Für den Materialwissenschaftler und Anwender im Labor interessante technische Details

Mit der Pyrolyse-GC/MS auf Datenfang

Für die Untersuchung wurde Eozän-Bernsteinproben (Anmerkung: Das Eozän bezeichnet ein Zeitintervall in der Erdgeschichte und begann vor etwa 56 Millionen Jahren und endete vor etwa 34 Millionen Jahren) aus dem Ameki-Formation in Nigeria verwendet, der vom Hunterian Museum der Universität Glasgow zur Verfügung gestellt wurde. Das Probenmaterial wurde zermahlen und in Portionen von je 200 μg für die Dauer von 20 Sekunden bei 480 °C pyrolysiert.

Für Pyrolyse-GC/MS verwendet wurde folgende Gerätekombination: Agilent GC 6890N mit GERSTEL-KaltAufgabeSystem (KAS), GERSTEL-ThermalDesorptionUnit (TDU), GERSTEL-MultiPurposeSampler (MPS) und Agilent MS 5795B Inert XL (Triple Axis). Die Pyrolyse an sich erfolgte unter Einsatz des GERSTEL-Pyro, eines speziellen Pyrolyse-Moduls, um das sich die GERSTEL-TDU im Handumdrehen und ohne größere Umbauten erweitern lässt.

Weitere technisch relevante Details: Die TDU wurde im Split-Modus betrieben, um überschüssiges Lösemittel zu entfernen. Das KaltAufgabeSystem (KAS) wurde auf eine Temperatur von 300 °C eingestellt und als Heißsplit-Interface verwendet. Der GC wurde im Split-Modus (1:20) betrieben und war mit einer ZB-5MS Quarzglas-Säule (30 m x 0,25 μm x 0,25 mm, Phenomenex) ausgestattet. Das Temperaturprogramm des GC-Ofens gestaltete sich wie folgt: 60 °C (2 min) – 6 °C/min – 300 °C (10 min). Helium wurde als Trägergas mit konstantem Fluss vom 1 mL/min verwendet. Das Massenspektrometer wurde im Electron Impact (EI)-Ionisierungsmodus betrieben, wobei die Ionisierungsenergie auf 70 eV eingestellt wurde und die Quell- und Quadrupoltemperaturen auf 230 °C bzw. 150°C gesetzt wurden. Vollscan-Massenspektren wurden über einen Massenbereich von 50 bis 650 Da aufgezeichnet. ChemStation-Software wurde zur Akquisition und Bearbeitung der Daten verwendet. Einzelne Verbindungen wurden durch Vergleich der Massenspektren mit MS-Bibliotheksdaten und Informationen aus der Literatur identifiziert.

Hunterian Museum

Schritt für Schritt Erkenntnisgewinn

Zunächst erfolgte die reine Pyrolyse des gemahlenen Bernsteins. Im Chromatogramm ließen sich eine Reihe von in der Literatur beschrieben Komponenten identifizieren, hier eine Reihe von Fett-säuren (FA), namentlich Norchrysanthemumsäure (FA I), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-octahydro-1,4a,6-trimethyl (FA II), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,5,6-Tetramethyl (FA III) und Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,5,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethyl-5-Methylen (FA V).

Um eine größere Informationstiefe zu erreichen, wurden die Bernsteinproben im Anschluss an die Pyrolyse-GC/MS unter Einsatz von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) in situ, sprich: während des 20 Sekunden dauernden Pyrolyseschritts derivatisiert (methyliert); dieser Prozess wird auch als Thermochemolyse bezeichnet. Hierbei wurden die Fettsäuren in ihre korrespon-dierenden Fettsäuremethylester (FAMES) umgewandelt: Norchrysanthemumsäuremethylester (FAME I), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethylmethylester (FAME II), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,5,6-Tetramethyl-Methylester (FAME III), Methyl-1,2,3,4-Tetrahydro-1,5,6-Trimethyl-1-Naphthalincarboxylat (FAME IV), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,5,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethyl-5-Methylenmethylester (FAME V) und Methyl-16,17-Dinorcallitrisat (FAME VI).

Den Unterschied zwischen der reinen Pyrolyse und dem Schritt der Thermochemolyse erklärt Dr. Eike Kleine-Benne wie folgt: „Im Pyrolyse-Chromatogramm sind die Peaks von FA (I), FA (II), FA (III) und FA (V) breit, sie zeigen teilweise ein Sägezahnform, einem typischen Phänomen für polare Verbindungen wie Fettsäuren, die auf einer nicht-polaren Säule getrennt werden. Im Gegensatz dazu eluieren die korrespondierenden methylierten Verbindungen FAME (I), FAME (II), FAME (III) und FAME (V) im Thermochemolyse-Chromatogramm als gut aufgelöste scharfe Peaks. FAME (IV) und FAME (VI) konnten nur im Thermochemolyse-Chromatogramm identifi-ziert werden. Es ist deutlich erkennbar, dass Pyrolyse mit TMAH detailliertere Informationen zur Probe erzielt.“