Kohlenwasserstoff-Differenzierung via GCxGC-MS/FID
In der klassischen, eindimensionalen Analytik von Kohlenwasserstoffen mittels online gekoppelter HPLC-GC-FID findet die Trennung der Substanzen vorrangig gemäß ihrer Flüchtigkeit statt. Die Auflösung ist dabei jedoch beschränkt, sodass komplexe Substanzgemische als "Hügel" im Chromatogramm erscheinen. Eine weiterführende Differenzierung bei Vorliegen einer Mischkontamination aus verschiedenen Quellen (z.B. Mineralöl-basierendes Schmiermittel, Oligomere aus Polyolefin-Verpackung und Harz-Oligomere aus Klebstoffen) oder bei Vorhandensein biogener Störsubstanzen (z.B. Terpene) ist mit der klassischen, eindimensionalen Analytik in der Regel nicht oder nur unzureichend zu realisieren.
Die zweidimensionale Gaschromatographie (GCxGC) stellt die state-of-the-art Technik zur Auftrennung komplexer Substanzgemische durch die Implementierung einer zweiten Trennsäule dar [1]. In der ersten Dimension (x-Achse) erfolgt die gewohnte GC-Trennung infolge der unterschiedlichen Flüchtigkeit der Substanzen (von leichtflüchtig nach schwerflüchtig). In der zweiten Dimension (y-Achse) erfolgt die Trennung gemäß Polarität (von wenig polar nach stärker polar). Ergebnis der Analytik ist eine chromatographische Ebene (Plot), in welcher Substanzen nicht als klassische Peaks, sondern als dreidimensionale Blobs dargestellt werden, deren Konzentration mittels Farbcodierung visualisiert wird (von hellblau nach rot).
Verschiedene Kohlenwasserstoff-Typen clustern aufgrund ihrer spezifischen Zusammensetzungen in unterschiedlichen Regionen des GCxGC-Plots. Damit kann die GCxGC-Analytik wertvolle Informationen über die Herkunft einer ermittelten Kohlenwasserstoff-Kontamination liefern oder zur Charakterisierung von entsprechenden Produkten beitragen. Unter anderem können zuverlässig unterschieden werden:
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MOSH Subgruppen: n-Alkane, iso-Alkane, Cycloalkane, Hopane, Sterane
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MOAH Subgruppen: Alkylierte Mono-, Di-, Tri- und Poly-Aromaten (3-7-Kern MOAH) [2]
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Oligomere aus Polyolefinen: POSH (POSHoc, POSHcy), POMH, POHox
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Oligomere aus Poly-alpha-Olefinen: PAO
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Oligomere aus Kleberharzen (ROSH, ROAH)
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Biogene Terpene, Squalene, Carotine
Die Detektion erfolgt wahlweise mittels Flammenionisations-Detektor (FID) zur Quantifizierung anhand Interner Standards oder mittels time-of-flight Massenspektrometer (TOF-MS) zur Identifizierung und Absicherung der Befunde.
Die GCxGC-Analytik stellt eine komplexe chromatographische Charakterisierung von Substanzgemischen dar. Daher erläutern wir in unseren Analyseberichten detailliert unsere Ergebnisse, stellen Ihnen die Plots zur Verfügung und stehen selbstverständlich auch für weiterführende Erklärungen zur Verfügung.
Zweidimensionale Gaschromatographie (GCxGC)
Mittels GCxGC können komplexe Kohlenwasserstoff-Gemische chromatographisch noch spezifischer aufgetrennt werden. Wir verwenden für unsere Analytik das sogenannte Reversed-Setup. Gesättigte Kohlenwasserstoffe eluieren dabei in der oberen Hälfte der Plot-Ebene und aromatische Kohlenwasserstoffe in der Unteren. Um eine Überschneidung der Regionen zu vermeiden, analysieren wir üblicherweise die Einzelfraktionen (MOSH-Fraktion/MOAH-Fraktion) nach klassischer HPLC-Vortrennung.
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: MOSH
Gesättigte Kohlenwasserstoffe mit Mineralöl-Ursprung (mineral oil saturated hydrocarbons, MOSH) bestehen überwiegend aus unverzweigten und verzweigten Alkanen sowie Cycloalkanen (Naphthene) und bilden entsprechende Wolkenformationen im GCxGC-Plot aus. Typische Markersubstanzen (insbesondere Pristane, Phytane, Stearane und Hopane) bestätigen darüber hinaus den Mineralöl-Ursprung und ermöglichen so die Differenzierung zwischen MOSH und biogenen oder synthetischen gesättigten Kohlenwasserstoffen wie PAO, POSH oder ROSH.
Aromatische Kohlenwasserstoffe: MOAH
Aufgrund ihrer potentiell humantoxikologischen Bedenklichkeit [3] ist die analytische Bestätigung und Unterscheidung von aromatischen Mineralöl-Kohlenwasserstoffen (mineral oil aromatic hydrocarbons, MOAH) hinsichtlich der Anzahl ihrer aromtischen Ringe von besonderer Notwendigkeit. Insbesondere die Bestimmung von MOAH mit drei und mehr aromatischen Ringen (Tri- und Polyaromaten) steht aufgrund ihrer potentiell DNA-schädigenden und mit Krebs assoziierten Wirkung im Fokus [3]. Mittels GCxGC-Analyse lassen sich aromatische Kohlenwasserstoffe zuverlässig hinsichtlich ihrer Ringanzahl auftrennen [2]. Neben den überwiegend alkylierten MOAH können zudem nicht-alkylierte Poly-Aromaten, bekannt als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK bzw. PAH) parallel erfasst werden.
Biogene und synthetische Kohlenwasserstoffe
Aufgrund ihrer charakteristischen Zusammensetzung bilden Kohlenwasserstoffe, welche keinen Mineralöl-Ursprung besitzen (kein MOSH/MOAH), typische Cluster und Muster-Formationen im GCxGC-Plot aus, welche eine Unterscheidung von MOSH oder MOAH und eine getrennte Bestimmung ermöglichen.
Wir besitzen langjährigen Erfahrung in der Interpretation von GCxGC-Analysen und konnten eine umfangreiche Datenbank für biogene und synthetische Kohlenwasserstoff-Produkte aufbauen, um eine zuverlässige Charakterisierung Ihrer Proben zu gewährleisten.
Literatur
[1] K. Grob, M. Biedermann (2015)
Comprehensive two-dimensional gas chromatography for characterizing mineral oils in foods and distinguishing them from synthetic hydrocarbons. J. Chromatogr. A 1375 (2015) 146–153
[3] EFSA Panel on Contaminants in the Food Chain (CONTAM) (2023)
Update of the risk assessment of mineral oil hydrocarbons in food. EFSA Journal 2023;21(9):8215.
DOI: 10.2903/j.efsa.2023.8215
[2] M. Biedermann, A. Eicher, T. Altherr, G. McCombie (2022)
Quantification of mineral oil aromatic hydrocarbons by number of aromatic rings via comprehensive two-dimensional gas chromatography: First results in food. J. Chromatogr. Open 100072