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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren eines Stoffgemisches.
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Um ein Stoffgemisch zu analysieren, sind viele Verfahren bekannt. Meist wird das Stoffgemisch von einem Probeneintragsystem zu einem Detektor transportiert. Der Detektor ist dabei Teil einer Analyseeinheit, in der das Stoffgemisch durch ein Analyseverfahren analysiert wird. Oftmals wird das Stoffgemisch dabei zunächst aufgetrennt und anschließend analysiert. Für ein Auftrennen des Stoffgemisches ist die Flüssigchromatographie ein sehr leistungsfähiges Verfahren. Hierbei können in Lösung vorliegende Analyten durch unterschiedliche Wechselwirkungen mit einer mobilen und einer stationären Phase aufgetrennt und die aufgetrennten Komponenten qualitativ und quantitativ untersucht werden. Die mobile Phase ist meist ein Lösungsmittel oder vorzugsweise ein Lösungsmittelgemisch, wohingegen die stationäre Phase meist als Trennsäule ausgebildet ist.
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Bei der Flüssigchromatographie, auch LC genannt, wird das zu trennende gelöste Stoffgemisch durch einen Injektor auf die Trennsäule gegeben, auf der es in einem Lösungsmittelgemisch, insbesondere mit einem Lösungsmittelgradienten, aufgetrennt wird. Nach der Auftrennung des Stoffgemisches erfolgt die Detektion der in der Probenmischung enthaltenen Bestandteile in dem Detektor einer Analyseeinheit. Die Detektion wird je nach den gewünschten Anforderungen ausgeführt. Ist beispielsweise eine hohe Empfindlichkeit erwünscht, erfolgt die Detektion oftmals mit Hilfe eines elementselektiven Detektors, beispielsweise mit dem Detektor einer ICP-MS, also einer massenspektrometrischen Anlage mit induktiv gekoppeltem Plasma, als elementselektiver Analyseeinheit.
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Für eine Kopplung der flüssigchromatographischen Trennsäule an ein ICP-MS wird der Ausgang der Trennsäule meist direkt an einen Zerstäuber angeschlossen. Der Zerstäuber erzeugt nach Anlegen eines Zerstäubergases und eines Lösungsmittelstromes ein feines Aerosol, das in das Plasma der ICP-MS überführt wird. Im Plasma werden Elementionen erzeugt, die dann über eine Ionenlinse in den Massenfilter gelangen und vom Detektor detektiert werden können. Die erzeugten Elementionen werden dabei nach ihrem m/z-Verhältnis getrennt und detektiert.
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Bei der Verwendung von in ihrer Zusammensetzung konstanten Gemischen als Laufmittel zur Trennung von Substanzgemischen (isokratisch) sind sehr gute Ergebnisse mit elementselektiven Analyseeinheiten erzielbar. Problematisch ist jedoch die Verwendung eines Laufmittelgradienten mit einer elementselektiven Analyseeinheit, wie einer ICP-MS. So ist es aufgrund der im Plasma herrschenden reduzierenden Bedingungen möglich, dass organische Bestandteile des Laufmittels zu elementarem Kohlenstoff reduziert werden. Dies kann dazu führen, dass Blenden des ICP-MS verrußen und somit verstopfen, was eine weitere Detektion unmöglich macht. Zum anderen werden starke Schwankungen des Messsignals beobachtet, wenn Laufmittelgradienten aus organischen und wässrigen Lösungsmitteln in das Plasma eingetragen werden. Ab einer bestimmten Konzentration von organischen Bestandteilen im Plasma bricht das Signal aus dem oben beschriebenen Grund letztlich komplett ein.
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Es ist daher bekannt, dem Aerosol oder den Betriebsgasen des ICP einen konstanten Sauerstofffluss beizumischen. Dies führt zu einer Oxidation des elementaren Kohlenstoffs zu CO und/oder CO2. Dadurch wird ein Verstopfen der Linse verhindert. Hierbei tritt jedoch das zusätzliche Problem auf, dass durch den beigemischten Sauerstoff (Analyt-)Elementoxide im Plasma entstehen. Es wird also nicht nur, wie gewünscht, der Kohlenstoff des Laufmittels oxidiert, sondern vielmehr auch der zu untersuchende Analyt. Diese Oxidation der zu analysierenden Stoffe führt zu einer Verminderung des Messsignals und somit zu einer Verschlechterung der Empfindlichkeit.
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Oftmals wird dem sich ändernden Strom von Lösungsmitteln im Fall der Verwendung eines Laufmittelgradienten beziehungsweise der Graduentenelution über ein Verbindungsstück ein weiteres Lösungsmittelgemisch nach erfolgtem Durchlauf der Trennsäule zugemischt, so dass der resultierende Lösungsmittelstrom eine konstante Zusammensetzung aufweist. Dies wird auch „counter-gradient Sytem” genannt. Dadurch wird eine konstante Menge Kohlenstoff zugeführt, die durch den Sauerstoff oxidiert werden kann, ohne dass es zu zeitlich sich verändernden Bedingungen kommt. Es ist ferner bekannt, dem Laufmittelgradienten nach erfolgtem Durchlauf der Trennsäule ein großes Volumen eines in seiner Zusammensetzung konstanten weiteren Laufmittels zuzusetzen. Hierdurch soll eine Verdünnung des eigentlichen Laufmittelgradienten erzielt werden, um somit eine quasi-konstante Zusammensetzung zu erzielen.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass für das Eintragen des additiven Lösungsmittelstroms eine weitere Pumpe benötigt wird, was den Aufbau komplexer und kostenintensiver gestaltet. Darüber hinaus ist die Kapazität des Plasmas für die Toleranz von organischen Lösungsmitteln zu großen Teilen durch den additiven Lösungsmittelstrom aufgebraucht und die freie Wahl eines für die Trennaufgabe notwendigen Lösungsmittelgradienten damit erheblich eingeschränkt. Ferner muss bei einer zu großen Menge an Lösungsmitteln auf relativ teure μ-HPLC-Systeme umgestellt werden, die eine Erzeugung niedriger Flussraten erlauben, da sonst ein zu großer Verdünnungseffekt erzielt wird und weiterhin zu hohe (Summen-)Flussraten nicht mehr in ein stabiles Aerosol überführt werden können.
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Das Dokument
US 4 277 438 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Kohlenstoffgehalts und anderer organischer Verbindungen in einer wässrigen Lösung. Hierzu ist es gemäß diesem Dokument vorgesehen, Sauerstoff in einen Analytstrom einzubringen, um beispielsweise Kohlenstoff zu oxidieren und das so gebildete Kohlendioxid in einem Detektor zu detektieren.
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Das Dokument
WO 98/36440 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elementselektiven Detektieren von chromatographisch aufgetrennten Verbindungen. Bei einem derartigen Verfahren kann ein Plasma-massenspektroskopisches Verfahren Anwendung finden, bei welchem die Probe mit Sauerstoff enthaltendem Helium als Plasmagas vermischt werden kann. Dabei wird der Sauerstoff unter Verwendung eines Gas-massenflussgeräts und über ein T-Stück in den Analytstrom eingebracht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren eines Stoffgemisches zu schaffen, womit auf einfache und kostengünstige Weise die Verwendung eines Laufmittelgradienten mit einer, insbesondere elementselektiven, Analyseeinheit ohne die Probleme aus dem Stand der Technik möglich wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren eines Analyten, wobei der Analyt als Analytstrom von einem Probeneintragsystem zu einem, insbesondere elementselektiven, Detektor zumindest teilweise in einem Laufmittel transportiert wird, wobei das Laufmittel einen Laufmittelgradienten aufweist, wobei in den Analytstrom ein Sauerstoffstrom eingebracht wird, der einen Sauerstoffgradienten aufweist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Laufmittelgradienten auf einfache Weise mit insbesondere elementselektiven Analyseeinheiten kompatibel.
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Unter einem Analyt wird jeder Stoff verstanden, der analysiert werden soll. Dabei kann es sich um einen einzelnen Stoff oder aber um ein Stoffgemisch handeln. Als Analytstrom wird dabei ein Stoffstrom verstanden, der den Analyten umfasst.
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Ein Laufmittel im Rahmen der Erfindung kann jede Substanz sein, mit der der Analyt zumindest teilweise transportierbar ist. Insbesondere umfasst das Laufmittel flüssige Lösungsmittel oder gasförmige Träger. Es kann ferner vorgesehen sein, dass ein Gemisch aus verschiedenen Laufmitteln verwendet wird, so etwa ein Gemisch aus einem organischen und einem wässrigen Lösungsmittel. Beispielhafte Lösungsmittel sind Wasser, Acetonitril oder Methanol, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
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Ein Laufmittelgradient ist jede zeitliche Veränderung des Laufmittels. Beispielsweise kann ein aus einer Komponente bestehendes Laufmittel in seiner Menge variieren oder bei der Verwendung eines Laufmittelgemisches kann sich die Zusammensetzung zeitlich ändern.
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Ein Sauerstoffgradient ist eine zeitlich Veränderung des Sauerstoffstromes in Bezug auf seine Konzentration beziehungsweise Menge.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden stabile Messbedingungen erzielt, mit denen verlässliche und konstante Messergbnisse erhalten werden, ohne von dem Laufmittelgradienten beeinflusst zu werden.
