Quelle

Jun Tsunokawa, Kikuo Sasamoto, Nobuo Ochiai
„Hot Injection und Trapping mit SHS/SPME und einem GERSTEL-ThermalDesorptionSystem für die GC/MS-Analyse“
Poster-Präsentation auf der Pittcon 2012.

Schematischer Geräteaufbau: Schlüsselmodul ist der GERSTEL-MultiPurposeSampler, der sowohl für die Headspace- als auch für die SPME-Analytik ausgelegt ist. Die TDU ist auf 250 °C aufgeheizt, das heißt, die injizierten Analyten bleiben in der Gasphase, kondensieren nicht und werden im KAS fokussiert, nach Bedarf infolge Mehrfachinjektionen aufkonzentriert und erst dann temperaturprogrammiert auf die Säule überführt.
MPS-Spritzenhalter für die HS, darunter die GERSTEL-ThermalDesorptionUnit (TDU).
MPS-Spritzenhalter für die SPME, darunter die GERSTEL-ThermalDesorptionUnit (TDU).
TIC von Kaffee, aufgezeichnet nach konventioneller statischer Headspace (SHS) mit Split/splitless-Injektor. Injektionsvolumen: 1 mL, Splitverhältnis 1:10; HIT-HS mit KaltAufgabeSystem (KAS), Starttemperatur: -50 °C, Injektionsvolumen: 1 mL, Splitverhältnis: 1:1; HIT-HS mit KAS, Starttemperatur 10 °C, Injektionsvolumen: 2,5 mL, insgesamt vier Injektionen, in Summe: 10 mL, Splitverhältnis: 1:1.
SIM-Chromatogramm von drei Off-Flavor-Komponenten: 2-MIB, TCA und Geosmin (1 ng/L und blank). Um die Sensitivität der Bestimmung zu erhöhen, wurde die Analytmenge durch eine vierfache Injektion erhöht.
SIM-Chromatogramm von mit 10 ng/L 2-MIB, TCA und Geosmin versetztem Wasser. Die Anreicherung der Analyten durch Mehrfachinjektion ermöglicht ihre eindeutige Identifizierung.
TIC von geröstetem grünem Tee, extrahiert mittels HIT-SPME nach einmaliger (a) und sechsmaliger (b) Injektion.

Extraktionstechniken

VOC & SVOC auf der HIT-Liste

Ein neuartiges, von GERSTEL entwickeltes Anreicherungsverfahren, die „Hot Injection and Trapping“-Methode (HIT), erhöht Effizienz, Sensitivität und analytische Bandbreite der statischen Headspace-Analyse (HS) sowie der HS-SolidPhaseMicroExtraction (HS-SPME).

Zwecks Bestimmung von Aromaverbindungen in Lebensmitteln setzen Analysenlaboratorien häufig die Headspace-Gaschromatographie (HS-GC) ein. Je nachdem, wie die Probennahme aus dem Dampfraum (Headspace) erfolgt, unterteilen sich die Headspace-Techniken in

Die Probennahme mit der SHS verläuft einstufig: Sobald sich das Verteilungsgleichgewicht der Analyten zwischen Probe und Dampfraum eingestellt hat, wird mit einer gasdichten Spritze ein Aliquot aus dem Dampfraum entnommen und in den Injektor des Gaschromatographen (GC) injiziert. Da hierbei nur ein Bruchteil des Dampfraums, folglich ein noch geringerer Bruchteil der im Vial vorliegenden Analyten, zur Aufgabe auf die Trennsäule kommt, ist die SHS vergleichsweise unempfindlich. Um eine hinreichende Sensitivität zu erzielen, kann der eine oder andere Anreicherungsschritt sinnvoll, wenn nicht sogar unerlässlich sein.

Im Gegensatz zur SHS ist bei der DHS und HS-SPME die Anreicherung der Analyten auf einem adäquaten Sorbensmaterial obligat; DHS und HS-SPME verlaufen also in zwei Stufen. Bei der DHS wird der Dampfraum kontinuierlich von einem Inertgas durchströmt und über ein Adsorbensmaterial geleitet, auf dem die Analyten angereichert werden. Bei der HS-SPME erfolgt die Anreicherung auf einer SPME-Faser, die in den Dampfraum eingeführt wird. Da der Stofftransport durch Diffusion erfolgt, verläuft die Anreicherung langsamer als bei dynamischen Verfahren. In Abhängigkeit von der gewählten Extraktionsphase verfügt die HS-SPME über eine hohe Selektivität.

