18 O-Analyse von stickstoffhaltigen organischen Verbindungen mit

18O-Analyse von stickstoffhaltigen organischen
AB-I-151009-D-01
Verbindungen mit Niedrigtemperaturpyrolyse
Die Quantitative Umwandlung von organisch gebundenem Sauerstoff in CO für die 18OAnalyse von organischen Verbindungen wird traditionell mit Hilfe von Hochtemperaturpyrolyse bei ~1430°C durchgeführt. Diese Methode fordert eine komplizierte und teure
Apparatur. Theoretisch kann die Umsetzung auch schon bei ~ 1200°C stattfinden, wenn
statt Glaskohlenstoff Gasruß als Katalysator verwendet wird. Diese Technik wird in der
Elementaranalyse schon seit Jahrzehnten angewendet.
Der Gebrauch von herkömmlichen Gaschromatographen für die Trennung der
Pyrolyseproduktgase erzielt bei stickstoffhaltigen Verbindungen oft abweichende
Ergebnisse obwohl der gebundene Sauerstoff quantitativ in CO umgesetzt wird. Dies wird
teilweise durch überlappende NO und CO Peaks auf m/z 30 bei der Verwendung von GCSäulen verursacht. NO wird in der Ionenquelle durch die Reaktion von N2 (ein
Pyrolyseprodukt) und Spuren von Sauerstoff (von Wasser oder kleinen Lecks) auf der heißen
Oberfläche des Filaments gebildet. Die 18O Messung für N-haltige Proben enthält deshalb
systematische Fehler (siehe Accoe et al., [2008]).
Die Überlappung von NO und CO Peak kann durch die Verwendung der purge and trapChromatographietechnik behoben werden, die standardmäßig in allen Elementaranalysatoren der Firma Elementar vorhanden ist. Bei der purge and trap Technik kann die
Zeit zwischen dem Stickstoff- und CO-Peak frei gewählt werden. Die CO-Säule wird erst
beheizt, wenn der Stickstoffpeak vollständig vorhanden ist, so dass, im Gegensatz zu den
GC-Geräten mit einer vorgegebenen kurzen Zeit zwischen beiden Peaks, eine komplette
Peaktrennung gewährleistet werden kann.
Während der Pyrolyse wird nur ein geringer Teil Stickstoff direkt in N2 umgewandelt. Der
größte Anteil wird in C- und N-haltige, nicht flüchtige, langsam zu N2 zerfallende Polymere
und andere Verbindungen umgesetzt. Diese sekundären Pyrolysegase beeinträchtigen die
Isotopen-verhältnismessungen von CO. Um zu verhindern, dass diese sekundären
Pyrolysegase in das Massenspektrometer eintreten, werden sie vor der CO-Säule durch das
neue entwickelte back-flush System in das Abgas geleitet.
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Verbindungen mit Niedrigtemperaturpyrolyse
Dieser Bericht zeigt 18O-Analysen, die mit Hilfe der Niedrigtemperaturpyrolyse bei 1170°C mit
dem Elementaranalysator (EA) vario ISOTOPE cube von Elementar verbunden mit einem
Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS) von ISOPRIME durchgeführt worden sind.
Der vario ISOTOPE cube ist standardmäßig mit der purge and trap-Chromatographietechnik
und dem back-flush System ausgerüstet.
Diese Analysen zeigen die hervorragende Leistungsfähigkeit des EA-IRMS für Niedrigtemperaturpyrolyse von stickstoffhaltigen organischen Verbindungen.
Beschreibung des Systems
Der vario ISOTOPE cube wird im Sauerstoffmodus mit Hilfe des Sauerstoffaufrüstsatzes
(Artikel-Nr. 51-40-0001) betrieben. Das Quarzpyrolyserohr wird mit Gasruß gefüllt und auf
1170°C aufgeheizt. Da Gasruß eine größere Oberfläche als Glaskohlenstoff hat, wird die
Geschwindigkeit des CO/CO2 + C Gleichgewichts erhöht, um die vollständige Umsetzung von
O zu CO sicherzustellen. Das nachfolgende Funktionsdiagramm zeigt die Funktionsweise des
vario ISOTOPE cube.
1. Die Probe fällt vom Probenteller durch den Kugelhahn in das Pyrolyserohr.
2. Die Probe wird pyrolysiert und die Produktgase strömen mit dem Trägergas Helium
durch verschiedene Absorptionssäulen um Wasser, alkalische und saure
Pyrolyseprodukte zu entfernen.