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Eine Verschlechterung der Nachweisgrenze durch die Verfahren aus dem Stand der Technik kann wirksam verhindert werden. Vielmehr wird eine verbesserte Nachweisgrenze erzielt, da Analytoxidation stark reduziert werden kann, da kein permanenter Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. Es werden deshalb sämtliche in dem Stoffgemisch enthaltenen Stoffe vollständig der Analyse zugeführt. Verdünnungseffekte, wie aus dem Stand der Technik bekannt, werden vollständig vermieden. Der Sauerstoffgehalt ist stets an die oxidierbaren Stoffe angepasst.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Laufmittelgemisch aus einem organischen und einem wässrigen Lösungsmittel verwendet. Dadurch kann der Analyt besonders gut als Analytstrom transportiert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Sauerstoffgradient an den Laufmittelgradienten angepasst. Dadurch ist immer die optimale Menge an Sauerstoff vorhanden, um den Effekten des Laufmittelgradienten entgegenzuwirken. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Sauerstoffgradient an den Kohlenstoffgehalt des Laufmittels angepasst wird. Auf diese Weise wird eine Oxidation des Analyten noch stärker reduziert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Sauerstoffgradient dynamisch geregelt, wobei die Analytoxidrate berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann permanent auf die tatsächlich herrschenden Bedingungen reagiert werden. Eine unzureichende oder zu hohe Sauerstoffmenge kann so praktisch vermieden werden, da auf sich verändernde Faktoren stets durch eine Regelung reagiert werden kann.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der Analytstrom vor dem Einbringen des Sauerstoffstromes auf einer Trennsäule einer flüssigchromatographischen Anlage aufgetrennt wird. Durch dieses Verfahren kann eine besonders genaue Analyse erzielt werden. Die Einführung eines Laufmittelgradienten ist so besonders wirkungsvoll. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Analytstrom durch ein Verfahren analysiert wird, ausgewählt aus der Gruppe umfassend ICP-MS, ICP-OES, AAS, GD. Dies sind besonders nachweisstarke Verfahren und führen zu besonders guten Analyseergebnissen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Analysieren eines Analyten, umfassend ein Probeneintragsystem und einen, insbesondere elementselektiven, Detektor, wobei das Probeneintragsystem und der Detektor derart verbunden sind, dass der Analytstrom von dem Probeneintragsystem zu dem Detektor leitbar ist, wobei ein Gasmassenflussregler und eine mit diesem verbundene Steuereinheit vorgesehen sind, die derart ausgestaltet sind, dass ein Sauerstofffluss mit einem Sauerstoffgradienten in den Analytstrom einführbar ist, und die Steuereinheit derart ausgebildet ist, um den Sauerstoffgradienten in Abhängigkeit des Laufmittelgradienten einzuführen.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sind Lösungsmittelgradienten beispielsweise aus organischen und wässrigen Lösungsmitteln, wie sie unter anderem in der Flüssigchromatographie zum Einsatz kommen, auf einfache Weise mit einer insbesondere elementselektiven Analyseeinheit, wie beispielsweise einer ICP-MS, kompatibel. Es werden so stabile Messbedingungen erzielt, mit denen verlässliche und konstante Messergbnisse erhalten werden, ohne von dem Laufmittelgradienten beeinflusst zu werden.
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Eine Verschlechterung der Nachweisgrenze durch die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik kann wirksam verhindert werden. Vielmehr wird eine verbesserte Nachweisgrenze erzielt, da Analytoxidation stark reduziert werden kann, da kein permanenter Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. Es werden deshalb sämtliche in dem Stoffgemisch enthaltenen Stoffe vollständig der Analyse zugeführt. Verdünnungseffekte, wie aus dem Stand der Technik bekannt, werden vollständig vermieden.
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Dadurch, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, um den Sauerstoffgradienten in Abhängigkeit des Laufmittelgradienten einzuführen, ist immer die optimale Menge an Sauerstoff vorhanden, um den Effekten des Laufmittelgradienten entgegenzuwirken. Eine derartige Ausgestaltung kann beispielsweise durch das Vorsehen eines Rechners mit einer entsprechenden Softwaresteuerung erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Rückkopplung vorgesehen, mit der der Analytoxidgehalt bei der Einstellung des Sauerstoffgradienten berücksichtigbar ist. Auf diese Weise kann permanent auf die tatsächlich herrschenden Bedingungen reagiert werden. Eine unzureichende oder zu hohe Sauerstoffmenge kann so praktisch vermieden werden, so dass der Sauerstoffgradient stets an die wirklichen Verhältnisse angepasst ist. Realisierbar ist eine derartige Ausgestaltung etwa durch eine Verbindung des Detektors mit der Steuerung des Gasmassenflussreglers.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine flüssigchromatographische Anlage vorgesehen, auf der der Analytstrom auftrennbar ist. Durch eine derartige Vorrichtung kann eine besonders gute Trennung des Stoffgemisches erzielt werden. Die Einführung eines Laufmittelgradienten ist so ferner besonders wirkungsvoll.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn der elementselektive Detektor als Detektor einer elementselektiven Analyseeinheit, ausgewählt aus der Gruppe umfassend ICP-MS, ICP-OES, AAS, GD, ausgebildet ist. Dies sind besonders nachweisstarke Detektoren und führen zu besonders guten Analyseergebnissen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren eines Stoffgemisches;
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2 einen beispielhaften Laufmittelgradienten, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist;
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3 den Einfluss des Laufmittelgradienten aus 2 auf ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik;
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4 den Einfluss des Laufmittelgradienten aus 2 auf das erfindungsgemäße Verfahren;
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5 eine beispielhafte Oxidrate des Analyten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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6 ein beispilehaftes Verhältnis des eingebrachten organischen Lösungsmittels zu dem eingebrachten Sauerstoff.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Analysieren eines Stoffgemisches gezeigt.
