GC-Tipp

GC/MS-Kopplung - Eine Bindung aus Trennungsgründen

„Wohl dem Menschen, wenn er gelernt hat, zu ertragen, was er nicht ändern kann, und preiszugeben mit Würde, was er nicht retten kann“. Mit diesem Zitat Schiller´scher Gedankenlyrik tröstete sich einst ein Servicetechniker aus Wülfrath angesichts des instrumentell-analytischen Kunstwerkes, das ihm ein Laborangestellter vor seinen schreckgeweiteten Augen präsentierte, und das wir heute einmal näher betrachten wollen.

Bild 1: Scan-Mode: Typischer Modus zur Identifizierung von Proben mit unbekannten Analyten. In diesem Modus wird ein großer Masse-zu-Ladung-Bereich abgedeckt, wodurch man Scanrate und Empfindlichkeit einbüßt.

Das GC/MSD
Eine Bindung zweier, in der heutigen Zeit nicht mehr weg zu denkenden Analysengeräte, wie sie unterschiedlicher nicht sein können. Und doch bilden sie gemeinsam in Form einer Kopplung eine perfekte Symbiose und vermögen so, dem alltäglichen Routine-Laborbetrieb mehr an Informa- tionen über die Komplexität und Quantität der Analyte preiszugeben, als dies oft von Nöten wäre...

Und siehe da: Hinter der fast 4 kg schweren Kunststoffverkleidung verbirgt sich eine interessante und hoch komplizierte Technik, von der man viel erwarten, aber mit ihr auch viel falsch machen kann. Doch wie funktioniert ein solches System denn überhaupt?

Nach dem Verdampfen der Probe und der Trennung der Analyte im Gaschromatographen bedient man sich in der Analytik verschiedener applikations- abhängiger Detektoren. Kommt ein Massenspektrometer als Detektor zum Einsatz, so kann es neben der Erkennung und Quantifizierung sehr geringer Stoffmengen gleichzeitig auch zur Strukturaufklärung betrieben werden. Eine GC/MS-Kopplung vereinigt die Vorteile zweier Analysengeräte, nämlich das Trennvermögen des (Kapillar-)Gaschromatographen mit der Empfindlichkeit und der Spezifität des Massenspektrometers.

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Bild 2: SIM-Mode: Selected Ion Monitoring! Wenn die zu erwartenden Analyte bekannt sind, ist eine Auswahl kleiner spezifischer Masse-zu-Ladung-Bereiche möglich, um eine höhere Scanrate und damit eine bessere Empfindlichkeit der Analyt-typischen Ionen zu erzielen.

Im Massenspektrometer werden die in die Ionenquelle strömenden Substanzen zunächst ionisiert, meist mit Elektronenstoß-Ionisation durch ein Filament mit Wolfram- oder Rheniumwendel. Durch den Zusammenstoß der Elektronen mit den Molekülen wird eine Energie von etwa 30...70 eV auf die Moleküle übertragen, und es entstehen primäre positive Ionen (Molekülionen). Diese sind meistens sehr instabil und zerfallen ganz oder teilweise zu kleineren Massenfragmenten, welche dann im Quadrupol selektiert und am Elektronenmultiplier detektiert werden. Zur Kopplung dieser beiden Systeme verwendet man in der Regel ein beheiztes Interface (Transferline), um das Prinzip „Kühlfalle“ zu vermeiden - die Moleküle kommen im Massenspektrometer gasförmig an.

Warum das Ganze?
In erster Linie verwendet man das Massenspektrometer zur Charakterisierung chemischer Verbindungen. Dieses Verfahren beruht auf der Hypothese des britisches Chemikers William Prout, die er Anfang des 19. Jahrhunderts aufstellte. Sie besagt, dass es die Eigenschaft eines Atoms ist, eine definierte Masse zu haben: die Atommasse (amu)! Damit war und ist man in der Lage, eine Substanz und auch deren Isotope zu identifizieren - ohne die sonst notwendige Verwendung von Referenzmaterialien, wie es bei der Trennung mit Detektoren auf Basis von Retentionszeit (tR) gemacht wird.

Ein weiterer Grund zur Verwendung eines Massenspektrometers ist die Tatsache, dass – trotz der Wahl einer idealen Trennsäule oder Säulenkombination – im Gaschromatographen die sichere Trennung bzw. Zuordnung ähnlicher Substanzen nach Retentionszeit nicht oder nicht sicher möglich ist. Dazu zählen zum Beispiel deuterierte Moleküle, Moleküle in ortho-, meta-, para-Stellung und einige Heteroatome. Allgemein kann man aber sagen, dass Moleküle aus der gleichen Substanzgruppe mit gleichen oder ähnlichen Molekülmassen sich auf der Trennsäule auch physikalisch gleich verhalten und damit entweder überhaupt nicht oder lediglich angetrennt werden. In einem solchen Fall bietet die Massenspektrometrie zwei Identifizierungsverfahren: Zum einen erfolgt ein Gesamtscan der Probe (Screening), siehe Bild 1. Hierbei werden alle Massen eines vorgegebenen Massenbereichs detektiert und jede Substanz mit ihrem gesamten Ionenspektrum dargestellt. Somit ist es ein Leichtes, die Identifizierung mit Hilfe einer Spektren-Datenbank durchzuführen. Zum anderen haben wir das Verfahren des Selected Ion Monitoring (SIM), siehe Bild 2. In diesem Fall schränken Sie die Detektion auf einige wenige, aber spezifische Massen ein. Alle anderen Fragmente werden nicht erfasst und gehen über das Hochvakuum „verloren“. Bei dieser Methode lassen sich keine Datenbank-Rückschlüsse ziehen, was auch normalerweise nicht von Nöten ist, da das SIM-Verfahren nur dann eingesetzt wird, wenn das Molekül, nach dem man sucht, bezüglich der Haupt- bzw. Nebenmassen bekannt ist/sind (Qualifier). Die Identifizierung selbst findet durch die leichte Abweichung der Hauptmassenzahl (dem Target) oder der Berechnung der Qualifier-Verhältnisse statt. In beiden Fällen ist eine qualitative und quantitative Auswertung auch bei Peak-Überlagerung möglich.

Fazit
Die GC/MSD-Kopplung ist recht speziell und bedient sich eines Detektionsverfahrens, welches genau dort Lösungen liefert, wo andere Detektoren an ihre Grenzen stoßen. Dennoch verlangt sie vom Anwender eine gewisse fortgeschrittene analytische Kenntnis, um Fehler und Defekte in der Handhabung und Auswertung zu vermeiden und um eine Antwort auf die Fragen zu Trennungsproblemen und Identifizierung zu geben: „Wer bin ich?“ und: „Wie viele bin ich?“.

Detaillierte Angaben zur GC/MS-Kopplung finden sich im Anhang des Buches „Werner Engewald, Gaschromatographie heute – wo stehen wir?“

Kai Jaschik, Agilent Technologies, Field Service Engineer

Autor:
Kai Jaschik
Agilent Technologies
Field Service Engineer
42489 Wülfrath
E-Mail: kai.jaschik@agilent.com

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