Festphasenmikroextraktion

Festphasenmikroextraktion (englisch solid phase microextraction, SPME) ist eine Methode der Probenahme welche sich in weiten Berei­chen der chemischen Analytik als vorteilhaft gegenüber klassischen Methoden wie z. B. “Purge and Trap” oder SPE (Solid Phase Extraction, Festphasenextraktion) erwiesen hat. Sie wurde von Janusz Pawliszyn seit 1990 entwickelt.

Weltweit der alleinige Lizenznehmer für Festphasenmikroextraktion-Technologie ist Supelco® (U.S. Patent 5,691,206; Europäisches Patent EP523092).

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Aufbau eines Probenehmers

Eine schematisierte Abbildung (unten, nicht maßstäblich) gibt den Aufbau eines SPME-Probenehmers wieder.

Der Probenehmer besteht im wesentlichen aus vier Teilen:

-Einer Führung für einen Kolben. Die Führung besitzt einen Bajonett-Verschluss um den Kolben im niedergedrückten Zustand arretieren zu können. Die zwei separaten Teile der Führung können gegeneinander mittels eines Gewindes verstellt werden, um so eine mehr oder weniger große Eindringtiefe der Schutzkanüle in ein Probegefäß zu ermögli­chen.

-Einem Kolben zum Ausfahren des Probenehmers. Am Ende des Kolbens befindet sich eine Feder, die den Kolben wieder zurückschiebt, wenn die Arretierung gelöst wird.

-Dem eigentlichen, an den Kolben angeschraubten Probenehmer. Er besteht aus einer Edelstahlnadel, an welcher eine Quarzfaser (“fused silica”) befestigt ist. Diese Quarzfaser ist mit einer dünnen Schicht Absorbens überzogen.

-Einer Schutzkanüle, durch die die Faser aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität geführt wird.

Probenahme

Zuerst wird mit der Schutzkanüle das Septum des Probegefäßes durchstochen. Dann wird durch Herabdrücken des Stempels die Faser ausgefahren. Sobald das Absorbens frei­liegt werden Moleküle des Analyten absorbiert. Dabei kommt es zu einer starken Anrei­cherung der Analyten relativ zur Probe. Dabei ist die absorbierte Menge in erster Näherung linear proportional zur Konzentration in der Probe. In der untenstehenden Abbildung ist die Absorp­tion aus der Gasphase (“Headspace Sampling”) dargestellt. Analog gelingt dies aber auch mit der Absorption aus flüssiger Phase (“Immersion Sampling”).

Nach Gleichgewichtseinstellung wird die Arretie­rung des Kolbens gelöst und die Faser in die Schutzkanüle zurückgezogen, wodurch die Absorption unterbrochen wird. Dann wird der Probe­nehmer entfernt. Die absorbierte Menge verändert sich im eingefahrenen Zustand selbst im Lauf von Stunden kaum, was den einfachen Transport von Proben in ein Labor ermöglicht. Anschließend erfolgt die eigentliche Analyse. Dazu wird der Probenehmer durch das Sep­tum in den Injektor eines Gaschromatographen geschoben. Dann wird die Faser ausge­fahren. Aufgrund der hohen Temperatur im Injektor kommt es dann zur Desorption der Analyten. Anschließend wird die Faser wieder eingefahren und der Probenehmer entfernt. Die Desorption kann alternativ durch Extraktion in einem modifizierten Injektorport eines HPLC-Gerätes erfolgen.

Analogie zur Natur

In der Natur arbeitet der Geruchssinn der Schlangen ganz ähnlich: Die Zunge schnellt aus dem Maul, Geruchsstoffe werden von der feuchten Oberfläche adsor­biert, die Zunge wird ins Maul zurückgezogen, die Geruchsstoffe werden an das Jacobson'sche Organ transferiert und erst dort analysiert.

Wiederverwendbarkeit

Bei sorgfältiger Behandlung kann eine Faser ohne Probleme für wenigstens 50 Analysen verwendet werden. Dies setzt voraus, daß die Faser nicht mechanisch (über-)belastet wird, sie re­gelmäßig durch Ausheizen im Injektor eines Gaschro­matographen gereinigt wird und sie nicht mit aggressiven chemischen Lösemit­teln, welche das Adsorbens auflösen würden, in Kontakt kommt.

Probenahmebedingungen

Die Optimierung der Probenahmebedingungen erfordert die Variation verschiedener Parameter. Immer gilt der allgemeine Grundsatz, dass gute Ergebnisse nur durch sorgfältige Einhaltung guter Methoden erreicht werden.

