DBDI-ionisatie als brug tussen GC en LC-MS Pesticidenanalyse zonder compromissen: 687 pesticiden in 15 minuten

Een gastbijdrage van Petra Romero, productmarketingspecialist bij Plasmion GmbH, en Ciara Conway, promovendus (TU München) en R&D-applicatiespecialist bij Plasmion GmbH, en | Vertaald door AI 6 min Leestijd

Klassieke GC-MS-methoden stoten bij complexe matrices en steeds grotere lijsten van verbindingen op hun grenzen. Een op DBDI gebaseerde ionenbron genereert intacte molecuulionen in plaats van fragmenten en maakt daarmee de weg vrij voor eenvoudigere workflows, MS/MS-bevestiging en gedeelde spectrumbibliotheken met LC-MS/MS.

Afb. 1: Fungiciden, herbiciden, insecticiden ... Jaarlijks komen er alleen al op de Duitse akkers tienduizenden tonnen pesticiden (gewasbeschermingsmiddelen) terecht. En daarmee mogelijk ook in ons voedsel. Een uitgebreide analyse is daarom essentieel met het oog op de bescherming van de consument. (Symbolische afbeelding)(Bild:  © Dusan Kostic – stock.adobe.com)
Afb. 1: Fungiciden, herbiciden, insecticiden ... Jaarlijks komen er alleen al op de Duitse akkers tienduizenden tonnen pesticiden (gewasbeschermingsmiddelen) terecht. En daarmee mogelijk ook in ons voedsel. Een uitgebreide analyse is daarom essentieel met het oog op de bescherming van de consument. (Symbolische afbeelding)
(Bild: © Dusan Kostic – stock.adobe.com)

Gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) behoort al decennia lang tot het standaardarsenaal van de analyse van residuen van bestrijdingsmiddelen. De sterke punten ervan zijn bekend: hoog scheidingsvermogen, reproduceerbaarheid, robuuste kwantificering en een uitgebreide gegevensbasis dankzij gevestigde spectrumbibliotheken. Waar minder over wordt gesproken, is wat de gangbare ionisatiemethode – de elektronenstootionisatie (EI) – daarbij systematisch verhindert.

Wanneer fragmentspectra niet meer volstaan

Bij EI-ionisatie worden analytmoleculen blootgesteld aan hoogenergetische elektronen. Het resultaat is uitgebreide fragmentatie: het intacte molecuulion wordt vernietigd, terwijl er een patroon van 10 tot 20 fragmentpieken in het lage massabereik overblijft. In zuivere matrices bij hoge concentraties is dit voldoende. In echte monsters, zoals bijvoorbeeld voedselextracten, milieumatrices en complexe landbouwmaterialen, concurreren deze fragmentionen met matrixsignalen in dezelfde spectrale gebieden.

De gevolgen: meer handmatig werk bij de piekidentificatie, beperkte selectiviteit bij sporenconcentraties die dicht bij de maximale residulimiet (MRL) liggen. Wat het nog moeilijker maakt, is dat regelgevende voorschriften voor bepaalde stoffen ten minste twee identificatiepunten vereisen – bij GC-EI naast het chromatogram doorgaans via karakteristieke fragmentionen in de Selected Ion Monitoring (SIM)-modus. Als de SIM-modus niet mogelijk of eenduidig is, is een tweede meetcyclus op een LC-MS/MS-platform (vloeistofchromatografie-massaspectrometrie) noodzakelijk: met een herhaalde, vaak tijdrovende aanpassing van de monstervoorbereiding – en voor vluchtige of thermolabiele analyten soms zonder bruikbaar resultaat, omdat deze onder de electrospray-ionisatie (ESI)-omstandigheden die normaal gesproken bij LC-MS horen, simpelweg niet kunnen worden geïoniseerd.

Het resultaat: twee afzonderlijke apparaatecosystemen, twee formaten voor spectrale bibliotheken en twee pijplijnen voor methodologieontwikkeling – met dubbele inspanningen op het gebied van aanschaf, onderhoud en opleiding.

