Page 1
30.01.2018
1
ANALIZA INSTRUMENTALNA MATERIAŁU BIOLOGICZNEGO
Materiał biologiczny pochodzenia ludzkiego, zwierzęcego bądź
roślinnego zwany jest w kryminalistyce śladem biologicznym. W
praktyce kryminalistycznej ślady biologiczne można podzielić na
trzy grupy:
- pochodzenia tkankowego - np. krew, paznokcie, włosy,
zęby, kości, fragmenty roślin
- wydzieliny - ślina, nasienie, wydzielina łojowa, wydzielina
pochwowa, pot
- wydaliny - kał, mocz, wymiociny, smółka płodowa.
ANALIZA INSTRUMENTALNA MATERIAŁU BIOLOGICZNEGO
Spośród wielu zadań, dla chemików sądowych
najważniejszym jest analiza i identyfikacja różnego rodzaju
śladów znalezionych na miejscu przestępstwa oraz
zabezpieczonych materiałów dowodowych oraz analiza
materiału dowodowego pod kątem obecności substancji
toksycznych zagrażających zdrowiu i życiu człowieka, takich
jak: narkotyki, leki psychotropowe, alkohol, metale ciężkie i
inne toksyny organiczne i nieorganiczne.
ANALIZA INSTRUMENTALNA MATERIAŁU BIOLOGICZNEGO
1. Ocena zawartości kannabinoidów wybranych odmian konopi Cannabis sativa L/w
materiale biologicznym (GC-MS)
2. Oznaczanie zawartości kwasu benzoesowego w napojach (HPLC-UV)
3. Oznaczanie skażeń związkami chlorowcopochodnymi (GC-ECD)
4. Identyfikacja sterydów anabolicznych w próbkach biologicznych/Analiza produktów
alkoholowych na zawartość metanolu (GC-FID)
Metody chromatograficzne (rozdzielcze)
w analizie materiału biologicznego
(GC, HPLC)
Page 2
30.01.2018
2
Chromatografia jest fizykochemiczną metodą rozdzielania
składników jednorodnych mieszanin w wyniku ich
różnego podziału między fazę ruchomą i nieruchomą
układu chromatograficznego.
Fazą ruchomą może być gaz, ciecz lub płyn w stanie
nadkrytycznym, a fazą nieruchomą (stacjonarną) - ciało
stałe lub ciecz.
Klasyfikacja technik chromatograficznych
Chromatografia cienkowarstwowa (TLC)
Page 3
30.01.2018
3
Chromatografia kolumnowa
Przykładowe rodzaje metod chromatograficznych• Chromatografia cienkowarstwowa (TLC)
• Ekstrakcja z fazy stałej (SPE)
• Chromatografia gazowa (GC)
• Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC)
• Elektroforeza kapilarna (CE)
To też jest technika chromatograficzna…
• dozowanie próbki
• rozdział składników
• detekcja rozdzielonych składników
detektor
Każdy proces chromatograficzny składa się
z trzech etapów
Page 4
30.01.2018
4
Wynikiem rozdziału chromatograficznego jest
chromatogram
Wysokosprawna (wysokociśnieniowa)
chromatografia cieczowa (HPLC)
HPLC
Page 5
30.01.2018
5
HPLC
Zestaw do wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej
Od prawej: komputer sterujący aparatem i rejestrujący dane, pompa z
zaworem dozującym, kolumna wewnątrz termostatu i różnego rodzaju
detektory rozdzielanych substancji, np. UV-vis, fluorescencyjny, MS-MS.
HPLC - rozdział składników
Kolumny chromatograficzne
Page 6
30.01.2018
6
Żel krzemionkowy
Faza normalna Faza odwrócona
HPLC – dozowanie próbki
HPLC - detekcja składników
Page 7
30.01.2018
7
Przykładowy chromatogram
uzyskany metodą HPLC
(detektor fluorescencyjny)
HPLC - detekcja składników
Chromatografia gazowa - GC
Chromatografia gazowa - GC
Page 8
30.01.2018
8
Air
Hy
dro
ge
n
Ga
s C
arrie
r
H
RESET
Chromatografia gazowa - GC
Page 9
30.01.2018
9
GC – dozowanie próbki
Kolumna
Kolumny kapilarne stosowane w chromatografii gazowej
Page 10
30.01.2018
10
Przekroje kolumn do
GC w powiększeniu
Fazy stacjonarne w kolumnach kapilarnych
Najbardziej znanym typem faz stacjonarnych są polisiloksany. Każdy atom krzemu
w łańcuchu zawiera dwie grupy funkcyjne. Typ i ilość grup decyduje o
właściwościach fazy stacjonarnej, a tym samym kolumny.
