Um die Einsatzfähigkeit von Kunststoffmaterialien, welche eine immer ­größere Rolle in unserem Leben spielen, über einen längeren Zeitraum auch unter widrigen Bedingungen garantieren zu können, müssen dem Grundpolymer Additive zugesetzt werden. Additivanalytik ist also notwendig um zum einen ­sicherzustellen, dass die für einen bestimmten Einsatzzweck notwendigen Additive tatsächlich zugesetzt wurden, zum anderen um Konzentrationsänderungen z.B durch Abbau oder Auswaschen zu verfolgen. Im vorliegenden Artikel wird eine schnelle einfache Methode zur qualitativen und semi-­quantitativen ­Analytik von Kunststoffadditiven mittels DART-MS präsentiert, welche ohne langwierige Probenvorbereitung auskommt.

Produkte aus Kunststoff spielen eine immer größere Rolle im täglichen Leben. Mit der Verbreitung von Kunststoffen in den verschiedensten Bereichen wuchsen auch die Erwartungen hinsichtlich einer einfachen Verarbeitung zu einer Vielfalt von unterschiedlichen Produkten, hinsichtlich Stabilität und Langlebigkeit auch unter widrigsten Bedingungen oder hinsichtlich des Erhaltes eines neuwertigen Erscheinungsbilds über einen möglichst langen Zeitraum (Farbechtheit, Erhalt der Textur...). Um allen diesen Anforderungen gerecht zu werden, enthalten moderne Kunststoffe eine Reihe von Additiven. Diese sollen zum Beispiel die oxidative Schädigung des Polymers verhindern (Antioxidantien), Kettenabbau durch UV-Licht verlangsamen (UV-Stabilisatoren), bakteriellen oder mikrobiellen Besatz an der Oberfläche verhindern (Biozide), den Einsatz von Kunststoffprodukten auch in feuergefährlicher Umgebung ermöglichen (Flammhemmer) oder sie sind notwendig um das Polymer während des Produktionsprozesses gegen Druck und Hitze zu stabilisieren (Verarbeitungsstabilisatoren). Diese Additive können natürlich nur dann ihrer Aufgabe voll gerecht werden, wenn die richtigen Additive in ausreichender Menge im Polymer vorhanden sind. Aus diesem Grund ist sowohl die qualitative als auch die quantitative Analytik dieser Additive von ­wesentlicher Bedeutung.

Methoden für die Additivanalytik

Methoden für die Analytik von Polymeradditiven setzen meist eine vorhergehende Extraktion dieser Analyte aus der Polymer-Matrix voraus.

Dazu werden eine Reihe unterschiedlicher Verfahren wie die Flüssig-Extraktion mit verschiedenen ­Lösungsmitteln, die Mikrowellen- unterstütze ­Extraktion, die „Accelerated Solvent Extraction" oder die Extraktion mittels superkritischer Flüssigkeiten eingesetzt [1]. Der so gewonnene Extrakt wird dann meist mit Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), Dünnschichtchromatographie oder im Falle von leichtflüchtigen Additiven auch mittels der Gaschromatographie (GC) analysiert. Ein Nachteil all dieser Verfahren ist der hohe Zeit- und Arbeitsaufwand, welcher diese für ein schnelles Screening von Kunststoffprodukten in Hinblick auf ihren Additivgehalt als wenig geeignet erscheinen lässt. Ein weiteres Manko dieser Methoden ist die Gefahr, dass empfindliche Additive während des Extraktionsprozesses abgebaut oder umgewandelt (oxidiert) werden. Dies kann eine verlässliche Additivanalytik erschweren oder gar unmöglich machen. Ideal wäre somit ein Verfahren, welches eine schnelle qualitative oder zumindest halbquantitative Analytik von Additiven direkt im Kunststoff ohne jegliche Probenvorbereitung ermöglicht. In der bisher erschienenen Literatur lassen sich nur sehr wenige Ansätze in diese Richtung finden. Diese basierten auf der MALDI-Massenspektrometrie sowie der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie.

Direct Analysis in Real Time ­Massenspektrometrie

Direct Analysis in Real Time Massenspektrometrie (DART-MS) wurde 2005 von Cody et al. erstmals vorgestellt und erlaubt die schnelle, direkte Analyse einer Vielzahl unterschiedlicher Proben aus den verschiedensten Bereichen [2]. DART ist eine sogenannte „open air" Ionisierungstechnik. Dies bedeutet, dass auf Grund des offenen Designs der Ionenquelle bei DART-MS (siehe Abbildung 1) die Analyse von Feststoffen (mit der Einschränkung, dass diese in den Spalt zwischen Ionenquelle und MS-Eingangsbereich eingebracht werden können) ohne jegliche Probenvorbereitung möglich ist. Eine weitere Voraussetzung ist natürlich, dass die zu untersuchenden Analyte mit der DART Quelle ionisierbar sind.
Letzteres trifft vor allem auf kleinere Moleküle (bis ca. MW 1000) zu, welche zudem einen gewissen Grad an Flüchtigkeit aufweisen. Die Erzeugung geladener Spezies für die darauffolgende MS Analyse erfolgt in der DART-Quelle folgendermaßen: im ersten Schritt wird Helium-Gas durch elektrische Entladung angeregt sowie ionisiert; nach Entfernung der geladenen Spezies durch entsprechende Elektroden wird der Helium-Gasstrom erhitzt und aus dem geschlossenen Teil der Quelle in den offenen Spalt zwischen Quelle und MS-Orifice (siehe Abbildung 1) geleitet. Hier kommt es zur Ausbildung von Protonenclustern durch Wechselwirkung zwischen dem angeregten Helium und Wasser aus der Umgebungsluft gemäß der folgenden Reaktion [2]: