Vakuum-GC/MS mit Säulenrestriktion im Injektor

Milde Analytikmethode für Explosivstoffe

Die gaschromatographische Analyse von thermolabilen, schwerflüchtigen Analyten wie Explosivstoffen ist eine große Herausforderung, da deren Elutionstemperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur liegen muss. Die Zersetzungstemperatur sollte bis zur endgültigen Detektion vermieden und die Verweilzeit der Analyten in heißeren Zonen minimal sein.

Der prinzipielle Ansatz der Methodenentwicklung für die GC-Analytik von Explosivstoffen ist es daher, die Elutionstemperatur der Analyten zu senken. Dies lässt sich zum Beispiel durch Erhöhung der Trägergasflussrate erreichen, was bei Elektroneneinfang- oder Flammenionisationsdetektoren problemlos möglich ist.

Bei einer Kopplung mit einem Massenspektrometer ist die Flussrate aufgrund des im Detektor zu erhaltenden Vakuums zwar begrenzt, jedoch lässt sich das Detektor- vakuum bei der Vakuum-GC/MS zur Senkung der Elutionstemperaturen der Analyten nutzen.

Das Vakuum des Detektors breitet sich graduell abnehmend in der Säule aus. Dieser Effekt ist proportional zum Innendurchmesser der Säule und die Verminderung des vorherrschenden Drucks bewirkt eine Herabsetzung der Elutionstemperatur der Analyten. Zugleich erhöht sich die optimale Trägergasgeschwindigkeit, was sich ebenfalls begünstigend auswirkt.

Bild 1: Oben: Edelstahlliner mit Splitkerbe, unten: SGE Siltite μ-Union (links: Restriktion, rechts: Restek RTX TNT 1).

Um diese Effekte optimal für die Explosivstoffanalytik zu nutzen, wurde eine Restek RTX-TNT Säule (6 m, 0,53 mm i.d., 1,5 µm f.t.) verwendet, welche das kommerziell erhältliche Maximum des Innendurchmessers mit einer speziell auf Explosivstoffe abgestimmten Phase kombiniert. Würde man lediglich diese Säule direkt mit dem Massenspektrometer verbinden, so würde das Vakuum kollabieren. Bei atmosphärischen Außenbedingungen ergäbe sich allein aufgrund des Detektorvakuums ein Gasstrom von ca. 50 ml/min.

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Säulenrestriktion im isobar betriebenen Injektor
Massenspektrometer tolerieren je nach Vakuumsystem maximale Trägergasströme von 4...12 ml/min. Damit sich ein Vakuum aufbauen kann, muss vor die Säule eine Restriktion, eine unbeschichtete Kapillare mit sehr kleinem Durchmesser, geschaltet werden. Es ist erstrebenswert, dass sich diese Restrik-tion, wie auch die Verbindung zur analytischen Säule, innerhalb des Injektors des GC/MS-Systems befindet. Diese Methodik wurde bereits umfangreich in der Literatur [1] beschrieben.

Als Säulenverbindung kamen bisher unter anderem Restek „press-tight“ Glasverbinder und Uniliner zum Einsatz. Die kommerziell erhältlichen Glasverbinder müssen erst mit einem Glasschneider gekürzt werden.

Bild 2: Chromatogramm von 14 Explosivstoffen und verwandten Verbindungen unter Anwendung der Vakuum-GC/MS-Methode. Chromatographie-Parameter siehe Tabelle.

Beim Uniliner besteht die Gefahr des Lösens der gepressten Verbindung. Uniliner sind zudem nicht für jeden Injektor in einer Vielzahl von Varianten erhältlich und der Einsatz von Glasverbindern innerhalb des Injektors ist schon durch die Größe des Bauteils limitiert.

Im Rahmen dieses Beitrags wird der Einsatz des SGE Siltite µ-Union als vom Injektormodell unabhängige Säulenverbindung zwischen Restriktion und Säule innerhalb des Injektors präsentiert. Das µ-Union aus Edelstahl ist mit einer Länge von weniger als 1 cm und einem Durchmesser von 3,5 mm vergleichsweise klein. Dadurch kann die Restriktion nahe des optimalen Splitpunkts für konventionelle Säulen positioniert werden.

