DE69635963T2

DE69635963T2 - Gaseinlasssystem

Info

Publication number: DE69635963T2
Application number: DE69635963T
Authority: DE
Inventors: Wolfram Meier-Augenstein
Original assignee: Queens University of Belfast
Current assignee: Queens University of Belfast
Priority date: 1995-12-23
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: AU1607897A; ES2264148T3; PT1007959E; NZ330780A; DK1007959T3; EP1007959A1; EP1007959B1; AU716918B2; ATE321269T1; EP1637878A1; WO1997023779A1; DE69635963D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gaseinlasssystem, das dafür vorgesehen ist, inerte oder brennbare Vergleichsgase eines beliebigen Typs in Isotopenverhältnis-Massenspektrometersysteme einzuleiten.
Insbesondere gestattet das System die Einleitung eines Vergleichsgases in einer solchen Weise, dass das Gas den gleichen physikalischen Bedingungen wie die Analyten ausgesetzt wird, so dass die Bedingungen eines internen Standards erfüllt sind. Es vereinigt somit die Vorteile einer Vergleichssubstanz, die einer Probe beigegeben wird, mit dem Vorteil, dass Vergleichsgasimpulse nach Wunsch in einem bestimmten Chromatogramm angeordnet werden können.
Seit Gasisotopenverhältnis-Massenspektrometer (GIRMS), die gemäß der Konstruktion von Matthews und Hayes [1] über eine prozessgekoppelte Verbrennungsschnittstelle (C) direkt an einen Gaschromatografen (GC) angeschlossen werden (GC-C-IRMS), auf dem freien Markt erhältlich sind, sind sie zu einem leistungsstarken Hilfsmittel in allen Bereichen der angewandten analytischen Chemie geworden [2, 3].
Unabhängig von der konkreten Anwendung steht der Benutzer vor dem Problem, wie er gemessene stabile Isotopenverhältnisse des Analyten zu einem kalibrierten Isotopenstandard in Beziehung setzen soll. Die besten Ergebnisse erhält man, wenn dem Probengemisch eine als interner Standard dienende Substanz mit einer bekannten Isotopenzusammensetzung beigegeben wird [4]. Der Hauptvorteil ist, dass Standard und Analyten während der Analyse identischen physikalischen Bedingungen ausgesetzt werden. Dieser Vorteil kann jedoch in Fällen verloren gehen, wo der Standard oder die Analyten an später Stelle in dem Chromatogramm eluieren, wo eine zunehmende Spitzenwertverzerrung die Genauigkeit und Präzision gemessener Isotopenverhältnisse beeinträchtigt. Die Beigabe eines als interner Standard dienenden Gemisches, das für die gesamte Bandbreite an Analyten repräsentativ ist, ist hingegen wenig hilfreich, da hier Probleme entstehen, die durch gemeinsames Eluieren oder zumindest Überlappen von Analyten und einzelnen Verbindungen des als interner Standard dienenden Gemisches verursacht werden.
Es ist allgemein üblich, Impulse eines isotopisch kalibrierten Gases, wie beispielsweise CO₂, aus einer Gasflasche über ein unabhängiges zweites Kapillarrohr direkt in die Ionenquelle des IRMS einzuleiten [3, 5, 6]. Obgleich es gemeinhin akzeptiert ist, dass diese Kalibrierungsart nicht die physikalischen Bedingungen berücksichtigt, denen die Analyten ausgesetzt sind, wird sie aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit und einfachen Praktizierbarkeit üblicherweise verwendet. Unlängst wurde berichtet, dass man isotopische Fraktionierung während Gas-Flüssigkeit-Chromatografie (GLC) und anschließender prozessgekoppelter Verbrennung beobachtet hat [7].
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die isotopische Kalibrierung zu optimieren und einen Handlungsansatz bereitzustellen, der die freie Anordnung von Vergleichsspitzenwerten beibehält, während gleichzeitig die Vergleichssubstanz den gleichen physikalischen Bedingungen ausgesetzt wird wie die Analyten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Einleiten eines Vergleichsgases in Isotopenverhältnis-Massenspektrometersysteme bereitzustellen.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen Vergleichsgaseinlass zur Verwendung in Isotopenverhältnis-Massenspektrometersystemen bereit, wobei das Vergleichsgas kontrollierbar vor der Schnittstelle eingeleitet wird und eine Gaußisch geformte Spitze von der gleichen Form erbringt wie die, die durch die Bestandteile der Probe hervorgebracht wird.
