Analytik mit der Pfeilspitze – SPME Arrow

Was ist SPME?
Vor dem Hintergrund eines der wesentlichen Ziele der analytischen Probenvorbereitung, den Analyten möglichst reproduzierbar und mit wenig Verlusten und Störungen aus der Probe zu extrahieren, wurde im Jahre 1989 von J. Pawliszyn und seinen Mitarbeitern eine nahezu lösungsmittelfreie, einfache und schnelle Technick entwickelt, nämlich die Festphasenmikroextraktion (engl.: solid-phase microextraction, SPME).

Für die Probennahme werden hauptsächlich zwei Prinzipien unterschieden. Zunächst kann aus dem Gasraum (engl.: headspace, HS) über der Probe der flüchtige Analyt extrahiert werden. Wenn der Analyt semipolare/polare Eigenschaften aufweist, kann die Faser direkt in die Probenlösung getaucht werden (engl.: direct immersion, DI).

Wie ist die klassische SPME aufgebaut?
Bei der SPME handelt es sich um ein Instrument, welches eine spritzenähnliche Form aufweist und mit einer Hohlnadel ausgestattet ist. In dieser Hohlnadel befindet sich eine ausfahrbare Quarzglasfaser, welche mit einem Polymermaterial beschichtet ist. Die beschichtete Faser ist mit hochtemperaturfestem Epoxykleber an eine Metallnadel gebunden, die zum Schutz der empfindlichen Beschichtung in eine Hohlnadel zurückgezogen werden kann.

Was sind Vor- und Nachteile der SPME-Methode?
Wesentliche Vorteile der SPME-Methode sind neben einer z. T. deutlich verkürzten Probenaufbereitung, die weitestgehend lösungsmittelfreie Methodik und der fehlende Einfluss störender Matrix, vor allem bei der Extraktion aus dem Dampfraum.
Eine Automatisierung der SPME-Methode ist mithilfe von Faserhalterung und austauschbaren Fasereinsätzen möglich, was auch zeitlichen und personellen Aufwand reduzieren kann. Die Fasern können mehrmals verwendet werden (für HS mehrere 100 Male, für DI mehrere dutzend Male), müssen aber zwischen den Anwendungen ausgeheizt bzw. abgespült werden.
Aufgrund des vielseitigen Faserangebots ist eine breite Anwendbarkeit auf viele unterschiedliche Verbindungen in kleinsten Mengen möglich, was die SPME-Methode besonders selektiv und sensitiv macht. Die SPME kann für die unterschiedlichsten Matrizes (Feststoff, Flüssigkeit, Gas) eingesetzt werden. Die Empfindlichkeit der klassischen SPME ist durch den relativ kleinen Anteil an Fasermaterial limitiert, was z. T. eine geringe Extraktionseffizienz mit sich bringt. Weiterhin ist beim Umgang mit der SPME ein gewisses Maß an Erfahrung notwendig, da aufgrund mangelhafter Stabilität (z. B. durch Knicke) oder nicht betriebsgerechtem Umgang (zu hohe Ausheiztemperaturen) die Lebensdauer einer Faser stark verkürzen kann.


Was ist die PAL SPME Arrow?
Im Bereich der Mikroextraktionstechniken gibt es neue Entwicklungen. Die PAL (prep and load) SPME Arrow weist zusätzlich zu den Fähigkeiten der herkömmlichen SPME-Faser weitere Vorteile auf. Durch das optimierte stabilere sowie geschlossene Design ist ein höherer Schutz der Sorptionsphase auch während des Transfers gewährleistet. Des Weiteren ist durch das mehrfach gesteigerte Sorptionsphasenvolumen eine verbesserte Extraktionsausbeute und Sensitivität möglich. Die PAL SPME Arrow basiert auf einen stabilen Edelstahl Innenstab, der mit der Sorptionsphase umgeben ist. Die pfeilförmige Spitze erlaubt ein reibungsloses Eindringen durch Fläschchen- und Injektorsepta. Im Gegensatz zu den klassischen SPME-Faser schützt die pfeilförmige Spitze das Sorptionsmittel und minimiert ungewollte Einflüsse sowie den Verlust von Analyten während des Transfers. Kombiniert mit dem PAL-RTC (robotic tool changer) oder RSI (robotic sample injection) arbeitet die PAL SPME Arrow automatisiert, wodurch eine hohe Produktivität erzielt werden kann.

