Methodenparameter
TDU: Desorptionsmodus: splitlos
mit 80 mL/min;
50 °C; 80 °C/min; 150 °C (1 min)
KAS: Liner gefüllt mit Tenax TA;
Solvent-vent-Modus;
10 °C; 12 °C/min; 280 °C (10 min)
  Agilent GC/MS 6890/5973N
Säule: HP-5MS,
30 m x 0,25 mm x 0,25 μm
Pneumatik: Helium, konstanter Fluss
1,2 mL/min
Ofen: 50 °C (3 min);
3 °C/min; 260 °C
20 °C/min; 300 °C (5 min)
MSD: Massenbereich: 29-400
Quadrupol: 150 °C, Quelle: 230 °C
 Komponente Mittelwert STDEV % RSD
 Eucalyptol 0,012334 0,001270 10,3
 Zestover 0,004390 0,000377 8,6
 Kampher 0,016604 0,001255 7,6
 Verdox 0,901589 0,059065 6,6
 Decal 0,012918 0,001589 12,3
 Lilial 0,549745 0,036067 6,6
 Amylzimtsäurealdehyd 0,160250 0,012906 8,1
 Hexylsalicylat 0,175772 0,021475 12,2
 Hexylzimtsäurealdehyd 0,084914 0,009471 11,2
 Galaxolid 70 MIP 0,059914 0,007433 12,4
Berechnete % RSD des Mittelwerts von 50 Messungen.
Twister-Kalibrationsgerade
jeder Komponente.

Duftstoff-Profiling II

Weichspüler im Schleudergang

Effizient und sicher bestimmen, was Wäsche weiß, weich und wohlriechend macht: Zur Bestimmung von Duftstoffen in Reinigungs- und Waschmitteln kommt die GC/MS in Verbindungen mit der konventionellen Flüssig-flüssig- Extraktion (LLE) zum Einsatz. Wissenschaftler aus der Forschungsabteilung des Duftstoffherstellers Firmenich haben auf der Suche nach einer effizienten Alternative die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) als Extraktionsmethode getestet – mit überzeugenden Resultaten.

Weichspüler sind für den Waschvorgang eher unwichtig, bieten aber eine Vielzahl positiver Effekte, die Mann und Frau gleichermaßen spätestens am Bügelbrett zu schätzen wissen. Obendrein verleihen Weichspüler der Wäsche einen unverwechselbaren Duft, den der Verbraucher als „seine Marke“ zu identifizieren weiß und der die Bindung des Kunden zum Produkt nachhaltig beeinflusst. Düfte sind bekanntermaßen nicht allein die Wirkung einzelner flüchtiger chemischer Verbindungen, sondern in der Regel das Resultat des Zusammenspiels vieler verschiedener Duftstoff- bzw. Parfümkomponenten, die erst in der Gesamtheit einen markanten olfaktorischen Eindruck hinterlassen. Aufgabe der Qualitätssicherung ist es u. a., den Geruchseindruck von Charge zu Charge sicherzustellen. Wie effizient das gelingt, hängt entscheidend von der Probenvorbereitung und dem verwendeten Extraktionsverfahren ab.
Um parfümierende, sprich: flüchtige organische Verbindungen aus Reinigungsmitteln wie Seifen, Waschmitteln oder Flüssigweichspülern zu isolieren, kommt immer noch die konventionelle Flüssig- flüssig-Extraktion (Liquid Liquid Extraction, LLE) zum Einsatz. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der unterschiedlichen Löslichkeit von Analyten in zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, wobei es sich in der Regel auf der einen Seite um eine hydrophile, also wässrige Phase handelt und auf der anderen Seite um ein hydrophobes, organisches Lösungsmittel. Eben hier offenbart sich der Nachteil der LLE, bringt es Khim Hui, Wissenschaftler bei Firmenich Asia Private Ltd. in Singapur, auf den Punkt: „Die LLE erfasst zwar selektiv die interessan- ten Analyten auch aus komplexen Matrices, allerdings erweist sich diese Form der Probenvorbereitung als sehr zeit- und arbeitsintensiv.“
Die Phasentrennung ist oft ein Problem bei tensidhaltigen Proben. Darüber hinaus sei der Lösungsmittelverbrauch enorm, was sich nachteilig auf die Kosten der Analyse auswirke, vom Aufwand einer fachgerechten Entsorgung der Lösungsmittelreste ganz zu schweigen.
Mit dem Ziel, hier Abhilfe zu schaffen, machten sich Khim Hui und die wissenschaftliche Mitarbeiterin Diana Koh auf die Suche nach einer attraktiven alternativen Extraktionstechnik, die idealerweise nur wenig oder gar kein Lösungsmittel erfordert, die Duftstoffkomponenten sensitiv auch in Spuren aus komplexen Matrices zu isolieren in der Lage ist und die darüber hinaus allenValidierungsansprüchen genügt. Die Wissenschaftler aus Singapur stießen nach ausführlicher Recherche auf die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE), ein vergleichsweises junges Extraktionsverfahren, das sich bereits bei der Analyse einer Vielzahl organischer Verbindungen aus den unterschiedlichsten Matrices bewährt hat.
Das Bestechende an der SBSE sei nicht alleine die Tatsache, dass diese Probenvorbereitung ohne bzw. nur mit einem Minimum organischen Lösungsmittels auskomme. Khim Hui: „Die SBSE ist überraschend einfach zu handhaben und größtenteils automatisierbar, was die Analytik sehr effizient macht.“ Die SBSE erfolgt unter Einsatz eines speziellen Rührfischs (Twister), der – im vorliegenden Fall – mit Polydimethylsiloxan (PDMS) als Extraktionsmedium ummantelt ist, dessen Menge die vergleichbarer Phasen, etwa der Solid Phase Micro Extraction (SPME), aufgrund der Größe um ein Vielfaches überragt; diese Tatsache erklärt letztlich die sehr hohe Ausbeute beim Nachweis von Spurenanalyten. Der Twister wird einfach in die Probe gegeben, die er wirbelnd durchmischt, um zeitgleich die Analyten anzureichern. Nach einer von Probenart zu Probenart unterschiedlichen Zeit wird der Twister entnommen, trocken getupft und in einen Glasliner überführt. Anschließend erfolgt die automatisierte thermische Desorption der Analyten vom Twister in der ThermalDesorptionUnit (GERSTEL-TDU) sowie deren Überführung und Cryofokussierung im GC-Injektor (GERSTEL-KaltAufgabeSystem, KAS) und die Analyse im GC/MS-System (Agilent 6890/5973N). Am Rande bemerkt: Für das Funktionsprinzip der SBSE ist der Verteilungskoeffizient zwischen PDMS und Wasser von Bedeutung. Das mit PDMS beschichtete Rührstäbchen durchmischt die wässrige Probe, wobei die Extraktion beziehungsweise Sorption der weniger polaren Inhaltsstoffe in den PDMS-Mantel erfolgt.
Für viele Substanzen ist der Logarithmus ihres PDMS-Wasser-Verteilungskoeffizienten annähernd äquivalent dem Logarithmus ihres Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten (Log KOW). KOW ist ein physiko-chemischer Parameter, der verwendet wird, die hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften einer Chemikalie zu beschreiben. [2]
Ein großer Log KOW steht für hohe Hydrophobizität, was bedeutet, dass die Substanz sehr gut im PDMS sorbiert und sich mit entsprechend hoher Wiederfindung mit dem Twister extrahieren lässt.