Dadurch können in IRMS-Systemen, die mit einer Verbrennungsschnittstelle ausgerüstet sind, brennbare Gase als ein Vergleichsgas verwendet werden.
Der Einlass beinhalte drei sich an einer Kreuzung kreuzende Rohre, wobei ein sekundärer Durchfluss von Trägergas und ein Vergleichsgas über separate Rohre in den Einlass eintreten können und zusammen über das dritte Rohr aus dem Einlass austreten können, bevor der sekundär Durchfluss in die Verbrennungsschnittstelle eintritt.
Das Vergleichsgas kann in einen sekundären Durchfluss eines Trägergases (beispielsweise Helium) eingeleitet werden, das mit dem primären Durchfluss des Trägergases, in dem eine Probe transportiert wird, die den elementaren Analyten enthält, zusammenfließt, bevor beide Durchflüsse in ein Modul fließen, das die Probe zum Zweck der massenspektrometrischen Analyse in eine Gasform umwandelt.
Vorzugsweise beinhaltet der Vergleichsgaseinlass ein hohles T-Stück wobei zwei Enden des hohlen T-Stücks in der sekundären Trägergasleitung angeordnet sind, wobei Vergleichsgas in das System eingeleitet werden kann, das so in die Schnittstelle eintritt.
Die Erfindung wird nun in nicht-einschränkender Weise anhand der begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben.
1 veranschaulicht ein Gaschromatografie-Isotopenverhältnis-Massenspektrometersystem mit prozessgekoppelter Verbrennungsschnittstelle.
2 veranschaulicht die Position eines Vergleichsgaseinlassmoduls in einem Gaschromatografie-Isotopenverhältnis-Massenspektrometersystem mit prozessgekoppelter Verbrennungsschnittstelle.
3A ist ein Schaubild des T-Stücks, das den zweiten Trägergasdurchfluss und den GC-Abfluss zum Verbrennungsofen zusammenführt.
3B ist ein Schaubild des Vergleichsgaseinlassregimes unter Verwendung eines beweglichen Kapillarrohres gemäß der Erfindung.
4 veranschaulicht eine Anordnung, mit der das Vergleichsgas mittels einer beweglichen Kolbenanordnung eingeleitet werden kann.
5 veranschaulicht die Kombination zweier Vergleichsgaseinlassmodule.
6 zeigt einen Ionendurchfluss von m/z von CO₂-Impulsen, die über REGIS in den Verbrennungsofen eingeleitet werden (die Zahlen über jeder Spitze geben die Impulsbreitendauer an).
7A zeigt die Auswirkung des GC-Parameters und der Auswahl der Vergleichsspitze – als interner Standard wurde Methylcaproat (C₆) gewählt, und sein δ¹³C-Wert wurde willkürlich auf 0,000 c/u eingestellt.
7B zeigt die Auswirkung des GC-Parameters und der Auswahl der Vergleichsspitze – als interner Standard wurde CO₂ gewählt, und sein δ¹³C- Wert wurde willkürlich auf -11,84 eingestellt, was auf den für C₆ gewählten δ¹³C-Wert abgestimmt ist. Der Sollwert stützte sich auf die FAME-Analysen, die bei 4°C/min durchgeführt wurden.
8A zeigt die Auswirkung des GC-Parameters und der Auswahl der Vergleichsspitze – als interner Standard wurde Methylundecanoat (C₁₁) gewählt, und sein δ¹³C-Wert wurde willkürlich auf 0,000 ‰ eingestellt.
8B zeigt die Auswirkung des GC-Parameters und der Auswahl der Vergleichsspitze – als interner Standard wurde CO₂ gewählt, und sein δ¹³C-Wert wurde auf -10,675 ‰ eingestellt, was auf den für C₁₁ gewählten δ¹³C-Wert von 0,000 ‰ abgestimmt ist. Dieser Sollwert stützte sich auf die FAME-Analysen, die bei 8°C/min durchgeführt wurden.
9 zeigt ein Ionendurchflusschromatogramm von m/z 44 von CO₂-Impulsen (R) und n-O-Propyl, N-Trifluoracetyl-Derivaten von 5 Aminosäuren (S), das mittels eines ORCHID-Systems, das mit einem REGIS-Modul ausgestattet war, aufgezeichnet wurde.
10 zeigt ein Ionendurchflusschromatogramm von m/z 28 von N₂-Impulsen (R) und n-O-Propyl, N-Trifluoracetyl-Derivaten von 5 Aminosäuren (S), das mittels eines ORCHID-Systems, das mit einem REGIS-Modul ausgestattet war, aufgezeichnet wurde.