Die hohe Temperatur innerhalb des Injektors führt zur Ausdehnung der metallischen Säulenverbindung, wodurch sie sich selbst abdichtet. Verbleibende minimale Undichtigkeiten befinden sich innerhalb der Inertatmosphäre des Injektors. Der größte Vorteil der im Injektor befindlichen Restriktion ist jedoch, dass das GC-System mit einem von der Ofentemperatur unabhängigen, konstanten Injektorkopfdruck betrieben werden kann. Dies zeigen auf der Hagen-Poiseuille-Gleichung basierende Berechnungen [2]. Restriktion und Säulenverbindung bestimmen den Gasfluss des Systems und liegen innerhalb des isothermen Injektors, so dass eine Variation der Ofentemperatur keinen Einfluss hat.

Tabelle zu Bild 2

Vakuum-GC/MS-System mit Quadrupol-MS und optimiertem Atas-Injektor
Für die Umsetzung dieses Konzepts wurde ein Shimadzu GCMS-QP2010 SE Quadrupol-System in Kombination mit einem Atas Optic-4 Injektor, der für Shimadzu Systeme optimiert wurde, verwendet. Die Steuerungssoftware des GC/MS-Systems benötigt die Eingabe der Säulenparameter, um die Injektorparameter zu berechnen, und limitiert den Säulenfluss auf maximal 4 ml/min.

Komplexe Säulenanordnungen wie der beschriebene Restriktionsaufbau lassen sich nicht eingeben. Dies ist jedoch kein Problem, da lediglich eine virtuelle Ersatzsäule eingegeben werden muss, mit welcher der gewünschte Kopfdruck erreicht werden kann, ohne den maximal zulässigen Säulenfluss zu überschreiten.

Für die Verbindung zwischen Restriktion und analytischer Säule wird ein SGE Siltite µ-Union eingesetzt. Da das µ-Union mit seinem Durchmesser von 3,5 mm nicht mit dem Innendurchmesser von kommerziell erhältlichen Atas-Linern kompatibel ist, wurden Edelstahlröhrchen mit einer Wandstärke von 0,5 mm als Liner verwendet. Diese wurden zugeschnitten und mit der Atas-typischen Splitkerbe versehen (Bild 1). Zur Inertisierung wurden der Liner sowie das µ-Union mit SilcoNert 2000 durch das Unternehmen SilcoTek beschichtet.

Bild 3: Demonstration der Verbesserung der Reproduzierbarkeit der absoluten Peak-Intensität durch den Einsatz von Glaswolle innerhalb des Injektors. Überlagerung der Resultate von fünf Injektionen.

Halbierte Analysezeit
Um dieses Vakuum-Chromatographie-System zu testen, wurde ein Gemisch aus 14 Explosivstoffen bzw. Markiersubstanzen eingesetzt (Bild 2). Diese stammen zum Teil aus kommerziellen Quellen und wurden durch hausintern synthetisierte Substanzen ergänzt. Das Analytrepertoire beinhaltet thermolabile Nitro-, Nitrato-, Nitramino- sowie Peroxidverbindungen.

Alle 14 Verbindungen können mit einer Methode im Gemisch getrennt und identifiziert werden. Es wurden verschiedene Nitrotoluolderivate eingesetzt, um die Trennleistung des Systems zu demonstrieren. Diese können basisliniengetrennt aufgelöst werden. Tetryl 15, der schwerflüchtigste, am spätesten eluierende Analyt wird nach 4,45 min detektiert. In dem Applikationsbeispiel [3] der verwendeten Säule eluiert dieser Analyt unter Anwendung einer ECD-Konfiguration mit hohem Säulenfluss nach mehr als 10 min. Der qualitative Vergleich zeigt, dass die Anwendung der Vakuum- GC/MS die Analysezeit unter simultaner Verbesserung der Trennleistung und Signalintensität mehr als halbieren kann.

Vakuum-GC/MS-Setup für Quantifizierungen optimiert
In Hinblick auf eine Quantifizierungsanwendung konnte das Vakuum-GC/MS Setup weiter optimiert werden. Hierbei waren die Arbeiten [4] von Matthew Klee sehr hilfreich. Zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der absoluten Integrale der Peaks ist es unerlässlich, den Injektionsbereich des Liners mit inertisierter Glaswolle zu bestücken. Diese sollte von der Nadel während des Injektionsvorgangs mindestens 2 mm penetriert werden. Kapillarkräfte saugen dann die Analytlösung von der Spritze und verteilen diese auf der Glaswolle. Neben verbesserter Reproduzierbarkeit erhöht diese Maßnahme auch die Sensitivität des Systems deutlich (Bild 3).

Bild 4: Thermostatierbarer Saturator zur Dampfdruckbestimmung von schwerflüchtigen Stoffen mit angeschlossener Kühlfalle zum Auskondensieren einer definierten Masse des Analyten.