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Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung zum Erzeugen eines Laufmittelstromes. Das Laufmittel kann dabei aus einem oder mehreren Gasen bestehen oder auch ein oder mehrere flüssige Lösungsmittel oder Gemische davon umfassen. Vorzugsweise ist das Laufmittel als ein Gemisch aus einem wässrigen und einem organischen Lösungsmittel ausgestaltet.
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Um den Laufmittelstrom zu erzeugen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise zwei Behälter 1 und 2, die jeweils ein Lösungsmittel enthalten. Durch eine Pumpe 3 werden die Lösungsmittel in Pfeilrichtung gefördert und bilden so den Laufmittelstrom. Um den Analyten in den Laufmittelstrom einzutragen, ist ferner ein Probeneintragsystem vorgesehen. Das Probeneintragsystem kann dabei beispielsweise einen Injektor 4 einer flüssigchromatographischen Anlage umfassen. Der Injektor 4 injiziert den Analyten in den Laufmittelstrom, wodurch vorzugsweise eine Lösung des Analyten in dem Laufmittelstrom erhalten wird. Alternativ ist es auch möglich, dass der oder die zu analysierenden Stoffe nicht in dem Laufmittelgemisch gelöst sind, sondern suspendiert, dispergiert oder ähnliches.
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Der injizierte Analyt wird dann durch den Laufmittelstrom transportiert, wodurch ein Analytstrom entsteht. Dieser kann stromabwärts über eine analytische Trennsäule 5 geleitet werden. Die Trennsäule 5 ist dann beispielsweise die stationäre Phase einer flüssigchromatographischen Anordnung. Auf dieser Trennsäule 5 wird das Stoffgemisch aufgetrennt, um später die Detektion des Analyten genauer zu gestalten. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn ein Laufmittelgradient erzeugt wird, der den Analyt auf der Trennsäule 5 auftrennt. Die Trennsäule 5 ist daher insbesondere dann von Vorteil, wenn der Analyt ein Stoffgemisch umfasst.
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Um den Laufmittelgradienten zu erzeugen, ist die Pumpe 3 vorzugsweise als Zweikanalpumpe ausgelegt. Dadurch kann auf einfache Weise der gewünschte Laufmittelgradient erzeugt werden. Hierzu werden dann zeitlich verändert unterschiedliche Mengen der Laufmittel in den Laufmittelstrom eingetragen, wodurch der Laufmittelstrom seine Zusammensetzung zeitlich verändert.
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Stromabwärts der Trennsäule 5 wird der Analytstrom zu einer Analyseeinheit geleitet.
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Es kann jedoch möglich sein, auch andere Probeneintragsysteme zu verwenden. So kann beispielweise anstatt einer flüssigchromatographischen Anlage auch eine gaschromatographische Anlage mit entsprechendem Injektor vorgesehen sein. Darüber hinaus ist es möglich, den Analytstrom ohne eine Trennsäule 5 zu der Analyseeinheit zu führen, beispielsweise unter Verwendung eines „flow-injection”-Systems. Der Laufmittelgradient kann dann aus dem Mischvorgang des Lösungsmittels des Analyten, der sich meist in Lösung befindet, und dem Laufmittel entstehen. Das Probeneintragsystem ist daher nicht auf einen Injektor (4) einer flüssigchromatographischen Anlage beschränkt.
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Die Analyseeinheit ist vorzugsweise elementselektiv, wie etwa eine ICP-MS oder auch ein ICP-OES. Sie kann jedoch von jeder Art sein, die die zu analysierenden Stoffe detektieren kann. Vorzugsweise ist die Analyseeinheit ausgewählt aus der Gruppe umfassend ICP-MS, ICP-OES (Atomemissionsspektralanalyse mit gekoppeltem Plasma), AAS (Atomabsorptionsspektrometrie), GD (Glimmentladungsspektrometrie). Besonders bevorzugt ist die Analyseeinheit jedoch eine ICP-MS. Die ICP-MS ist ein Massenspektrometer, das mit einem induktiv gekoppelten Plasma arbeitet. Ein derartiges Spektrometer ist insbesondere für eine hohe Empfindlichkeit der Analyse und auch für komplexe Stoffgemische von Vorteil. Deshalb wird die Erfindung im folgenden in Bezug auf eine ICP-MS beschrieben, auch wenn dies nicht einschränkend zu verstehen ist.
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Die ICP-MS bietet den Vorteil eines analytunabhängigen Response und erlaubt eine Quantifizierung der Analyten, ohne für jeden Analyten einen eigenen Standard besitzen zu müssen. Zudem ist diese Art der Detektion in einigen Fällen nachweisstärker als klassische Verfahren. Die entscheidende Stärke der ICP-MS liegt darin, dass sie unabhängig von der Art (Spezies), in der ein ins Plasma eingetragener Analyt vorliegt nur ein von der Konzentration abhängiges Signal liefert. Zudem ist diese Art der Detektion in bestimmten Fällen sehr sensitiv und eignet sich somit sehr gut für die Quantifizierung von Analyten und ist problemlos in der Spurenanalytik einsetzbar.
