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Dokumentenidentifikation DE10123460A1 12.12.2002
Titel Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen
Anmelder Hayen, Heiko, 26409 Wittmund, DE;
Jachmann, Nicole, 48308 Senden, DE;
Vogel, Martin, 48565 Steinfurt, DE;
Karst, Uwe, Dr., 48151 Münster, DE
Erfinder Hayen, Heiko, 26409 Wittmund, DE;
Jachmann, Nicole, 48308 Senden, DE;
Vogel, Martin, 48565 Steinfurt, DE;
Karst, Uwe, Dr., 48151 Münster, DE
DE-Anmeldedatum 14.05.2001
DE-Aktenzeichen 10123460
Offenlegungstag 12.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.12.2002
IPC-Hauptklasse G01N 27/62
Zusammenfassung Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man eine Probe, in der sich die analysierenden Verbindungen befinden, mit einem nitroaromatischen Reagenz derivatisiert und die Reaktion durch Elektroneneinfang-Ionisations-Massenspektrometrie unter Einsatz einer Coronarentladung, vorzugsweise unter Verwendung eines Interfaces für die chemische Ionisation bei Atmospährendruck (engl.: atmospheric pressure chemical ionisation, APCI) auswertet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen durch Elektroneneinfang- Ionisations-Massenspektrometrie in einem Interface für die chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) nach Derivatisierung mit einem geeigneten nitroaromatischen Reagenz.

Massenspektrometrische Verfahren nehmen in der Umwelt- und Bioanalytik eine stark ansteigende Bedeutung ein, da sie die Untersuchung äußerst komplexer Proben erlauben. Eine weitere Steigerung der Selektivität entsteht durch die Kopplung der massenspektrometrischen Detektionsverfahren an leistungsfähige chromatographische oder elektrophoretische Trenntechniken.

Eines der empfindlichsten Kopplungsverfahren überhaupt ist die Gaschromatographie/Massenspektrometrie-Kopplung unter Verwendung der Elektroneneinfang-Massenspektrometrie. Ausgewählte halogenierte Verbindungen, Nitroverbindungen und weitere Substanzen mit stark elektronenaffinen funktionellen Gruppen können durch Elektroneneinfang entweder unzersetzt oder nach Dissoziation in stabile Fragmente (siehe beispielsweise in G. T. Tomy, G. A. Stern, Analytical Chemistry 71 4860-4865 (1999), M. Coelhan, Analytical Chemistry 71 4498-4505 (1999), M. Longo, A. Cavallaro, Journal of Chromatography A 753 91-100 (1996), M. Saha, J. Saha, R. W. Giese, Journal of Chromatography 641 400-404 (1993)) ionisiert und anschließend bestimmt werden. Auf Basis dieses Effektes wurden nachweisstarke Analysenverfahren zur Bestimmung zahlreicher physiologisch aktiver Substanzen (siehe beispielsweise D. B. Naritsin, R. L. Boni, S. P. Markey, Analytical Chemistry 67 863-870 (1995), D. E. Mulvana et al., Journal of Chromatography B 682 289-300 (1996)) entwickelt.

