Screening de compostos orgânicos semivoláteis (SVOCs) em partículas de aerossol usando o sistema GC/Q-TOF Agilent 7200 Series

Screening de compostos orgânicos

semivoláteis (SVOCs) em partículas

de aerossol usando o sistema

GC/Q-TOF Agilent 7200 Series

Nota de aplicação

Autores

Agilent Technologies (Xangai) Co., Ltda . Xangai, China

Kai Chen

Agilent Technologies Inc. Santa Clara, CA

Ambiental

Resumo

A composição de compostos orgânicos absorvidos em partículas de aerossol pode fornecer pistas importantes a respeito de estudos sobre a poluição do ar baseada em aerossol. O modo de aquisição completa de ionização de elétrons do MS GC/Q‑TOF Agilent 7200 Series com exatidão de massa, em combinação com as ferramentas do software Agilent MassHunter, permitiu que um fluxo de trabalho de não alvo examine uma grande variedade de compostos em um extrato complexo de partículas. O recurso de EI‑MS/MS foi usado para estudar a estrutura de compostos desconhecidos baseado na massa exata de fragmentos de íons produto.

Introdução

Os compostos orgânicos semivoláteis (SVOCs) exibem uma grande variedade de estruturas moleculares e correlacionam‑se aos efeitos de formação e aos relacionados à saúde de partículas de aerossol [1,2]. Devido a um crescente interesse na poluição por partículas finas de aerossol e na diversidade de compostos orgânicos absorvidos, o screening de SVOCs se tornou uma tarefa mais complexa e exigente que requer sensibilidade e seletividade aprimoradas, além de um fluxo de trabalho de não alvo para a análise de dados.

Uma abordagem de massa exata para a análise do conteúdo orgânico de partículas de aerossol usando espectrometria de massas de tempo de voo quadrupolo (Q‑TOF) oferece identificação mais confiável e permite que um número virtualmente ilimitado de SVOCs seja examinado simultaneamente. Ela fornece uma ferramenta analítica que pode ser usada para examinar e confirmar compostos alvo e desconhecidos em extratos complexos de partículas de aerossol. Essa nota de aplicação demonstra um fluxo de trabalho de screening de não alvo para SVOCs absorvidos em partículas de aerossol usando um sistema GC/Q‑TOF Agilent 7200 Series de alta resolução. Os resultados de compostos foram obtidos usando espectros de massa deconvoluídos pesquisados em uma biblioteca espectral de massa nominal NIST. A massa exata de íons fragmento e moleculares foi usada na confirmação da fórmula do composto. Como vantagem adicional, o sistema GC/Q‑TOF pode ser operado no modo MS/MS para investigar estruturas de compostos desconhecidos.

Parte experimental

Instrumentos

Esse estudo foi realizado usando um sistema GC Agilent 7890B acoplado a um sistema Q‑TOF Agilent 7200A. A configuração do instrumento é mostrada na Figura 1, e as condições do instrumento são listadas na Tabela 1. A operação do GC permitiu o travamento de tempo de retenção (RTL) com o método de screening completo de backflush no meio da coluna de fluxo constante incluído no banco de dados de MRM de pesticidas e contaminantes ambientais (P&EP) da Agilent 3.0 (p/n 9250AA).

Figura 1. Configuração do sistema GC/Q-TOF Agilent 7200 representando backflush no meio da coluna. O GC Agilent 7890B foi acoplado ao Q-TOF Agilent 7200A.

