DE10233077A1 - Verfahren zum Nachweis bestimmter Stoffe oder Stoffgruppen mittels sorptiver und reaktiver Teilchen in poröser Matrix, direkter oder anschließender selektiver Komplexierung und optischer Auswertung - Google Patents

Abstract

Dieses Verfahren beschreibt den Schnellnachweis spezifischer Stoffe oder Stoffgruppen, insbesondere zur quantitativen Bestimmung von unmodifizierten und modifizierten Bier- und Hopfenbitterstoffen oder Polyphenolen, in einer Flüssigkeit mit Hilfe von Trägersystemen, die entweder mit oder ohne weiterer Vorbehandlung mit dem Analyten in Kontakt gebracht werden, dieser darauf oder darin isoliert, und anschließend mit in dem Trägermaterial integriertem Reagenz oder nachgeschaltetem Reaktionsschritt mittels optischer Methoden ausgewertet werden. DOLLAR A Diese Trägersysteme bestehen aus einer porösen Matrix vorzugsweise einem Polymer, in das sorbierende und reaktive Teilchen vorzugsweise kieselsäure-basiertes Material eingearbeitet oder auf das eine Beschichtung aufgebracht wird, die mit diesem Kieselsäurematerial versetzt ist. Diese kieselsäure-basierten Polymermaterialien verleihen dem Trägersystem die gewünschten spezifischen Adsorptionseigenschaften. Das zur Detektion erforderliche Reagenz kann entweder direkt in das Trägermaterial integriert sein oder in einem nachfolgenden Schritt eingesetzt werden.