Der primäre Durchfluss des Trägergases, der die gaschromatografisch getrennten Probenbestandteile transportiert, und der sekundäre Durchfluss des Trägergases (der gegebenenfalls das Vergleichsgas transportiert), treten beide in die Verbrennungsschnittstelle, d. h. am Boden des Oxidationsofens, ein (3A). Der sekundäre Durchfluss des Trägergases tritt kontinuierlich mit einem bestimmten Gasdruck und einer bestimmten Durchflussrate in die Verbrennungsschnittstelle ein.
Ein T-Stück mit einem geringen Totvolumen, das in der zweiten Trägergasleitung angeordnet ist, nimmt drei Rohre auf: ein Einlassrohr I, ein Auslassrohr O und ein Schutzrohr S (3B). Das zweite Trägergas tritt in das T-Stück über das Rohr I ein und verlässt es über das Rohr O. Das Schutzrohr S gegenüber dem Rohr O beherbergt ein weiteres Rohr (Rohr R), durch das Vergleichsgas fließen kann.
In der „Abschalt"-Position A befindet sich das Ende des Rohres R vor der Kreuzungsstelle des T-Stücks. Der Gasdruck und die Durchflussraten des zweiten Trägergases und des Vergleichsgases werden so voreingestellt, dass Vergleichsgas, das aus dem Rohr R ausfließt, durch das zweite Trägergas über das Rohr S aus dem System herausgedrängt wird. In der „Einschalt"-Position B wird das Rohr R mittels einer geeigneten fernsteuerbaren Vorrichtung (beispielsweise ein Miniatursolenoid mit Zug/Schub-Aktion) dergestalt nach vorn bewegt, dass sich das Rohr R nun an der Kreuzungsstelle des T-Stücks befindet. Vergleichsgas, das vom Rohr R heranfließt, wird dadurch über den zweiten Trägergasdurchfluss mitgetragen, fließt durch die Verbrennungsschnittstelle und tritt schließlich in das IRMS ein.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ermöglichen das Messen von Analyten in dem primären Gasdurchfluss anhand eines internen Vergleichsgases.
Dank der oben beschriebenen Anordnung unterliegt das Vergleichsgas in der Verbrennungsschnittstelle all den gleichen Prozessen, so dass sich jegliche Einflüsse dieser Prozesse auf die Messungscharakteristika sowohl auf die Standards als auch auf die Analyten auswirken. Sowohl die Analytspitzen als auch die Vergleichsgasspitzen haben eine Gaußsche Form. Die Spitzenerkennungs- und -integrierungsparameter sind für die Analytgasspitze und die Vergleichsgasspitze gleich, was die Genauigkeit und die Präzision erhöht.
Bei einem bestimmten Vergleichsgasdruck können die Spitzenhöhe und die Spitzenfläche geändert werden, indem die Periode der Einschaltzeit entsprechend eingestellt wird. Für eine festgesetzte Periode der Einschaltzeit können die Spitzenhöhe und die Spitzenfläche geändert werden, indem der Vergleichsgasdruck entsprechend eingestellt wird. Da ständig ein konstanter Vergleichsgasdurchfluss aus dem Rohr R austritt, entstehen keine Druckstoßwellen, und das Vergleichsgas befindet sich immer im Gleichgewicht mit dem primären Gasdurchfluss.
Da immer eine bestimmte Menge zweites Trägergas aus dem Rohr S austritt, entsteht außerdem kein ankommendes Leck, d. h. es können keine atmosphärischen Gase in das System gelangen. Das ist besonders für die Analyse stickstoffhaltiger Verbindungen von Bedeutung.
Zwei Grundsätze gaben dem neuen Lösungsansatz seine Richtung: 1) der Wunsch, den Vorteil, der Probe nach Belieben an irgend einer Stelle in einem bestimmten Chromatogramm einen internen Standard hinzuzufügen, ohne die gaschromatografische Trennung zu beeinträchtigen, zu kombinieren; 2) jüngste Beobachtungen isotopischer Fraktionierung gesättigter FAMEs während der GLC-C-IRMS, die zu der Hypothese Anlass gaben, dass die Verbrennungsschnittstelle ein maßgeblich beitragender Faktor zu diesem thermodynamischen Isotopeffekt ist [7].
