Fachbeitrag

Urknall: Comprehensive GC x GC(qMS)

Thermische Modulation kombiniert mit dem Rapid Scanning GCMS-QP2010 Plus
Bild 5: Konturplot der Lavendelölprobe.

Dr. Margit Geißler*)

  1. Shimadzu Europa GmbH, Albert-Hahn-Straße 6–10, 47269 Duisburg.
GC- und GC-MS-Analysen komplexer Proben sind in der Regel schwierige Aufgaben, weil bei Verwendung nur einer einzigen Säule häufig Co-Elutionen mit Matrixbestandteilen zu beobachten sind. Die Pestizid-Aufbereitung mit der QuEChERS-Methode1) oder die Bestimmung potenzieller Allergene in kosmetischen Produkten sind entsprechende Beispiele, über die kürzlich berichtet wurde. Einen Ansatz, solche Probleme zu vermeiden, bietet die Comprehensive GC x GC(qMS), eine der innovativsten Entwicklungen der Chromatographie überhaupt [1, 2]. Am Beispiel einer Lavendelölprobe wird gezeigt, wie viele Komponenten gefunden wurden.

1992 von John Phillips patentiert, wurde diese Technik zunächst bei der Qualitätskontrolle petrochemischer Erzeugnisse verwendet. Nachdem 2003 im niederländischen Volendam eine Konferenz ausschließlich zu diesem Thema stattgefunden hatte, kam es in den Folgejahren zu einer rasch wachsenden Anzahl von Publikationen, und in Verbindung mit dem jährlichen internationalen Symposium zur Kapillar-Chromatographie (alle zwei Jahre in Riva del Garda, Italien [3]) wurde ein GC x GC-Symposium durchgeführt.

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Bei Comprehensive GC x GC(qMS) kommen zwei Säulen zum Einsatz: Normalerweise ist eine unpolare Säule (30 m; 0,25 mm; 0,25 µm) mit einer typischen polaren Säule (Wax) verbunden, die aber sehr kurz ist (ca. 1 m; 0,1 mm; 0,1 µm). Zwischen den Säulen befindet sich ein Thermal-Modulator, der abwechselnd die Probenmoleküle refokussiert und in die zweite Säule freigibt.

Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Typen von Modulatoren untersucht, und es entstand eine sehr einfache und verlässliche Konstruktion, die als Loop-Modulator (Zoex Corp., USA) bezeichnet wird. Im Rahmen einer aktuellen Kooperation mit Zoex bietet Shimadzu ein Gerät an, das auf eigenen GC- und GC-MS-Systemen basiert. Der Vorteil dieses Modulator-Typs besteht darin, dass nur zwei Düsen (kalt und heiß) verwendet werden, um die Temperatur an zwei Orten auf der Säule zu modulieren (siehe Bild 1).

Die Säule befindet sich in einem Halter, der dafür sorgt, dass sie den Kreuzungspunkt der beiden Düsen zweimal durchläuft. Der kalte Jet entsteht, indem Stickstoff durch ein Dewar-Gefäß geleitet wird, das mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Der heiße Jet wird durch Stickstoffgas erzeugt, das von einem GC-kontrollierten Heizmodul erhitzt wird. Der Vorteil dieses thermischen Modulationsverfahrens gegenüber anderen Modulationstechniken besteht darin, scharfe Modulationspulse erzeugen zu können (Bild 2).

Extrem geringe Peakbreiten

Im Ergebnis zeigen chromatographische Peaks extrem geringe Breiten (FWHM) von ca. 100 ms. Deshalb muss das Detektionssystem in der Lage sein, eine ausreichend große Menge von Datenpunkten über den Verlauf der Peaks zu liefern, um qualitative und quantitative Genauigkeit sicherstellen zu können. Alle herkömmlichen Shimadzu GC-Detektoren besitzen Abtastraten bis zu 250 Hz und Filterzeitkonstanten bis zu 4 ms, was für die Formen von GC x GC-Peaks mehr als ausreichend ist. In der Vergangenheit – beim Einsatz von MS – wurden Time-of-Flight-(TOF-)Massenspektrometer hauptsächlich für quantitative Analysen verwendet, mit den Nachteilen eines begrenzten linearen Nachweisbereichs, hoher Investitionskosten und erheblicher Dateigrößen.

Wurden in der Vergangenheit Quadrupol-Geräte genutzt, konzentrierten sich die Ergebnisse meist auf qualitative Analysen, was auf die limitierten Abtastraten bei den verwendeten Quadrupol-GCMS zurückzuführen ist. Das GCMS-QP2010 Plus kann jedoch im Scan- und Selected Ion Monitoring-Modus (SIM) maximal 50 bzw. 100 Datenpunkte/s aufnehmen. Dabei erreicht die Scan-Geschwindigkeit ein Maximum von 10000 amu/s. Durch den Einsatz dieser Hochgeschwindigkeits-Quadrupol-Massenspektrometer liegen seit 2005 auch Veröffentlichungen zu quantitativen Analysen vor [4, 5].