3. Der Gasstrom mit He, N2 and CO fließt durch die CO Adsorptionssäule, wo das
gesamte CO adsorbiert wird und nur He and N2 übrig bleiben.
4. Das He-N2-Gemisch fließt durch den Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD). Das WLDSignal gibt aber keinen Hinweis auf den Stickstoffgehalt der Probe, weil nicht der
gesamte Stickstoff während der Pyrolyse zu N2 umgesetzt wird. Ein kleiner Teil des
He-N2 Gemisches wird abgezweigt und in das IRMS geleitet. Dort wird ein Signal auf
m/z 28 (N2) und m/z 30 (NO) gemessen.
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5. Kurz nach dem Erreichen des Höchstwertes des Stickstoffpeaks werden zwei Ventile
(V3 und V9) geschaltet, so dass die CO-Säule mit reinem Helium durchspült wird und
die sekundären Pyrolyseprodukte ins Abgas geleitet werden.
6. Wenn der Stickstoffpeak abgeschlossen ist, wird die CO-Säule aufgeheizt und CO
freigesetzt. Das He-CO Gemisch strömt durch den WLD und der Sauerstoffgehalt der
Probe wird quantitativ bestimmt. Mit Hilfe dieser Werte kann kontrolliert werden,
ob eine vollständige Wiederfindung von Sauerstoff erreicht worden ist. Ein kleiner
Teil des He-CO Gemisches wird zum IRMS abgezweigt.
7. Das 18
O Verhältnis kann aus den Signalen auf m/z 28 (12C16O) und m/z 30 (12C18O)
ausgerechnet werden.
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Resultate
Die nachfolgende Abbildung zeigt die ausgezeichnete Trennung der N2- und CO-Peaks mit
Hilfe der purge and trap Technik. Das back-flush System sorgt für eine sehr stabile WLDBasislinie während des CO-Peaks. Das WLD-Signal ohne back-flush zeigt das langsam
abfallende N2 Untergrundsignal der sekundären Pyrolysegase.
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Verbindungen mit Niedrigtemperaturpyrolyse
Zehn verschiedene Standardsubstanzen wurden mit Hilfe des vario ISOTOPE cube im
Sauerstoffmodus und des ISOPRIME Isotopenverhältnis-Massenspektrometers analysiert. Das
gemessene 18
O Verhältnis wurde mit den Sollwerten verglichen.
Die Proben wurden in Silberschiffchen eingewogen. Die Einwaage wurde so gewählt, dass
die absolute Menge von Sauerstoff 350 µg beträgt. Alle Standards wurden mit sechs
Einwaagen gemessen.
O [%]
ratio O:N
18O [‰] theory
18O [%]
Sucrose-1
51.5
-
28.14
28.14 ± 0.15
Sucrose-2
51.5
-
36.40
36.47 ± 0.11
Laktose
51.5
-
20.89
21.20 ± 0.15
Glucosepentaacetat
45.1
-
23.94
23.90 ± 0.10
Coumarin
21.9
-
15.83
16.02 ± 0.10
Tribromophenol
4.8
-
24.4
23.94 ± 0.10
Tyramine
11.7
1:1
14.2
14.50 ± 0.12
Sucrose + Benzotriazol
30
1:1
28.90
28.06 *
Koffein
16.5
1:2
-3.48
-2.92 *
Kasein
25.5
1:1
9.0
8.74 ± 0.16
Probe
* absolute Standardabweichung < 0.2
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Zum Vergleich: eine Studie über 18
O-Werte von verschiedenen Referenzsubstanzen, die in
verschiedenen Labors mit verschiedenen Hochtemperaturpyrolyse-IRMS-Systemen
analysiert worden sind, zeigt, dass die gemessenen 18
O-Werte bis zu 3 ‰ streuen [Brand et
al., 2009]. Dies ist ein Hinweis für die Genauigkeit von weitverbreiteten IRMS Systeme für
Sauerstoff Isotopenverhältnismessungen. Diese Studie zeigt auch, dass die Präzision der 18O
Messungen, dargestellt durch die Standardabweichung von acht aufeinfolgenden Proben
auf einem einzigen Messgerät, zwischen 0.09 und 0.26‰ schwankt.
