GC- und GC-MS - Comprehensive GC (GCxGC)

Multidimensionale und „Comprehensive“ Chromatographie mit einem Quadrupol-MS

von Dr. Margit Geißler

Jeder Anwender, der GC- und GC-MS-Analysen komplexer Proben durchführen muss, kennt das Problem: Co-Elutionen. Sie können durch Matrixbestandteile, aber auch durch andere Analyten hervorgerufen werden. Normalerweise werden in der Gas-Chromatographie Kompo-nenten auf unpolaren Trennsäulen nach ihren Siedepunkten getrennt. Liegen die Siedepunkte verschiedener Analyten dicht beieinander, so kommt es zu Co-Elutionen.

Abb. 3: Kontur-Plot einer Lavendelölprobe

Die Fragen, die sich dem Anwender stellen, sind: Wie kann man die Komponenten richtig identifizieren? Wie kann man die Komponenten präzise quantifizieren? Die Multidimensionale Chromatographie bietet hier die Lösung. Bei der Multidimensionalen Chromatographie werden 2 Trennsäulen mit unterschiedlichen Trenneigenschaften eingesetzt. Dadurch können Komponenten, die auf einer Säule nicht zu trennen sind, weil sie z.B. ähnliche Siedepunkte haben, auf der zweiten Säule getrennt werden, etwa nach ihrer unterschiedlichen Polarität.

Multidimensionale Chromatographie mit neuem Multi-Deans Switch

Zwei Trennsäulen können auf unterschiedliche Weise miteinander gekoppelt werden. Bei der klassischen Multidimensionalen GC wird ein sog. Deans Switch veru u wendet. Hierbei werden die Komponenten nach Austritt aus der ersten Säule durch Anlegen von Druckdifferenzen entweder zum Detektor oder in eine zweite Säule geleitet. Der Anwender kann entscheiden, welche Substanzen direkt zum 1. Detektor gehen und welche durch die zweite Säule zum 2. Detektor gelangen. Es werden also zwei Chromatogramme erhalten. In der Vergangenheit gab es bei dieser Methode jedoch das Problem, dass die Retentionszeiten der Peaks auf der ersten Säulen sich verschoben haben, je nachdem wie viele Tranfers (Cuts) auf die zweite Säule durchgeführt wurden. Das machte die Bestimmung der Transferzeiten sehr schwierig und es waren mehrere Läufe nötig, um diese zu bestimmen. Bei dem neuen Multi-Deans Switch (Shimadzu Europa GmbH, Duisburg) ist diese Schwierigkeit durch Einbau von verschiedenen Restriktoren sowie eines Ventils, das außerhalb der eigentlichen Flusslinie sitzt, gelöst [1,2,3]. Soll also ein Satz von Targetkomponenten aus einer schwierigen Matrix heraus quantifiziert werden, so sind nur drei Schritte nötig: 1. Analyse des Standards der Targetkomponenten auf der ersten Säule (nur 1 Lauf!) 2. Bestimmen der Transferzeiten (unbegrenzte Anzahl von Transfers auf die zweite Säule) grafisch in der Software 3. Analyse der Probe und qualitative und quantitative Auswertung

Die Vierte Dimension: das Quadrupol- Massenspektrometer

Als zweiter Detektor wird in vielen Fällen ein Quadrupol-Massenspektrometer eingesetzt. Das hat den Vorteil, dass Substanzen eindeutig anhand ihrer charakteristischen Massenspektren identifiziert werden können. Dazu werden sie mit Spektren aus kommerziell erhältlichen Shimadzu Spektrenbibliotheken (z.B. NIST, Wiley, Pestizid Bibliothek, Shimadzu FFNSC- Bibliothek (Flavours+Fragrances) verglichen. Abb. 1 zeigt das Chromatogramm einer Mandarinölprobe, bei welcher der Abschnitt bei 11 min auf die zweite Säule transferiert wurde und in welchem – auf der zweiten Säule – sechs Komponenten identifiziert werden konnten (Abb. 2).

Abb. 1: Chromatogramm einer Mandarinölprobe mit Transfer bei ca. 11 min











Abb. 2: Chromatogramm des Abschnitts bei 11 min von der zweiten Säule

Die ultimative Auflösung: „ Comprehensive GC (GCxGC)“

Bei der Methode der „Comprehensive GC“ kommen ebenfalls zwei Trennsäulen zum Einsatz: Normalerweise ist eine unpolare Säule (30 m; 0,25 mm; 0,25 µm) mit einer polaren Säule (Wax) verbunden, die aber sehr kurz ist (ca. 1 m; 0,1 mm; 0,1 µm). Zwischen den Säulen befindet sich ein thermischer Modulator, der mit einer festgelegten Frequenz die Probenmoleküle refokussiert und in die zweite Säule freigibt. Im Unterschied zur oben beschriebenen Multidimensionalen Chromatographie mit Multi-Deans Switch wird bei der Comprehensive Chromatographie die gesamte Probe auf die zweite Säule transferiert. Dies hat bei unbekannten, komplexen Proben den Vorteil, dass wirklich alle, auch kleine, Verunreinigungen in einer Probe aufgespürt werden können. Einsatz findet diese Technik z.B. in der Petrochemischen Industrie, aber auch in der Lebensmittelindustrie.

