Hydrogen as Carrier Gas for the Analysis of Dibenzo-p-dioxins and Dibenzofurans (PCDD/Fs) in Food and Feed Samples Using an Agilent 7010 Series Triple Quadrupole GC/MS

Význam tématu

Použití vodíku jako nosného plynu v plynové chromatografii spojené s tandemovou hmotnostní spektrometrií (GC/MS/MS) představuje praktickou alternativu k heliu s potenciálem výrazně zkrátit analytické časy a snížit provozní náklady. To má zvláštní význam v oblasti ultra‑stopových analýz perzistentních organických polutantů, konkrétně polychlorovaných dibenzo‑p‑dioxinů a dibenzofuranů (PCDD/F), kde jsou požadovány extrémně nízké meze stanovení a zároveň vysoký pracovný průtok v rutinních laboratořích. Studie demonstruje, že při použití moderního detektoru s vysokou efektivitou ionizace lze kompenzovat některé analytické nevýhody vodíku a dosáhnout porovnatelné nebo lepší výkonnosti než při použití heliu.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo převést existující konfirmatorní metodu pro PCDD/F v potravinách a krmivech z heliového na vodíkové prostředí bez zhoršení analytických parametrů a současně zkrátit doby analýzy. Konkrétně autoři:

• provedli srovnání Agilent 7000C a 7010 TQ‑MS pod heliem jako bazální studie,
• převedli a optimalizovali metodu na vodík a sledovali stabilitu, citlivost, separaci a LOQ,
• validovali přenesenou metodu včetně hodnocení maticových vlivů a přesnosti,
• hodnotili robustnost při rutinním provozu po několik měsíců (tisíce injekcí).

Použitá instrumentace

• GC: Agilent 7890B se studovanými kolonnami VF‑Xms; finální metoda: 40 m × 0.18 mm × 0.18 µm (Agilent CP9049).
• MS/MS: Agilent 7000C a Agilent 7010 series triple quadrupole; 7010 vybaven HES (high‑efficiency electron ionization) zdrojem.
• Injekční systém: Gerstel MPS autosampler a cold injection system (CIS) s PTV režimem, 5 µL injekce se solvent vent režimem.
• Režim akvizice: Multiple Reaction Monitoring (MRM), dvě prekurzorové ionty a odpovídající produkt‑ionty na kongener.
• Vybrané MS parametry: EI 70 eV, kolizní plyn 1.5 mL/min, transfer line ~300 °C, source 280–300 °C (kondicionování), nastavení zisku a EMV upravené při přechodu na H2.
• Bezpečnostní a provozní úpravy pro práci s vodíkem: H2 senzor, odvětrání split vent a septum purge, odstranění volných krytů; doporučeno zvážit větší draw‑out desku pro lepší linearitu.

Použitá metodika

Metoda využívá izotopické 13C12 internal standards a 13bodovou kalibrační křivku (měřenou v trojím provedení) pokrývající rozsahy typické pro ultra‑stopové stanovení. Aplikována byla extrakce/čištění typických potravinových a krmivových matic (vejce, mléčné výrobky, tuky, ryby, koření, atd.) s výslednými koncentracemi PCDD/F v rozsahu ~10 fg až 100 pg na vzorek. Akvizice probíhá v časových segmentech definovaných pro eluce kritických kongenerů; finální chromatografická metoda na vodíku dosahuje doby běhu ~27.5 min při konstantním toku 0.9 mL/min (průměrná lineární rychlost ~45.9 cm/s).

