包装材料中挥发性可提取物及可浸出物检测方案(气相色谱仪)

应用文章10704 引言 热线8008105118电话4006505118www.thermofisher.com仅用于研究目的。不可用于诊断目的。 ◎ 2019 Thermo Fisher Scientific Inc. 保留所有权利。所有商标均为 Thermo Fisher Scientific Inc. 及其子公司的资产，除非另有指明。 thermoscientific Q Q 挥发性可提取物及可浸出物解决方案-顶空GCMS法 作者 Xiaoteng Gong1， Dujuan Lu1， Danny Hower1， Juli-an Gulbinski1， Daniela Cavagnino2， and Cristian Cojocariu3 1SGS，Fairfield， NJ， USA 2Thermo Fisher Scientific， Milan， IT 3Thermo FisherScientific， Runcorn， UK 关键词 可提取物和可浸出物， E&L， GC-Orbitrap/MS， HRAM，阀进样，静态顶空，气相色谱(GC)，三气相色谱-质谱法(GC-MS)， 火焰离子化检测器(FID) 目标 本文使用顶空GC-MS法的对于包装材料中挥发性可提取物和可浸出物(E&L)的检测进行了方法开发及条件优化。常见的有机挥发性杂质(OVIs)在不同基质中的分配系数，相比及平衡时间得到了研究，从而对后续条件优化如：孵化温度，盐的添加量，和样品的载样体积比提供理论基础。另外，针对包装材料中OVIs 的GC-MS分析，不同的顶空进样方式的结果也进行了比较和优化。 结果表明静态顶空法的具有结构简单，方法优化便利的优点，使其非常适合于高分子聚合物包装材料的E&L研究。此外，结合ThermoFisher高性能的GC-Orbitrap/MS 高分辨质谱系统，能提供业界最高的定性定量检测能力，从而为更好地理解及表征高分子聚合材料的挥发性杂质提供坚实的依据。 医药产品在从生产线到病患的生命周期中会接触到不同的包装材料。其中与塑料和橡胶的接触几乎存在于医药产品整个生命周期中的每一个阶段：如在制造过程中使用的过滤及传输管道装置，在运输过程中保护药品的包装材料等，在给药过程中使用的注射器，输液器及吸入器等。虽然这些材料是必不可少的，以确保它们的制造和储存过程中药物的无菌性和质量，但是高分子聚合材料中的潜在危险物质有可能浸出到药品中，从而影响药品的稳定性及药理特性，从而对病患造成安全风险。这些物质，称为可提取或可浸出物(E&L)，越来越受到监管机构的重视。 鉴于E&L广泛地存在于大量医用材料中，如一次性医疗用具，包装材料，容器等；对于其中有害的E&L化合物进行溯源是非常重要的。塑料作为广泛应用的医用材料，可以包含很宽范围的可提取物和可浸出物，其来源主要是添加剂和助剂，如抗氧化剂，增塑剂，乳化剂，和着色剂等。由于这些化合物具有很宽范围的挥发性和极性，需要不同的色谱技术才能得到全面的分析结果。通常，顶空GC-MS系统主要用来分析提取和可浸出化合物(E&L)的挥发性馏分(OVIs)。由于未知组分及药品基质的复杂性，在提取和可浸出的研究中，对于检测方法的灵敏度和选择性提出了更高的挑战。本文针对OVIs的物理化学性质，进行了顶空条件的优化，有效的解决了灵敏度和选择性的问题。赛默飞新开发的Ther-mo ScientificTMTriPlusTM500顶空进样器结合基于上的ThermoScientificTMOrbitrap质谱TM技术的高分辨率(HRAM) GC-MS/FID系统，能有效的分析E&L中未知的痕量OVIs。 实验仪器： TriPlus 500顶空自动进样器Thermo Scientific TRACETM1310 GC-FID系统Q ExactiveTM GC OrbitrapTM GC-MS/MS system(图1)。其中顶空GC-FID系统用于顶空条件优化。GC-FID系统的实验条件报告于表1中。 图1. TriPlus 500自动进样器顶空耦合到TRACE GC 1310和Q Exactive GC的Orbitrap GC-MS/MS系统 表1A.TriPlus500顶空进样器的仪器条件 TriPlus 500顶空进样器操作参数 孵化温度(℃)： 80 孵化时间(min)： 30 振摇模式： 快速模式 加压模式： 压力 瓶压(kPa)： 100 压力平衡时间(min)： 0.2 定量环容量(mL)： 1 阀及定量环温度(℃)： 150 定量环压力(kPa)： 40 环平衡时间(分钟)： 1 针吹扫流量(mL/min)： 2 进样时间(min)： 1.5 进样方式： 标准 顶空瓶体积(ml)： 20 表2.Q Exactive GC的Orbitrap质谱仪参数 TRACE 1310 GC仪器参数 