PCM Injetor

MMI Ultimate Purged _Union

Agilent HP-5ms UI (15 m × 0,25 mm, 0,25 µm) (15 m × 0,25 mm, 0,25 µm)Agilent HP-5ms UI Coluna 1 Coluna 2 GC/Q-TOF Agilent 7200A GC Agilent 7890B

Tabela 1. Condições do espectrômetro de massas GC Agilent 7890B e GC/Q-TOF Agilent 7200A

Condições do GC

Colunas UI Agilent HP‑5ms, filme 15 m × 0,25 mm,

0,25 µm (dois cada)

Gás de arraste Hélio

Fluxo da coluna 1 1,0 mL/min

Fluxo da coluna 2 1,2 mL/min

Temperatura do injetor 280 °C

Modo de injeção Splitless

Volume de injeção 2 µL

Programa de temperatura

do forno 60 °C por 1 minuto,

40 °C/min a 120 °C, 0 minuto, 5 °C/min a 310 °C, 10 minutos

Tempo de execução 50,5 minutos

Backflush 5 minutos (pós execução)

Temperatura da linha de transferência 310 °C Condições do Q-TOF MS Modo de ionização EI Temperatura da fonte 300 °C Temperatura do quadrupolo 180 °C Faixa de massa 50 a 500 m/z

Taxa de aquisição espectral 5 Hz, coletando ambos nos modos centróide e de triagem

O software de correlação da estrutura molecular (MSC) foi usado para realizar estudos adicionais das estruturas de compostos identificados temporariamente.

Resultados e discussão

Deconvolução do pico cromatográfico e pesquisa 

na biblioteca

Os dados foram processados usando deconvolução do pico cromatográfico no software de análise de desconhecidos com uma configuração de janela de extração de massa exata de 100 partes por milhão (ppm) e fator de tamanho de janela de tempo de retenção de 50–200 para encontrar o maior número de componentes (Figura 2). A comparação com a biblioteca NIST com uma pontuação de fator de correspondência maior a 50 identificou aproximadamente 2.600 componentes incluindo alcanos, hopanos, cetonas, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), hidrocarbonetos aromáticos policíclicos oxigenados (O‑PAHs), ésteres e compostos heterocíclicos. Foram usados o Gerador de fórmula molecular e a Calculadora de fórmulas para confirmar a identidade de cada composto encontrado por deconvolução. Os resultados de screening de PAHs e O‑PAHs são mostrados no texto a seguir como exemplos (Figuras 3 e 4). Um fluxo de trabalho semelhante pode ser aplicado para examinar outros grupos químicos.

Preparo de amostras

As partículas de aerossol (PM2.5) foram coletadas em filtros de fibra de quartzo (QFF, Whatman, 5 pol. × 8 pol.), usando amostradores (Guangzhou, China) a uma taxa de fluxo de 300 L/min. Os QFFs foram equilibrados a 20 °C e umidade relativa (RH) de 40% em uma sala limpa com umidade e temperatura controladas por 24 horas antes e depois da amostragem. A massa das partículas em cada QFF foi determinada por uma microbalança eletrônica (Sartorious, IL, US) com sensibilidade de 0,001 mg. O filtro (metade) foi extraído por Soxhlet com 50 mL de diclorometano/hexano (1:1, v/v) a 70 °C por 48 horas. O extrato foi filtrado com um dispositivo de filtragem. Após a concentração por evaporador rotativo, a concentração do extrato foi aumentada para 2 mL sob um fluxo de N₂ puro, com solvente trocado para n‑hexano.

Análise de dados

Os dados foram processados por deconvolução de pico

cromatográfico usando a ferramenta de análise de desconhecidos do software de análise quantitativa Agilent MassHunter (B.07.01), seguido pela identificação do composto por comparação com a biblioteca espectral de massa NIST 14. As identidades dos picos deconvoluídos podem ser adicionalmente confirmadas usando informações de massa exata e as ferramentas de massa exata do software de análise quantitativa Agilent MassHunter (B.07.01).

A

B

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -10 -5 0 5 10 _A

Tempo de retenção (min)

Estruturas de exemplo Erro da massa (ppm) 0 1 2 3 4 5 _B Quantidade de isômeros C12H6 O3 C12H8 O C12H8 O2 C13H10 O C13H8 O C13H8 O2 C14H10 O C14H10 O2 C14H8 O2 C15H10 O C15H10 O2 C15H8 O C16H10 O C16H8 O3 C17H10 O C17H12 O C18H10 O C18H10 O2 C19H12 O C20H12 O C21H12 O O O O O O O _O O O O

Figura 4. Confirmação de O-PAHs usando informações de massa exata. Os erros de massa de íons moleculares dos O-PAHs calculados usando o Calculador de fórmulas são mostrados em A, enquanto a distribuição da fórmula e as estruturas de exemplo são mostradas em B.

