Automatische Festphasenextraktion

Verfügte das AutoLoop 2000 noch über zwei Valco-Ventile, einen für den Flüssigkeitstransport und einen für die Trägergasversorgung , so ist die Weiterentwicklung, der SPECube (Abb. 1), modular aufgebaut. In einem möglichen Verfahren werden mit Hilfe einer integrierten HPLC-Pumpe alle Wege und die Säule mit dem Festphasenmaterial (10 x 2 mm ID) über ein 14-Port-Ventil in einem ersten Schritt mit Wasser gespült und die Kartusche dann mit einem entsprechenden organischen Lösemittel konditioniert. Anschließend wird die Probe mit einem Volumen von 10 bis 20 ml mittels eines Autosamplers, der mit Probentabletts für bis zu 96 Proben versehen ist, über die Säule gepumpt und dann nach erneutem Spülen mit Reinstwasser in einem Inertgas-Strom getrocknet.

In einem zweiten Schritt wird eine Probenschleife definierten Volumens mit einem geeigneten organischen Lösemittel befüllt und mit Hilfe des Trägergasstroms durch ein Stück Stahlkapillare in ein Multiinjektionsystem überführt. Dieses Injektionssystem ist in der Lage, große Volumina auf eine gewöhnliche GC-Kapillarsäule zu übertragen: Bis zu 100 µl Eluat werden in einem mit Packungsmaterial gefüllten Liner, der knapp unterhalb des Lösemittelsiedepunktes temperiert ist, aufgenommen. Ist nun die Differenz der Siedepunkte von Lösemittel und Analyten groß genug, kann das Lösemittel über ein geöffnetes Ventil abgeblasen und von den auf dem Packungsmaterial verbleibenden Substanzen getrennt werden.

Ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor z. B. zeigt an, wann das Lösemittel nahezu vollständig abgeblasen ist. Nun schließt sich das Ventil und der Liner wird mit hohen Raten aufgeheizt, womit die Substanzen auf die analytische Säule gelangen, auf der es dann zur chromatographischen Trennung der Komponenten kommt.

Der Grundgedanke der Online-SPE-GC-Methode ist, dass bei der normalen Festphasen-Extraktion nur ein sehr kleiner Teil des Probenextraktes injiziert wird, und es somit sinnvoller wäre, den Maßstab der gesamten SPE stark zu miniaturisieren, nur ca. 10 ml anzureichern und dann das gesamte Eluat auf eine GC-Säule zu transferieren. Die Aufkonzentrierung findet dann im Injektionssystem statt.

Die kleinen Probenmengen von im Normalfall 10 ml und das Entfallen der Aufkonzentrierung des Eluats bringen eine erhebliche Zeitersparnis. Aufgrund der Tatsache, dass die Festphasen-Kartuschen im Back-flush-Verfahren wieder gesäubert werden, können sie mehrfach verwendet werden (je nach Anwendung bis 100 Analysen). Dies sowie der Umstand, dass geringere Mengen an Lösemittel verwendet werden, führen zu erheblichen Kostenersparnissen, so dass sich die Anschaffung des SPECube schnell amortisiert.

Durch die Automatisierung des gesamten Analysenprozesses wird ein erheblicher Gewinn an Reproduzierbarkeit und Präzision erreicht, wie es ja bereits aus anderen Gebieten der instrumentellen Analytik bekannt ist.

Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil ist, dass es sich beim SPECube um ein geschlossenes Analysensystem handelt, was zu Folge hat, dass keine Laborkontamination durch Einschleppung beim manuellen clean-up auftritt. Als Voraussetzung für eine erfolgreiche Analytik organo-chemischer Substanzen scheinen empfindliche Analysengeräte der Erfolgsgarant zu sein. Jedoch ist dies nur eine vordergründige Betrachtungsweise. Bei ubiquitär vorkommenden Komponenten wie z. B. Weichmacher, Antioxidantien und Duftstoffen besteht häufig darin das Problem, sicherzustellen, dass es sich beim gefundenen Ergebnis wirklich um Substanz aus der Probe handelt und nicht während des clean-up aus dem Labor eingebracht worden ist. Ausschließlich Maßnahmen zur Verringerung der Labor-Blindwerte scheinen hier eine Lösung zu sein. Dabei wird viel Sorgfalt und chemischer Sachverstand benötigt und erst am Ende steht das empfindliche Messgerät, das den Erfolg (oder den Misserfolg) der Bemühungen anzeigt. Wird dies berücksichtigt, so liegt es auf der Hand, dass ein vollautomatisches und geschlossenes Analysensystem wie der SPECube einen enormen Fortschritt hin zu korrekter Analytik überall verbreiteter Substanzen bedeutet.