Da Gase mit geringem Molekulargewicht und hoher Flüchtigkeit, wie beispielsweise CO₂, N₂, CH₄ usw., allenfalls nur schwer durch übliche stationäre GLC-Phasen gebunden werden können, d. h. keiner Wechselwirkung zwischen Gelöstem und stationärer Phase unterliegen, käme jegliches Design, das darauf abzielt, solche Gase auf Injektor- oder Kolonnenkopfebene einzuleiten, von Vornherein nicht in Frage. Die logische Stelle, um einen Gaseinlass anzuordnen, war zwischen dem Kolonnenende und dem Verbrennungsofen.
Zu diesem Zweck wurde über ein T-Stück mit geringem Totvolumen, das zwischen Kolonnenende und Verbrennungsofen angeordnet war (3A), ein zweiter kontinuierlicher Heliumdurchfluss in die Verbrennungsschnittstelle eingeleitet. Dieses T-Stück war so an den Verbrennungsofen angeschlossen, dass seine Temperatur weit über 360°C lag, wodurch ein Kondensieren von Analyten infolge von Kältepunkten vermieden wurde.
In dem Kapillarrohr, das den zweiten Heliumdurchfluss transportierte, war eine fernsteuerbare Vorrichtung angeordnet. Diese Vorrichtung war so konstruiert, dass das Vergleichsgas ständig fließte und so mit dem Umgebungsdruck im Gleichgewicht stand und darum keiner isotopischen Fraktionierung unterlag. Beim Einschalten wurde das Vergleichsgas druckimpulsfrei in den zweiten Heliumdurchfluss eingeleitet (3B). Die Durchflussrate des Vergleichsgases konnte frei eingestellt werden, wurde aber in der Regel auf < 0,3 ml/min eingestellt.
Bei einer alternativen Ausführungsform, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, hat das Vergleichsgaseinlasssystem eine T-förmige Konfiguration, die eine Kolbenanordnung beinhaltet, wie in 4 gezeigt. Die Kolbenanordnung muss sich in einem „offenen" Modus befinden (wie in 4 gezeigt), damit ein Vergleichsgas in das Gasisotopenanalysesystem fließen kann. Um zu verhindern, dass ein Vergleichsgas in das Analysesystem eindringt, muss sich die Kolbenanordnung in einem „geschlossenen" Modus befinden, in dem der Kolben so mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, dass das Vergleichsgas über einen Drosselauslass ins Freie abgelassen wird.
5 veranschaulicht eine Möglichkeit, wie zwei der T-förmigen Gaseinlasssysteme angeschlossen werden können, damit mehr als ein einziges Vergleichsgas eingeleitet werden kann.
Da jedes als Vergleich dienende Gas vor dem Verbrennungsofen in die Verbrennungsschnittstelle eingeleitet wurde, ist es möglich, ein brennbares Gas als Vergleichssubstanz zu verwenden. Ein jedes Gas dieser Art würde den physikalischen Bedingungen sowohl des Verbrennungsprozesses als auch der Verbrennungsschnittstelle unterliegen.
Das Einleiten von Vergleichsgasimpulsen über dieses Modul führte zu Spitzen von praktisch Gaußscher Form, die sich kaum von Spitzen unterscheiden ließen, die durch verbrannte Analyten hervorgebracht wurden. Die Spitzenfläche des Vergleichsgases war linear von der Impulsbreitendauer von 1 bis 10 s abhängig (Tabelle 1). Impulsbreiten von länger als 15 s, d. h. eine Impulsbreitendauer von der gleichen Größenordnung wie die Spitzenbreite, führte zu fast rechteckigen Spitzenformen (6).
Die ersten Tests mit dem Vergleichsgaseinlasssystem zur internen Standardisierung (REGIS) wurden mit CO₂ als Vergleichsgas durchgeführt. Weil nur relative Änderungen überwacht werden sollten, wurde sein δ¹³C-Wert willkürlich auf Null eingestellt. Während aller Tests wurden der Kolonnenkopfdruck des zweiten Heliumdurchflusses und der CO₂-Druck konstant gehalten.
Alle relativen δ¹³C-Werte in ‰ sind als Mittelwert aus drei Wiederholungen angegeben, und die Fehlerbereiche sind ±2σ. Identische Teile eines FAME-Gemischs wurden im splitlosen Modus dosiert. Der Gasdurchflussteiler wurde 6 Sekunden lang geschlossen gehalten und anschließend für die restliche Dauer des Versuchs geöffnet. Der Splitdurchfluss wurde auf 30 ml/min eingestellt. Die Kolonnentemperatur wurde 5 Minuten lang auf 70°C gehalten und dann auf 270°C bei n °C/min programmiert, wobei n = 4, 6 oder 8 war. Der Kolonnenkopfdruck wurde auf eine Durchflussrate von 1,20 ml/min eingestellt, was einer Lineargeschwindigkeit von 28,4 ml/min bei einer Kolonnentemperatur von 70°C entsprach.