Description

• Diese Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Nachweis bestimmter Stoffe oder Stoffgruppen die mittels eines porösen Trägermaterials mit eingebetteten sorbierender Teilchen (z.B. silika-basiert) aus der Probe isoliert werden und entweder direkt mit einem im Trägermaterial integriertem Reagenz oder einem nachfolgendem Reaktionsschritt umgesetzt und anschließend optisch, elektrochemisch oder massenspektroskopisch ausgewertet werden. Nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Aus EP 0523 092B 1 und DE 199 13 809 A1 sind Verfahren der Festphasenmikroextraktion bekannt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist die Kombination der Sorptionseigenschaften der Materialien mit den Eigenschaften der porösen Matrix, mit dem stoffgruppenspezifischen Reagenz und der direkten Detektion. Das Verfahren wird exemplarisch an der quantitativen Bestimmung von unmodifizierten und modifizierten Bier- und Hopfenbitterstoffen oder Polyphenolen in einer Flüssigkeit dargestellt.
• Eines der wesentlichen Qualitätsmerkmale in Bier oder anderen gehopften Getränken ist der bittere Geschmackseindruck. Dieser wird in erster Linie durch unmodifizierte oder modifizierte Iso-alpha-Säuren hervorgerufen. Für die Qualitätssicherung, wie auch für die Prozesssteuerung ist eine schnelle, kostengünstige und in einfacher Weise durchführbare Bestimmung der Bitterstoffe von großer Bedeutung. Klassische Bestimmung ist eine flüssigflüssig Extraktion mit Isooktan mit anschließender photometrischer Detektion. Die Methode stellt eine grobquantitative Bestimmung eines Summenparameters dar. Eine durch die Extraktion limitierte Stoffgruppe wird isoliert ohne gezielte Selektivität. Es wird nur eine geringe Reproduzierbarkeit erzielt. Des weiteren ist die zeitaufwendige Methode nur von gut geschultem Personal durchzuführen und hat einen hohen Verbrauch an umweltschädlichen Lösungsmitteln. Höhere Selektivität werden durch Hochdruckflüssigkeitschromatographie(HPLC) Methoden (z.B.: Burroughs L.J., and Williams P.D. (1999): A single HPLC method for complete separation of unmodified and reduced iso-alpha-acids. Poster Präsentation auf dem 27^th congress of the European Brewery Convention, Cannes, Frankreich) erreicht mit verschiedenen Probenvorbereitungsstufen (z.B. flüssig/flüssig Extraktion oder Festphasenextraktion (SPE)). Diese neuen Trennmethoden zeigen jedoch insbesondere aufgrund der Probenvorbereitung signifikante Abweichungen zu der klassischen Summenparameter-methode (Verzele M., Dewaele C., and Van Kerrebroeck M. (1983): Fast High Performance Liquid Chromatograhy Analysis of Hop Bitter Compounds. J. Am. Soc. Brew. Chem. Vol. 41 no. 1, pp36–40). Diese neueren empfindlicheren und selektiveren Methoden benötigen kostspielige Geräte und gut geschultes Personal. Sind außerdem zeitaufwendig, haben hohe Folgekosten und sind nicht als on-line Systeme einsetzbar. Ein neuer Ansatz in der Bitterstoffanalytik ist die selektive Komplexierung von den Lanthanoiden Dysprosium, Samarium, Europium und Terbium mit beta-carbonyl Strukturen, wie sie bei den Bitterstoffen vorliegen. Diese gebildeten Komplexe können optisch mittels Fluoreszenzspektroskopie detektiert werden.
• Die Problematik dieser Bestimmungsmethode ist die schlechte Vergleichbarkeit (Tomlinson J.B., Ormord I.H.L., and Sharpe F. R. (1995): A novel method for bitterness determination in beer using a delayed fluorescence technique. J.Inst.Brew. Vol. 101, pp 113–118) zu den klassischen Methoden (Flüssig-Flüssig Extraktion und HPLC-Methoden). Aufgrund der komplexen Matrix in Realproben werden auch andere nicht relevante Stoffgruppen miterfasst. Außerdem verfälschen Begleitstoffe aufgrund ihrer Eigenfluoreszenz oder Quenchingeffekte die Bestimmung. Somit wurde erfindungsgemäß ein kombiniertes Verfahren entwickelt, welches aus selektiver Isolierung und Detektion der relevanten Stoffgruppe besteht. Dieses wird nachfolgend exemplarisch an zwei Systemen beschrieben:
• 1. Trägersystem Teststreifen/Testkapillare
• Grundsätzlich sind Teststreifenverfahren schon seit langer Zeit in der Analytik von Stoffen oder Stoffgruppen bekannt. Neu an diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Tatsache, dass die verwendeten Teststreifen eine Kombination aus Polymer, Kieselsäure und Reagenz zum Isolieren der Analyten aus matrixreichen Stoffgemischen verwenden. Diese Aufgabe wird gelöst, durch die homogene Vermischung von Kieselsäure – Materialien und dem Reagenz mit dem Polymer. Die Auswahl des Kieselsäurematerials in Kombination mit dem Kunststoffmaterial beruht auf beobachteten Eigenschaften der zu analysierenden Verbindungen. Das Reagenz besteht u. a. aus einem Salz der Lanthanoide Dysprosium, Samarium, Europium oder Terbium.
• Dieses Reagenz und das Kieselsäurematerial werden im Trägersystem Teststreifen bzw. Testkapillare feinverteilt eingebunden und immoblisiert. Die Teststreifen werden aus einem inerten starren Träger (vorzugweise ein inerter Kunststoff oder Glas) und einer Beschichtung aus Silikon mit einem silica – basiertem Material hergestellt. Der simple Aufbau des Teststreifen ist im Anhang skizziert (l). Die Testkapillare wird aus einem inerten starren Träger (vorzugweise ein inerter Quarzglaskappilare) und einer Innenbeschichtung aus Silikon mit einem silica – basiertem Material hergestellt. Der simple Aufbau der Testkapillare ist im Anhang skizziert (2).
• Diese Teststreifen bzw. Testkapillaren werden in die zu untersuchende Probe gehalten, es erfolgt der Adsorpionschritt und der sofortige Kopplungsschritt mit dem Reagenz. Der Teststreifen bzw. Testkapillare kann direkt oder nach einem Waschschritt mit einem Fluoreszenzphotometer ausgelesen werden. Das Fluoreszenzspektrometer wird hierzu mit einem Teststreifenhalter (3) bzw. Testkapillarenhalter (4) ausgerüstet, der im Anhang beschrieben wird.
• Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, das die Untersuchungen ohne große apparative Unterstützung durchgeführt werden können. Durch die auf den jeweiligen Analyten abgestimmte Analysendurchführung ist eine kurze Analysendauer zu erreichen.
• 2. Trägersystem Adsorptionskapillare
• Das erfindungsmäßige Verfahren eignet sich zur Analyse von Bitterstoffen in Flüssigkeiten, vorzugsweise Zwischen- und Endprodukte der Brauindustrie, als On-line Messverfahren (5). Die zu untersuchende Probe wird einer definierten Probenschleife zugeführt und in einen Trägerstrom injiziert. Das saure Milieu (pH < 7) des Trägerstroms dient zur entsprechenden Einstellung der Proben zur später Adsorption der Analyten aus der Probenmatrix.
• Der Trägerstrom mit der injizierten Probe wird einem Ventilsystem zugeführt, welches eine regenerierbare Adsorptionskapillare enthält. Die verwendete Adsorptionskapillare enthält eine Innenbeschichtung aus einem silika-basierenden Polymer, die aus der injizierten Probenmatix die zu untersuchenden Substanzen (Immobilisate) isoliert. Störende Bestandteile werden durch den Trägerstrom aus der Adsorptionskapillare entfernt. In einem nachfolgenden Schritt wird eine Lösung durch die Adsorptionskapillare zur Elution der Analyten geleitet. Diesem Elutionschritt ist eine Derivatisierung mit dem Reagenz nachgeschaltet. Die anschließende fluoreszenz-optische Detektion ermöglicht die Quantifizierung der Analyten. Ein Ausführungsbeispiel des beschriebenen Systems ist in dem nachfolgenden Schema dargestellt.

