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15.03.2012

analytica Conference 2012: REMPI und SPI machen schnelle Abgasanalysen möglich


Wenn es brennt, soll man meist Türen und Fenster geschlossen halten; denn wer weiß, welche Substanzen mit dem Rauch aufsteigen. Selbst normale Verbrennungsprozesse sind hinsichtlich der Entstehung der Rauch- und Abgase noch immer Gegenstand der Forschung. Das liegt auch daran, dass sich die Analysenmethoden immer weiter verbessern. Das Gemisch an gasförmigen Stoffen, die bei der Verbrennung entstehen können, ist nicht nur äußerst komplex, sondern es verändert sich auch sehr schnell. Je leistungsfähiger und schneller also die modernen Analysenmethoden sind, desto mehr bringt man über die Abgase in Erfahrung. Die Photoionisationsmethoden REMPI (Resonance Enhanced Multiphoton Ionisation) und SPI (Single Photon Ionisation) in Kombination mit der Massenspektrometrie sind die derzeitigen Analysenverfahren der Wahl, nicht nur für diese Aufgabenstellung. REMPI hat beispielsweise auch zur Entdeckung der Fullerene beigetragen und macht Beobachtungen im Femtosekundenbereich (10-15 Sekunden) möglich.

Die analytica Conference 2012 vom 17. bis 19. April in München stellt in ihrer umfangreichsten, von Professor Dr. Ralf Zimmermann (Universität Rostock und Helmholtz Zentrum München) zusammengestellten und geleiteten Session "Light and Molecular Ions - Photo Ionisation in Mass Spectrometry" das Prinzip und Anwendungen von REMPI und SPI vor. Dabei erreicht die besonders gut für aromatische Moleküle einsetzbare REMPI-Methode sehr hohe Nachweisstärken für ausgewählte Zielverbindungen, während mit SPI ein umfassender "Fingerabdruck" komplexer Mischungen erhalten werden kann.

Am Lehrstuhl für Analytische Chemie der Universität Rostock befasst sich Dr. Thorsten Streibel mit der massenspektrometrischen Echtzeitdetektion organischer Spurenkomponenten in Pyrolyse- und Verbrennungsgasen. In München berichtet er u.a., dass die REMPI- und SPI-Massenspektrometrie sehr gut für das On-line-Monitoring der bei der Verbrennung oder Pyrolyse von Holz und Kohle entstehenden Gase oder der Autoabgase geeignet ist. Sehr schnell lassen sich die Veränderungen in der Zusammensetzung der Gase bei Änderung der Verbrennungsbedingungen verfolgen. So können beispielsweise nützliche Erkenntnisse für den Betrieb von Heizkesseln gewonnen werden. Die REMPI- und SPI-Massenspektrometrie-Methoden eignen sich ferner für die Echtzeitanalyse von Zigarettenrauch und lassen sich beim Rösten von Kaffee oder Kakao ebenso einsetzen wie bei der Bestimmung der organischen Komponenten von Feinstaub, nachdem man diese aus den Partikeln thermisch oder mit Hilfe von Lasern freigesetzt hat. Durch Kopplung von REMPI- und SPI-MS an andere analytische Geräte, wie Gaschromatographen oder Geräte für die Thermische Analyse, lässt sich weiterhin eine hochspezifische Analytik für spezielle Anwendungen und Fragestellungen entwickeln.

Etwa zehn Jahre nach der Erfindung des wellenlängenabstimmbaren Lasers begann Ende der 1970er Jahre die Entwicklung von REMPI, an der Professor Dr. Ulrich Boesl-von Grafenstein, Institut für Physikalische Chemie der Technischen Universität München, von Anfang an beteiligt war. Auf der analytica Conference erläutert er, wie REMPI die Molekülspektroskopie revolutionierte. Unter anderem verhalf die REMPI-Methode den Wissenschaftlern Richard E. Smalley (Entdeckung der Fullerene) und Ahmed H. Zewail (Entwicklung der Femtochemie) zum Nobelpreis in den Jahren 1996 bzw. 1999. REMPI ist letztlich eine Weiterentwicklung der UV-Spektroskopie, einer einfachen und bewährten Methode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Substanzen. Statt einer einfachen Lichtquelle nutzt REMPI Laser, die wellenlängenveränderlich sind und einen so hohen Lichtquantenfluss anbieten, dass Absorption mehrerer Photonen bis über die molekulare Ionisationsschwelle möglich wird. So gelingt es, selektiv aus einem Gemisch Ionenströme der zu untersuchenden Substanzen zu erzeugen. In Massenspektrometern wird deren Flugzeit bestimmt, was zur Erkennung oder zur zusätzlichen Selektion des jeweiligen Moleküls dient. Das alles geschieht mehr als blitzschnell, was auch notwendig ist, will man beispielsweise etwas über die Entstehung und Veränderung von Verbrennungsgasen in Motoren erfahren. Boesl arbeitet daher auch mit der Autoindustrie zusammen, die verbrauchsarme Motoren entwickelt und deren Schadstoffemissionen minimieren möchte.

Die Anwendungen von REMPI in der Analytik sind sehr vielfältig. So gilt es, Polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die als gesundheitsschädlich gelten, nicht nur im Zigarettenrauch aufzuspüren. Eine weitere interessante Stoffkandidatengruppe für REMPI-MS sind in letzter Zeit größere Biomoleküle und spiegelbildliche Moleküle mit unterschiedlicher Wirkung (z.B. wichtig im Arzneimittelbereich) geworden.

Die SPI-MS-Technik kann sowohl mit Lasern als auch mit speziellen Lampen betrieben werden, die sogenanntes VUV-Licht erzeugen (UV-Strahlung, die von Luft absorbiert wird und somit eines Vakuums bedarf, um sich auszubreiten). Diese relativ einfache Lampentechnik erlaubt nun auch den Aufbau von kompakten SPI-Massenspektrometer- Systemen, die gut für kommerzielle Anwendungen im Labor oder im Feld geeignet sind. Dr. Andreas Walte, Geschäftsführer der Photonion GmbH, die als Ausgründung des Helmholtz Zentrum München und der Universität Rostock SPI-MS- und REMPI-MS-Systeme entwickelt, baut und vertreibt, stellt auf der analytica Conference die Grundlagen der SPI-MS-Technik sowie eine Vielzahl von Anwendungen zur quantitativen Bestimmung von Spurenstoffen in Echtzeit vor.

Drei wissenschaftliche Gesellschaften, die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), die Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie (GBM) und die Deutsche Vereinte Gesellschaft für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin (DGKL), zeichnen für das Programm der analytica Conference verantwortlich, die wie in den vergangenen Jahren als bedeutendster Analytiker-Kongress Europas die analytica, die Internationale Leitmesse für Labortechnik, Analytik und Biotechnologie, begleitet. Die Messe München, die die analytica ausrichtet, rechnet zwischen dem 17. und 20. April (die Messe dauert einen Tag länger als die Conference) mit über 1.000 internationalen Ausstellern und etwa 30.000 Besuchern.

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh)




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