Application of Solid Phase 

Microextraction -Gas 

Chromatography - Mass 

Spectrometry in  Flavor Research

 

David B. Min

Department of Food Science and 

Technology

The Ohio State University

Columbus, Ohio USA

 

 

Isolation, Separation and 

Identification of Flavor  

Compounds of Edible Oil

 

 

 

Solid Phase Microextraction-Gas 

Chromatography-Mass Spectrometry

 

 

Principle of Solid Phase Micro 

Extraction

Equilibrium partitioning of the  
flavor compounds between the 
fiber and the headspace of 
sample bottle.

A technique that uses a short, thin, 
solid rod of fused silica, coated with 
absorbent polymer for extraction of 
volatile compounds.

The short, thin, solid rod of fused 
silica, coated with absorbent 
polymer is called fiber.

 

 

Solid Phase Micro Extraction for 

Headspace Flavor Compounds 

Isolation

 

 

SPME Principles for Headspace 

Flavor Compounds Isolation

K

fh

V

f

V

s

C

o

K

fh 

+

 

V

f

+

K

hs

V

h

+

V

s

n

f=

n

f

:

 

The

 

# of flavor compounds on 

the fiber 

K

 :  Partition coefficient

K

fh

=

V

f

,

V

s

,

V

h

: 

Volume of fiber coating,  

          solution, and headspace, 
respectively

C

o

:

 

Initial flavor concentration in 

sample

Flavor concentration on 
fiber

Flavor concentration in headspace

 

 

Fibers on the Volatile Compounds 

Extraction

• CB/PDMS:
Carboxen/Polydimethylsiloxane

• PDMS: 

Polydimethylsiloxane 

• CW/DVB: 
Carbowax/Divinylbenzene

• PA: 

Polyacrylate.

 

 

Plunger

Barrel

Water bath

Coated fiber

Volatile Compounds Isolation by 

SPME

 

 

Gas Chromatography-Mass 

Spectrometry

 

 

Filters/Traps

A

ir

H

y

d

ro

g

e

n

G

a

s

 C

a

rr

ie

r 

Column

Gas Liquid 

Chromatography

• gas system
• inlet
• column
• detector
• data system

Data system

Syringe/Sampler

Inlets

Detectors

Regulators

H

RESET

 

 

Principle of Gas Liquid 

Chromatography

Partition of compounds between gas 
mobile phase and liquid stationary 
phase.

The compound which has high affinity 
to the liquid stationary phase takes 
longer to pass through the column than 
the compound with less affinity to the 
stationary phase of column. 

 

 

Schematic Diagram of Gas 

Chromatograph

 

 

Liquid Stationary Phases

1. Separation of mixture of polar 

compounds

2. Separation of mixtures of non-polar 

compounds

 

 

Flame Ionization Detector

High temperature of hydrogen flame (H

2

 

+O

2

 + N

2

) ionizes the separated 

compounds eluted from column into 
flame. 

The ions are collected on collector and 
detected as gas chromatographic peak.

 

 

Diagram of Flame Ionization 

Detector

Exhaust

Flavor compounds from Column 

Collector Electrode

 

 

Plunger

Barrel

Adjustable depth

gauge

Water bath

Coatedfiber

Volatile Compounds Isolation by 

SPME 

 

 

Effect of G.C.Injection Temperature on 

Corn Oil Volatile Compounds Isolated by 

SPME

230 °C

250 °C

 

 

Chromatograms of Corn Oil 

Volatile Compounds Isolated by 

SPME

 

 

Effect of Isolation Temperature on Corn 

Oil Volatile Compounds by SPME

25°C

 

45°C

 

60°C

 

35°C

 

 

 

Isolation Time Effect on Corn Oil 

Volatile Compounds by SPME

40

Isolation Time (min)

R

e

la

ti

v

e

 P

e

a

k 

S

iz

e

0

10

20

30

0

30

60

90

120

150

60

45

35

°C

°C

°C

 

 

Chromatograms of Soybean Oil and 

Corn Oil

Soybean Oil

Corn Oil

 

 

Improving the Sensitivity of 

Solid Phase Microextraction

• 

Fiber Thickness

• Extraction Temperature and Time
• Selection of Proper Fiber
• Saturation of Sample with Proper Salts
• Maximum Ratio of Sample to 

Headspace Volume
• Large Sampling Vial

 

 

Gas Chromatogram of  Corn Oil Volatile 

Compounds Isolated by Solid Phase 

Microextraction

 

 

Gas Chromatography-Mass 

Spectrometry

 

 

Principle of Mass Spectrometry

 

A mass spectrometer bombards a compound with an 

electron

beam and quantitatively records the result as a spectrum of

positive ion fragments. 

  

A mass spectrum is a presentation of the masses of the

positively charged fragments vs. their relative 

concentration. 

 

 

Gas Chromatogram of  Corn Oil Volatile 

Compounds Isolated by Solid Phase 

Microextraction

 

 

Quadruple Mass Spectrometer

 

 

Fragmentations of 2-

Methylpentane by Electron 

Bombardment

CH

3

CH

2

CH

2

CHCH

3

CH

3

m/z 86

+

•

Facile

Facile

More 
difficult

CH

3

CH

2

CH

2

CHCH

3

CH

3

+

•

+

m/z 
43

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

CH

3

m/z 
71

+

•

+

CH

3

CH

2

CH

2

CHCH

3

CH

3

+

•

+

m/z 
57

 

 

Quadruple Analyzer for the 

Separation of Positive Ion Fragments 

 

 

 

Mass Spectrum of 2-

Methylpentane

In

te

n

si

t

y

m/z

20

40

60

80

100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

43

57

71

86, 
M

+

CH

3

CH

2

CH

2

CHCH

3

CH

3

 

 

Gas Chromatogram of  Corn Oil Volatile 

Compounds Isolated by Solid Phase 

Microextraction

 

 

Corn Oil Volatile Compounds by SPME-

GC-MS

Pentane

1.29

13.03
Pentanal

1.88

5.52
Hexanal

3.62

5.39
Heptanal

5.36

1.83

2-Heptenal

6.21

29.52

2-Pentylfuran

8.59

2.53

2,4-Heptadienal

10.88

7.69
t-2-Octenal

11.51

18.07

Nonanal

13.88

6.27
t-2-Nonenal

14.23

1.33

2-Decenal

18.61

4.93

t,t-2,4-Decadienal

20.20

1.17

t,c-2,4-Decadienal

20.70

2.71

Compoun
ds

Retention Time 

(min)

Relative 
(%)

 

 

SPME - GC - MS