Absorbens

Kommerziell sind fünf Absorbentien (in abnehmender Polarität: Polyacrylat, Carbowax, Polydivinylbenzen, Carboxen und PDMS, Polydimethylsiloxan ) in mehreren Kombinationen und Schicht­dicken für verschiedene Einsatzgebiete verfügbar. Die Faustregel ist, daß polare Analyte mit polaren Absorbentien und apolare Analyte mit apolaren Absorbentien analysiert werden sollten. Für hochmolekulare Analyten werden geringere Schichtdicken empfohlen.

Absorptionsdauer

Die Zeit-Absorbat-Kurve ist nicht linear, sondern asymptotisch. Für re­produzierbare Messergebnisse sollte nahe der Gleichgewichtseinstellung gearbeitet wer­den. Wenn verschiedene Analyte in stark wechselnden oder sehr hohen Konzentrationen auftreten, kann es zu Verdrängungser­scheinungen auf der Faser kommen. Unter diesen Umständen kann auch im Prä-Äquilibrium gearbeitet werden, man muss dann aber unbedingt auf exakte Zeitkontrolle achten. Bei der Spurenanalytik benötigt man in der Regel längere Absorptionszeiten.

Absorptionsbedingungen

Für die Headspace-Analyse von schwerflüchtigen Verbindungen aus festen oder halbfesten Proben wird in der Regel das Probegefäß in einem temperierbaren Heizblock erwärmt. Temperaturangaben in der Literatur variieren von 40-65°C. Bei der SPME-Analyse von Flüssigkeitsproben kann die Extraktion durch Einstellung eines geeigneten pH-Wertes sowie durch Sättigung mit Kochsalz verbessert werden. Unbedingt erforderlich ist intensives Rühren der Probe (250 U/min) um die gegenüber der Gasphase niedrigeren Diffusionskoeffizienten auszugleichen. Die Rührgeschwindigkeit muss gleichfalls konstant gehalten werden. Dies gilt sowohl für Messung per Headspace als auch per Immersion.

Desorptionsbedingungen

Die Desorption geschieht in der Regel im Injektor eines Gaschromatographen bei Temperaturen zwischen 200 und 280°C. Dabei sind fünf Minuten in der Regel ausreichend. Eine Überprüfung kann erfolgen indem man unter ansonsten konstanten Absorptionsbedingungen die Desorption verlängert und die Integrale von Analytpeaks gegen die Desorptionsdauer aufträgt. Erhält man eine Parallele zur X-Achse ist die Desorption vollständig. Für Desorption im Injektorport einer HPLC-Anlage ist analog vorzugehen.

Vorteile

Obwohl man nach dem Obenstehenden anders denken könnte, wird der Zeitaufwand für die Optimierung der Probenahmebedingungen durch die drastische Verkürzung des Zeitaufwandes für die Probenahme mehr als aufgewogen. Außerdem ist eine Automatisierung möglich. Insgesamt wird dadurch für Routineanalysen eine erhebliche Zeitersparnis (>70% pro Probe) erreicht.

Der komplette Verzicht auf organische Lösemittel bedeutet einen erheblichen ökologischen wie ökonomischen Vorteil da keine anschließende Entsorgung der Lösemittel nötig wird. Dazu wird die Gefahr der Querkontamination durch Lösemittel beseitigt.

Der Verzicht auf aufwendige Probevorbereitung bedeutet, dass Proben weniger verändert werden. Dies ist besonders bei empfindlichen Analyten von Bedeutung. SPME kann sowohl für gasförmige, flüssige und feste Analyten aus ebensolchen Matrices verwendet werden. In der Breite gilt dies weder für „Purge and Trap“ oder Flüssig-Flüssig-Extraktion noch für SPE.

Nachteile

Aufgrund der geringen Mengen, die von der Faser absorbiert werden, eignet sich diese Methode, anders als z. B. die SPE, nicht zur Isolierung der Analyten.

Einsatzgebiete

• Umweltanalytik (z. B. Bestimmung von Herbiziden im Trinkwasser)
• Lebensmittelanalytik (z. B. Bestimmung von durch Licht erzeugten Abbauprodukten in Milch)
• Aromaanalytik (z. B. Bestimmung der Geruchsstoffe in Blütenduft. In einem speziellen Fall buchstäblich Erfassung des Duftes einer einzelnen Blüte an Bord des Spaceshuttle)
• Forensik (z. B. Bestimmung von Amphetaminen in Urin)

Literatur

• Solid Phase MicroExtraction with Thermal Desorption, Arthur, C., Pawliszyn, J., J.Anal. Chem. 62, 2145, 1990.
• J. Pawliszyn, Solid Phase Microextraction - Theory and Practice, Wiley-VCH, New York, Weinheim, 1997.