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Cavity-Ring-Down-Spektroskopie als nachweisstarke Detektionsmethode in analytischen Fließsystemen

Vogelsang, Markus - Universität Ulm (2011)


Für die Analyse von Stoffgemischen in der flüssigen Phase stellt die analytische Chemie heutzutage eine Vielzahl an Trennmethoden zur Verfügung. Am verbreitetsten sind dabei die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC, High Performance Liquid Chromatography) und die Kapillarelektrophorese (CE, Capillary Electrophoresis). Neben dem Trennsystem ist dabei das Detektionssystem der wichtigste Bestandteil jedes Trennverfahrens. Als Detektoren in der flüssigen Phase kommen hauptsächlich Brechungsindex, Fluoreszenz, Leitfähigkeits, VerdampfungsLichtstreu und UV/VisDetektoren zum Einsatz. Vor allem die UV/VisDetektion ist durch ihre universelle Einsetzbarkeit, ihre Robustheit und ihren geringen Preis weit verbreitet.

Die elektrophoretischen Trennmethoden sowie die Miniaturisierung in der HPLC in Form von Mikro und NanoHPLC begründeten gleichzeitig die Notwendigkeit von nachweisstarken, für Detektionsvolumina im Mikro bzw. Nanoliterbereich geeigneten Detektionsmethoden. Zum Einsatz kommen hier unter anderem elektrochemische Detektoren, die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) sowie die Massenspektrometrie (MS), die jedoch alle mit gewissen Nachteilen verbunden sind. Die Massenspektrometrie ist apparativ sehr aufwendig sowie kostenintensiv in der Anschaffung, die elektrochemische Detektion verlangt bestimmte Anforderungen an die Zusammensetzung und die Reinheit der mobilen Phase und die LIF setzt ein Labeling der Analyten mit einem Fluoreszenzfarbstoff voraus.

Bei den am häufigsten eingesetzten UV/VisDetektoren hängt die Nachweisstärke sehr stark davon ab, wie gut die von der verwendeten Lichtquelle eingestrahlte Intensität I0 sowie die Intensität I nach dem Durchgang durch die Probe und somit das Verhältnis ΔI/I bestimmt werden können. Dieses Verhältnis liegt aktuell im Bereich von 5 105. Zusätzlich ist die Nachweisstärke von der optischen Weglänge durch die absorbierende Schicht abhängig. Die optische Weglänge läßt sich jedoch ohne Erhöhung des Durchmessers der Detektionszelle nicht beliebig verlängern. Die Lichtbrechung an den Wänden der Detektionszelle würde ansonsten zu einem verringerten Lichtdurchsatz führen, wodurch sich wiederum das Signal/RauschVerhältnis verschlechtert. Eine Erhöhung des Durchmessers der Detektionszelle ist jedoch mit einem größeren Detektions und somit Totvolumen verbunden und aufgrund der dadurch auftretenden Bandenverbreiterungen nicht akzeptabel. Bei einem herkömmlichen UV/VisDetektor steigt das Signal/RauschVerhältnis außerdem mit der Quadratwurzel der eingestrahlten Lichtintensität, wodurch sehr intensive Lichtquellen wie z. B. Laser hier einen Vorteil bieten würden. Dieser Vorteil wird bei Lasern aber gleichzeitig wieder durch die auftretenden starken Intensitätsschwankungen reduziert. Bei kommerziellen UV/VisDetektoren kommen deshalb meist intensitätsstabile Deuterium, Xenon oder WolframLampen zum Einsatz.

Die CavityRingDownSpektroskopie (CRDS) als relativ neue Methode im Bereich der Absorptionsspektroskopie bietet dagegen zum einen den Vorteil, unabhängig von der eingestrahlten Lichtintensität zu sein. Hier wird, anstatt des Verhältnisses von eingestrahlter Intensität und der Intensität nach dem Durchgang durch die Probe, das zeitliche Verhalten der eingestrahlten Intensität in einem optischen Resonator bestimmt. Zusätzlich werden bei dieser Methode durch den im Resonator reflektierten Lichtstrahl und den damit verbundenen wiederholten Durchgang durch die Probe, optische Weglängen erreicht, die um ein Vielfaches höher sind, als bei einem konventionellen UV/VisDetektor. Die CavityRingDownSpektroskopie bietet sich deshalb in analytischen Fließsystemen als Detektionsmethode bei geringen Detektionsvolumina sowie zum Nachweis geringer Analytkonzentrationen bzw. von Analyten mit geringen Extinktionskoeffizienten an.

Weiterhin lassen sich durch die Kombination der CavityRingDownSpektroskopie mit der Totalreflektion an der Grenzfläche zweier Phasen spezifisch Prozesse an oder im Bereich weniger hundert Nanometer über Oberflächen untersuchen. Häufig wird diese Methode zur Verfolgung von Adsorptionsprozessen an Oberflächen eingesetzt. Durch die vielfältigen Optionen zur Funktionalisierung von Quarzoberflächen ergeben sich dadurch aber auch interessante Einsatzmöglichkeiten zur Detektion in Fließsystemen oder im Bereich der bioanalytischen Sensorik.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe der CavityRingDownSpektroskopie neue Detektionsmethoden für analytische Trennsysteme wie die HPLC sowie für Oberflächen bzw. oberflächennahe Prozesse zu entwickeln.


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