Das verwendete Setup lässt die Anwendung von Split-Injektionen zu. Es gelang, Splitflüsse bis zu 33 ml/min zu konfigurieren und über experimentelle Flussmessungen zu verifizieren. Hier scheint auch das Maximum an möglichem Splitfluss zu liegen, da bei höheren Vorgaben kein nennenswerter Verdünnungseffekt mehr vorliegt. Dies erklärt sich dadurch, dass zwischen Restriktion und Liner lediglich 0,25 mm Spielraum bleiben. Deswegen ist der Splitfluss limitiert.

Ist die Probenkonzentration dennoch zu hoch, lässt sich dieses Problem durch manuelles Verdünnen einfach umgehen. Eine Vielzahl von Herstellern bietet noch Injektoren mit einem unproblematischen Innendurchmesser von 8 mm an, jedoch geht der Trend zu engeren Injektoren mit weniger Totvolumen. Um ein Tailing des Lösemittelpeaks zu verhindern, sollte die Starttemperatur des Ofenprogramms mindestens 10 °C unter jener des Lösemittelsiedepunkts liegen. Dadurch werden sowohl das Lösemittel als auch die Analyten auf der Säule fokussiert, was zu schärferen Signalen führt.

Quantifizierung schwerflüchtiger Stoffe mit internem Standard
Ziel dieser Vakuum-GC/MS-Anwendung ist es, schwerflüchtige thermolabile Stoffe unter Verwendung eines internen Standards zu quantifizieren. Um eine korrekte, exakte Erfassung der Peaks zu erreichen, muss die Datenakquisitionsrate des verwendeten Massenspektrometers hoch genug sein. Für die Quantifizierung wurde das Shimadzu GCMS-QP2010 SE im SIM-Modus (Selective Ion Monitoring) betrieben. Dieser Modus hat gegenüber dem Full-Scan-Modus zwei Vorteile: Zum einen kann mit höherer Datenaufnahmerate gemessen werden, zum anderen ist die Beobachtungszeit pro relevanter Masse deutlich größer (verlängerte Dwell-Zeit).

Bild 5: Auftragung des natürlich logarithmierten Dampfdrucks von Anthracen gegen die reziproke Temperatur. Vergleich mit Literaturwerten. Trendlinie durch eigene Messergebnisse.

Mit der SIM-Methode lässt sich eine Akquisitionszeit von 100 ms (empirisch ermitteltes Optimum) erreichen. Dies führt zu einer erheblich verbesserten Reproduzierbarkeit des Quantifizierungsergebnisses – die relative Standardabweichung lässt sich gegenüber Full-Scan (30...500 amu, 300 ms) um einen Faktor 10 auf < 1 % reduzieren, da die Peaks mit mehr Datenpunkten erfasst werden.

In der SIM-Methode wurden sechs Massenkanäle genutzt: Ein Quantifizierungskanal und fünf Referenzionenkanäle, deren relatives Intensitätsverhältnis als Kriterium für die Integrationsgrenzen verwendet wird. Diese sechs Kanäle werden zeitabhängig für jeden Analyten und den internen Standard im Rahmen der Methodenentwicklung programmiert.

Vakuum-GC/MS quantifiziert schwerflüchtige Analyten
Der Einsatz der Vakuum-GC/MS zur Quantifizierung von schwerflüchtigen Analyten hat sich in der Praxis bewährt. Es ist mit diesem Verfahren gelungen, die Dampfdrücke von schwerflüchtigen Analyten mit der Gas-Sättigungs-Methode [5] zu bestimmen (Bild 4). Dabei wird ein Trägergasstrom mit konstanter Volumenflussrate durch einen thermostatierbaren Saturator geleitet. In diesem Saturator befindet sich der Analyt dispergiert auf einem Trägermaterial mit großer Oberfläche (1 mm Glasperlen).

Der nun gesättigte Gasstrom wird durch ein Auffangröhrchen geleitet, welches durch eine Permanentkühlfalle (–30 °C) führt. Dadurch wird der Analyt wieder auskondensiert. Nach einem definierten Zeitintervall wird das Auffangröhrchen aus dem Kühlbad entfernt, der interne Standard (z.B. n-Alkane) hinzu gegeben und das Röhrchen mit Lösemittel ausgespült. Da das Splitverhältnis konstant bleibt, wird die Analytkonzentration durch das Lösemittelvolumen angepasst und bei Bedarf ein Aliquot weiter verdünnt.