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Mit Hilfe eines induktiv gekoppelten Plasmas ist die Anregung und Ionisierung von vielen Elementen des Periodensystems möglich. Darüber hinaus zeichnet sich das ICP-MS-Verfahren durch seine relative Unabhängigkeit von der Probenart aus und ist somit eine Analysenmethode sowohl für feste, flüssige und gasförmige Proben. Niedrige Nachweisgrenzen, große dynamische Arbeitsbereiche und eine gute Präzision der Messergebnisse sind dabei charakteristisch für die ICP-MS.
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Um den Analytstrom in die ICP-MS zu überführen, ist, bei Verwendung einer Trennsäule 5, diese vorzugsweise direkt an einem Zerstäuber 7 der ICP-MS angeschlossen. Der Zerstäuber 7 erzeugt nach Anlegen eines Zerstäubergases aus dem Laufmittelstrom beziehungsweise Analytstrom ein feines Aerosol. Das Aerosol breitet sich in der Zerstäuberkammer 8 aus und wird aus der Zerstäuberkammer 8 geleitet. Als Zerstäuber sind ferner viele weitere geeignete Systeme aus dem Stand der Technik bekannt, so etwa DIN-Zerstäuber („Direct injection nebulizer”) oder auch USN-Zerstäuber („Ultrasonic nebulizer”).
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Das Aerosol wird anschließend in ein Plasma überführt. Zur Erzeugung des Plasmas umfasst die ICP-MS eine Plasmaquelle 9. Die Plasmaquelle 9 kann jede geeignete Plasmaquelle sein, wie etwa eine auf Mikrowellen basierende Plasmaquelle. Vorzugsweise weist die Plasmaquelle 9 jedoch einen Entladungszylinder 10, die sogenannte Plasmafackel beziehungsweise den Plasma Torch, sowie eine RF-Spule 11 mit angeschlossenem RF-Generator auf. In den Entladungszylinder 10 wird als Trägergas beziehungsweise Betriebsgas Argon eingeführt. Argon ist hier das bevorzugte Betriebsgas, jedoch können auch andere geeignete Betriebsgase, wie etwa Helium oder Stickstoff, verwendet werden. Durch ein Einkoppeln von Leistung an der RF-Spule 11 wird durch Induktion das Plasma erzeugt. Dieses besteht bei der Verwendung von Argon als Betriebsgas überwiegend aus Argonionen und Elektronen. Ein Plasma ist ein „Gas”, dessen Atome oder Moleküle zu einem gewissen Teil in Kationen und in Elektronen dissoziiert sind. Durch Zuführung elektromagnetischer Energie werden die Elektronen beschleunigt und sorgen durch Stöße mit Gasteilchen für die Bildung neuer Ladungsträger, so dass das Plasma durch einen lawinenartigen Prozess aus Teilchenkollisionen aufrechterhalten wird. Das zugeführte Aerosol wird so in dem Entladungszylinder 10 getrocknet, der Analyt atomisiert und die erhaltenen Atome letztlich zu Elementionen ionisiert.
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Die im Plasma erzeugten Elementionen werden dann durch ein Ioneninterface 12 aus dem Plasma in einen Massenanalysator 13 überführt. Das Ioneninterface 12 weist dabei eine sogenannte Ionenoptik mit Ionenlinsen 14 auf, die die Ionen in den Massenanalysator 13 fokussieren. Der Massenanalysator 13 umfasst oftmals ein Quadrupol-Massenseparator 15, der den Ionenstrahl in Ionen unterschiedlicher Masse nach ihrem m/z-Verhältnis in einem Hochvakuum trennt. Schließlich gelangen die aufgetrennten Ionen zu einem Detektor 16, wo sie detektiert werden. Anstatt eines Quadrupol-Massenseparators 15 kann auch ein Sektorfeld- oder Flugzeit-Massenspektrometer (TOFMS), oder andere verwendet werden.
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Die Analyten werden somit in einem Analytstrom von dem Probeneintragsystem, wie etwa dem Injektor 4, bis hin zu dem Detektor 16 transportiert. Dabei wird der Analytstrom zumindest teilweise von dem Laufmittel transportiert, insbesondere bis zu der Plasmaquelle 9. Von der Plasmaquelle 9 kann der Analytstrom auf andere Weise zum Detektor 16 transportiert werden, beispielsweise durch das Betriebsgas oder durch elektromagnetische Kräfte.
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Die ICP-MS umfasst dabei weiterhin vorzugsweise einen Rechner 17, vorzugsweise einen Personalcomputer, durch den eine entsprechende Auswertung erfolgen kann.
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Oftmals werden, wie bereits beschrieben, für eine flüssigchromatographische Analyse, Laufmittelgradienten verwendet. Das bedeutet, dass sich die Zusammensetzung des Laufmittels, meist einem Gemisch aus einem organischen und einem wässrigen Lösungsmittel, zeitlich ändert. Hierdurch kann auf der Trennsäule 5 eine besonders effektive Trennung erreicht werden. Um zu verhindern, dass es zu einer Beeinflussung des gemessenen Response des Analyten kommt und eine Quantifizierung nicht mehr möglich ist, wie oben beschrieben, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass parallel zum Laufmittelgradienten ein Sauerstoffstrom mit einem optimierten Sauerstoffgradienten in den Analytstrom eingeführt wird.
