
For the analysis of a reference urine sample, 45 compounds from different substance classes were identified based on the exact mass. Using standards, qualitative and quantitative results of creatinine and caffeine were obtained without extraction procedures or addition of reagents to the urine sample. The determination of creatinine using three different methods yielded an RSD of no more than 2.5% and an LOD and LOQ of 0.97 mg/L and 3.24 mg/L, respectively. For caffeine, the RSD was less than 5.6%, while LOD and LOQ were 0.17 mg/L and 0.56 mg/L, respectively.
In addition, numerous signals were detected in blood samples but could not be assigned. Without sample preparation and a program to identify the metabolites, the analytical platform used could not provide satisfactory results.
The Maillard reaction was investigated by combining glucose with asparagine and glycine in a crucible and then carrying out the reaction. The mechanisms of the Maillard reaction, e.g. the formation of 2-ethyl-5-methylpyrazole, which belongs to the pyrazine group, were investigated and confirmed by the discovery of some intermediates. In addition, various food samples were analyzed for the Maillard reaction.
Based on the various applications of TG-HRMS, the coupling appears to be a possible analysis tool for quality control. However, further studies are required to prove the benefits.
Die Analyse komplexer fester und flüssiger Proben stellt heutzutage eine große Herausforderung dar. Es ist wichtig, die Kosten für Extraktionsmethoden zu eliminieren und die Analyse in kurzer Zeit durchzuführen. Dies wurde durch die Kopplung von Thermogravimetrie und Orbitrap (TG-HRMS) über eine Photoionisationsquelle bei Atmosphärendruck realisiert. Die direkte Verwendung der Probe im Tiegel trägt auch dazu bei, die Absorption von VUV-Photonen durch ein Lösungsmittel zu vermeiden. Die beiden Geräte sind durch eine Transferleitung miteinander verbunden. Diese besteht aus Keramikperlen und gewellten Stahlrohren mit einer Quarzglaskapillare, die bis auf 350°C erhitzt werden kann und flexibel ist.
Um die Vorteile der Thermogravimetrie zu nutzen, wird die Probe, sobald einige ihrer physikalischen Eigenschaften bekannt sind, in den Tiegel gegeben, im Ofen verdampft und die Analyten durch die Quarzglaskapillare, die mit der Photoionisationsquelle bei Atmosphärendruck und dem Orbitrap verbunden ist, übertragen.
Nach der Optimierung des Kapillardurchmessers, der Installation der Geräte, der Anpassung des Stickstoffeinlasses und -auslasses und der Verwendung von Temperaturen zwischen 50 und 300°C war die Kopplung bei einer Übertragungstemperatur von 250°C erfolgreich.
In Vorarbeiten wurde die Thermogravimetrie mit einem Quadrupol-Massenspektrometer gekoppelt und einige Medikamente konnten erfolgreich mit der eingesetzten APPI analysiert werden, wobei ohne zusätzliche Probenvorbereitung zufriedenstellende qualitative Ergebnisse erzielt wurden. Für die Analyse komplexerer Proben ist die Quadrupol-Massenspektrometrie aufgrund der geringen Massenauflösung ohne chromatographische Vortrennung allerdings nicht geeignet.
Nach der Kombination der Thermogravimetrie mit dem hochauflösenden Orbitrap-Massenspektrometer, welches nicht nur eine höhere Auflösung sondern auch eine bessere Massengenauigkeit aufweist, mussten die Analysenparameter optimiert werden, um die Sensitivität zu erhöhen. Danach wurden mehrere komplexe Proben analysiert.
Die Analyse von Arabica- und Robusta-Kaffeesorten wurde durchgeführt, um einige Unterschiede zwischen den beiden Sorten festzustellen und um Vermischungen und Betrug zu entdecken. Die Kaffeeproben wurden erfolgreich analysiert und wiesen Massenfehler von weniger als 1,0 ppm z.B. für Koffein auf. Die Analyse zeigte das Vorhandensein von acht spezifischen Arabica-Markern und von 11 Signalen, die nur in Robusta-Proben gefunden wurden, wobei 3 Replikate ihr Vorhandensein belegten. Anschließend wurden kommerzielle Proben analysiert.
Für die Analyse einer Referenzurinprobe wurden anhand der exakten Masse 45 Verbindungen aus verschiedenen Stoffklassen identifiziert. Unter Verwendung von Standards wurden qualitative und quantitative Ergebnisse von Kreatinin und Coffein ohne Extraktionsverfahren oder Zusatz von Reagenzien zur Urinprobe erhalten. Die Bestimmung von Kreatinin mit drei verschiedenen Methoden ergab eine RSD von nicht mehr als 2,5 % und einen LOD und LOQ von 0,97 mg/L bzw. 3,24 mg/L. Für Koffein betrug der RSD weniger als 5,6 %, während LOD und LOQ 0,17 mg/L bzw. 0,56 mg/L betrugen.
Darüber hinaus wurden zahlreiche Signale im Blut nachgewiesen, die aber nicht zugeordnet werden konnten. Ohne Probenvorbereitung und ein Programm zur Identifizierung der Metaboliten konnte die verwendete Analyseplattform keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern.
Die Maillard-Reaktion wurde untersucht, indem Glucose mit Asparagin und Glycin in einem Tiegel kombiniert und dann die Reaktion durchgeführt wurde. Die Mechanismen der Maillard-Reaktion, z.B. die Bildung von 2-Ethyl-5-methylpyrazol, das zur Pyrazingruppe gehört, wurden untersucht und durch die Entdeckung einiger Zwischenprodukte bestätigt. Außerdem wurden verschiedene Lebensmittelproben auf die Maillard-Reaktion hin untersucht.
Aufgrund der verschiedenen Anwendungen der TG-HRMS scheint die Kopplung ein mögliches Analysewerkzeug für die Qualitätskontrolle zu sein. Weitere Untersuchungen sind aber erforderlich, um den Nutzen zu belegen.