24.04.2012
ForschungUmwelt

Ionenmobilitätsspektrometrie in der Wasseranalytik

  • Abb. 1: Prinzip FAIMS/DMSAbb. 1: Prinzip FAIMS/DMS
  • Abb. 1: Prinzip FAIMS/DMS
  • Abb. 2: Detektion von Benzininhaltsstoffen in Grundwasser mit GC-MS und GC-DMS
  • Abb. 3: Detektion von Aceton (10 und 1.000 mg/L) in Wasser (0,025 % NaCl) mit ESI-FAIMS

Das Hauptanwendungsgebiet der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) im Bereich der Vor-Ort-Analytik liegt seit langem in der Analyse gasförmiger Substanzen, wie der Detektion von Sprengstoffen, dem Nachweis von Drogen sowie dem Aufspüren chemischer Kampfstoffe. Die Untersuchung von wässrigen Proben wird aufgrund der zwingenden Abtrennung des Wassers vor Eingabe in das Ionenmobilitätsspektrometer erschwert. Zur Lösung dieses Problems können unterschiedliche Probenvorbereitungstechniken bzw. Probeneingabesysteme beitragen.

Anwendungen der IMS
Bereits gut etabliert ist die IMS seit der Einführung Ende der 60er Jahre im Bereich der Gasanalytik. Die Detektion von Sprengstoffen, chemischen Kampfstoffen und illegalen Drogen in gasförmigen Proben wird aufgrund der Möglichkeit der schnellen Vor-Ort-Analyse bei gleichzeitiger hoher Empfindlichkeit in Routineverfahren im militärischen Bereich und im Flugverkehr erfolgreich eingesetzt. Weiterhin sind Anwendungen wie z.B. die Detektion von Geruchsbelastung durch Erdgas, Atemluftzusammensetzung und Metaboliten von Bakterien vorgestellt worden [1]. Die IMS ist immer dann die Methode der Wahl, wenn es gilt, schnell zu identifizieren, ob Kontaminationen in geringen Konzentrationen vorliegen.

Im Bereich der Wasseranalytik gibt es zahlreiche Betätigungsfelder, die ebenfalls von diesen Eigenschaften profitieren würden, sei es zur Trinkwassernetzkontrolle, zur Überprüfung von kontaminierten Standorten oder zur Überwachung der mikrobiologischen Qualität von Berieselungswasser. Entscheidend für die erfolgreiche Methodenentwicklung ist die geeignete Probenzuführung. Hierbei muss gewährleistet sein, dass die Matrix „Wasser" nahezu vollständig entfernt wird und der Analyt schließlich in der Gasphase vorliegt. Im Folgenden werden Möglichkeiten zur Nutzung der IMS zur schnellen Wasseranalytik vorgestellt.

Prinzip und Techniken
Die im Bereich der Gasanalytik eingesetzten Geräte basieren auf der Time-of-Flight-Technik (TOF), d.h., dass unter Normaldruck erzeugte Ionen in einem elektrischen Feld gegen die Strömungsrichtung eines Gases driften. Ionen unterschiedlicher Masse und/oder Struktur erreichen unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten, werden voneinander getrennt, und treffen nacheinander auf den Detektor auf (Konventionelle IMS) [2].

Zentraler Teil des Systems ist die Driftröhre, die aus einem Reaktionsraum und einem Driftraum besteht. Beide Räume sind durch ein elektrisches Schaltgitter voneinander getrennt. Die hier angelegten elektrischen Felder liegen unter 1.000 V/cm, so dass die Ionenmobilität bei Normaldruck unabhängig von der Feldstärke ist.

Seit Mitte der 90iger Jahre wird in der Literatur eine Technik beschrieben, die die Abhängigkeit der Ionenmobilität von der Feldstärke oberhalb von 10.000 V/cm zur Trennung der unterschiedlichen Ionen nutzt. In der Literatur werden im Wesentlichen zwei Begriffe für diese Art der IMS genannt: „High-field asymmetric waveform ionmobilityspectrometry (FAIMS)", und, „Differential Mobility Spectrometry (DMS)". Beiden liegt das gleiche physikalische Prinzip zugrunde, lediglich die technische Umsetzung variiert. Prinzipiell werden die Ionen getrennt, indem sie mit Hilfe eines Gasstroms zwischen Elektroden, die nur einen geringen Abstand haben, geführt werden. Im Spektrometer werden die Ionen abwechselnd asymmetrischen starken und schwachen elektrischen Feldern, die senkrecht zum Trägergasstrom angelegt sind, ausgesetzt (s. Abb. 1) [3]. Durch das Anlegen einer zusätzlichen variablen Kompensationsgleichspannung (CV) können die Bewegungen der Ionen, die detektiert werden sollen, so beeinflusst werden, dass sie ungehindert auf die Elektrometerplatte auftreffen. Als Ionisierungsquellen werden 63Ni- und UV-Strahler angeboten.