In den letzten Jahren hat sich jedoch die Kopplung aus Flüssigchromatographie und Massenspektrometrie (HPLC/MS) unter Verwendung der Electrospray-Ionisation (ESI) und der chemischen Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) für viele Anwendungen in der Bio- und der Umweltanalytik durchgesetzt (siehe beispielsweise J. Leonil et al., Journal of Chromatography A 881 1-21 (2000), E. Gelpi, Journal of Chromatography A 703 59-80 (1995)). Diese sogenannten "weichen" Ionisationstechniken ionisieren die Analyten typischerweise durch Protonierung (im positiven Modus) oder Deprotonierung (im negativen Modus). Viele Substanzen geringer Polarität lassen sich jedoch unter diesen Bedingungen nur in geringem Umfang ionisieren, woraus unvorteilhafte Nachweisgrenzen resultieren. Blair und Mitarbeiter beschrieben kürzlich erstmals ein Verfahren, bei dem Analyten mit alkoholischen Funktionalitäten durch Umsetzung mit Pentafluorbenzylbromid in die entsprechenden Ether überführt werden (G. Singh, A. Gutierrez, K. Xu, I. A. Blair, Analytical Chemistry 72 3007-3013 (2000)). In der im APCI-Interface eingesetzten Coronarentladung zeichnen sich die entstandenen Derivate durch dissoziativen Elektroneneinfang aus, so dass man die negativ geladenen Analytmoleküle mit sehr hoher Ionisationsausbeute als Produkte erhält. Hieraus resultieren extrem niedrige Nachweisgrenzen für die Analyten. Limitiert wird dieses Verfahren jedoch durch die Tatsache, dass Analyten verhältnismäßig niedriger Molekularmassen aufgrund des großen Hintergrundsignals in diesem Massenbereich mit der Technik des dissoziativen Elektroneneinfangs nicht bestimmt werden können. Außerdem ist das beschriebene Verfahren nur für eine verhältnismäßig kleine Gruppe von Analyten einsetzbar. Ein Einsatz des Verfahrens für die Bestimmung vieler weiterer reaktiver Analyten in wäßrigen und Luftproben ist nicht beschrieben worden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem weitere Analyten durch Elektroneneinfang-Ionisation mit guten Nachweisgrenzen bestimmt werden können.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass ausgewählte Nitroaromaten in der Lage sind, durch Umsetzung mit den Analyten Derivate zu ergeben, die mittels Elektroneneinfang-Ionisations- Massenspektrometrie unter Verwendung einer Coronarentladung im APCI-Interface bestimmt werden können. Hierbei sind die Grundstrukturen des 2,4-Dinitrophenyls und des 4-Nitro-2,1,3- benzooxadiazols besonders gut geeignet. Bei den experimentellen Arbeiten zeigte es sich, dass die Elektroneneinfang-Ionisation als Konkurrenz zur klassischen Deprotonierungsreaktion im negativen Modus auftritt. Daher ist ein besonders vorteilhafter Einsatz der Methode bei Derivaten möglich, bei denen eine Deprotonierung stark erschwert ist.

Beispielsweise kann die Elektroneneinfang-Ionisation für Reaktionsprodukte aus nitroaromatischen α-Methylhydrazinreagenzien mit Carbonylverbindungen, aus nitroaromatischen Halogeniden mit sekundären Aminen und aus nitroaromatischen α-Alkylaminen mit Isocyanaten eingesetzt werden.

Der Einsatz der Reagenzien und die Bestimmung mittels Elektroneneinfang-Ionisations-Massenspektrometrie soll im Folgender anhand von Beispielen gezeigt werden:

1.) Bestimmung aliphatischer Amine in einer Luftprobe

Ein Probenahmeröhrchen mit 300 mg Kieselgel als Trägermaterial wird mit insgesamt 1,5 mg 4-Chlor-7-nitro-2,1,3-benzooxadiazol (NBD- chlorid) beschichtet. Über das beschichtete Röhrchen wird mit einer Flussrate von 300 mL/min unter Zuhilfenahme einer Pumpe eine Luftprobe an einem Arbeitsplatz der chemischen Industrie gesaugt. Die Probenahmedauer beträgt 15 min. Nach erfolgter Probenahme wird das Röhrchen mit 5 ml Acetonitril eluiert und das Eluat wird in ein HPLC/MS-System mit kommerziellem APCI-Interface (Modell QP-8000 der Firma Shimadzu, Duisburg) injiziert. Die Trennung der Derivate erfolgt auf einer Umkehrphasensäule mit Discovery RP-18-Material der Firma Supelco (Deisenhofen). Die folgenden massenspektrometrischen Bedingungen werden eingestellt:

Spannung der Curved Desolvation Line (CDL): +5 V, CDL-Temperatur: 300°C, Deflektorenspannung: 0 V, Detektorspannung: 1,7 kV, APCI- Nadelspannung: -2,0 kV, Hilfsgas: Stickstoff, Flussrate des Hilfsgases: 2,5 L/min. Temperatur der APCI-Nadel: 450°C.

Man erkennt bei der Auswertung der Chromatogramme und Massenspektren, dass die Derivate der primären Amine durch einen [M-H]--Peak gekennzeichnet sind, während man für die Derivate der sekundären Amine den M--Peak erhält. Damit ist es möglich, beispielsweise die Derivate von Dimethylamin und Ethylamin, die durch gleiche Molekülmassen gekennzeichnet sind, aufgrund der unterschiedlichen Ionisationsmechanismen selbst bei chromatographischer Coelution eindeutig zu identifizieren. In dieser Luftprobe können Methylamin, Dimethylamin, Ethylamin, Diethylamin, Propylamin und Cyclohexylamin nachgewiesen werden.