Hlavní výsledky a diskuse

• Srovnání 7000C vs 7010 (pod heliem): 7010 s HES vykázal výrazně lepší citlivost (až ~20× vyšší absolutní signál), stabilnější kalibrační RRF a nižší LOQ; R2 kalibrací >0.995 a nižší RSD kalibračního postupu (7010: ~1.1–3.1%).
• Přechod na vodík (7010): původně došlo ke krátkodobému zvýšení pozadí a snížení intenzit (~2×) a S/N; po kondicionačním období (~týden) se systém stabilizoval a LOQ se pohybovaly v praxi kolem 10–20 fg (2,3,7,8‑TetraCDD) a 16–30 fg (OctaCDD) absolutně, podle metody výpočtu.
• Chromatografie: vodík přinesl ostřejší a užší chromatografické píky a umožnil zkrácení doby analýzy až o ~40 % (přechod z 60 m na 40 m kolonu s menším průměrem při nižším toku). U některých hexa‑kongenerů byla separace až o ~10 % lepší; pro 2,3,7,8‑TetraCDF však byla mírná ztráta separation (~10 %) která se nepodařila metodicky odstranit.
• Kompatibilita výsledků He vs H2: v testu 167 vzorků byly výsledky v dobré korelaci (regresní koeficienty sklonu 0.9615–1.0426, R2 většinou >0.86), obnovitelnost a recoveries v rozsahu 50–130 % a rozdíly mezi He a H2 nevybočovaly mimo přijatelná meze (±10–20 % dle kongeneru).
• Reaktivita a artefakty: přestože literární upozornění na dechlorinaci existují, v této aplikaci nebyla zjištěna významná tvorba nižě chlorovaných interferencí ani systématické zkreslení kvantitativních výsledků; autoři však doporučují konkrétní testy na dechlorinaci pro jiné typy sloučenin či odlišné podmínky.
• Robustnost: po ~3 000 injekcích a 5–10 měsících rutinního provozu došlo k mírnému poklesu citlivosti (cca 3×) a drobné degradaci separace, což autoři přisuzují stárnutí systému spíše než přímo použití vodíku. Časté střídání He/H2 se ukázalo jako problematické pro stabilitu a není doporučeno.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost významného zkrácení doby analýzy (až ~40 %) při zachování konfirmatorních kvalitativních a kvantitativních parametrů pro PCDD/F, což zvyšuje laboratorní průchodnost.
• Nižší provozní náklady a menší závislost na heliu; relevantní v kontextu potenciálních nedostatků zásob heliových plynů.
• Metodicky vhodné nasazení tam, kde je k dispozici vysoce citlivý detektor (např. Agilent 7010 s HES), který dokáže kompenzovat snížený S/N po přechodu na vodík.
• Metoda splňuje požadavky regulačních přístupů umožňujících GC/MS/MS jako konfirmatorní techniku pro dioxiny a furany, pokud jsou splněny validační limity a kontrola kvality.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Širší adopce vodíku jako nosného plynu v rychlých GC aplikacích v rutinních laboratořích, zejména pokud budou dostupné MS systémy s vysokou ionizační efektivitou.
• Další optimalizace kolonních geometrií, vstřikovacích režimů a pumpovacích systémů pro minimalizaci vlivu zvýšeného plynového zatížení a pro zajištění dlouhodobé stability vakua.
• Rozšíření aplikace na jiné stabilní hydrofobní organické sloučeniny; ale vyžaduje se systematické ověření reaktivity s vodíkem (změny fragmentace, dechlorinace, hydratační reakce) pro každý typ analytu.
• Integrace automatizovaných bezpečnostních protokolů (monitoring H2, odvětrání) a vývoj specializovaných hardware úprav pro provoz s vodíkem za účelem snížení rizik a usnadnění validace metod.

Závěr

Přechod metody pro PCDD/F z heliového na vodíkové prostředí je proveditelný a přináší významné provozní výhody, pokud je použit odpovídající citlivý detektor (v popsaném případě Agilent 7010 s HES). Po adaptaci systému a zavedení bezpečnostních a kondicionačních postupů lze dosáhnout srovnatelných LOQ, dobré linearity a reprodukovatelnosti a současně zkrátit dobu analýzy. Nicméně je nutné věnovat pozornost možným analytickým artefaktům (např. dechlorinaci) a dlouhodobé stabilitě systému; střídání nosných plynů se nedoporučuje. Volba vodíku by měla být podložena komplexními testy a úpravou kontroly kvality v konkrétní laboratoři.

Reference

1. Alvarado J. S.; Silzer J.; Lemley F.; Erickson M. D. Separation of Polychlorinated Biphenyls by Fast Gas Chromatography. Analytical Communications 1985, 34, 381–383.
2. Cramers C. A.; Janssen H.-G.; Van Deursen M. M.; Leclercq P. A. High‑Speed Gas Chromatography: An Overview of Various Concepts. Journal of Chromatography A 1999, 856, 315–329.
3. Muñoz‑Guerra J. A.; Prado P.; Vargas García‑Tenorio S. Use of Hydrogen as a Carrier Gas for the Analysis of Steroids with Anabolic Activity by Gas Chromatography–Mass Spectrometry. Journal of Chromatography A 2011, 1218, 7365–7370.
4. Agilent EI GC/MS Instrument Helium to Hydrogen Carrier Gas Conversion. User Guide. Agilent Technologies, publication number 5994‑2312EN, 2022.
5. L’Homme B.; Scholl G.; Eppe G.; Focant J.-F. Validation of a Gas Chromatography–Triple Quadrupole Mass Spectrometry Method for Confirmatory Analysis of Dioxins and Dioxin‑Like Polychlorobiphenyls in Feed Following New EU Regulation 709/2014. Journal of Chromatography A 2015, 1376, 149–158.
6. Quimby B. D.; Prest F. H. Conversion of Agilent EI GC/MSD Systems from Helium to Hydrogen Carrier Gas. Agilent Technologies presentation, 2012.
7. Lau B. P.-Y.; Sun W.-F.; Ryan J. J. Complication of Using Hydrogen as the GC Carrier Gas in Chlorinated Dibenzofuran and Dibenzodioxin GC/MS Analysis. Chemosphere 1985, 14(6/7), 799–802.