Zachte ionisatie als brug tussen GC en LC

Precies hier komt een op DBDI gebaseerde ionenbron om de hoek kijken. DBDI staat voor diëlektrische barrièreontlading – een ionisatieprincipe dat analyten zacht ioniseert en ze daardoor minder fragmenteert. Het resultaat zijn spectra die worden gedomineerd door intacte molecuul- en quasi-molecuulionen: voornamelijk [M+H]⁺ en [M]⁺. Terwijl EI de signaalintensiteit verdeelt over 10 tot 20 fragmentpieken, concentreert de DBDI-ionenbron het signaal in één of twee dominante ionensoorten.

Fig. 2: Vergelijking van de MS¹-spectra voor diazinon: klassieke EI-ionisatie (links) versus DBDI-ionenbron (rechts). Terwijl EI een sterk gefragmenteerd spectrum met meer dan 20 concurrerende pieken oplevert, domineert bij de DBDI-ionenbron het intacte [M+H]⁺-ion.(Bild:  Plasmion GmbH)
Fig. 2: Vergelijking van de MS¹-spectra voor diazinon: klassieke EI-ionisatie (links) versus DBDI-ionenbron (rechts). Terwijl EI een sterk gefragmenteerd spectrum met meer dan 20 concurrerende pieken oplevert, domineert bij de DBDI-ionenbron het intacte [M+H]⁺-ion.
(Bild: Plasmion GmbH)

Plasmion heeft deze technologie onder de naam Sicrit op de markt gebracht. Een doorslaggevend architectonisch voordeel: via speciale koppelingsmodules kan dezelfde ionenbron naar keuze een GC- of een LC-scheiding koppelen aan dezelfde massaspectrometer. GC- en LC-metingen vinden nog steeds plaats als afzonderlijke runs, maar maken gebruik van dezelfde ionenchemie, dezelfde spectrale bibliotheek en dezelfde validatieworkflow. Bovendien kan de ionenbron zowel polaire als niet-polaire componenten ioniseren en maakt daarmee de traditionele scheiding tussen GC- en LC-gebaseerde analyse enigszins ongedaan. Het systeem is daarbij niet gebonden aan een bepaalde fabrikant, maar kan worden gecombineerd met alle in de handel verkrijgbare chromatografiesystemen (GC, LC, SFC) en een massaspectrometer bij atmosferische druk.

Wat is een DBDI-ionenbron?

DBDI staat voor diëlektrische barrièreontlading: Een wisselspanning wekt een koud plasma op, waar analytten na de chromatografische scheiding doorheen worden geleid. De ladingsoverdracht vindt plaats zonder direct contact – het molecuul blijft intact, er ontstaan voornamelijk [M+H]⁺-soorten in plaats van fragmentatiespectra. 
 
Sicrit maakt gebruik van dit principe als doorstroom-ionenbron: de bron wordt direct op de inlaat van de MS gemonteerd; monsters worden op weg naar de MS geïoniseerd. Via speciale koppelingsmodules kan dezelfde ionenbron naar keuze worden gekoppeld aan een GC of een LC – op dezelfde massaspectrometer bij atmosferische druk, met dezelfde ionenchemie en spectrumbibliotheek.

Wettelijk vastgestelde detectielimieten in de full-scan-modus

Dat de ionenbron intacte molecuulionen levert en met beide scheidingsplatforms kan worden gecombineerd, vormt de technische basis – de doorslaggevende vraag voor laboratoriumtoepassingen is echter: is de gevoeligheid voldoende voor wettelijk relevante detectielimieten (LOD’s)? LOD’s voor pesticiden moeten de maximale EU-norm van 10 ppb halen of daaronder liggen, idealiter zonder afhankelijk te zijn van doelgerichte acquisitiemodi zoals SIM of Multiple Reaction Monitoring (MRM).

In een onderzoek met een GC-DBDI-LC-QTOF-opstelling werden 74 bestrijdingsmiddelen uit drie multiresidustandarden geanalyseerd over een vijfpuntskalibratiebereik van 1 ppb tot 1 ppm. De LOD's werden berekend volgens de methodiek van de Europese Commissie (3,9 × Sb / helling; Sb = standaardafwijking). Alle metingen werden uitgevoerd in de Full-Scan-MS¹-modus – geen SIM, geen MRM, geen verbindingsspecifieke optimalisatie.