Poli(35% - difenylo- 65% dimetylosiloksan)
Poli(dimetylosiloksan)
GC - detekcja składników - FID GC - detekcja składników - ECD
Węglowodory 1
Etery, estry 10
Alifatyczne alkohole, ketony, aminy,
związki mono Cl, i mono F 100
Związki mono Br, di Cl, I, di F 1000
Anhydrydy i związki tri Cl 10000
Związki mono I, di Br, poli Cl i poli F 100000
Związki di I, tri Br, i poli F 1000000
Względna czułość detektora wychwytuelektronów (ECD) w stosunku do różnychzwiązków organiznych
Page 11
30.01.2018
11
Kiedy w gazie nośnym pojawia się inna
substancja , właściwości chłodzące gazu
nośnego się zmieniają. Generuje to
powstawanie sygnału w detektorze
Drut oporowy wewnątrz detektora
jest chłodzony przez przepływający
gaz nośny
Flo
w
Flo
w
GC - detekcja składników - TCD
Uniwersalny detektor cieplno-przewodnościowy (TCD)
Chromatogram GC składników soku z pomarańczy
Wpływ warunków termicznych na rozdział w GC
(a) izotermiczny w 45oC
(b) izotermiczny w 145oC
(c) programowany w 30oC
do 180oC
Warunki rozdziału:
Techniki łączone
Page 12
30.01.2018
12
Zastosowanie instrumentalnych technik analitycznych do
detekcji w chromatografii gazowej i HPLC
(techniki łączone)
Chromatograf
Spektrometr mas - HPLC-MS, GC-MS
Spektrometr podczerwieni - HPLC-IR, GC-IR
Spektrometr absorpcji atomowej - HPLC-AAS, GC-AAS
Jądrowy rezonans magnetyczny - HPLC-NMR, GC-NMR
Techniki instrumentalne nie tylko wykrywają obecność substancji, ale
również dokonują jej analizy, przez co potwierdzają autentyczność mierzonej
substancji w danym szczycie sygnału.
Chromatografia gazowa sprzężona ze spektometrią mas
Chromatografia gazowa sprzężona ze spektometrią mas
- Detektor wykonuje co sekundę widmo masowe (skan) wycieku z kolumny.
- Analizowane są jony o masach większych niż jony gazu nośnego.
- Każda substancja ma charakterystyczne dla siebie widmo mas.
Page 13
30.01.2018
13
Spektometria mas
Chromatografia gazowa sprzężona ze spektometrią mas
Zasada działania spektrometru masowego
Page 14
30.01.2018
14
Widmo masowe pochodnej metylowej (B) i metylowo-sililowej (A) kwasu indolilo-3-
octowego (IAA) oraz (po prawej) - najintensywniejsze jony danego widma.
A jak zinterpretować obecność w widmie jonów o m/z = 189 i 261?
Interpretacja obecności w widmie jonów o m/z = 189 i 261
Masa cz. IAA = 175
Reszta Me = 15
Reszta TMS = 73
Masa cz. H = 1
IAA + TMS + Me – 2H = 261
IAA + Me - H = 189
Page 15
30.01.2018
15
Oznaczanie IAA w próbce ekstraktu z pożywki pohodowlanej bakterii
wykonane techniką MS-Full scan i MS-SIR
Dodatkowe zalety detektora ze spektrometrem mas
Wytwarzanie lotnych pochodnych
(derywatyzacja)
Wytwarzanie lotnych pochodnych związków organicznych
Aby możliwa była analiza GC substancji organicznych należy przeprowadzić je w
stan gazowy. Jednakże ogromna większość z tych substancji to ciała stałe o wysokiej
temperaturze wrzenia. Nielotność tych substancji wywołana jest złożonością budowy
(wysoka masa cząsteczkowa) i w dużej mierze obecnością w cząsteczkach polarnych
grup funkcyjnych: –COOH, –NH2, –SH2, –OH. Zablokowanie tych grup wydatnie
obniża temperaturę wrzenia i zwiększa trwałość związków organicznych.
Metody blokowania grup funkcyjnych:
- pochodne TMS (sililowe)
OH
O
OH
OHHO
CH2OH
1
23
4
5
6
+ Si
CH3
CH3
CH3
5 Cl
O-Si(CH3)3
(CH3)3-Si-O
O
O-Si(CH3)3
CH2O-Si(CH3)3
1
23
45
6
5HCl+
Glukoza Trimetylochlorosilan
(TMS-Cl)
O-Si(CH3)3
Page 16
30.01.2018
16
- uzyskiwanie pochodnych acetylowych (acylowych)
Bezwodnik kwasu
octowego
+
+
- uzyskiwanie pochodnych sililowych
R C OH CH3OH H 2SO4
O
R C O CH3
O
CH2 O C R
CH O C R
CH2 O C R
O
O
O
CH3OH
O
R C O CH3
CH3ONa
Kwasy tłuszczowe (nielotne)Reflux
+ 3
+ +
- pochodne (estry) alkilowe
RCOOH + R2OH RCOOR2
RCOOH + CH2N2 RCOOCH3 + N2
reakcja z diazometanem
Lotna pochodna
Tłuszcze
Lotna pochodna
(biopaliwo!)
Analizy jakościowa i ilościowa
w GC i HPLC
Podstawy analizy jakościowej i ilościowej w GC i HPLC
Czas, w którym substancja przechodzi przez kolumnę nazywany jest
czasem retencji (tR). Czas retencji przypisany jest pikowi
odpowiadającemu danej substancji. Jest to więc podstawowy
parametr identyfikujący substancję w analizie GC i HPLC.
