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„Flüssigchromatographie und Massenspektrometrie für die Analytik unpolarer Verbindungen“Arbeitsgruppe des Autors

Bettina Seiwert, Suze van Leeuwen, Heiko Hayen, Martin Vogel und Uwe Karst

Einleitung

Erst nach Einführung der Electrospray-Ionisation (ESI) [1], für die Fenn 2002 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde [2] und der chemischen Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) [3] hat sich die Kopplung aus Flüssigchromatographie (LC) und Massenspektrometrie (MS) seit Mitte der 80er-Jahre zu einem der leistungsfähigsten Analysenverfahren entwickelt [4]. ESI und APCI ermöglichen die simultane Überführung des LC-Eluates in die Gasphase und die Ionisation der Analyten. Die typischen Ionisationsmechanismen für beide Interfaces sind hierbei die Protonierung im positiven und die Deprotonierung im negativen Modus. Häufig werden auch Addukte der Analyten mit Ammonium-, Natrium- oder Chloridionen beobachtet. Aufgrund dieser "weichen" Ionisationsmechanismen sind ESI und APCI besonders gut für die Analytik stark polarer Substanzen geeignet, wobei die ESI-Bedingungen in der Regel noch schonender als die APCI-Bedingungen sind. Beim ESI-Prinzip wird an eine Kapillare, die das LC-Eluat ins Interface führt, eine Hochspannung angelegt. Diese sorgt gleichzeitig für die Überführung des Eluates in die Gasphase und für die Ionisation der Analyten. Im APCI-Interface findet dagegen zunächst die Verdampfung des Eluates in einer beheizten Kapillare statt, während die Ionisation anschließend durch eine Coronaentladung an einer Metallnadel erfolgt. ESI und APCI ergänzen somit die GC/MS mit Elektronenstoßionisation (EI) in idealer Weise. Dies ist aus Abbildung 1 ersichtlich. Diese Verfahren sind damit beispielsweise besonders gut für die Analytik von Pharmazeutika oder Peptiden geeignet.

Abbildung 1: Einsatzbereiche für verschiedene massenspektrometrische Techniken.

Die Bestimmung von Analyten geringer Polarität mit ESI- und APCI-MS ergibt jedoch zumeist unbefriedigende Resultate, da unter den typischen Ionisationsmechanismen keine Ionisation erfolgt. In den letzten Jahren gibt es einige neue Ansätze, die einen Einsatz der LC/MS unter Verwendung von Ionisationstechniken bei Atmosphärendruck auch für unpolare Verbindungen ermöglichen sollen. Dabei handelt es sich um - die Kopplung aus Elektrochemie und MS,
- die Photoionisation bei Atmosphärendruck (APPI),
- die Elektroneneinfang-APCI-MS,
- die Coordination Ionspray-MS und seit kurzem
- die Laserionisation bei Atmosphäremndruck (APLI),
die im Folgenden vorgestellt werden.

Elektrochemie/MS-Kopplung

Ziel der Kopplung aus Elektrochemie und Massenspektrometrie ist die elektrochemische Konversion unpolarer Verbindungen in polarere oder sogar geladene Produkte, die anschließend der ESI- oder APCI-Technik zugänglich sind [5-7]. Als elektrochemische Zelle ist eine poröse Glaskohlenstoff-elektrode besonders vorteilhaft, da sie unter geeigneten Bedingungen einen nahezu quantitativen Stoffumsatz der Analyten und daher besonders niedrige Nachweisgrenzen ermöglicht. Entscheidende Voraussetzung für dieses Verfahren ist eine elektrochemische Reaktivität der Analyten, wobei dies in der Regel eine Oxidation bedeutet, prinzipiell aber auch eine Reduktion sein könnte. Die LC/Elektrochemie/MS-Kopplung unter Verwendung eines Umkehrphasen(RP)-LC-Systems ist insofern attraktiv, da unpolare Verbindungen unter diesen Bedingungen hervorragend getrennt, anschließend zu geladenen Spezies oxidiert und schließlich massenspektrometrisch detektiert werden können. Dies wird besonders am Beispiel von Ferrocenderivaten deutlich (Abbildung 2), zu deren massenspektrometrischer Detektion nach Oxidation ein APCI-Interface sogar mit ausgeschalteter Coronarentladung eingesetzt wird [8]. Dies bedeutet, dass das Interface nur für die Überführung in die Gasphase zuständig ist, während die Ionisation bereits vorher in einer elektrochemischen Zelle erfolgt. Interessant ist auch die Möglichkeit, Folgeprodukte elektrochemischer Oxidationen nach Reaktion der oxidierten Spezies mit Lösungsmittelbestandteilen zu studieren.