Vom Sorbens getrennt und auf das GC-System überführt werden die angereicherten Analyten im Zuge einer thermischen Desorption in geeigneten Geräten, für die SPME typischerweise in einem GC-Injektor oder, wie in der hier präsentierten Arbeit, in der GERSTEL-ThermalDesorption-Unit (TDU), um größere Empfindlichkeit und bessere Wiederfindung vor allem von Hochsiedern zu erreichen.

Probleme bei der Probenaufgabe

Die heiße Injektion einer SHS- oder SPME-Probe führt häufig zu einer Peakverbreiterung leicht flüchtiger Komponenten; durch Cryofokussierung im PTV-Injektor des GC oder auf einer kalten Säule im GC-Ofen lässt sich die Peakform deutlich verbessern. Wie die Praxis zeigt, beinhaltet der Schritt der Cryofokussierung ein gewisses Risiko in Bezug auf die Wiederfindung insbesondere hochsiedender Analyten, die, sobald die gasförmige Probe in den kalten PTV injiziert wird, an der ebenfalls kühlen Spritzennadel kondensieren und hierdurch verlustig gehen können. Im Fall der HS-SPME werden Analyten auf der SPME-Faser angereichert, wobei die für eine gute Peakform erforderliche Split-Aufgabe der desorbierten Analyten den erzielbaren Anreicherungsfaktor zumindest teilweise vernichtet.

Headspace-Analytik konsequent zu Ende gedacht

Entgegen den oben beschriebenen Problemen lassen sich durch thermische Desorption der Analyten, verbunden mit dem Ausblenden von Lösemittel oder Wasser in einer entsprechenden Geräteeinheit (GERSTEL-TDU) und anschließender Cryofokussierung der Analyten im PTV, sowohl HS- als auch SPME-Analysen besser und sensitiver durchführen, wie Dr. Nobuo Ochiai, Jun Tsunokawa und Kikuo Sasamoto von GERSTEL K.K. aus Tokio berichten. Die japanischen Wissenschaftler haben unlängst ihre „Hot Injection and Trapping“-Methode , kurz HIT genannt, einem größeren Fachpublikum vorgestellt, die sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass sie die Headspace-Analytik erstmals konsequent zu Ende denkt und mit einfachsten Mitteln und Handgriffen effizient einen Verlust von Substanz durch Kondensation erfolgreich verhindert, wobei gleichzeitig eine maximale Sensitivität bei der Bestimmung von leicht- und schwerflüchtigen Verbindungen gewährleistet wird.

Schwerflüchtige Verbindungen mögen es heiß

Die Funktionsweise der HIT-Methode lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben: Statt die Probe wie üblich in einen kalten PTV zu injizieren beziehungsweise aufzugeben, verwenden Nobuo Ochiai und Kollegen eine auf 250 °C aufgeheizte ThermalDesorptionUnit (GERSTEL-TDU). „Die heiße TDU gewährleistet, dass vor allem schwerflüchtige Verbindungen während der Probenaufgabe gasförmig bleiben, sprich: nicht an der Spritzennadel kondensieren und mit Entfernen der Spritze aus dem Injektor verloren gehen“, erläutern die Wissenschaftler.

Die (Cryo-)Fokussierung folgt erst im zweiten Schritt: Mit einem Inertgasstrom gelangen die Analyten aus dem TDU zum PTV-Injektor, hier zum GERSTEL-KaltAufgabeSystem (KAS), das sich unter anderem im Split- und Splitless-Modus betreiben lässt und zunächst als Kühlfalle fungiert. Die Anreicherung der Analyten erfolgt auf Tenax TA, das sich im KAS-Glasliner befindet. „Durch mehrere Injektionen der gleichen Proben, die wir nacheinander durchführen“, berichtet Dr. Nobuo Ochiai, „steigern wir die Substanzmenge im KAS, senken die Bestimmungsgrenzen (LOD) und erhöhen die Sensitivität der Analyse deutlich.“

Um die Leistungsfähigkeit der HIT-Technik in puncto Bestimmungsgrenzen (LOD), Wiederfindung der hochsiedenden Komponenten, Linearität und Wiederholbarkeit zu überprüfen, untersuchten Nobuo Ochiai und Kollegen unter anderem Trinkwasser, Kaffee und grünen Tee. Ein Vergleich mit der konventionellen SHS sollte helfen, weitreichendere Aussagen treffen zu können.