Daten von Lavendelölproben

Dieser Artikel beschreibt ein Beispiel von Daten aus Lavendelölproben, die mit dem GCMS-QP2010 Plus gemessen wurden. Erstmals wurden derartige Proben von Shellie et al. [6] mit dieser Methode analysiert. Bild 3 zeigt das Total-Ionen-Chromatogramm (TIC) einer handelsüblichen Lavendelölprobe, 1:10 verdünnt in Ethanol. Das Injektionsvolumen betrug 0,2 µl. Die Modulationsfrequenz wurde auf 8 s eingestellt. Die GC-Parameter waren: Säulenofen 40 °C für 1 min, dann mit 2,5 °C/min auf 250 °C für 5 min. Das Splitverhältnis wurde auf 1:100 eingestellt und der Kopfdruck betrug 150 kPa. Die Temperaturen von Injektor und Interface wurden auf 250 °C eingestellt. Das Massenspektrometer wurde im Full-Scan-Modus (40...350 amu) mit 25 Hz betrieben, mit einer Scan-Geschwindigkeit von 10000 amu/s. Bild 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bereichs zwischen 28,4 und 28,95 min. Zwei Komponenten – Limonen und Cineol (Eukalyptol) – werden in diesem Zeitfenster getrennt mit drei Peaks/Substanz. Die Trennung in der zweiten Säule wird anhand des Retentionszeit-Unterschieds nahe beieinander eluierender Peakpaare erkennbar, der nur ca. 0,3 s beträgt.

Die Qualität der Spektren der Peaks ist mit Similarity-Indices (SI) über 95 sehr gut. Die Peakbreiten an der Basis betragen im vorliegenden Experiment ca. 180 ms, was sechs Datenpunkten pro Peak bzw. 18 Messwerten für die einzelne Komponente entspricht.

Üblicherweise werden Daten der Comprehensive GC x GC und GC x GC(qMS) in einer dreidimensionalen Darstellung visualisiert, wobei die x-Achse die Retentionszeit der ersten Dimension repräsentiert, die y-Achse die Retentionszeit in der zweiten Dimension, und die z-Achse entspricht der Intensität. Der Peak einer Komponente hat bei dieser Darstellungsweise ein Volumen (das häufig auch „Blob“ genannt wird) und ist proportional zur Konzentration der betreffenden Komponente.

85 Komponenten im Lavendelöl

Bild 5 zeigt den Konturplot einer Lavendelölprobe. Hier wird die Intensität durch die Farbe der Blobs sichtbar gemacht. Minimaler und maximaler Signalwert lassen sich frei einer Farbverteilung zuordnen, um so das Aussehen des Bildes entsprechend anzupassen. In diesem Beispiel werden Blobs mit sehr hoher Intensität gelb dargestellt, während Komponenten mit relativ geringer Konzentration an der violetten Farbe erkennbar sind. Mehr als 85 Komponenten wurden gefunden.

Als Beispiel diskutieren wir den Bereich, in dem Limonen und Linalool detektiert wurden. Bild 6 zeigt eine Detailansicht. Die identifizierten Blobs sind beschriftet. Alle Similarity-Indices waren größer als 95. Bei Komponenten mit ähnlichen Massenspektren kann zur Absicherung das Konzept der linearen Retentions-Indices mithilfe einer entsprechenden Datenbank eingesetzt werden. Eine Spektrenbibliothek, die die linearen Retentions-Indices speziell von Aromen und Geruchsstoffen enthält, ist bei Shimadzu Europa erhältlich (FFNSC 1.2).

Zur Demonstration der Nachweisempfindlichkeit zeigt Bild 7 die Rohdaten von alpha-Phellandren, die aufgrund der großen Intensität der anderen Komponenten nur schwach gefärbt sind. Selbst bei diesem Peak ist das Signal-Rausch-Verhältnis für jene Fraktion bei einer Massenspur von m/z = 93 im Full-Scan-Modus größer als 300:1.

Da die Peaks bei der Comprehensive GC x GC verglichen mit herkömmlichen GC-Analysen geringere Breiten besitzen, sind sie auch höher, wodurch sich eine deutlich verbesserte Nachweis-Empfindlichkeit ergibt. Dieser Effekt wird auch sichtbar, wenn man die Ergebnisse von Standard-GC und Fast-GC vergleicht [7].

Fazit

Comprehensive GC x GC und GC x GC(qMS) sind Ansätze zur Lösung von Trennproblemen bei komplexen Proben. Bei der von Shimadzu erhältlichen Hard- und Software handelt es sich um einsatzfertige Werkzeuge sowohl für qualitative als auch für quantitative Routinearbeiten. Shimadzu wird Workshops und Seminare zu diesen Themen anbieten.

Literatur

  1. John B. Phillips, Zaiyou Liu. „Chromatographic Technique and Apparatus“, U.S. Patent No. 5,135,549; August 4, 1992.
  2. John B. Phillips, Zaiyou Liu. „Apparatus and Method for Multi-dimensional Chemical Separation,“ U.S. Patent No. 5,196,039.
  3. www.richrom.com.
  4. Luigi Mondello, Alessandro Casilli, Peter Quinto Tranchida, Giovanni Dugo, Paola Dugo, Journal of Chromatography A, 1067 (2005) 235...243.
  5. Mohamed Adahchour, Menno Brandt, Hans-Ulrich Baier, René J.J. Vreuls, Udo A.Th. Brinkman: Journal of Chromatography A, Volume 1067, Issues 1...2 , 4 March 2005, Pages 245-254.
  6. Robert Shellie, Luigi Mondello, Philip Marriott, Giovanni Dugo: Journal of Chromatography A, 970 (2002) 225.
  7. Luigi Mondello, Hans-Ulrich Baier, Shimadzu Application Book Chromatography Vol. 2, Fast GC/GCMS.

    1) „Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe (QuEChERS) Approach for Determining Pesticide Residues”; U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Eastern Regional Research Center; 600 East Mermaid Lane; Wyndmoor, Pennsylvania 19038; USA.
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