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Dies ist beispielsweise an dem Zulauf 6 möglich. Der Zulauf 6 ist vorzugsweise an der Sprühkammer 8 angeschlossen, sodass der Sauerstoffstrom hier mit dem Analytstrom vermengt wird. Dies ist in 1 gezeigt. Alternativ kann jedoch auch möglich sein, den Sauerstoffstrom direkt in den Zerstäuber 7 oder in die Plasmaquelle 9 zu leiten. In letzterem Fall kann der Sauerstoffstrom beispielsweise mit dem Betriebsgas vermengt und mit diesem zusammen in die Plasmaquelle 9 geleitet werden.
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Der Sauerstoffgradient sollte dabei genau auf den eingeführten Laufmittelgradienten abgestimmt werden. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem starken Anstieg des Gehalts des Laufmittelgemisches an organischem Lösungsmittel über die Zeit auch die Sauerstoffmenge stark zunimmt. Insbesondere sollte dem erzeugten Aerosol genau die Menge an Sauerstoff beigemengt werden, die aktuell, bei einer gegebenen Menge an organischem Lösungsmittel, benötigt wird, um sämtlichen enthaltenen Kohlenstoff zu oxidieren. Eine Bildung von Elementoxiden kann so erfindungsgemäß minimal gehalten werden.
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Erfindungsgemäß kann daher wirksam verhindert werden, dass durch eine Analytoxidation die Nachweisgrenze des Analysators, wie der ICP-MS, verschlechtert wird. Durch die erfindungsgemäße zeitlich dynamische Zugabe von Sauerstoffflüssen wird vielmehr ein stabiles Signal bei hervorragender Nachweisgrenze erzeugt.
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Um beispielsweise an dem Zulauf 6 einen Sauerstoffgradienten in einen Laufmittelstrom mit einem Laufmittelgemisch mit einem Laufmittelgradienten beizumengen, ist ein Gasmassenflussregler 18 vorgesehen, über den die Zugabe eines definierten Sauerstoffflusses realisiert werden kann. Der Gasmassenflussregler 18 kann, insbesondere bei einem Laufmittelstrom von 300 μL min–1, für einen Regelbereich von ≥ 1 bis ≤ 70 mL min–1 ausgelegt sein und das Sauerstoffgas mit einem Vordruck von 3 bar bereitstellen. Dabei wird der Gasmassenflussregler 18 vorzugsweise über ein Netzteil, beispielsweise ein 4,5–9 V Netzteil, mit Spannung versorgt. Zwischen dem Gasmassenflussregler 18 und einem Rechner 19 ist eine Controllerkarte 20 vorgesehen, die zusammen mit dem Rechner 19 zur Computersteuerung des Systems, insbesondere des Gasmassenflussreglers 18, dient. Die Controllerkarte 20 ist somit zusammen mit dem Rechner 19 Teil einer Steuereinheit, die durch eine bestimmte Software die Beimengung des Sauerstoffstromes steuert. Somit ist ein Gasmassenflussregler 18 mit einer Steuereinheit vorgesehen, durch die ein vorzugsweise Sauerstoffgradient in den Analytstrom einführbar ist. Die Steuerung des Gasmassenflussreglers 18 erfolgt dabei vorzugsweise über eine Triggersteuerung, mit der nach erfolgtem Signaleingang durch das LC-System das zeitlich synchrone Starten des ICP-MS und des Gasmassenflussreglers 18 triggerbar ist.
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Durch die Software erfolgt die Steuerung des zeitlich dynamischen Sauerstoffflusses, also des Sauerstoffgradienten, wobei die Software über die Controllerkarte 20 beziehungsweise den Rechner 19 den Gasmassenregler 18 ansteuert. Es sei dabei darauf hingewiesen, dass außer der Controllerkarte 20 auch weitere Arten der Steuerung möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die Zuführung der Sauerstoffmenge mit Sauerstoffgradient wird dabei vorzugsweise angepasst an den Start- beziehungsweise Endwert der eingespeisten Laufmittelmenge, beziehungsweise des Laufmittelflusses [mL min–1] und/oder unter Berücksichtigung der Zeitspanne der Einspeisung, in der die Flussänderung durchgeführt werden soll. Folglich sind die Differenz von Start- und Endwert und die für die Einstellung benötigte Zeit von Bedeutung. Darüber hinaus ist es möglich, die Zeitschrittbreiten, also das Intervall, das bis zu der nächsten Flussänderung vergeht, bei der Steuerung der Sauerstoffzufuhr zu berücksichtigen. Diese Zeitschrittbreiten können etwa im Bereich von einer oder einigen Millisekunden liegen. Der Start der Beimengung des Sauerstoffstromes kann synchron mit dem Start von der LC und der ICP-MS erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein dass anstatt zweier Rechner 17 und 19 nur ein gemeinsamer Rechner verwendet wird.
