質譜儀-Mass 如何在複雜的石油化學品中快速找到生物標誌Biomarker

什麼是生物標誌Biomarker

生物標誌物 (Biomarker)是由碳、氫和其他元素（如氧、氮和硫）組成的複雜有機物，它們存於原油、瀝青、沉積岩中，常見的生物標誌物有鯨鯊烷（pristane）、三萜烷（triterpanes)、甾烷（steranes）和卟啉（porphyrin），檢測石油中的生物標誌物有助於確定石油來源以及了解石油的品質。由於石油是由許多不同的碳氫化合物組成，生物標誌物是存於石油樣品中具有特定結構的碳氫化合物，因此，分析石油樣品中的生物標誌物是十分困難的技術。本文中，我們將介紹日本電子的GCxGC系統、 PI 游離源和高解析飛行時間質譜儀，並展示此系統如何分析複雜的石油樣品，並鑑定出在碳氫化合物中的生物標誌物。

▲高解析氣相層析飛行時間質譜儀 TOF-MS

GCxGC分離系統

GCxGC熱調節器置於兩個毛細管柱之間，樣品從第一隻管柱洗脫出來會被「冷射流氣體」凝集，隨後會被「熱射流氣體」釋放進入第二隻管柱。熱射流氣體以每隔5-10秒會噴射出熱空氣約300-400毫秒，因此釋放的樣品每隔一段時間會進入第二隻管柱，將第一次co-elute的化合物分開，得到一張二維層析圖，其分離概念如圖1所示。

▲圖1 GCxGC分離概念圖(第一支管柱未分開的化合物再經第二支管柱分析)

業界首創的軟性游離源-Photoionization Source（PI）

日本電子（JEOL）的GC-TOF不僅有軟性游離源CI，還提供場電離（FI）和光電離（PI）作為游離方法的其他選擇，PI光源是輻射波長115到400 nm的氘燈，最小波長（115 nm）的能量為10.8 eV，這與一般有機化合物的最低游離能（~10 eV）非常相近，因此，PI適合分析這類型的化合物，PI離子源原理圖2如所示。JEOL的EI/PI複合離子源，可以在不破真空的情況下互相切換，使用El時，只要打開El的燈絲即可，使用PI只需關閉El燈絲並打開氘燈，十分方便。相較之下，GC-MS最常搭配的EI是一種硬性游離源，它的高能電子會使分析物產生許多碎片離子，使得El圖譜通常看不到分子離子或訊號微弱，這會使我們難以從圖譜推測化合物元素組成。

▲圖2 光游離源Photoionization Source, PI示意圖

飛行時間質量分析器

JEOL的TOF-MS為垂直加速飛行時間質譜儀（Orthogonal Accelerating TOF），工作流程為化合物從管柱分離後先被離子化，然後將離子轉移到TOF，接著使用反射器反射離子且以垂直加速離子轉移方向。使用TOF作為GC-MS檢測器存在一些挑戰，尤其當氦氣作為GC的載流氣體，與進樣的化合物相比，氦氣體積相對較大，在El游離源中，氦氣跟樣品都被游離化並一起轉移到分析器中，這些大量的氦離子會降低質譜儀的解析度，除此之外，這些氦離子也會導致檢測器元件（微通道板）快速劣化。日本電子（JEOL）的GC-TOF-MS經過創新設計，可以成功去除99.9%以上的氦離子，使樣品的離子傳輸效率最大化以提升靈敏度，也能夠使偵測器的壽命更長，JEOL AccuTOF™ GCx的離子源，離子轉移系統和離子光學系統如圖3所示。

▲圖3 離子源,離子轉移系統和離子光學系統

結果

本文利用二維GC搭配EI/PI游離源和TOFMS分析石油樣品中的生物標誌物，圖4為膽甾烷（Cholestane）和金剛烷（Adamantane）的PI質譜圖，兩者都是典型的生物標誌物，PI有效的檢測生物標誌物的分子離子。圖5和圖6為GCxGC / PI分析石油分餾產物的2D總離子層析圖，兩個樣品都有烷烴（CnH2n+2）、環烷烴（CnH2n+1）和其他經二次分離的碳氫化合物，這些化合物鑑定為CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8，其不飽和度高於烷烴和環烷烴。此外，以GCxGC一樣的層析條件搭配EI游離源分析樣品A和B，根據El資料庫結果，石油分餾A主要含有膽甾烷的多環飽和烴，石油分餾B主要含有金剛烷飽和環烴。

▲圖4 膽甾烷(Cholestane)和金剛烷(Adamantane)的PI質譜圖


▲圖5 GCxGC-PI游離源分析石油分餾A樣品總離子層析圖	▲圖6 GCxGC-PI游離源分析石油分餾B樣品總離子層析圖

圖7和圖8為六種典型生物標誌物的分子離子2D EIC圖，在樣品A鑑定出18-Norabietane、Cholestane和Hopane，樣品B鑑定出 Adamantane、Iceane和Diamantane，圖9和圖10為CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8這三類化合物的2D EIC圖，這三個系列和生物標誌物為相似化合物，由此結果可知生物標誌物和類似化合物都存於石油分餾樣品中，PI游離源可產生生物標誌物的分子離子，透過GCXGC高效分離能力搭配PI軟性游離源和高解析TOFMS，使生物標誌物在複雜樣品中辨認身份變得更加容易。


▲圖7 GCxGC-PI游離源分析石油分餾A樣品的EIC圖， 18-Norabietane、Cholestane和Hopane為樣品A生物標誌物	▲圖8 GCxGC-PI游離源分析石油分餾B樣品的EIC圖， Adamantane、Iceane和Diamantane為樣品B生物標誌物


▲圖9 GCxGC-PI游離源分析石油分餾A樣品的EIC圖，由上而下的順序為CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8	▲圖10 GCxGC-PI游離源分析石油分餾B樣品的EIC圖，由上而下的順序為CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8