Schrijf u nu in op de nieuwsbrief

Mis onze beste inhoud niet

Door op 'Abonneren op nieuwsbrief' te klikken, geef ik toestemming voor de verwerking en het gebruik van mijn gegevens in overeenstemming met het toestemmingsformulier (voor details uitvouwen) en accepteer ik de Tgebruiksvoorwaarden. Raadpleeg ons Privacybeleid voor meer informatie. De toestemmingsverklaring heeft met name betrekking op het verzenden van redactionele nieuwsbrieven per e-mail en op de combinatie van gegevens voor marketingdoeleinden met geselecteerde advertentiepartners (bijvoorbeeld LinkedIn, Google, Meta).

Vouw uit voor details over uw toestemming
Fig. 3: LOD-verdeling voor 74 pesticiden op een logaritmische schaal (log₁₀). De referentielijnen geven de EU-standaard MRL-drempelwaarde (10 ppb), 100 ppt en 10 ppt aan. Alle metingen zijn uitgevoerd in de Full-Scan MS¹-modus.(Bild:  Plasmion GmbH)
Fig. 3: LOD-verdeling voor 74 pesticiden op een logaritmische schaal (log₁₀). De referentielijnen geven de EU-standaard MRL-drempelwaarde (10 ppb), 100 ppt en 10 ppt aan. Alle metingen zijn uitgevoerd in de Full-Scan MS¹-modus.
(Bild: Plasmion GmbH)

Het resultaat: 70 van de 74 verbindingen bereikten LOD’s die onder de EU-standaardmaximumwaarde van 10 ppb lagen. De kalibratiecurven vertoonden voor alle drie de standaarden een sterke lineariteit. Het bereiken van wettelijk relevante detectielimieten in een niet-gerichte full-scan-modus is geen sinecure: dit toont het optimalisatiepotentieel van deze methode aan voor gericht gebruik met andere modi (SIM, MRM) of, meer in het algemeen, op triple-quadrupol-systemen (MRM).

MS/MS-bevestiging rechtstreeks uit de GC-run

Voldoende gevoeligheid is de eerste voorwaarde voor toepassing in regelgevende context – de tweede is de onbetwistbare identificatie van een treffer. Juist hier komt nog een voordeel van intacte precursorionen naar voren: Met een dominant [M+H]⁺-voorloperion wordt de bevestigingsworkflow aanzienlijk vereenvoudigd. Data-Driven Acquisition (DDA) kan automatisch Collision-Induced Dissociation (CID)-fragmentatie activeren voor verbindingen die van belang zijn. De resulterende MS²-spectra ontstaan uit een duidelijk gedefinieerd precursorion bij gecontroleerde botsingsenergieën – hetzelfde experimentele kader als bij LC-MS/MS-bevestiging.

Fig. 4: GC-DBDI MS²-spectrum voor diazinon, gesuperponeerd met het Shimadzu LC-MS/MS-bibliotheekrecord. De juiste verbinding werd geïdentificeerd als de beste treffer.(Bild:  Plasmion GmbH)
Fig. 4: GC-DBDI MS²-spectrum voor diazinon, gesuperponeerd met het Shimadzu LC-MS/MS-bibliotheekrecord. De juiste verbinding werd geïdentificeerd als de beste treffer.
(Bild: Plasmion GmbH)

Aangezien de gegenereerde precursorionen chemisch equivalent zijn aan die welke door ESI worden gegenereerd, kunnen MS²-spectra uit GC-DBDI-metingen direct worden vergeleken met bestaande LC-MS/MS-spectrumbibliotheken – zonder vertaling of aanpassing. Voor diazinon kwam het MS²-spectrum bijvoorbeeld overeen met de Shimadzu LC-MS/MS-bibliotheekvermelding als beste treffer.

Afdekking van het scheikundelokaal

Nadat de gevoeligheid en reproduceerbaarheid op een kleinere reeks verbindingen waren aangetoond, rees de vraag in hoeverre deze aanpak kan worden opgeschaald – en hoeveel van de relevante verbindingsruimte een enkele methode überhaupt kan bestrijken. GC- en LC-methoden hebben deze ruimte traditioneel op basis van chemische eigenschappen verdeeld: vluchtige en halfvluchtige niet-polaire verbindingen voor GC, polaire en thermolabiele verbindingen voor LC. Veel lijsten met bestrijdingsmiddelen bevatten verbindingen uit beide categorieën – en geen enkel conventioneel platform dekt beide.