Basierend auf Volumenstrom, Messzeit, Saturator-Temperatur und dem Quantifizierungsergebnis lässt sich der Dampfdruck des Analyten bestimmen. In Bild 5 befinden sich die Ergebnisse einer Probemessung von Anthracen, welche mit Literaturwerten verglichen wurden. Als interner Standard wurde Tetradekan verwendet.

Bemerkenswert ist, dass die Kalibrierung über 14 Tage ihre Gültigkeit behielt. Dies konnte durch eine Neumessung aller Proben nach Neukalibrierung des Systems binnen 24 Stunden bestätigt werden. Zudem ist das Quantifizierungsergebnis über einen weiten Bereich konzentrationsunabhängig. Die Messergebnisse decken sich exzellent mit Vergleichswerten aus der Literatur. Es mussten lediglich 0,3 mg Analyt pro Datenpunkt transportiert werden. Diese Methode wird zurzeit für Explosivstoffe optimiert und angewendet.

Fazit
Es konnte gezeigt werden, dass die Vakuum-GC/MS-Methode durch die Verwendung des SGE Siltite µ-Union als Verbindung zwischen Restriktion und analytischer Säule innerhalb des Injektors eine robuste, systemunabhängige Analytikmethode für schwerflüchtige thermolabile Analyten ist. Es wurde eine Methode entwickelt, mit der 14 Explosivstoffe bzw. explosivstoffrelevante Verbindungen mit teils hoher Thermolabilität und Schwerflüchtigkeit binnen weniger als 5 min getrennt und identifiziert werden können.

Das einzige derzeitige Defizit ist die Limitierung des Splitflusses bei der Verwendung von engen Injektoren mit einem Innendurchmesser von 5 mm. Dieses Problem greift jedoch lediglich bei hohen Probenkonzentrationen und lässt sich durch manuelles Verdünnen kompensieren.

Für Injektoren mit einem Innendurchmesser von 8 mm können kommerziell verfügbare Liner verwendet werden. Die Robustheit der Methode und der eingesetzten Hardware wird weiter durch die zuverlässigen Quantifizierungsergebnisse bei den Dampfdruckbestimmungen mit der Gas-Sättigungs-Methode untermauert. Das Shimadzu GCMS-QP2010 SE ist ein Einsteigergerät für die GC/MS-Analytik, dennoch lässt es sich unter Anwendung der Selective-Ion-Monitoring-Technologie auch für hochpräzise und verlässliche Quantifizierungen benutzen.

Besonderer Dank geht an das Bundesministerium für Bildung und Forschung für die finanzielle Unterstützung. Förderkennzeichen: 13N12583 (Verbund ChemAir)

Literatur
[1]
(a) Leclercq et al., Increased speed of analysis in directly coupled gas chromatography-mass spectrometry systems : Capillary columns at sub-atmospheric outlet pressures. Journal of Chromatography A 1981, 203 (0), 207-216;
(b) Leclercq et al., Increased speed of analysis in directly coupled gas chromatography-mass spectrometry systems : II. Advatages of vacuum outlet operation of thick-film capillary columns. Journal of Chromatography A 1982, 241 (1), 61-71;
(c) de Zeeuw et al., Simplifying the setup for vacuum-outlet GC: Using a restriction inside the injection port. Journal of Separation Science 2009, 32 (11), 1849-1857.
[2] Boeker et al., Comprehensive Theory of the Deans’ Switch As a Variable Flow Splitter: Fluid Mechanics, Mass Balance, and System Behavior. Analytical Chemistry 2013, 85 (19), 9021-9030.
[3] http://www.restek.com/chromatogram/view/GC_EV00406.
[4] http://www.sepscience.com/Techniques/GC insbesondere #5, #33, #36.
[5] (a) Verevkin, S. P., Phase Changes in Pure Component Systems: Liquids and Gases. 1st ed.; Elsevier B.V.: Amsterdam, Netherlands, 2005; (b) Heintz et al., Enthalpies of vaporization of a series of aliphatic alcohols: Experimental results and values predicted by the ERAS-model. Fluid Phase Equilibria 2001, 192 (1–2), 187-207.

Autoren:
Martin A. C. Härtel
Prof. Dr. Thomas M. Klapötke
Dr. Jörg Stierstorfer
Department Chemie
Ludwig-Maximilians-Universität
81375 München

PD Dr. Peter Boeker
Dr. Jan Leppert
Arbeitsgruppe Spurengase und Geruchsmessung
Institut für Landtechnik
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
53115 Bonn


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