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Neben der Möglichkeit, einen Sauerstoffstrom mit einem vorbestimmten Sauerstoffgradienten in den Analytstrom einzuführen, ist es möglich, den Sauerstoffgradient dynamisch an die tatsächlichen Verhältnisse anzupassen. So kann beispielsweise der Gehalt an Analytoxid von dem Detektor detektiert werden und anhand dessen ermittelt werden, in welchem Maß der Sauerstoffgradient durch eine Regelung des Gasmassenflussreglers verändert werden sollte, um optimale Bedingungen zu erhalten. Über eine derartige Rückkopplung können somit stets optimale Analysebedingungen erzielt werden und der Sauerstoffstrom optimal geregelt werden.
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Beispiel 1
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Das Beispiel 1 ist ein Vergleichsbeispiel aus dem Stand der Technik, in dem ein Laufmittelgradient zusammen mit einem parallelen konstanten Sauerstoffstrom verwendet wird.
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Es wurde ein beispielhafter Laufmittelgradient aus Acetonitril (AcN) als organischem Laufmittel und Wasser mittels einer HPLC-Anlage vorgegeben. Der Laufmittelgradient ist in 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Gehalt an Acetonitril mit der Zeit zunimmt, bis er schließlich nach einem Zeitintervall von 60 Minuten 100% des Laufmittels ausmacht, also das Laufmittel aus reinem Acetonitril besteht (0–100% Acetonitril in 60 Minuten bei 300 μL min–1). Parallel zu dem Laufmittelgradienten wurde gemäß dem Stand der Technik ein zeitlich konstanter Strom aus Sauerstoff von 46 mL min–1 dem in der Zerstäuberkammer ausgebildeten Aerosol beigemischt. Über ein entsprechendes Triggersignal können alle Geräte wie die HPLC-Anlage, die ICP-MS als auch der Massendurchflussregler parallel gestartet werden. In den Laufmittelgradienten der HPLC-Anlage wurde über einen entsprechenden Verbinder ein konstanter Fluss eines internen Standards (IS: je 10 μg L–1 Ce, In, Pb, Mg, Co, Ba, Cu + 1% HNO3 bei 0,8 mL h–1) beigemengt und das Cersignal gemessen. Die konstant zugesetzte Menge an Sauerstoff ist dabei an die maximal zu erwartende Menge organischen Lösungsmittels (100% Acetonitril) angepasst.
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Der Einfluss des Laufmittelgradienten bei konstanter Sauerstoffzugabe gemäß dem Stand der Technik ist in 3 gezeigt. 3 verdeutlicht die Analyse bezogen auf Cer über einen zeitlichen Verlauf von 65 Minuten. Über die Zeit von 65 Minuten zeigen sich trotz eines konstanten Stoffstromes der Analyten große Signalschwankungen von 1 × 104 bis 2,5 × 104 der Intensität des Cersignals. Es ist somit ersichtlich, dass durch den eingeführten Laufmittelgradienten die Intensität des Cersignals stark variiert, obwohl der Gehalt an Cer konstant geblieben ist. Beispielhaft sei ausgeführt, dass für geringe Zusätze von Acetonitril zum Aerosol die beobachtete Signalintensität des mit einer ICP-MS detektierten Elements um den Faktor 2–3 ansteigt.
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Beispiel 2
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Das Beispiel 2 zeigt eine Analyse gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Der Laufmittelgradient entspricht dem in 2 gezeigten (0–100% Acetonitril in 60 Minuten bei 300 μL min–1). In den Laufmittelgradienten der HPLC-Anlage wurde über einen entsprechenden Verbinder ein konstanter Fluss eines internen Standards (IS: je 10 μg L–1 Ce, In, Pb, Mg, Co, Ba, Cu + 1% HNO3 bei 0,8 mLh–1) beigemengt und das Cersignal gemessen.