GC-Orbitrap/MS 参数 载气： 氦气 载气流量(mL/min)： 1 炉温程序： 速度(℃ /min) 温度(℃) 保持时间(min) 40 1 7 200 7 FID 空气流量(mL/min)： 350 氢气流量(mL/min)： 35 氮气流量(mL/min)： 40 TraceGOLDTMTG-624 色谱柱： 30 mx0.32 mm ID IMS采集模式： 全扫描或SIM 电离模式： EI 极性： 正 分辨率： 60，000 (FWHM 在 m/z 200) AGC或值： 1.00E+063 扫描范围： 35-500 m/z 250 离子源温度(℃)： 200 锁定质量离子(M/Z)： 73.04680，133.01356， 207.03235，281.05114， 355.0699 样品制备 为了增加提取效率，针对不同的样品采用不同的样品制备方法(图2)。 本实验中的样品为预填充针筒内的柱塞。o一次性注射器内橡胶制成的胶塞组件在注射液体药物时与其接触，因此可能作为污染的可能来源。 使用顶空GC-FID系统优化上述顶空方法后，使用顶空GC-Orbitrap/MS系统测试样品。由于GC-Orbitrap/MS系统能获取全扫描的高分辨质谱数据，因此不仅能用于已知化合物的定量，还能用于测试样品中未知物的鉴定。GC-Orbitrap/MS仪器参数见表2。 Thermo ScientificTMTraceFinderTM软件，并控制整个HS-GC-MS系统及采集数据。 图2.注射器胶塞样品的制备图 方法A 直接将2个胶塞放入20毫升顶空小瓶中。顶空方法法考表1，除了HS孵化温度设定为160℃。 方法B 取30个胶塞，放入装有在30mL的LC-MS级水(提取溶剂)的瓶子中。在50℃下孵化进行24小时。然后，取2nmL提取物转移到一个20毫升顶空瓶中。该提取物的量对应于两个胶塞。仪器方法参考表1。 方法C 直接将2个胶塞放入20毫升顶空小瓶中，加入2mL的LC-MS级水(提取溶剂)。仪器方法参考表1。 方法D 取30个胶塞，放入装有在30mL的LC-MS级水(提取溶剂)的瓶子中。在50℃下孵化进行24小时。称取500rmg的氯化钠(NaCI)于10mL顶空瓶中。随后转移2mL提取液至上述顶空瓶。提取液的量对应于两个胶塞。仪器方法参考表1，除了顶空瓶体积设为10 mL。 提取空白 A，B，C方法的空白直接取2 mL LC-MS级水(提取溶剂)至20 mL顶空小瓶中。D方法的空白为取500 mg NaCl和2 mLLC-MS级水(提取溶剂)于10 mL顶空小瓶中。 结果与讨论 近几年随着一次性医疗用具的普及和新型包装材料的应用，高分子聚合物的提取物及浸出物的风险也逐渐得到大家的重视。采用静态顶空GCMS技术，，i可以方便地选择性分析E&L中的挥发性馏分，而基质中的难挥发杂质不会进入分析系统，以防止可能造成的污染。 E&L分析的主要挑战涉及：样品基质的复杂性，可提取和可浸出化合物的多样性，以及很高的灵敏要求。顶空GCMS法能有效降低基质中难挥发组分对于分析的干扰。通过优化提取步骤可以进一步提高其选择性。结合高分辨率质谱系统可以同时实现对胶塞等包装材料中中发性E&L的已知物的精确定量和未知物的定性分析。 样品提取条件优化 静态顶空进样技术是基于封闭小瓶中挥发性化合物在液相(样品)，和它上方的气相(顶部空间)之间的(图3)的平衡分配过程。在平衡时，挥发性化合物的按照分配系数(K)在气相和液相中进行分配。影响K值的参数中有利于在气相的分配的关键因素有：孵化温度及顶空瓶的相比。通过优化这些参数可以增加目标物在顶空气相中的分配浓度，从而提高提取效率，增加检测方法的灵敏度。 本文通过对各参数进行优化发现，对于检测灵敏度增益最显著的因素是：改进基质及减小相比。一种改进基质的常见的方法是添加无机盐。结果表明，加入NaCI能显著的增加挥发性E&L的检测灵敏度。减沙相比可以通过使用10mL顶空小瓶代替20mL顶空小瓶来实现。如图4所示，相比标准样品制备方法B，通过加入NaCI和减小顶空瓶体积的优化方法D得到的FID色谱图峰高增加明显。 比较方法D与空白溶液样品的GC-FID谱图，一些峰可以归因于盐或水中的杂质，因此不认为是可提取物(图5)。所有的提取方法中，方法C的提取效率最低。 鉴定商业库中不存在的化合物一直是质谱分析的一个难点，需要丰富的经验和大量的实验才能得到准确的结果。得益于GC-Orbitrap/MS提供的高精度质谱全扫描数据，通过未知物质谱碎片的精确质量，可以确认它们的化学组成，从而阐明未知化合物的化学结构。此外高精度的同位素峰匹配也能为确定未知物的元素组成提供坚实的依据。 通过顶空方法的优化，有效的提高了方法灵敏度能够有效鉴别图6中的8个提取物峰。 图5.提取空白谱图。RT 20.8，22.68，23.02，25.86的峰不被认为是可提取物。 