Page 17
30.01.2018
17
Res
ponse
GC Retention Time on Carbowax-20 (min)
Chromatogram mieszaniny
węglowodorów
Heksan
Oktan Dekan1.6 min = tR
Res
ponse
Badana próbka Wykryta
substancja może być heksanem
1.6 min = tR
Retention Time on Carbowax-20 (min)
Podstawy analizy jakościowej i ilościowej w GC i HPLC
Analiza jakościowa
Identyfikacja substancji na podstawie czasu retencji
Od
pow
ied
ź d
etek
tora
Stężenie próby (mg/litr)
2
4
6
8
10
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Pow
ierz
chn
ia p
iku
1 m
g/l
itr
2 m
g/l
itr
3 m
g/l
itr
Podstawy analizy jakościowej i ilościowej w GC i HPLC
Analiza ilościowa
- wyznaczanie stężenia substancji na podstawie krzywej wzorcowej
- Wyznaczanie stężenia substancji na podstawie wzorca wewnętrznego
- Wyznaczanie stężenia substancji na podstawie znakowanego wzorca
wewnętrznego (w GC-MS)
• Specyficzna odmiana techniki dodatku wzorca. Specyficzność ta polega na tym,
iż w tym przypadku dodawaną substancją jest znana ilość związku, który
różni się od analitu jedynie składem izotopowym
• W trakcie analizy ilościowej wyznaczane są stosunki sygnałów dla
odpowiednich jonów masowych (co najmniej dwóch) uzyskanych w trakcie
analizy próbki rzeczywistej, próbki wzorca oraz próbki rzeczywistej z
dodatkiem wzorca
• Do określenia zawartości analitu w badanej próbce potrzebna jest jedynie
znajomość ilości izotopowo znaczonego analitu dodanego do próbki
Technika rozcieńczenia izotopowego w GC-MS
12.05 12.10 12.15 12.20 12.25 12.30 12.35 12.40 12.45 12.50 12.55 12.60Time0
100
%
0
100
%
0
100
%
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 227.002.56e6
12.10
12.5712.25
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 224.002.34e6
12.13
12.60
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ TIC
8.61e612.10
12.13
12.25
12.44
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Chromatogram JA-Me, d3-JA-Me, H2JA-Me z użyciem techniki SIM. A – analiza jonu o m/z 227
Th; B – analiza jonu o m/z 224 Th; C – analiza sumy jonów o m/z 151,153,224,226 i 227 Th.
wzorzec wewnętrzny
analit
can=powan/powwz x cwz
x wsp
Page 18
30.01.2018
18
12.05 12.10 12.15 12.20 12.25 12.30 12.35 12.40 12.45 12.50 12.55 12.60Time0
100
%
0
100
%
0
100
%
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 227.002.56e6
12.10
12.5712.25
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 224.002.34e6
12.13
12.60
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ TIC
8.61e612.10
12.13
12.25
12.44
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Chromatogram JA-Me, d3-JA-Me, H2JA-Me z użyciem techniki SIM. A – analiza jonu o m/z 227
Th; B – analiza jonu o m/z 224 Th; C – analiza sumy jonów o m/z 151,153,224,226 i 227 Th.
wzorzec wewnętrzny
analit
can=powan/powwz x cwz
x wsp
12.05 12.10 12.15 12.20 12.25 12.30 12.35 12.40 12.45 12.50 12.55 12.60Time0
100
%
0
100
%
0
100
%
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 227.002.56e6
12.10
12.5712.25
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 224.002.34e6
12.13
12.60
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ TIC
8.61e612.10
12.13
12.25
12.44
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Chromatogram JA-Me, d3-JA-Me, H2JA-Me z użyciem techniki SIM. A – analiza jonu o m/z 227
Th; B – analiza jonu o m/z 224 Th; C – analiza sumy jonów o m/z 151,153,224,226 i 227 Th.
wzorzec wewnętrzny
analit
can=powan/powwz x cwz
x wsp
1 ng d3JM 1ul (550 V, rep 6)
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 3000
100
%
0
100
%
Jas 179 761 (11.271) Cm (758:764-(664:699+883:922)) SIR of 5 Channels EI+ 6.11e5151
224
153 226
Jas 181 734 (11.226) Cm (729:737-(626:646+801:864)) SIR of 5 Channels EI+ 7.89e4151
227
153
226
Porównanie intensywności wybranych jonów (m/z 151, 153, 224, 226, 227) estru metylowego
kwasu jasmonowego (JA-Me) (A) oraz standardu wewnętrznego d3JA-Me (B)
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Zastosowania techniki GC/MS
• Analiza składu mieszanin poreakcyjnych
• Analiza produktów naturalnych (np. olejki zapachowe)
• Badania reakcji chemicznych w fazie gazowej
• Identyfikacja zanieczyszczeń w lekach, kosmetykach,
artykułach pożywczych itp.
• Analizy antydopingowe
• Analizy kryminalistyczne (np. identyfikacja producentów
narkotyków)
• Analizy zanieczyszczeń środowiska
Page 19
30.01.2018
19
Typowy schemat
przygotowania próbki
do analizy GC i LC