Gas Chromatography × Orbitrap Technology

ขอแนะนำให้รู้จัก Thermo Scientific™ Q Exactive™ GC

          ห้องปฏิบัติการทางการวิเคราะห์ทางเคมีมักมีความต้องการเพื่อให้ได้ผลการวิเคราะห์ที่รวดเร็วมากขึ้น แต่ยังต้องคงไว้ซึ่งประสิทธิภาพ ความถูกต้อง และความเชื่อมั่นจากผู้ใช้บริการในระดับสูง โดยห้องปฏิบัติการเหล่านี้ ส่วนใหญ่มักทำการวิเคราะห์แบบเจาะจงเป้าหมาย (Targeted Analysis) โดยใช้ทั้งเทคนิค Gas Chromatography (GC) และ Liquid Chromatography (LC) ที่เชื่อมต่อกับ Mass Spectrometer (MS) แบบ Triple Quadrupole ซึ่งเทคนิคเหล่านี้ก็ครอบคลุมการวิเคราะห์ได้หลายกลุ่มสารเคมี และให้ความไว (Sensitivity) และความเลือกเฉพาะ (Selectivity) ได้ในระดับที่เหมาะสม แต่อย่างไรก็ตาม เทคนิคดังกล่าวมีข้อจำกัด ได้แก่ สารเคมีเหล่านั้นต้องถูกกำหนดอยู่ในรายการเป้าหมายและต้องการความระมัดระวังในการปรับแต่งพารามิเตอร์สำหรับสารเคมีแต่ละตัวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการวิเคราะห์ ดังนั้น MS แบบความละเอียดสูง (High Resolution) โดยใช้เทคโนโลยี Orbitrap จึงถูกคิดค้นขึ้นมาเพื่อทลายข้อจำกัดดังกล่าว พร้อมทั้งเพิ่มสมรรถนะในการวิเคราะห์ทางเคมีได้ ดังนี้

• ความต้องการในการค้นหาและการหาปริมาณของจำนวนสารเคมีที่เพิ่มขึ้น
• การวิเคราะห์ย้อนหลัง (Retrospective Analysis) สำหรับตัวอย่างที่เคยถูกวิเคราะห์ไปแล้วเป็นเวลานาน
• การระบุและการอธิบายองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างของสารเคมีที่ไม่รู้จัก (Unknown Compounds) 

          ในช่วงก่อนหน้านี้ เทคโนโลยี Orbitrap ใช้ได้เฉพาะกับ LC และได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเทคนิคการวิเคราะห์ที่มีคุณค่าสูง แต่ในปัจจุบันนี้ เทคโนโลยี Orbitrap ได้ถูกนำมาใช้ควบคู่กับ GC แล้วใน Thermo Scientific™ Q Exactive™ GC Hybrid Quadrupole-Orbitrap System ซึ่งระบบดังกล่าวได้ให้ประโยชน์อย่างมากมายและเปิดโอกาสใหม่ให้กับสารเคมีที่เหมาะสมกับการวิเคราะห์บน GC ดังตัวอย่างต่อไปนี้

การใช้ประโยชน์ของ Resolution สำหรับ Selectivity ในการวิเคราะห์แบบเจาะจงเป้าหมาย

          ด้วยการให้ความละเอียดสูงและความถูกต้องของมวล (HR/AM) ทำให้ระบบนี้สามารถทำการวิเคราะห์แบบ Full Scan สำหรับการวิเคราะห์ตัวอย่างที่มีสารโมเลกุลขนาดเล็กในช่วง 50-1000 Da ได้ โดยเทคโนโลยี Orbitrap สามารถให้ Selectivity ในการแยกสารเคมีเป้าหมายจากสารผสมตัวอื่นๆ หรือจาก Matrix ที่มีมวลโมเลกุลใกล้เคียงกันได้เป็นอย่างดี (โดยทั่วไป <5 ppm) ตัวอย่างแสดงให้เห็นในรูปที่ 1 ซึ่งยาฆ่าแมลง Chlorpropham (m/z 127.01833) และ Background Matrix Ion ถูกแยกออกจากกันอย่างแม่นยำ และมวลของสาร Chlorpropham ที่ Resolving Power เท่ากับ 60K และ 120K ก็มีความถูกต้อง (Accuracy)

          อย่างไรก็ตาม จะเห็นได้ว่าที่ Resolving Power เท่ากับ 15K และ 30K สาร Chlorpropham จะไม่สามารถแยกออกจาก Matrix ได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งอาจทำให้เกิดการวิเคราะห์แบบ False Negative ได้ ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความสำคัญของระบบการวิเคราะห์ที่สามารถให้ Resolving Power ที่มีค่าสูง โดยเฉพาะเมื่อต้องวิเคราะห์ตัวอย่างที่มีความซับซ้อนระหว่างสารเคมีเป้าหมายและ Matrix รบกวน