图6. HS-HRAM GC-MS色谱图(TIC， EI全扫描)提取方法D(底部)提取方法B(上) 如果想检测胶塞样品中更多的提取物可能需要使用更强的提取条件。如方法A采用的干燥直接顶空法，可以将孵化温度提高到160℃，能在顶空气中检测出更多的挥发性杂质，对样品的可提取轮廓有更深入的了解。如图7所示，水提取法(方法D)和干燥顶部法(方法A)的MS图谱的比较可以看出，干燥顶空法中可以明显看到1-异丙烯基2，2，4，4-四甲基 环己烷(CH)的峰，其来源为异戊二烯和异丁烯的共聚低聚物。由于其疏水性结构，它未在上述水提取法(方法D)中得到检出。通过对分子离子和碎片离子的精确质量信息，，可以获得该化合物的可靠结构组成(图8)。 NLL： 8.12E7 图7.水提取法(方法D)和干燥顶部法(方法A)的MS图谱的比较HS-HRAM GC-MS色谱图。 图8.低聚物1-异丙烯2，2，4，4-四甲基环己烷(CH)的高分辨质谱图。表格里为各碎片的精确质量、元素组成和理论质量偏差(PPM)。 对未知化合物鉴定主要基于低分辨谱库检索，高分辨离子碎片组成，和保留时间指数。此外还可以结合化学电离源CI实验，进一步获取更多质谱信息。 如表3所示，几乎所有鉴定的化合物其碎片的精确质量数偏差均在1ppm左右。 结论 本文提供了一种包装材料E&L中挥发性组分分析的终极解决方案：TriPlus 500顶空进样器结合GC-Orbitrap/MS静电场轨道阱质谱仪和TraceFinder软件，适用于提取，定量分析，和复杂样品中未知峰鉴定。 •开发了一种高效、耐用的静态顶空方法。优化了孵化温度，基质组成，和相比，显著的提高了灵敏度和低浓度化合物的定性准确度。 ●通过顶空GC-FID对方法进行优化，通过加入氯化钠，采用较小体积的顶空小瓶能显著的增加检测灵敏度。水提取被发现是最有效的提取方式，干燥直接顶空法能将孵化温度提高到160℃，显著的提升了未知化合物的峰的个数及灵敏度。 ·GC-Orbitrap/MS系统高达60，000 FWHM的高质量分辨率结合强大的GC色谱分离使其成为复杂样品的分析的理想平台。低达1ppm的质量准确度和ppb级的高灵敏度，使得其能对低浓度的未知物进行鉴定。结合NIST的El低分辨谱库检索和保留指数进一步提高了未知物鉴定的准确度。 ( 1. K o l b， B. ； Ett re ， L. S. S ta t i c Hea d s pa ce -Ga s C hr o mat o gra phy： Theo r y and Pr actice.W i l ey- V CH ， H o boken， N Y ， 199 7 . ) ( 2 .K u ntz， I . ； P o w e rs， K. W .； H su， C . S . ； R o se， K. D. C y c lic olig o m e r for matio ni n the co polym er iz ation o f iso p r e n e wi t h i sobutyl e ne . Mak r o mo l . Ch e m . ， M a-cro m ol. S y m p. 13/ 1 4， 337-36 2 (198 8 ) . ) 鉴定的化合物 化学式 RT (min) 基峰或 质量精度的 质量Accuracy 分子离子峰 Am(MDA) (PPM) 戊醛 CHO 10.37 58.04135 -0.03 0.58 己醛 CHO 13.14 82.07763 0.07 -0.88 4-甲基-2-己酮 CHO 15.64 114.10399 -0.07 0.64 三溴甲烷 CHBr. 15.86 172.84187 0.04 -0.20 3，5，5-三甲基己醛 CH180 17.14 142.13538 -0.16 1.15 环己烷酸异丙基酯 C.HO， 17.45 129.09096 0.05 -0.36 2-辛酮 CH0 18.18 128.11970 -0.13 1.04 1-异丙烯2，2，4，4-四甲基环己烷 C1H24 21.96 180.18732 -0.07 0.38 本文使用顶空GC-MS法的对于包装材料中挥发性可提取物和可浸出物 （E&L）的检测进行了方法开发及条件优化。常见的有机挥发性杂质 （OVIs）在不同基质中的分配系数，相比及平衡时间得到了研究，从而 对后续条件优化如：孵化温度，盐的添加量，和样品的载样体积比提供 理论基础。另外，针对包装材料中OVIs 的GC-MS分析，不同的顶空进样 方式的结果也进行了比较和优化。 结果表明静态顶空法的具有结构简单，方法优化便利的优点，使其非常 适合于高分子聚合物包装材料的E&L研究。此外，结合ThermoFisher高性 能的GC-Orbitrap/MS 高分辨质谱系统，能提供业界最gao的定性定量检测 能力，从而为更好地理解及表征高分子聚合材料的挥发性杂质提供坚实 的依据。