Wie erfolgt die Probenahme mittels SPME?
Abhängig von den Eigenschaften des Analyten sollten SPME-Fasern mit passendem Oberflächenmaterial gewählt werden, auf denen der Analyt selektiv adsorbieren kann. Bei diesen Fasern variieren die Materialeigenschaften aufgrund der Polarität und Porengröße der Beschichtung.
Zur Extraktion des Analyten wird diese Faser in ein verschlossenes Probengefäß gebracht. Die Faser wird aus der Hohlnadel herausgefahren, wodurch der Analyt an der Faser adsorbieren kann (siehe Abbildung 1, A-C). Hierbei haben verschiedene Parameter einen Einfluss auf die Geschwindigkeit dieses Vorgangs. Temperatur, Rührgeschwindigkeit, Verweilzeit der Faser im Probengefäß, die Dicke der stationären Phase, pH-Wert und Ionenstärke der Probenlösung sowie Größe des Raums über der Probenlösung/Probenvolumen sollten für reproduzierbare Ergebnisse konstant gehalten werden. Die Analyten werden nun so lange extrahiert und auf der Faser aufkonzentriert, bis sich ein Verteilungsgleichgewicht zwischen Probe, Dampfraum und Faser eingestellt hat. Anschließend wird die Faser wieder in die schützende Kanüle zurückgezogen und aus dem Probengefäß entfernt (siehe Abbildung 1, D).




Welche Möglichkeiten der Desorption gibt es?
Applikationen der SPME sind mit Gaschromatographie (GC), Hochleistungsflüssigkeitschromatogra-phie (engl.: high performance liquid chromatography, HPLC) und Kapillarelektrophorese (CE) möglich. Dabei liegen die Unterschiede in der Desorption. Flüchtige Verbindungen können im GC-Injektor thermisch von der Faser wieder desorbiert werden. Daraufhin wird die verdampfte, lösungsmittelfreie Probe mit dem Trägergas auf die Säule geführt. Nach dem Zurückziehen der Faser in die Kanüle und dem Entfernen aus dem Injektor, kann die Faser für die nächste Extraktion ver-wendet werden (siehe Abbildung 1, E-G).
Polare und thermolabile Verbindungen eignen sich für eine Analyse mittels der HPLC. Dabei erfolgt die Desorption entweder statisch in einem dafür vorgesehenen Probenraum mit starkem Eluenten und einer bestimmten Verweildauer oder dynamisch mithilfe einer mit Eluent durchspülten Probenschleife. Nach der chromatographischen Trennung und Desorption können die Verbindungen anschließend mit MS (Massenspektrometrie), Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) oder anderen Detektoren analysiert werden.

Fazit
Die neue Technologie in der Mikroextraktion mittels PAL SPME Arrow ermöglicht mit dem pfeilförmigen Design eine höhere Empfindlichkeit im Spurenbereich, eine höhere mechanische Stabilität sowie einen besseren Schutz des Absorptionsmittels. Durch die automatisierte Probenvorbereitung kann die PAL SPME Arrow in vielen Bereichen effizient eingesetzt werden. Die Technik findet in der Umweltanalytik (z.B. Bestimmung von Herbiziden in Trinkwasser), in der Lebensmittelanalytik (z.B. Furan und seinen Methylanaloga), in der Aromaanalytik und in vielen anderen Gebieten Einsatz.