Der signifikante Vorteil dieser Techniken liegt in der hohen Nachweisstärke für Ionen, da für diese Technik kein gepulster Ionenstrom notwendig ist und damit die Auflösung nicht von der Signalpulsbreite, welche die Öffnungs- und Schließzeit des Schaltgitters bestimmt, abhängt. Die Ionen können zu fast 100 % kontinuierlich den Ionenfilter passieren. Aufgrund der möglichen Miniaturisierung ist der mobile Einsatz vereinfacht.

Möglichkeiten zur schnellen Wasseranalyse
Die Abtrennung der Matrix „Wasser" vom Analyten ist der zentrale Schlüssel für die Nutzbarkeit der IMS in der Wasseranalytik. Wenn leicht- bzw. semiflüchtige Substanzen detektiert werden sollen, ist die Probenahme aus dem Dampfraum (Headspace) die Methode der Wahl. Leichtflüchtige Substanzen wie BTEX werden aus dem Dampfraum mittels der Solid Phase Micro Extraction (SPME)Technik angereichert und anschließend mit GC- DMS detektiert [4]. Die direkte Anreicherung von umweltrelevanten Substanzen wie Pestiziden aus der wässrigen Phase mittels der Stir Bar sorptive extraction Technik (SBSE) sowie anschließender Thermodesorption und ionenmobilitätsspektrometrischer Detektion ist eine Möglichkeit der Analyse von weniger flüchtigen Verbindungen [5]. Die Kombination einer Anreicherungseinheit mit GC und DMS (microAnalyzer, Fa. Scionex) ermöglicht die schnelle Detektion von leichtflüchtigen Stoffwechselprodukten aus E. coli Bakterien in wässrigen Proben [6]. Über eine Art Mustererkennung kann eine schnelle Entscheidung getroffen werden, ob z.B. Berieselungswasser für die Bewässerung von Salat und Gemüse mit fäkalen Bakterien verunreinigt sind. Das gleiche System kann für ein Vor-Ort-Monitoring von Benzininhaltsstoffen in kontaminiertem Grundwasser eingesetzt werden (Abb. 2). In Abbildung 2 sind das Massen- und DMS-Spektrum von einer mit einem Standardbenzingemisch dotierten Grundwasserprobe gezeigt. Die gaschromatographische Trennung erfolgte auf einer 60 m langen Carbowax-Säule. Die farbig umkreisten Substanzen Toluol, Dimethyl- und Trimethylbenzole sind signifikant im DMS-Spektrum zu erkennen, so dass mit dem Instrument eine mobile Alternative zum GC-MS vorliegt.

Eine viel versprechende Technik zur Analyse polarer, nicht flüchtiger Verbindungen ist die Kopplung einer Elektrosprayionisationsquelle (ESI) mit FAIMS. Hiermit ist ein effizienter Probeneintrag ohne vorherige Vorbehandlung möglich. Die Kopplung der ESI-Quelle mit dem FAIMS stellt dabei eine große Herausforderung dar, denn das durch die ESI generierte Nanospray muss dem FAIMS unter Normaldruck zugeführt werden. Mit der Kopplung einer selbst gebauten nano-ESI-Quelle mit Tägergaszuführung (Stickstoff) und einer OEM-Version des FAIMS (Owlstone), ist die direkte Eingabe der wässrigen Lösung mithilfe einer Spritzenpumpe (KDScientific), mit einer Förderrate von 250 nl/min möglich [7]. Die angelegte Spannung beträgt 3.8 kV, die Nadel ist auf T = 30°C beheizt. Abbildung 3 zeigt am Beispiel der Detektion von 10 und 1.000 ppm Aceton als Modellsubstanz in Wasser die Abhängigkeit des Ionenstroms von der Kompensationsspannung bei einer HF-Spannung von 64kV (Abstand Nadel/Gegenelektrode: 3 mm, Flussrate (N2) 3,3 l/min).

Danksagung
Wir danken der Firma Schumann Analytics, Einbeck für die ständige Diskussionsbereitschaft und Unterstützung sowie der Firma Gerstel, Mülheim für die Bereitstellung der SBSE-Twister.

Literatur
[1] Baumbach J.I.: Anal. Bioanal. Chem. 384, 1059-1070 (2006)
[2] Eiceman G.A.: Ion Mobility Spectrometry, CRC Press Taylor & Francis Group, 2005, 3 ff.
[3] Guevremont R.: Can. J. Anal. Sci. Spectrosc. 49(3), 105-113 (2004)
[4] Telgheder U. et al.: Int. J. Ion Mobil.Spec. 12(4), 123-130 (2009)
[5] Telgheder U. und Zscheppank C.: Proceedings of the 20th Annual Conference on Ion Mobility Spectrometry, Edinburgh 2011
[6] Saptalena L.G. et al.: Proceedings of Wasser 2011, Norderney 2011
[7] Kerpen K. et al.: Proceedings of Anakon 2011, Zürich 2011

 

Autor(en)

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Lotharstr. 1-21
47057 Duisburg
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