Verbindungen mit Niedrigtemperaturpyrolyse

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1 Die Quantitative Umwandlung von organisch gebundenem Sauerstoff in CO für die 18 O- Analyse 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 GC- Säulen 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 18 O 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 trap- Chromatographietechnik 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. 1

2 Dieser Bericht zeigt 18 O-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 ) 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 WLD- Signal 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. 2

3 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 ( 12 C 16 O) und m/z 30 ( 12 C 18 O) ausgerechnet werden. 3

4 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 WLD- Basislinie während des CO-Peaks. Das WLD-Signal ohne back-flush zeigt das langsam abfallende N2 Untergrundsignal der sekundären Pyrolysegase. 4

5 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. Probe O [%] ratio O:N 18 O [ ] theory 18 O [%] Sucrose ± 0.15 Sucrose ± 0.11 Laktose ± 0.15 Glucosepentaacetat ± 0.10 Coumarin ± 0.10 Tribromophenol ± 0.10 Tyramine : ± 0.12 Sucrose + Benzotriazol 30 1: * Koffein : * Kasein : ± 0.16 * absolute Standardabweichung < 0.2 5

6 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 18 O 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 δ 18 O 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 18 O-Verhältnis wurde mit einer ähnlichen oder sogar besseren Genauigkeit und Präzision gemessen als bei den allgemein verbreiteten Hochtemperatur GC-IRMS Systemen. 6

7 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 CO- Peak gewährleistet. - Verschleppungseffekte, die zu einer Verschiebung des 18 O-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 CHNS- Isotopenverhältnismessungen verwendet werden. Aber. Die Niedrigtemperaturpyrolyse ist nicht für die 18 O-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. 7

8 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 18 O measurements of nitrogen-containing compounds, Rapid Communications in Mass Spectrometry, , 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. Stuart- Williams, S. M. Weise und R. A. Werner, Comprehensive inter-laboratory calibration of reference materials for 18 O versus VSMOW using various on-line high-temperature conversion techniques, Rapid Communications in Mass Spectrometry, 23, , 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, ,