Schließlich erlaubt die vollständige Automatisierung der ganzen Analysenserie eine Effizienzsteigerung eines jeden Laboratoriums. Während sich das Laborpersonal bei Anwendung der herkömmlichen Festphasen-Extraktion sehr ausgiebig mit den nass-chemischen Probenvorbereitungsschritten beschäftigen muss, ist es nun möglich, dies nun vollautomatisch machen zu lassen, während sich das Personal in Ruhe z. B. mit der Datenauswertung beschäftigen kann.

Die verwendeten Fertigsäulen (Abb. 2) sind mit allen gängigen Füllmaterialien, die auch aus der HPLC bekannt sind, zu bekommen. Für einen breiten Einsatz haben sich quervernetzte Polystyrolharze als besonders gut herausgestellt, da sie nicht nur sehr universell verwendbar sind, sondern auch noch sehr schnell trocknen. Um auch polare Stoffe anreichern zu können, werden N-Vinylpyrrolidion-divinylbenzol-Copolymere oder ähnliche Füllmaterialien verwendet. Im Handel sind viele verschiedene Typen befüllbarer LC-Guard-Columns zu bekommen, von denen die meisten auch für die Anwendung im SPECube geeignet sind. Jedoch birgt das eigenständige Befüllen dieser Kartuschen die Gefahr von Kanalbildungen und anderen Unsicherheitsfaktoren. Um diese Risiken auszuschließen, sollten besser Fertigsäulen verwendet werden, da der Preis bei bis zu 100 Analysen pro Kartusche keine wesentliche Rolle mehr spielt.

Als hochempfindlicher Analysenbaustein ist der SPECube speziell für den Nachweis von Mikroverunreinigungen entwickelt worden. Dadurch ist von einer Anwendung bei Untersuchung stark verunreinigter Gewässer wie Abwässer oder auch Getränken wie Wein und Saft, etc. abzusehen, da es zu Verunreinigungen und Memoryeffekten kommen könnte. Ersteres würde das Ende der Betriebszeit der Kartusche, das sich durch das deutliche Ansteigen des Drucks und eines verminderten Flusses zeigt, drastisch senken. Bestens geeignet ist der SPECube für die Anwendung bei Oberflächengewässern wie z. B. aus Flüssen und Seen, Tafel-, Trink-, Mineralwasser sowie Grundwasser.

Als Beispiel dafür, dass es sich bei dem SPECube um eine leistungsfähige Probenvorbereitungskomponente handelt, die bei einer breiten Palette von Analysenproblemen ihre Anwendung findet, dienen folgende zwei Applikationsbeispiele.

Nach einem Tankerunglück auf einem deutschen Fluss stehen die Überwachungsbehörden vor einer schwierigen Aufgabe: In kürzester Zeit sollen 10 bis 20 Verdachtsproben von Trinkwasser auf Spuren von Heizöl untersucht werden. Derzeit steht die genormte Methode H 53 (DIN EN ISO 9377-4) zur Bestimmung des Kohlenwasserstoff-Index zur Verfügung. Bei der Methode wird 1 l Wasser mit Cyclohexan extrahiert. Der einkonzentrierte Extrakt wird mit GC-FID (oder GC/MS) gemessen. Das Verfahren ist sehr arbeitsintensiv und zeitaufwändig. Für die Erledigung von 15 Wasserproben müssen gut drei bis vier Arbeitstage (pro Arbeitskraft) gerechnet werden. Mit Probenbeschaffung u. a ist schnell eine Woche vergangen.

Bei dem Einsatz des SPECube können 10 ml der Probe vollautomatisch analysiert werden. Die Validierungsdaten

• Nachweisgrenze: ca. 0,3 µg n-Alkan/l (entspr. 1,5 µg Heizöl/l)

• Praktischer Arbeitsbereich: 0,5 bis 20 µg n-Alkan/Liter

• Bestimmungsbereich der n-Alkane: C12 – C30 (entspricht: 2,5 bis 100 µg Heizöl/l)

• Linearer Korrelationskoeffizient: 0,9997

• Variationskoeffizient VK : 4 bis 14%

zeigen, dass mit einem minimalen Arbeitsaufwand und 1/100 der Probenmenge (mit der Norm-Methode) vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können. Die Verdachtsproben werden morgens zur Online-SPE-GC/MS-Messung vorbereitet (ca. 1 Std. Arbeitszeit). Danach läuft der ganze Analysenprozess einschließlich Auswertung der Daten vollautomatisch über Nacht ab. Am nächsten Morgen kann sofort nach Durchsicht der Ergebnisse (in den meisten Fällen) Entwarnung gegeben werden. Diese Entwarnung ist schnell, der Situation angepasst und beruht auf realen Messungen.

In einem weiteren Beispiel wurden in einer Studie 73 Proben von Mineralwasser, Tafelwasser und Trinkwasserproben aus dem Handel mit der Online-SPE-Methode untersucht. Die häufigsten Verunreinigungen waren Weichmacher (DEHP) und Antioxidantien aus den Flaschenverschlüssen (Abb. 3).

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