Fig. 5: Gelijktijdige GC-DBDI-MS-analyse van 687 bestrijdingsmiddelen (voor GC en LC geschikte verbindingsklassen) in één matrix. Looptijd 15 min met waterstof als draaggas. De LOD's voldoen aan de EU-MRL-eisen (< 10 ppb).(Bild:  Plasmion GmbH)
Fig. 5: Gelijktijdige GC-DBDI-MS-analyse van 687 bestrijdingsmiddelen (voor GC en LC geschikte verbindingsklassen) in één matrix. Looptijd 15 min met waterstof als draaggas. De LOD's voldoen aan de EU-MRL-eisen (< 10 ppb).
(Bild: Plasmion GmbH)

Deze vraag is onder meer onderzocht in een studie die in het kader van een promotieproject aan de Technische Universiteit München is uitgevoerd met dezelfde GC-DBDI-LC-QTOF-opstelling. Daarbij werden 687 bestrijdingsmiddelen – zowel voor GC als voor LC geschikte verbindingsklassen – geanalyseerd, waarvan in een eerste poging zonder optimalisatie al 99,1% kon worden gedetecteerd. Opmerkelijk: ook de verbindingen die traditioneel geschikt zijn voor LC werden daarbij zonder enige derivatisering via de GC-scheiding gemeten – mogelijk omdat de DBDI-ionisatie niet beperkt is tot polaire of niet-polaire analyten. Het lineaire dynamische bereik overschreed drie ordes van grootte en de gevoeligheid voldeed aan de EU-MRL-drempelwaarden voor alle gedetecteerde verbindingen. Het gebruik van waterstof in plaats van helium als draaggas verkortte de looptijd met ongeveer 40 % tot 15 minuten – bij dezelfde chromatografische resolutie en zonder negatieve effecten op de MS-prestaties of de kwaliteit van de spectra.

Wat dit betekent voor het dagelijkse werk in het laboratorium

De analytische voordelen hebben een directe invloed op de infrastructuur. Een conventioneel laboratorium dat GC-MS en LC-MS als afzonderlijke platforms gebruikt, onderhoudt twee onafhankelijke apparatuursystemen: twee massaspectrometers, twee ionisatiebronnen, twee formaten voor spectrale bibliotheken en twee pijplijnen voor methodeontwikkeling.

Afb. 6: Shimadzu Nexis GC-2030, Sicrit GC-module & Shimadzu LC 9030 QTOF.(Bild:  Shimadzu Duitsland)
Afb. 6: Shimadzu Nexis GC-2030, Sicrit GC-module & Shimadzu LC 9030 QTOF.
(Bild: Shimadzu Duitsland)

Met een gemeenschappelijke ionenbron voor GC en LC delen beide scheidingsmethoden dezelfde ionenchemie, dezelfde spectrumbibliotheek en dezelfde validatieworkflow. GC-EI en LC-ESI worden hierdoor niet overbodig – er zullen nog steeds toepassingen zijn die specifiek EI-fragmentpatronen nodig hebben voor identificatie, of ESI voor verbindingen die niet geschikt zijn voor GC-scheiding. Wat er nu ontstaat, is een derde categorie: toepassingen waarbij één enkele ionisatiemethode beide verbindingen op één uniform MS-platform bestrijkt.

Juist voor deze derde categorie neemt de in het begin beschreven inspanning op het gebied van infrastructuur en processen merkbaar af: één in plaats van twee apparaatplatforms, één gezamenlijke spectrumbibliotheek, minder dubbel werk bij de ontwikkeling van methoden en minder onderhouds- en opleidingskosten.

Conclusie

Zachte ionisatie in combinatie met GC verandert niet alleen de kwaliteit van de spectra – het schept ook de voorwaarden voor een fundamenteel andere analyseworkflow. De op DBDI gebaseerde ionenbron genereert spectra die worden gedomineerd door intacte molecuul- en quasi-molecuulionen, met detectielimieten die voor veel stoffen zelfs die van bestaande GC-MS-methoden overtreffen, en maakt MS/MS-bevestiging mogelijk via directe vergelijking met LC-MS/MS-bibliotheken. Voor laboratoria die GC-MS en LC-MS tot nu toe als gescheiden werelden hebben gehanteerd, biedt DBDI daarmee een manier om deze scheiding op te heffen, zonder in te boeten aan de analytische diepgang van een van beide methoden.