Die Ergebnisse dieser Experimente sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Unter isothermischen Bedingungen wurde eine ausgezeichnete Präzision festgestellt, unabhängig davon, ob der GC-Abfluss von der Verbrennungsschnittstelle abgeleitet oder in die Verbrennungsschnittstelle hinein geleitet wurde. Der durchschnittliche δ¹³C-Wert von -0,013 ± 0,048 ‰ (95 % Vertrauensgrenze auf der Grundlage von zehn Freiheitsgraden), der aus diesen isothermischen Versuchen gewonnen wurde, diente als der Zielwert für anschließende Studien, wo Temperaturgradienten im GC im Konstantdruckmodus eingeführt wurden.
Bei der Auswahl nur einer einzigen aktiven Vergleichsspritze wurde eine merkliche Verschiebung in Richtung negativerer δ¹³C-Werte mit steileren Temperaturgradienten festgestellt (Tabelle 2). Hier betrugen die durchschnittlichen δ¹³C-Werte -0,063 ± 0,103 ‰ (95% Vertrauensgrenze auf der Grundlage von zehn Freiheitsgraden), die aus diesen isothermischen Versuchen gewonnen wurden und als Zielwert für anschließende Studien dienten, wo Temperaturgradienten im GC im Konstantdruckmodus eingeführt wurden.
Bei der Auswahl nur einer einzigen aktiven Vergleichsspitze wurde eine merkliche Verschiebung in Richtung negativerer δ¹³C-Werte mit steileren Temperaturgradienten festgestellt (Tabelle 2). Hier betrugen die durchschnittlichen δ¹³C-Werte -0,063 ± 0,087 ‰ für 4°C/min, -0,166 ± 0,103 ‰ für 6°C/min und -0,417 ± 0,193 ‰ für 8°C/min. Diese Verschiebungen waren eindeutig der Änderung, d. h. der Verringerung, des Trägergasdurchflusses zuzurechnen, die durch den Anstieg der Kolonnentemperatur hervorgerufen wurde, weil dies die einzigen abhängigen Variablen waren. Durch die Auswahl dreier aktiver Vergleichsspitzen wurden jedoch die durchschnittlichen δ¹³C-Werte praktisch mit dem Zielwert identisch, der unter isothermischen Bedingungen erhalten wurde.
Ähnliche Beobachtungen wurden gemacht, als das brennbare Gas Isobutan (10 Vol.-% in He) verwendet wurde. Im Gegensatz zu CO₂, bei dem die Präzision in der Regel besser als 0,1 ‰ war, führte der zusätzliche Verbrennungsprozess zu einer Präzision von lediglich etwa 0,2 ‰ (Tabelle 3). Bei der Auswahl dreier aktiver Vergleichsspitzen wurden die durchschnittlichen δ¹³C-Werte, die aus Temperaturgradientenanalysen erlangt wurden, mit dem errechneten Zielwert von +0,007 ± 0,156 ‰ (95 % Vertrauensgrenze auf der Grundlage von zehn Freiheitsgraden) identisch.
Obgleich die festgestellte Präzision von ±0,156 ‰ stark der Präzision von ±0,11 ‰ ähnelte, die von S. A. Baileys und Mitarbeitern berichtet wurde [8], war es wahrscheinlich, dass durch Verwendung von CuO/Pt bei 820°C zur Verbrennung keine vollständige Verbrennung von Isobutan erreicht werden konnte. Zur vollständigen Verbrennung von natürlich vorkommenden Gasen wie beispielsweise Methan, Propan und Isobutan werden höhere Temperaturen, d. h. 1000°C, in der Literatur als geeigneter bezeichnet [9]. Der in dieser Studie benutzte Ofen konnte derart hohe Temperaturen nicht erzeugen.
Die ersten Experimente mit einem FAME-Gemisch und CO₂ als Vergleichsverbindung zeigten klar den Nutzen dieser alternativen Standardisierungsweise. Wie zuvor berichtet [7], wurde ein signifikanter Unterschied bei den δ¹³C-Werten von durchschnittlich > +2,00 ‰ festgestellt, wenn man die δ¹³C-Werte, die bei 4°C/min erhalten wurden, mit jenen vergleicht, die bei 8°C/min erhalten wurden, und wenn nur ein einziger Analyt als interne Vergleichssubstanz gewählt wurde (8A). Es ist zu betonen, dass diese Unterschiede nur nachgewiesen werden konnten, weil die Datenauswertungssoftware keine Zeitverschiebungskorrektur [3, 10, 11] verwendete.
Das Auswerten von Daten mit 95 %-igen Vertrauensgrenzen (zwei Freiheitsgrade) sowie innerhalb von ±2σ führte dazu, dass die δ¹³C-Werte für C₆, C₁₁, C₁₂, C₁₄, C₁₆, C₁₈ und C₂₀ praktisch identisch wurden, wenn vier CO₂-Impulse, die über das REGIS eingeleitet wurden, als interne Vergleichsspitzen herangezogen wurden (7B und 8B).
Dieses Verfahren der internen isotopischen Kalibrierung kann nicht jene isotopischen Effekte berücksichtigen, zu denen es in der GC-Kolonne aufgrund einer unterschiedlichen Wechselwirkung zwischen Gelöstem und stationärer Phase kommt, die durch Van der Waals-Dispersionskräfte dominiert wird, was zu einem vorherigen Eluieren des schwereren Isotops führt [12]. Das spiegelt sich klar in der Tatsache wider, dass nur eine 95 -ige Übereinstimmung zwischen δ¹³C-Werten, die bei unterschiedlichen Temperaturgradienten gemessen wurden, erreicht werden konnte, wenn FAME-δ¹³C-Werte im Vergleich zu CO₂ dargestellt wurden, nachdem sein Isotopenverhältnis anhand von C₁₁ mit einem δ¹³C-Wert von C₁₁ = 0,000 ‰ kalibriert wurde (8B). Man kann deshalb dafürhalten, dass dieses Verfahren keine echte interne Kalibrierung ist. Wie aber zuvor herausgestellt, unterliegen permanente Gase keiner Wechselwirkung zwischen Gelöstem und stationärer Phase bei stationären Phasen, die im GLC benutzt werden. Im Moment stellt dieses Verfahren der isotopischen Kalibrierung den bestmöglichen Kompromiss der beiden bestehenden Verfahren dar.
Der Befund einer Übereinstimmung mit einem so hohen Wert wie 95 stützt die Hypothese, dass die Verbrennungsschnittstelle aufgrund ihrer zahlreichen Verbindungen und Änderungen des Kapillarrohrdurchmessers zwischen dem GC und dem IRMS beträchtlich zu dem Prozess beiträgt, bei dem die Spitzenformen asymmetrisch werden und somit der chromatografische Isotopeneffekt im GLC verstärkt wird [13, 7].
Mit dem erfindungsgemäßen Einlassrohr wird Vergleichsgas in einem kontinuierlich fließenden zweiten Durchfluss eines Trägergases vor der Schnittstelle eingeleitet und unterliegt somit den gleichen Einflüssen durch diese Schnittstelle wie der oder die Analyten, wodurch ein interner Standard gebildet wird. Das Design des REGIM gewährleistet, dass es zwischen dem Vergleichsgas und dem Analyten zu keinen störenden Wechselwirkungen kommt. Die Grundkonstruktion des REGIM-Moduls gestattet jede denkbare Kombination von Modulen und stellt darum das Mittel dar, um beispielsweise zwei Vergleichsgase oder ein Vergleichsgas und ein Oxidans zur Verwendung mit einer Verbrennungsschnittstelle (O₂ alternativ und/oder gleichzeitig) einzuleiten. Dank der Grundkonstruktion des REGIM-Moduls werden Fluss und Druck des einen oder der mehreren Vergleichsgase immer ins Gleichgewicht gebracht und unterliegen darum keiner isotopischen Fraktionierung durch die Umschaltprozesse. Fluss und Druck des einen oder der mehreren Vergleichsgase werden so eingestellt, dass durch die Umschaltprozesse keine Druckimpulse entstehen. In das System eingeleitetes Vergleichsgas führt zu einem Signal mit dem gleichen Erscheinungsbild wie ein Analytsignal und wird als solches in der gleichen Weise verarbeitet.
Das Vergleichsgaseinlasssystem der vorliegenden Erfindung wird als eine wertvolle Alternative zu den bestehenden Verfahren der isotopischen Kalibrierung vorgeschlagen. Es erbringt Messwerte von ausgezeichneter Präzision und verbessert deutlich die Genauigkeit, wenn mehrere aktive Vergleichsspitzen ausgewählt werden. Des Weiteren kombiniert es die Benutzerfreundlichkeit und einfache Praktizierbarkeit des bestehenden Verfahrens der externen Kalibrierung mit dem Vorteil, dass Standard und Analyten identischen physikalischen Bedingungen unterworfen werden, während sie die Verbrennungsschnittstelle passieren.
Dieses System eignet sich besonders, wenn Daten ohne Zeitverschiebungskorrektur verarbeitet werden, weil Vergleichssubstanzen, die auf diese Weise eingeleitet werden, thermodynamische Isotopeffekte aufnehmen. Wegen dieser Eigenschaft kann man es mit Recht Vergleichsgaseinlasssystem zur internen isotopischen Kalibrierung nennen.
An einem ORCHID GC-C-IRMS-System wurden Untersuchungen angestellt (Europa Scientific, Crewe, CW1 1ZA, UK). Die Verbrennungsschnittstelle, die einen CuO/Pt-Verbrennungsofen, der bei 820°C arbeitete, eine Nafion-Röhre, die als Wasserabscheider fungierte, und einen Cu-Reduktionsofen, der mit 600°C betrieben wurde, aufwies, wandelte Probenspitzen, die aus dem GC eludierten, in trockenes CO₂ und N₂ um. In δ¹³C-Studien werden gemessene Isotopverhältnisse automatisch um Einflüsse von ¹⁷O korrigiert [14] und als δ-Werte in Promille-Einheiten [‰] ausgedrückt: δ13C+ = (RProbe – RStandard)/RStandard × 1000 Gleichung 1wobei R_Probe das ¹³C/¹²C-Verhältnis der Probe ist und R_Standard das ¹³C/¹²C-Verhältnis des Arbeitsstandards ist. Da sich diese Studie nur mit Änderungen und nicht mit absoluten Werten befasste, wurden in allen Experimenten eine oder mehrere Spitzen als interne Vergleichsspitzen gewählt, und ihre δ¹³C-Werte wurden willkürlich auf Null eingestellt.
Der Gaschromatograf war ein HP 5890, Baureihe II, der mit einer elektronischen Drucksteuerung (EPC) ausgestattet war, wodurch das Trägergasmanagement entweder auf Konstantdruckmodus oder auf Konstantdurchflussmodus eingestellt werden kann.
Helium mit einer Reinheit von 5,0 diente als Trägergas und wurde durch einen Hochleistungs-Gasreiniger (Supelco UK, Poole, BH17 7TG, UK) geleitet, bevor es in den GC eintrat. Der Kolonnenkopfdruck wurde durch eine EPC gesteuert. In beiden Modi wurde das Trägergas auf eine Lineargeschwindigkeit von 28,4 cm/s bei einer Kolonnentemperatur von 70°C eingestellt. Es wurden Experimente unter Verwendung von CO₂ und Isobutan entweder bei konstanter GC-Temperatur von 70°C oder unter Verwendung eines von drei Temperaturgradienten durchgeführt, wobei die GC-Temperatur 2 Minuten lang auf 70°C gehalten und anschließend auf 270°C bei Raten von 4°C/min, 6°C/min bzw. 8°C/min programmiert wurde.
Eine Trennung von gesättigten FAMEs wurde mit einer Kapillarkolonne vom Typ CP-Sil 19 CB (Chrompack, Middelburg, NL) erreicht, die 25 m × 0,25 mm maß und eine Filmdicke von 1,2 μm aufwies. Die Kolonne wurde mit einem Rückhaltespalt verbunden, der 1 m × 0,25 mm maß und mit Cyanopropyl/Phenyl/Methyl deaktiviert wurde [15].
Die Daten wurden mittels einer vom Hersteller gelieferten Software (Europa Scientific ORCHID POST-PROCESSOR) analysiert. Tabelle 1 Abhängigkeit von Spitzenfläche und Spitzenhöhe von der Impulsbreite von CO₂-Impulsen.^a)

a) Die CO₂-Impulse wurden unter isothermischen Bedingungen (70°C) eingeleitet, während der GC-Abfluss mit der Verbrennungsschnittstelle verbunden war.
b) Die Regressionsanalyse ergab: pa = 9,49 pw -2,61; r = 0,99971; r² = 0,99942.
c) Die Regressionsanalyse ergab: ph = -0,279 + 2,335 pw – 0,206 pw² + 0,006 pw³; r )= 0,99956; r² = 0,99913.
d) Der CO₂-Impuls mit einer Impulsbreite von 5 s wurde als aktive Vergleichsspitze gewählt und ist mit einem Sternchen markiert. Der Mittelwert beträgt 0,023 ‰, der Median ist -0,01 ‰, und S.D. ist 0,126.