Sieben der oben genannten Referenzmaterialien beinhalten keinen Stickstoff und drei
enthalten Stickstoff mit einem O:N Verhältnis von 3:1. Ein Standard, der in der Diskussion
über Präzision und Genauigkeit oben nicht berücksichtigt ist, ist Koffein. Koffein enthalt
relativ viel Stickstoff (O:N Verhältnis 1:2). Die Analyse von dieser stickstoffhaltigen Substanz
zeigt 18
O-Werte, die über mehr als 9‰ schwanken [Brand et al, 2009].
Im Vergleich mit den Werten für Präzision und Genauigkeit in Brand et al. [2009] zeigt der
vario ISOTOPE cube eine sehr hohe Genauigkeit und Präzision bei der 18
O-Analyse von
stickstoffhaltigen Proben. Selbst der Koffeinstandard mit sehr hohem Stickstoffgehalt
konnte mit sehr hoher Genauigkeit und Präzision gemessen werden.
Zusammenfassung
Neben der Bestimmung des CHNS Isotopenverhältnisses kann der vario ISOTOPE cube
zusammen mit dem ISOPRIME Isotopenratio Massenspektrometer auch für die Bestimmung
des δ18O Isotopenverhältnisses von organischen Verbindungen verwendet werden.
Dieser Bericht zeigt Ergebnisse einer Messreihe von organischen Referenzsubstanzen, die
mit Hilfe des vario ISOTOPE cube (mit purge and trap Technik und back-flush System) bei
Niedrigtemperaturpyrolyse gemessen worden sind. Das 18O-Verhältnis wurde mit einer
ähnlichen oder sogar besseren Genauigkeit und Präzision gemessen als bei den allgemein
verbreiteten Hochtemperatur GC-IRMS Systemen.
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18O-Analyse von stickstoffhaltigen organischen
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Verbindungen mit Niedrigtemperaturpyrolyse
Die wichtigste Vorteile der vario ISOTOPE cube sind:
-
Durch die niedrigere Betriebstemperatur können billigere Pyrolyserohre (Quarzglas
statt Glaskohlenstoff und Keramik) und Öfen eingesetzt werden. Diese haben
außerdem eine längere Lebensdauer. Der vario ISOTOPE cube ist ausgestattet mit
einem Standard Elementar Ofen mit 10 Jahren Garantie.
-
Durch die purge and trap Technik ist die vollständige Trennung vom N2- und COPeak gewährleistet.
-
Verschleppungseffekte, die zu einer Verschiebung des 18O-Wertes führen, werden
durch das back-flush System minimiert.
-
Die zusätzliche Messung des Gesamtsauerstoffgehaltes (mit dem Elementaranalysator) kann als Qualitätskontrolle für den Pyrolyseprozess verwendet werden.
-
Mit nur wenigen Modifikationen kann der vario ISOTOPE cube auch für CHNSIsotopenverhältnismessungen verwendet werden.
Aber ….
Die Niedrigtemperaturpyrolyse ist nicht für die 18O-Analyse von anorganische Proben zu
verwenden. Für die vollständige Umsetzung von Sauerstoff in CO sind bei anorganische
Proben höhere Temperaturen erforderlich (< 1400°C). Für diese Anwendungen ist der vario
PYRO cube bei Elementar erhältlich.
Das Niedrigtemperaturpyrolysesystem mit purge and trap und back-flush Technik und die
oben genannten Analysen werden ausführlich im Sieper et al. [2010] diskutiert.
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Verbindungen mit Niedrigtemperaturpyrolyse
Literatur
F. Accoe, F., M. Berglund, B. Geypens and P. Taylor, Methods to reduce interference effects
in thermal conversion elemental analyzer/continuous flow isotope ratio mass
spectrometry 18O measurements of nitrogen-containing compounds, Rapid
Communications in Mass Spectrometry, 2280-2286, 2008.
Brand, W. A., T. B. Coplen, A. T. Aerts-Bijma, J. K. Böhlke, M. Gehre, H. Geilmann, M.
Gröning, H. G. Jansen, H. A. J. Meijer, S. J. Mroczkowksi, H. Qi, K. Soergel, H. StuartWilliams, S. M. Weise und R. A. Werner, Comprehensive inter-laboratory calibration of
reference materials for 18O versus VSMOW using various on-line high-temperature
conversion techniques, Rapid Communications in Mass Spectrometry, 23, 999-1019,
2009.
Sieper, H. P., H. J. Kupka, L. Lange, A. Rossmann, N. Tanz, H. L. Schmidt, Essential
methodological improvements in the oxygen isotope ratio analysis of N-containing
organic compounds, Rapid Communications in Mass Spectrometry, 24, 2849-2858, 2010.
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