Abbildung 2: Chromatogramm einer Trennung verschiedener mit Ferrocenoylpiperazid derivatisierter Isocyanate. Die eingefügte Abbildung zeiget die Strukturformel des Ethylisocyanatderivates des Ferrocenoylpiperazids und das zum Peak bei der Retentionszeit von ca. 17 Minuten gehörige Massenspektrum. Das kleine Massenspektrum zeigt das theoretisch berechnete Isotopenmuster für den [M]+-Peak.


Photoionisation bei Atmosphärendruck (APPI)

Das inzwischen für die LC/MS-Geräte vieler Hersteller kommerziell erhältliche APPI-Interface [9-11] entspricht bezüglich der Verdampfung des HPLC-Eluates dem oben beschriebenen APCI-Interface. Im Gegensatz zu diesem ist das Herzstück des Interfaces jedoch eine Lampe, die energiereiches Licht im Bereich des Vakuum-UV ausstrahlt. Das Emissionsmaximum der Lampe ist so gewählt, dass die Analyten photoionisiert werden, das Lösungsmittel und die Trägergaskomponenten jedoch nicht. Damit ist das APPI-Interface insgesamt etwas universeller einsetzbar als die Elektrochemie/MS-Kopplung; es ist jedoch, wie alle bekannten Ionisationsverfahren bei Atmosphärendruck, stark substanzabhängig. Hervorragende Resultate werden beispielsweise für die LC/APPI-MS-Kopplung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) erhalten. Für andere Applikationen ist in der Literatur auch der Einsatz von Additiven ("Dopants") beschrieben, die unter den APPI-Bedingungen zunächt ionisiert werden und anschließend eine chemische Ionisation der Analyten bewirken [9].

Elektroneneinfang-APCI-MS

Die Elektroneneinfang-APCI-MS ist ein neues Verfahren, dass das APCI-Interface im negativen Modus als Quelle langsamer Elektronen nutzt. Ausgewählte Analyten mit hoher Elektronenaffinität, beispielsweise polyhalogenierte Verbindungen [12] oder Nitroaromaten [13], zeigen diesen Effekt, der in ähnlicher Weise in der GC/MS bereits seit langem bekannt ist. In Abhängigkeit von der einzelnen Verbindung wird teils ein einfacher Elektroneneinfang unter Bildung des Radikalanions des Analyten, teils aber auch ein dissoziativer Elektroneneinfang beobachtet, bei dem stabile Neutralteilchen (NO, N2, etc.) oder andere Molekülteile abgespalten werden. Einige typische Reaktionen sind in Abbildung 3 dargestellt. Trotz der Limitation auf wenige Substanzgruppen kann die Elektroneneinfang-APCI-MS von großer praktischer Bedeutung sein. In der Literatur ist beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem polyhalogenierte Derivatisierungsreagenzien zur Bestimmung hydroxyfunktionalisierter Biomoleküle und Pharmazeutika eingesetzt werden [12]. In den letzten Jahren wurde auch die direkte Analytik umweltrelevanter Nitroaromaten und der Einsatz von Derivatisierungsreagenzien auf Basis von Nitroaromaten vorgestellt [13].

Abbildungen 3: Dissoziative und nicht-dissoziative Elektroneneinfangreaktionen ausgewählter Nitroaromaten.



Coordination Ionspray-MS

Das Cordination Ionspray-MS-Verfahren geht auf Bayer et al. [14, 15] zurück und beruht auf der gezielten Zugabe flüchtiger Salze zu Analyten geringer Polarität. Durch Zusatz von Silberionen entstehen aus diversen unpolaren Substanzgruppen geladene Addukte, die einer massenspektrometrischen Bestimmung zugänglich sind. Obwohl dieses elegante Verfahren auf die Analytik einiger ausgewählter Verbindungen beschränkt ist, bietet es einzigartige Möglichkeiten. In der Literatur sind Applikationen für die Bestimmung von Vitaminen [14], Olefinen, Polyolefinen und Aromaten [15] sowie Produkten der Lipidperoxidation [16] beschrieben.