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Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, den Sauerstoff mit einem Sauerstoffgradienten parallel zu dem Laufmittelgradienten einzuführen. Es liegt somit ein optimierter, zeitlich dynamischer Sauerstofffluss in einer Größenordnung von 1–47 mL min
–1 vor. Der verwendete Sauerstoffgradient ist in Tabelle 1 dargestellt. Der Sauerstoffgradient ist dabei genau auf den Laufmittelgradienten beziehungsweise auf den aktuell im Lösungsmittel enthaltenen Kohlenstoffgehalt angepasst. Hierzu ist der Gasmassenflussregler mit entsprechender Steuermimik hinter der Zerstäuberkammer mittels einer Schlauchverbindung angeschlossen und der Sauerstoffstrom kann dem Aerosol entsprechend beigemischt werden. Tabelle 1: eingebrachter Sauerstoffgradient
| Zeit [min] | Sauerstofffluss [mL min–1] |
| 0 | 0 |
| 2 | 1 |
| 5 | 1 |
| 8 | 1 |
| 11 | 2 |
| 14 | 6 |
| 17 | 10 |
| 20 | 13 |
| 23 | 18 |
| 26 | 24 |
| 29 | 28 |
| 32 | 31 |
| 35 | 34 |
| 38 | 34 |
| 41 | 35 |
| 44 | 38 |
| 47 | 38 |
| 50 | 38 |
| 53 | 41 |
| 56 | 44 |
| 59 | 45 |
| 62 | 47 |
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Mit einem so optimierten Sauerstoffgradienten wird ein deutlich optimiertes Cer-Signal erhalten. Ein derartiges Signal ist in gezeigt. Es ist zu erkennen, dass über den gesamten Zeitverlauf ein nahezu konstantes Signal erhalten wird. Der Signalanstieg bei etwa 5 Minuten lässt sich durch eine Erhöhung der Aerosoltransporteffizienz begründen. Durch die Zugabe kleiner Mengen organischer Lösungsmittel wird die Oberflächenspannung der während der Aerosolbildung erzeugten Tröpfchen stark herabgesetzt und somit werden kleinere Tröpfchen gebildet, was in einem größeren Eintrag von Aerosol in Plasma resultiert. Dieser Effekt ist allerdings im wesentlichen zu vernachlässigen, da viele Analyten erst bei höheren AcN-Gehalten von der Trennsäule eluieren und somit eine Störung des Signals zu Beginn des AcN-Gradienten keinen Einfluss auf die späteren Resultate aufweist. Abgesehen von dieser minimalen Abweichung liegt jedoch trotz des Laufmittelgradienten ein nahezu konstantes Cersignal vor. Die Analyse gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 2 verläuft somit unabhängig von dem Laufmittelstrom.
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Dabei ist eine Analytoxidation kaum zu beobachten. Dies ist beispielhaft in 5 gezeigt. Hier ist der Einfluss eines konstanten beziehungsweise eines zeitlich dynamischen Sauerstoffflusses auf die Analytoxidation im Plasma bei einem Laufmittelgradienten zu erkennen. Dabei zeigen Kurve A die Oxidrate ohne Sauerstoffgradient [47 mL min–1], Kurve B die Oxidrate mit Sauerstoffgradient, Kurve C den Wasser-AcN-Gradienten und Kurve D den Sauerstoffgradienten [mL min–1]. Es ist ersichtlich, in welchem Maße beispielsweise Cer zu [CeO]+ durch den beigefügten Sauerstoffoxidiert wird. Es zeigt sich dabei, dass bei einem konstanten Sauerstofffluss (Kurve A) die Oxidrate zu Beginn des Laufmittelgradienten auf über 110% ansteigt, da Sauerstoff im Überschuss zum, organischen Laufmittel vorhanden ist. Erst nach 15 Minuten Laufzeit des Laufmittelgradienten fällt der Wert für die Oxidrate auf unter 10%. Unter Verwendung eines zeitlich dynamischen Sauerstoffflusses (Kurve B) kann die Analytoxidrate permanent unter 5% gehalten werden. Unter weiterer Optimierung des Systems ist es im allgemeinen möglich, die Elementoxidrate unter 2% zu halten.
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In 6 ist ferner beispielhaft gezeigt, in welcher Weise der Sauerstoffgradient an den Laufmittelgradienten anpassbar ist. So ist in 6 das Verhältnis zwischen der eingetragenen Menge Acetonitril (% AcN) und dem benötigten Sauerstofffluss gezeigt. Es ist ersichtlich, dass ab einem Gehalt von 20% AcN dieses Verhältnis in einem Bereich von zwischen ≤ 2,5 und ≥ 1,7 liegt, jedoch bei hohen AcN-Gehalten zu einem konstanten Wert von ungefähr 2,3 strebt. Für AcN-Gehalte zwischen ≥ 10 und ≤ 20% liegt das Verhältnis zum benötigten Sauerstofffluss bei ≤ 5 bis ≥ 3. Hieraus wird exemplarisch deutlich, auf welche Weise der Sauerstoffgehalt angepasst werden kann, beziehungsweise wie ein Sauerstoffgradient im Verhältnis zum Laufmittelgradient ausgebildet sein sollte. Zu Beginn des Gradienten, also bei einem niedrigen Gehalt an organischen Komponenten (Acetonitril), ist das Verhältnis der Sauerstoffzugabe nicht linear. Erst ab ungefähr 30% Gehalt an organischer Komponente (Acetonitril) verläuft die Zugabe von Sauerstoff linear zum Gehalt an Acetonitril.
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Dabei vergehen beispielsweise etwa 200 Sekunden, bis sich eine Änderung des AcN-Gehaltes im Plasma auswirkt. Die Sauerstoffeinregelung kann etwa 20 bis 30 Sekunden benötigen. Die Differenz entspricht der ungefähren Verzögerung, mit der die Sauerstoffeinregelung nach Änderung der AcN-Menge erfolgen kann beziehungsweise soll.
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Erfindungsgemäß wird daher durch die Zugabe eines Sauerstoffgradienten dem Effekt des Laufmittelgradienten wirksam entgegengewirkt und durch stabile Messbedingungen ein konstantes Signale erhalten. Analytoxidation findet durch die Anpassung des Sauerstoffgradienten an den Laufmittelgradienten praktisch nicht mehr statt.