1

Probefluid

2

Trägersystem

3

Teilchen

4

Reagenz

5

Träger

6

poröse Matrix

7

Beschichtung

8

Polymerbeschichtung

9

on-line System (5)

10

Teststreifen (1)

11

Testkapillare (2)

12

Eluentfluid

13

Eluent

14

Reagenzbeschichtung

15

Teststeifenhalter (3)

16

Testkapillarenhalter (4)

Claims (15)

1. Verfahren zur Extraktion und UV/vis-spektroskopischen, fluoreszenzspektroskopischen, massenspektroskopischen oder elektrochemischen Analyse von Stoffen oder Stoffgruppen aus einem Probefluid (1) , dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vollzogen werden: a) Bereitstellen eines Trägersystems (2) zur Festphasenextraktion, umfassend stoffgruppenspezifisch sorbierdende oder reaktive Teilchen (3) und Bereitstellen eines Probefluids (1) , dass die Stoffe oder Stoffgruppen enthält, b) In-Kontakt-bringen des Trägersystems (2) mit dem Probefluid (1) für eine ausreichende Zeit, damit Teilchen (3) den Analyten selektiv aus dem Fluid extrahieren, c) In-Kontakt-bringen der extrahierten Analyten mit einem Reagenz (4) , welche eine Komplexbildung mit dem Analyten ermöglicht. Diese Reagenz (4) enthält u.a. ein oder eine Mischung aus mehreren der Lanthanoide: Dysprosium, Samarium, Europium oder Terbium. Diese Lanthanoide liegen ionisch in ihrer Salzform vor. d) Analyse des isolierten und komplexierten Analyten wird auf direkter Weise mittels UV/vis-spektroskopischen, fluoreszenzspektroskopischen, massenspektroskopischen oder elektroschemischen Detektion durchgeführt zur Ermittlung quantitativer und/oder qualitativer Werte.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffgruppenspezifisch sorbierdende oder reaktive Teilchen (3) Derivate eines anorganischen Oxids, einschließlich Siliciumdioxid, Aluminumoxid, Titanoxid oder Zirkoniumdioxid, ein makrocyclischer Ligand, der kovalent an das anorganische Oxid gebunden ist oder ein Ligand (z.B. C1 bis C18), der kovalent an das anorganische Oxid gebunden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersystem (2) folgender Weise aufgebaut ist: a) Teilchen (3) direkt als Beschichtung (7) auf einem inerten Träger (5) aufgebracht oder b) Teilchen (3) ist homogen feinverteilt in einer porösen Matrix (6) oder c) Teilchen (3) ist homogen feinverteilt in einer porösen Matrix (6) als Polymerbeschichtung (8) aufgebracht auf einem inerten Träger (5)
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Matrix (6) wenigstens ein fibrilliertes Polymer, eine Polymerpulpe oder eine Gemisch von Polymerpuplen umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Matrix (6) vorzugsweise Polyolefine, Polyethylen geringer Dichte, Polypropylen geringer Dichte, Silikon, z.B. Polydimetylsiloxan, Polyacrylnitril, Polytetraflourethylen, Poly(p- oder m-phenylentherephtylamid), regenerierter Zellulose oder einer chemischen Modifikation davon gewählt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) eine inerten Kapillare mit einer innenwandigen Beschichtung (7) oder Polymerbeschichtung (8) als Adsorptionskapillare in einem automatisiertem on-line System (9) dient.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersystem (2) ein Schnellnachweistest darstellt mit Träger (5) in Form eines inerte Kunststoffstreifens mit Polymerbeschichtung (8) als Teststreifen (10) (1)
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersystem (2) ein Schnellnachweistest darstellt mit Träger (5) in Form einer transparenten Kapillare aus Glas oder Quarzglas mit innenseitiger Polymerbeschichtung (8) als Testkapillare (11).
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersystem mit einem Eluentfluid (12) polarer Lösungsmittel oder deren Mischung, wie Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Aceton, DMSO sowie Mischungen mit Wasser behandelt wird, um dadurch die extrahierten Stoffe oder Stoffgruppen zu eluieren. Das Eluat (13) wird nachfolgenden der Reagenzlösung zugeführt und schließlich detektiert oder
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 und 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Polymerbeschichtung das Reagenz (4) homogen feinverteilt ist und sich als Reagenzbeschichtung (14) verhält.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 und 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Teststreifen (10) (1) und Testkapillare (11) (2) mit Teststreifenhalter (15) (3) oder Testkapillarenhalter (16) (4) im UV/vis-Photometer oder Fluoreszenzphotometer ausgewertet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das on-line System (9) (5) eine Ventilschaltung enthält zur automatisierten Zuführung der Reagenz (4) in Form einer Lösung und anschließender Detektion.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Substanzen mit Beta-carbonyl Struktur analysiert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Polyphenole analysiert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass unmodifizeierte und modifizierte Hopfenbitterstoffe analysiert werden.