Aus der Theorie in die Praxis

Um das SBSE-Verfahren zu testen und für die Bestimmung von Parfüm- und Duftstoffen im eigenen Unternehmen zu etablieren, analysierten die Wissenschaftler Weichspülerproben (je 30 mg), die sie mit gängigen Duftstoffen dotierten. Dabei handelte es sich um folgende Analyten: 1,8-Cineol (RM 1), Zestover (RM 2), Kampher (RM 3), Verdox (RM 4), Decal (RM 5), Lilial (RM 6), Amylzimtaldehyd (RM 7), Hexylsalicylat (RM 8), Hexylzimtaldehyd (RM 9) sowie Galaxolid 70 MIP (RM 10). Das Twister-Rührstäbchen wurde zuvor mit internem Standard (IS) beladen, indem man den Twister in 100 μL der IS-Lösung (150 mg/L 1,4-Dibrombenzol in Acetonitril) mit dazugegebenen 20 mL deionisiertem (DI) Wasser eine Stunde lang rühren ließ. Anschließend wurden 20 mL DI-Wasser zu den dotierten Weichspülerproben hinzugegeben und mit dem Twister extrahiert.
Die Kinetik der Extraktion hängt von der Migrationsrate der Analyten ins PDMS des Twister ab; sie wird unter anderem durch die Diffusionsparameter, die Rührbedingungen und das Probenvolumen beeinflusst. Diana Koh Guat Fen: „Im Prinzip ist die Peakfläche bis zur Einstellung eines dynamischen Gleichgewichts umso größer, je länger die Extraktionszeit ist.“
Im Fall ihrer Studie habe sich eine Extraktionsdauer von einer Stunde bei einer Extraktionsgeschwindigkeit von 800 Umdrehungen pro Minute (UpM) bei Zimmertemperatur als optimaler Mittelweg herausgestellt. Um statistisch überprüfbare Daten zu gewinnen, führte Diana Koh die Messungen an fünf verschiedenen Tagen durch, wobei sich eine durchweg gute Wiederholbarkeit der Messung mit relativen Standardabweichungen von maximal 16 Prozent zeigte.