Kaffeearomen mittels HS-und HIT-HS

Nach einer ersten HS-Injektion von 1 mL Probevolumen bei einer Splitrate von 1:10 zeigten sich im HS-Chromatogramm (TIC) nur winzige, wenig verwertbare Signale, kaum höher als das Grundrauschen. Im nächsten Schritt erfolgte wiederum nur eine Injektion einer gleichen Probenmenge, diesmal aber mit einem Splitverhältnis von 1:1 und in HIT-Manier in das 250 °C heiße TDU; fokussiert wurden die Analyten im nachgeschalteten KAS bei -50 °C. „Selbst sehr flüchtige Verbindungen wie das Acetaldehyd konnten wir eindeutig nachweisen“, berichtet Dr. Nobuo Ochiai. In einem dritten Versuch wurde die Zahl der Injektionen auf vier und das aufzugebende Probenvolumen auf 2,5 mL erhöht und die Temperatur des KAS auf 10 °C eingestellt, um aktives Wassermanagement betreiben und eventuell um die Chromatographie beeinträchtigende Feuchte aus den Proben entfernen zu können. Das Resultat: „Die mehrfache Injektion von 2,5 ml-HS-Gas führte zu einer signifikanten Verbesserung der Sensitivität. Verbindungen mit einem geringeren Dampfdruck wie Methylfurfuryldisulfid ließen sich eindeutig nachweisen“, berichten die Wissenschaftler.

MIB, TCA und Geosmin in Wasser mittels HIT-HS

Unter anderem in puncto Sensitivität schien den japanischen Wissenschaftlern das Optimum noch nicht erreicht. Um das Potenzial ihrer HIT-Methode auszuloten, injizierten sie viermal 2,5 mL Probe aus dem Headspace von Wasserproben, die mit 2-Methylisoborneol (MIB), Trichloranisol (TCA) und Geosmin dotiert waren. Probenvorbereitung und Probenaufgabe in das GC/MS-System erfolgten in allen Fällen automatisiert mittels des GERSTEL-MultiPurposeSamplers (MPS). Dr. Nobuo Ochiai: „Wir erzielten eine gute Linearität mit einem Korrelationskoeffizienten (R2) von 0,9950; die kleinste Konzentration betrug 1 ng/L, die höchste 200 ng/L.“ Die Wiederholbarkeit der Methode wurde durch die Analyse von mit 1 ng/L versetztem Leitungswasser bestimmt. Die relative Standardabweichung (RSD) einer jeden Verbindung lag zwischen 4,2 bis 8,6 Prozent (n = 7). Die Bestimmungsgrenzen (Limits of Detection, LOD) waren für 2-MIB 0,12 ng/L, für TCA 0,36 ng/L und für Geosmin 0,30 ng/L.

Gerösteter grüner Tee mittels HIT-SPME

Der Vollständigkeit halber untersuchten Nobuo Ochiai und Kollegen die Effektivität und Leistungsfähigkeit der HIT-SPME bei der Bestimmung eines Aromaprofils von geröstetem grünem Tee. Während eine einzige HIT-SPME-Injektion viele kleinere Peaks von wichtigen Komponenten ergab, die möglicherweise nicht ausreichend aussagekräftig waren, erbrachte die Kombination von sechs Injektionen im HIT-SPME-GC/MS-Modus eine drastische Zunahme der Signalintensität: Die Bestimmung hydrophiler Verbindungen und Verbindungen mit niedrigem Dampfdruck wie Vinylphenol und Indol gelang sichtbar eindeutig und klar (siehe Abbildung).

Alles in allem, fassen Jun Tsunokawa, Kikuo Sasamoto und Dr. Nobuo Ochiai zusammen, lieferten die Kombination der heißen HS- und SPME-Probenaufgabe im TDU und die anschließende Fokussierung der Analyten im KAS eine signifikant höhere Sensitivität bei der Analyse, im vorliegenden Fall von Aromastoffen und Off-Flavors wie MIB, Geosmin und TCA. Die guten Werte für Linearität und Wiederholbarkeit sprächen für sich, ebenso die geringe Bestimmungsgrenze im Sub-ng/L-Bereich und die stark verbesserte Wiederfindung hochsiedender Komponenten. Wie die Praxis zeige, bemerkt Dr. Nobuo Ochiai abschließend, lasse sich die Leistung der Analyse weiter steigern, werde die HIT-Methode mit der mehrdimensionalen GC/MS gekoppelt. Hierfür sprächen zahlreiche Untersuchungen, etwa der Nachweis von 2-MIB, TCA und Geosmin in Wasser, die die japanischen Wissenschaftler mit dotierten und Realproben durchgeführt hatten.