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 ×106 A

Tempo de aquisição (min)

Contagen s 5 10 15 20 25 30 35 40 45 -10 -5 0 5 10 _B

Tempo de retenção (min)

Erro da massa (ppm) 0 2 4 6 8 10 _C Quantidade de isômeros C10H8_C11H10C12H12C12H8_C13H10C14H10C15H10C15H12C16H10C16H12C16H14C17H12C17H14C17H16C18H10C18H12C18H18C19H12C19H14C20H12C20H14C21H14C22H12C22H14C23H14C24H12C24H14C24H18

Figura 3. Resultados de screening de PAHs. O cromatograma (A) sobrepõe TICs (preto) e os perfis dos componentes de PAHs identificados (vermelho), enquanto os erros de massa de íons moleculares dos PAHs identificados calculados com o Calculador de fórmulas são mostrados em B e a distribuição de fórmulas é mostrada em C.

Estrutura de um composto desconhecido proposto

por MS/MS

A deconvolução do pico cromatográfico conseguiu descobrir compostos desconhecidos, como mostrado na Figura 5. A correspondência mais próxima na biblioteca NIST foi anthra [1,9‑cd]pyrazol‑6(2H)‑one, com a fórmula C14H8N2O. No entanto, essa correspondência provisória poderia ser prontamente rejeitada baseada apenas na exatidão de massa, já que o erro no íon molecular é de 48,62 ppm. Isso destaca a vantagem dos dados de massa exata obtidos a partir de um Q‑TOF em comparação com um instrumento de massa de unidade. Usando informações de massa exata, a fórmula proposta para este composto desconhecido foi C15H8O2, com um erro de massa de 2,83 ppm. No entanto, nenhum composto com essa fórmula foi encontrado na biblioteca de MS NIST. Uma das outras vantagens do GC/Q‑TOF 7200 é a capacidade de realizar experimentos de MS/MS de massa exata que são muito valiosos para a elucidação estrutural de desconhecidos.

Identificação de PAHs e O-PAHs

A análise de desconhecidos conseguiu identificar um grande número de PAHs que coeluiu na mistura complexa não resolvida, como mostrado na Figura 3. As informações de massa exata foram usadas para confirmar aproximadamente 100 PAHs, com erros de massa de menos de 5 ppm. O banco de dados de MRM de P&EP contém tempos de retenção (RTs) de vários dos PAHs e foi usado para confirmar os resultados. As diferenças de RT entre o banco de dados e a amostra foram todas de um intervalo de 0,03 minuto. A boa correspondência de RT verifica adicionalmente o uso das informações de massa exata como uma ferramenta de confirmação. A distribuição da fórmula mostra uma grande variedade de PAHs no extrato de partículas de aerossol, com números de carbono de 10 a 28.

De maneira semelhante, também foram identificados O‑PAHs no extrato de partículas de aerossol, com 34 componentes confirmados pelas informações de massa exata. A Figura 4 indica os erros de massa e a distribuição de fórmula de todos os O‑PAHs identificados. As estruturas de alguns O‑PAHs também são mostradas na Figura 4.

Figura 5. Comparação de espectro de massa entre um composto desconhecido e uma correspondência provisória da biblioteca NIST (A,B). Os perfis de coeluição de íons deconvoluídos (C) confirmam que todos pertencem ao mesmo componente. No entanto, esse composto pode ser prontamente rejeitado baseado apenas na exatidão de massa, já que o erro no íon molecular é de 48,62 ppm.