การคงไว้ซึ่ง Sensitivity ในขณะใช้งานที่ Resolution สูง

          ในเทคโนโลยีประเภท GC-MS ชนิดอื่นๆ การเพิ่ม Mass Resolution จะมีผลให้การส่งผ่านไอออนในระบบลดลง ซึ่งทำให้ความแม่นยำในการวิเคราะห์ลดลง แต่ในการวิเคราะห์แบบเจาะจงเป้าหมายของสารที่มีความเข้มข้นต่ำในตัวอย่างที่มีความซับซ้อนของ Matrix มีความจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องรักษา Sensitivity ขณะที่ต้องใช้งานที่ Resolution สูงถึง 60K และ 120K ซึ่งการวิเคราะห์ในระบบ Q Exactive GC นั้นจะไม่สูญเสียความเข้มของสัญญาณ (Signal Intensity) อย่างมีนัยสำคัญเมื่อต้องเพิ่ม Resolution เมื่อเทียบกับ GC-MS ระบบอื่น ในรูปที่ 2 แสดงถึงตัวอย่างของสารกำจัดศัตรูพืช 3 ชนิด (Chlorbenzilate, Fipronil และ Pendimethalin) ที่ Peak Area ไม่ลดลงเมื่อวิเคราะห์ที่ Resolving Power ตั้งแต่ 15K, 60K ไปถึง 120K จะเห็นว่า ระบบ Q Exactive GC นั้นให้ทั้งความละเอียดสูงที่มาพร้อมความถูกต้อง โดยไม่ต้องสูญเสียความไวในการวิเคราะห์นั่นเอง

ความละเอียดสูงสำหรับการหา Unknown Compounds

          ข้อดีอย่างหนึ่งของการมีการวิเคราะห์แบบ Full Scan ที่สมบูรณ์และถูกต้องแม่นยำ คือ ความสามารถในการที่จะขุดคุ้ยข้อมูลย้อนหลังเพื่อจะสามารถระบุหา Unknown Compounds ได้ การวิเคราะห์ที่มีความถูกต้องของมวลสูง รวมถึงข้อมูลรูปแบบไอโซโทปของสารช่วยให้สามารถคาดการณ์ถึงองค์ประกอบธาตุของสารใดๆได้อย่างแม่นยำ จำนวนสูตรทางเคมีที่เป็นไปได้ (Hits) ของ Unknown Compound ตัวหนึ่งๆ จะถูกคำนวณจาก Spectral Data ที่มีคุณภาพจากการใช้ Resolution สูงและให้ค่า Accuracy ในระดับที่ต่ำกว่า 1 ppm จนทำให้ลดจำนวนสูตรทางเคมีที่เป็นไปได้ของสารดังกล่าวลงในระดับที่ต่ำที่สุด ดังตัวอย่างที่แสดงในภาพที่ 3

          ความคลาดเคลื่อนของมวล (Mass Tolerances) ที่แตกต่างกันตั้งแต่ 0.5 ppm ถึง 10 ppm ถูกนำมาใช้เพื่อคำนวณสูตรทางเคมีที่เป็นไปได้ จะพบว่าที่ 10 ppm จะคำนวณสูตรทางเคมีได้ถึง 60 Hits ในขณะที่ระดับ 3 ppm ถึงแม้จะเป็นแบบค่อนข้างต่ำ แต่ก็ยังคำนวณได้ถึง 20 Hits แต่ในระบบ Q Exactive GC ที่ให้ Accuracy ได้ถึงในระดับ sub-ppm จะให้จำกัดจำนวน Hits เหลือเพียงแค่ 2 เท่านั้น สูตรทางเคมีที่คำนวณได้ในระดับความถูกต้องของมวลที่ระดับ 0.3 ppm สำหรับ m/z 304.10058 นี้ คือ C₁₂H₂₁N₂O₃PS และเมื่อส่งข้อมูลไปเทียบกับฐานข้อมูลออนไลน์ของ ChemSpider แล้วสามารถระบุได้ว่าสารดังกล่าว คือ ยาฆ่าแมลง diazinon นั่นเอง นอกจากนี้ ยังสามารถยืนยันเพิ่มเติมโดยการตรวจสอบ Fragment Ions ของสารนี้กับ Spectral Libraries ที่ได้มาจาก Electron Impact (EI) ได้อีกด้วย

ผู้อ่านสามารถศึกษา Application Notes เพิ่มเติมสำหรับการใช้เครื่อง Q Exactive GC ในงานวิเคราะห์ต่างๆ ได้ดังนี้

• สารกำจัดศัตรูพืชตกค้างในอาหารทารก: https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CMD/posters/PN-64424-GC-MS-Pesticide-Residue-Baby-Food-ASMS2015-PN64424-EN.pdf
• ความแตกต่างทางเคมีของวิสกี้ชนิดต่างๆ: https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CMD/Application-Notes/AN-10492-GC-MS-Whiskies-AN10492-EN.pdf
• สารปนเปื้อนในสารตั้งต้นที่ใช้ผลิตยา: https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CMD/Application-Notes/AN-10494-GC-MS-Impurity-Profiling-Pharma-Starting-Material-AN10494-EN.pdf

หรือหากสนใจรายละเอียดของเครื่อง Q Exactive GC สามารถติดตามได้ที่ http://www.scispec.co.th/GCorbitrap.html