2.) Identifizierung von Carbonylverbindungen in wäßrigen Proben

Eine filtrierte Abwasserprobe aus einem Kunststoffverarbeitenden Betrieb (Probenvolumen: 50 mL) wird mit 1 mL einer Lösung von 3 mg α-Methyl-2,4-dinitrophenylhydrazin (MDNPH) in 50% 5 M Schwefelsäure und 50% Acetonitril versetzt. Nach einer Reaktionszeit von 30 Minuten bei Erwärmung auf 85°C wird die Reaktion durch Abkühlen auf Raumtemperatur gestoppt und die Lösung wird in das unter Beispiel 1.) genannte HPLC/MS-System injiziert. Die Trennung von Reagenz und Derivaten erfolgt mittels einer LiChroSpher RP-18 endcapped-Säule der Firma Merck (Darmstadt). Für sämtliche Derivate wird aufgrund des bei diesem Reagenz erfolgten dissoziativen Elektroneneinfangs (Spaltung der N-N-Bindung in der Hydrazinfunktion) dasselbe Masse/Ladungs-Verhältnis von m/z = 196 beobachtet. Aufgrund der verschiedenen Retentionszeiten bei Einsatz der Gradientenelution ist eine Zuordnung der erhaltenen Peaks zu den Einzelsubstanzen möglich. Die Kalibration erfolgt unter Durchführung der Reaktion mit Standards bekannter Konzentration und durch Einsatz interner isotopenmarkierter Standards. In der Abwasserprobe können Formaldehyd (510 µg/L), Acetaldehyd (107 µg/L), Acrolein (75 µg/L) Benzaldehyd (12 µg/L) und p-Tolualdehyd (10 µg/L) nachgewiesen werden.

3.) Bestimmung leichtflüchtiger Isocyanate nach Pyrolyse von Kunststoffen

In einer Pyrolyseapparatur (Eigenbau) werden 20 g eines Kunststoffgranulates bei einer Temperatur von 600°C unter Luftausschluss für drei Stunden thermisch behandelt. Durch einen schwachen Stickstoffstrom (ca. 20 mL/min) wird das während der Pyrolyse entstandene Gasgemisch in eine Serie von zwei Waschflaschen geleitet, die jeweils 20 mg von 4-Nitro-7-piperazino- 2,1,3-benzooxadiazol (NBD-PZ) in 50 mL Acetonitril enthalten. In den Waschflaschen bildet sich bei Vorhandensein des Analyten das Additionsprodukt aus Reagenz und Isocyanat. Nach Beendigung der Pyrolyse werden jeweils 20 µl des Inhaltes jeder der beiden Waschflaschen in das unter Beispiel 1.) genannte HPLC/MS-System injiziert. Die flüssigchromatographische Trennung erfolgt unter Einsatz einer Prontosil C18-ace-EPS-Säule der Firma Bischoff Chromatographie (Leonberg). In der ersten Waschflasche kann anhand der chrakteristischen Masse/Ladungs-Verhältnisse von m/z = 306 (Methylisocyanat) und m/z = 320 (Ethylisocyanat) eine hohe Konzentration des Methylisocyanat-Derivates und eine geringe Konzentration des entsprechenden Ethylisocyanat-Derivates nachgewiesen werden, während ein Durchbruch beider Analyten in die zweite Waschflasche nicht festgestellt werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen, gekennzeichnet dadurch, dass man eine Probe, welche die zu analysierenden Verbindungen enthält, mit einem nitroaromatischen Reagenz derivatisiert und die Reaktion durch Elektroneneinfang-Ionisations-Massenspektrometrie unter Einsatz einer Coronarentladung, vorzugsweise unter Verwendung eines Interfaces für die chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) auswertet.
  2. 2. Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass es sich bei den nitroaromatischen Reagenzien um Substanzen auf Basis eines Dinitrophenyl- oder eines 4-Nitro-2,1,3-benzooxadiazolgerüstes handelt.
  3. 3. Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, dass das nitroaromatische Reagenz als reaktive Funktionalität ein Halogenatom, eine sekundäre Aminogruppe oder eine α-Methylhydrazinogruppe enthält.
  4. 4. Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass als Hilfsgas zur Vernebelung der Analyten Stickstoff, Argon, Helium, Kohlendioxid oder eine Mischung aus diesen eingesetzt wird.
  5. 5. Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Auswertung eine Trennung der Analyten in kondensierter Phase, bevorzugt mittels Hochleistungs- Flüssigkeitschromatographie (HPLC), Kapillarelektrophorese (CE) oder elektrokinetischer Kapillarchromatographie (CEC) vorgeschaltet ist.
  6. 6. Verfahren zur massenspektrometrischen Bestimmung organischer Verbindungen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die massenspektrometrische Detektion unter Verwendung eines Tandem-Massenspektrometers bei 1-4 aufeinanderfolgenden Fragmentierungsschritten erfolgt.






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