Laserionisation bei Atmosphärendruck (APLI)

Kürzlich haben die Arbeitsgruppen von Schmitz und Benter [17] ein neues attraktives Ionisationsverfahren vorgestellt, das auf der resonanzverstärkten Multiphotonen-Ionisation (REMPI) der Analyten durch eine Laserquelle beruht. Durch Zweiphotonen-Ionisation können Substanzen mit aromatischem Grundgerüst mit extrem niedrigen Nachweisgrenzen bestimmt werden. In einer ersten Publikation konnten die Autoren den Einsatz dieser vielversprechenden Methode für die Bestimmung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs), oligomeren Verbindungen mit aromatischen Gruppen und Koordinationskomplexen zeigen.

Zusammenfassung

Obwohl nicht zu erwarten ist, dass eines der in diesem Artikel vorgestellten Verfahren eine universelle Lösung für die Bestimmung unpolarer Substanzen mittels LC/MS bieten wird, so ist doch ersichtlich, dass es inzwischen auch Problemlösungen in diesem Themenbereich gibt, die vor wenigen Jahren noch nicht absehbar waren. Angesichts der derzeitigen Dynamik in diesem Fachgebiet sind weitere positive Überraschungen in dieser Richtung wahrscheinlich.


Kontakt:
  • Bettina Seiwert
    Suze van Leeuwen
    Martin Vogel
    Uwe Karst

    Universität Twente
    Abteilung Analytische Chemie und MESA+
    Institut für Nanotechnologie
    Postfach 217
    7500 AE Enschede
    Niederlande
    E-Mail: u.karst@utwente.nl

    Heiko Hayen
    ISAS Institute for Analytical Sciences
    Bunsen-Kirchhoff-Str. 11
    44139 Dortmund
Literatur:
  • [1] M. Yamashita, J.B. Fenn: J. Phys. Chem. 88 4451 (1984)

  • [2] J.B. Fenn: Angew. Chem. Int. Ed. 42 3871 (2003)

  • [3] D.I. Carroll, I. Dzidic, R. N. Stillwell, K.D. Haegele, E.C. Horning: Anal. Chem. 47 2369 (1975)

  • [4] W.M.A. Niessen: J. Chromatogr. A 856 179 (1999)

  • [5] G.J. Van Berkel, J.M.E. Quirke, R.A. Tigani, A.S. Dilley, T.R. Covey: Anal. Chem. 70 1544 (1998)

  • [6] X.M. Xu, W.Z. Lu, R.B. Cole: Anal. Chem. 68 4244 (1996)

  • [7] T.Y. Zhang, S.P. Palii, J.R. Eyler, A. Brajter-Toth: Anal. Chem. 74 1097 (2002)

  • [8] G. Diehl, A. Liesener, U. Karst: Analyst 126 288 (2001)

  • [9] D.B. Robb, T.R. Covey, A.P. Bruins: Anal. Chem. 72 3653 (2000)

  • [10] V. Kertesz, G.J. Van Berkel: J. Am. Soc. Mass Spectr. 13 109 (2002)

  • [11] J.-P. Rauha, H. Vuorela, R. Kostiainen: J. Mass Spectrom. 36 1269 (2001)

  • [12] G. Singh, A. Gutierrez, K. Xu, I.A. Blair: Anal. Chem. 72 3007 (2000)

  • [13] H. Hayen, N. Jachmann, M. Vogel, U. Karst: Analyst 127 1027 (2002)

  • [14] C. Rentel, S. Strohschein, K. Albert, E. Bayer: Anal. Chem. 70 4394 (1998)

  • [15] E. Bayer, P. Gfrörer, C. Rentel: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 38 992 (1999)

  • [16] C.M. Havrilla, D.L. Hachey, N.A. Porter: J. Am. Chem. Soc. 122 8042 (2000)

  • [17] M. Constapel, M. Schellenträger, O.J. Schmitz, S. Gäb, K.J. Brockmann, R. Giese, T. Benter: Rapid Commun. Mass Spectrom. 19 326 (2005)