40 50 60 70 81.5264 163.0546 _192.0576 C14H8N2O (48,62 ppm) 220.0524 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 AEspectro deconvoluído RT do componente: 25.158

Tempo de aquisição (min)

Contagen s B ×102 25.125 25.175 220.0524 163.0546 192.0576 164.0609 81.5264 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.5 0.7 0.8 0.9 1.0 C Contagen s ×105 40 50 60 70 41 50 56 63 76 82 102 110 118 138 146 164 169 177 191 220 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 0 50 100

Espectro da biblioteca NIST C14H8N2O Contagen s O H N N

CEF e o MSC pesquisou no banco de dados ChemSpider para encontrar todos os isômeros estruturais possíveis. Embora esse tipo de confirmação não seja completamente inequívoco, fornece validação adicional para esse O‑PAH identificado temporariamente. A Figura 7 ilustra um caminho de fragmentação proposto com base nos fragmentos listados no software MSC.

A Figura 6 mostra o fluxo de trabalho usando o modo MS/MS com fragmentos de massa exata para propor a estrutura desse composto desconhecido. A ferramenta Gerador de fórmula foi usada para atribuir uma fórmula empírica exata aos íons fragmentos moleculares e aos principais íons fragmentos. Para propor a estrutura desse composto desconhecido, o espectro foi importado no software de correlação de estrutura molecular (MSC) como um arquivo

70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 73.0464 81.0694 95.0851 107.0849 121.1004 138.0443[C11H6]+ 203.0843 164.0614 [C13H8]+ _176.0624 [C₁₄H₈]+ 192.0566 [C₁₄H₈O]+ 220.0513 [C₁₅H₈O₂]+ C15H8O2não está incluído na biblioteca de MS NIST

0 2 4 6 A MS/MS EI Selecionando íon 220, CE 20 eV Contagen s Massa/Carga (m/z) B ×103 Fórmulas dos fragmentos

Estrutura avaliada: 5H-fenantro (4,5-bcd)piran-5-ona. Fragmento selecionado Possíveis estruturas dos fragmentos Fórmula empírica

Figura 6. Fórmulas empíricas geradas a partir de um espectro MS/MS usando a ferramenta Gerador de fórmula (A), e os resultados de elucidação de estruturas do composto com uma fórmula empírica C15H8O2 usando o software MSC (B). Cada íon fragmento

individual é classificado baseado no erro de massa correspondente à fórmula proposta, juntamente com uma penalidade baseada em quantas ligações tiveram de ser desfeitas para gerar a fórmula proposta.

O O 220.0513 C15H8O2 (2.64 ppm) O 192.0566 C14H8O (1.91 ppm) O O 176.0624 C14H8 (-1.98 ppm) O O 164.0614 C13H8 (3.97 ppm) 163.0537 C13H7 (3.23 ppm) 1º candidato (classificado por referência) – CO – CO or CHO – CO2 O

Figura 7. Caminho de fragmentação do candidato a C15H8O2 baseado

Conclusão

Os estudos dos compostos de SVOC absorvidos em partículas de aerossol podem ser amplamente melhorados com o uso de vários recursos do GC/Q‑TOF Agilent 7200 como os recursos de MS/MS, informações de massa exata e alta sensibilidade em modo total do espectro. O uso dos recursos do software Agilent MassHunter como deconvolução, anotação automática de fórmula de fragmentos e elucidação de estruturas permitiu a abordagem de não alvo em screening de SVOC. A confirmação do composto das pesquisas na biblioteca e as sugestões de estrutura para compostos também são importantes ferramentas investigativas.

Referências

1. U. Pöschl. “Atmospheric aerosols: composition,

transformation, climate and health effects” Angew Chem.

Int., Ed. 44, 7520‑7540 (2005).

2. L.B. Liu, et al. “Development of analytical methods for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in airborne particulates: A review” J. Environ. Sci. (China),

19, 1‑11 (2007).

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© Agilent Technologies, Inc., 2016 Impresso nos EUA

9 de fevereiro de 2016 5991‑5899PTBR