Thermische Modulation – extrem geringe Peakbreiten

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. Der Loop-Modulator verwendet nur zwei Düsen (kalt und heiß), um die Komponenten zu refokussieren und auf die zweite Säule zu transferieren. Vorteil dieses thermischen Modulationsverfahrens gegenüber anderen Modulationstechniken besteht darin, scharfe Modulationspulse erzeugen zu können, wodurch die Auflösung und Nachweisgrenze entscheidend verbessert wird [4,5,6].

Extrem geringe Peakbreiten – schnelle Detektion

Das Detektionssystem muss in der Lage sein, auch für die bei der Comprehensive GC erhaltenen, sehr schmalen Peaks eine ausreichend große Menge von Datenpunkten zu liefern, um qualitative und quantitative Genauigkeit sicherstellen zu können. Alle Shimadzu GC-Detektoren besitzen Abtastraten bis zu 250 Hz und Filterzeitkonstanten bis zu 4 ms. Auch das GCMS-QP2010 Plus Quadrupol- Massenspektrometer ist mit seinen Datenaufnahmeraten von maximal 50 bzw. 100 Datenpunkten pro Sekunde (Full Scan bzw. SIM (Single Ion Monitoring)) bestens für die Comprehensive Chromatographie geeignet. Abb. 3 zeigt den Ausschnitt aus dem Kontur-Plot einer Lavendelölprobe, gemessen mit Comprehensive GC(qMS).

Fazit

Multidimensionale und Comprehensive Chromatographie bieten eine deutlich verbesserte Nachweisempfindlichkeit verglichen mit herkömmlichen GC-Analysen. Die MDGC führt in nur drei Schritten eine quantitative Analyse mit zwei Trennsäulen durch. Der Anwender entscheidet, welche Substanzen zum 1. Detektor bzw. durch die zweite Trennsäule zum 2. Detektor (oftmals ein Quadrupol- Massenspektrometer) gehen. Der neue Multi-Deans Switch von Shimadzu schließt eine Verschiebung von Retentionszeiten aus. Die Comprehensive Chromatographie transferiert die gesamte Probe auf die zweite Säule und spürt so selbst kleinste Verunreinigungen auf. Auflösung und Nachweisgrenze werden entscheidend verbessert durch ein neues thermisches Modulationsverfahren mit Loop-Modulator. Ein entsprechend empfindlicher Detektor erweitert die Analyse-Erkenntnis. Auch hier kann erfolgreich ein Quadrupol- Massenspektrometer eingesetzt werden, wenn die Datenaufnahmeraten, wie beim GCMS-QP2010 Plus (Shimadzu Europa GmbH), hoch genug sind.

Fotos: © Dr. Margit Geißler

Literatur
[1] Luigi Mondello, Alessandro Casilli, Peter
Quinto Tranchida, Masanao Furukawa,
Kyoichi Komori, Kozo Miseki, Paola Dugo,
Giovanni Dugo.,. J. Chromatogr. A., 1105,
11–16 (2006).
[2] Luigi Mondello, Alessandro Casilli, Peter
Quinto Tranchida, Danilo Sciarrone, Paola
Dugo and Giovanni Dugo., LC-GC Europe,
21(3), 130–137, (2008).
[3] Maria Lo Presti, Danilo Sciarrone, Maria
Lucia
Crupi, Rosaria Costa, Salvatore Ragusa,
Giovanni Dugo and Luigi. Mondello. In press
Flavour Fragrance Journal.
[4] Luigi Mondello, Alessandro Casilli, Peter Quinto
Tranchida, Giovanni Dugo and Paola Dugo,
J.Chromatogr. A, 1067 (2005) 235–243
[5] Mohamed Adahchour, Menno Brandt, Hans-
Ulrich Baier, René J.J. Vreuls, Udo A.Th.
Brinkman: J.Chromatogr. A, Volume 1067,
Issues 1–2 , 4 March 2005, Pages 245–254
[6] Robert Shellie, Luigi Mondello, Philip Marriott,
Giovanni Dugo: J. Chromatogr. A, 970 (2002)
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