Mittels SBSE überwachte Parfümrohstoffe in Weichspüler: Vergleich der Flüssig-flüssig-Extraktion (LLE) mit der Stir Bar Sorptive Extraction (SBE) bei gleicher Dosierung (Anwendung der Verkapselungstechnologie).
Chromatogramm der Flüssig-flüssig-Extraktion (LLE): Beobachtbar, zeigen sich keine bzw. nur geringe Signale für die überwachten Komponenten (10 RMs).
Chromatogramm einer Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE): Die Sensitivität ist größer, was die Bestimmung eines Verlusts an Rohmaterial aus verkapselten Duftstoffen im Spurenbereich erlaubt.

Vergleich von SBSE und LLE

Aus den an fünf Tagen durchgeführten insgesamt 50 Messungen, zehn Versuche pro Tag, berechnete Diana Koh die relative Standardabweichung, die bei unter 12,5 Prozent lag. Die Linearität wurde letztlich mittels einer Dreipunktkalibrierung überprüft und erbrachte „eine gute lineare Regression für alle eingesetzten Duftstoffe, durchgängig mit R2-Werten von über 0,996“, schildern die Wissenschaftler.

Wiederholbarkeit
    Tag 1     Tag 2     Tag 3     Tag 4     Tag 5  
 Komponenten Mittelwert STDEV RSD% Mittelwert STDEV RSD% Mittelwert STDEV RSD% Mittelwert STDEV RSD% Mittelwert STDEV RSD%
 Eucalyptol 0,011391 0,000569 5,0 0,012481 0,001269 10,2 0,012263 0,000979 8,0 0,012726 0,001675 13,2 0,012806 0,001285 10,0
 Zestover 0,004632 0,000450 9,7 0,004311 0,000264 6,1 0,004320 0,000135 3,1 0,004182 0,000423 10,1 0,004503 0,000408 9,1
 Kampher 0,016166 0,000759 4,7 0,016907 0,001131 6,7 0,016440 0,000769 4,7 0,016788 0,002001 11,9 0,016717 0,001316 7,9
 Verdox 0,915239 0,018752 2,0 0,972578 0,033094 3,4 0,866965 0,046048 5,3 0,861180 0,067641 7,9 0,891986 0,042382 4,8
 Decal 0,014214 0,001540 10,8 0,013926 0,001113 8,0 0,012846 0,000584 4,5 0,011892 0,001824 15,3 0,011710 0,000817 7,0
 Lilial 0,543458 0,019006 3,5 0,578859 0,027545 4,8 0,545785 0,035792 6,6 0,541996 0,053128 9,8 0,538627 0,025521 4,7
 Amylzimtsäurealdehyd 0,157428 0,006136 3,9 0,171888 0,012369 7,2 0,155054 0,011036 7,1 0,156900 0,017694 11,3 0,159980 0,008911 5,6
 Hexylsalicylat 0,166794 0,015632 9,4 0,194849 0,020899 10,7 0,172095 0,019607 11,4 0,170137 0,026629 15,7 0,174985 0,013832 7,9
 Hexylzimtsäurealdehyd 0,082476 0,006007 7,3 0,093632 0,009226 9,9 0,081535 0,008477 10,4 0,082533 0,012220 14,8 0,084395 0,005973 7,1
 Galaxolid 70 MIP 0,058829 0,004466 7,6 0,067701 0,006918 10,2 0,058252 0,007216 12,4 0,056675 0,008331 14,7 0,058113 0,004954 8,5
% RSDs, berechnet auf Basis der Extraktion zehn gelisteter Probenkomponenten

Wie aber schnitt die SBSE gegenüber der im Unternehmen validierten und umfangreich in der Praxis getesteten LLE ab? Khim Hui: „Zum Vergleich beider Methoden wurden Referenzproben mit verschiedenen Konzentrationen (0,30 %, 0,50 % und 0,75 %) vorbereitet. Dabei zeigte sich, dass die mittels SBSE nachgewiesene Konzentration ziemlich nah an dem Resultat lag, das wir auf konventionelle Weise mit der LLE erzielt hatten.“ Darüber hinaus habe der Methodenvergleich eine deutlich größere Sensitivität der SBSE gegenüber der LLE offenkundig gemacht. „Zusammenfassend lässt sich feststellen“, bringt es Khim Hui auf den Punkt, „die SBSE hat als schnelle, empfindliche und höchst reproduzierbare Alternative zu gängigen Probenvorbereitungsmethoden wie LLE bei der Analyse von Duftstoffen in Weichspülern überzeugt.“ Daneben ermögliche die SBSE die Nutzung relativ geringer Probenmengen und beeindruckte durch ihre höhere Sensitivität bei der quantitativen Analyse. Nicht zuletzt lasse sich der bisherige Verbrauch an organischen Lösungsmitteln dank SBSE drastisch senken. „Ein durch und durch positives Resultat“, freut sich der Wissenschaftler.

 

Literatur

[1] C. Franc, F. David, G. de Revel. J. Chromatogr. A 1216 (2009) 3318-3327
[2] M. W. Maylan, P. H. Howard; J. Pharm. Sci. 84 (1995) 83-92