Referenzen

[1] D E Matthews und J M Hayes, Anal. Chem. 50, 1465-1473 (1978)
[2] J T Brenna, Acc. Chem. Res., 27, 340-346 (1994) und Referenzen
[3] W A Brand, J Mass Spectrom., 31, 225-235 (1996)
[4] R J Caimi, L H Houghton, und J T Brenna, Anal. Chem, 66, 2989-2991 (1994)
[5] Europäische Patentanmeldung 88308156.4, Patentnummer 0 306 333, 08.03.1989, Bulletin 89/10
[6] D A Merrit, W A Brand, und J M Hayes, Org. Geochem., 21, 573-583 (1994)
[7] W Meier-Augenstein, P W Watt, und C D Langhans, J Chromatogr, A, (1996) im Druck
[8] S A Baylis, K Hall, und E J Jumeau, Org. Geochem, 21, 777-785 (1994)
[9] B N Bopp, F J Sansone, T M Rust, und D A Merrit, Anal. Chem, 67, 405-411 (1995)
[10] M Rautenschlein, K Habfast, und W A Brand in Stable Isotopes in Paediatric, Nutritional, und Metabolic Research, Intercept Ltd., Andover (UK), (1990) s. 133-148
[11] K J Goodman und J T Brenna, Anal. Chem, 66, 12941301 (1994)
[12] M Matucha, W Jokisch, P Verner und G Anders, J Chromatogr., 588, 251-258 (1991)
[13] K J Goodman und J T Brenna, J Chromatogr. A, 698, 63-68 (1995)
[14] H Craig, Geochem. Cosrnochim. Acta, 12, 133-149 (1957)
[15] G R van der Hoff, P van Zoonen, und K Grob, J High Resol. Chromatogr., 17, 37-42 (1994)

Claims

Ein Vergleichsgaseinlass für ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometersystem, der drei sich an einer Kreuzung kreuzende Rohre beinhaltet, wobei ein sekundärer Durchfluss von Trägergas und ein Vergleichsgas über ein erstes (I) bzw. ein zweites Rohr in den Einlass eintreten können und zusammen über ein drittes Rohr (O) aus dem Einlass austreten können, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr ein Innenrohr (R) beinhaltet, das in einem Schutzrohr (S) befindlich ist, wobei das Innenrohr (R) innerhalb des Schutzrohrs (S) von einer ersten Position, in der das Ende des Innenrohrs (R) vor der Kreuzung liegt und in der das Vergleichsgas das System im Einsatz über das Schutzrohr (S) verlässt, zu einer zweiten Position, in der das Innenrohr (R) auf der Kreuzung liegt und in der das Vergleichsgas mit dem sekundären Durchfluss von Trägergas im Einsatz durch das dritte Rohr (O) austritt, beweglich ist.
Vergleichsgaseinlass gemäß Anspruch 1, der ferner ein Solenoid zum Bewegen des Innenrohrs (R) zwischen der ersten und zweiten Position beinhaltet.
Vergleichsgaseinlass gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein T-Stück mit geringem Totvolumen beinhaltet, wobei die drei Arme des T-Stücks die drei Rohre des Einlasses bereitstellen.
Ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometersystem, das einen Vergleichsgaseinlass gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche beinhaltet.
Isotopenverhältnis-Massenspektrometersystem gemäß Anspruch 4, das ferner eine Verbrennungsschnittstelle beinhaltet, wobei der Einlass stromaufwärts von einer Verbrennungsschnittstelle angeschlossen ist.
Isotopenverhältnis-Massenspektrometersystem gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der Einlass angepasst ist, um auf einer Temperatur von über 360°C gehalten zu werden.
Ein System zur internen Standardisierung, das einen Vergleichsgaseinlass gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 beinhaltet, wobei ein Vergleichsgas in einen sekundären Durchfluss von Trägergas eingeführt werden kann, der mit einem primären Durchfluss von Trägergas zusammenfließt, welcher eine Probe befördert, die einen elementaren Analyten enthält, bevor beide Durchflüsse in ein Modul übergehen, welches die Probe zur Massenspektrometrieanalyse in gasförmige Form umwandelt.