De OPTIC-5 Pyrolyzer. Dit is een speciale pyrolysemodule die zonder transferline kan worden aangesloten voor directe analyse van vaste en vloeibare monsters met GC-MS
Pyrolyse in combinatie met gaschromatografie-massaspectrometrie maakt het mogelijk om, met een minimum aan monstervoorbereiding, snel en betrouwbaar veel informatie te halen uit vaste en vloeibare monsters. De innovatie op dit vlak staat niet stil. De nieuwste pyrolysetechniek biedt een uitkomst voor onder meer forensisch en milieuonderzoek en heel geschikt voor het snelgroeiende veld van het microplasticsonderzoek.
De pyrolysetechniek blijft zich ontwikkelen en heeft als voordeel dat er vrijwel geen verlies is van monsterinformatie, wat bij veel monstervoorbereidingsmethoden wel het geval kan zijn. Daar komt bij dat de monsterprep minimaal is; dat spaart dus veel tijd.
Een van de innovaties op dit gebied is de OPTIC-5 Pyrolyzer. Dit is een speciale configuratie van de OPTIC-5-inlaat, ontworpen voor pyrolyse tot 1000 °C. Zes vragen aan Sjaak de Koning van GL Sciences hoe deze innovatieve pyrolysetechniek werkt, wat de voordelen zijn en wat de toepassingen zijn.
tk1 Hoe gebruik je deze pyrolyzer?
“Eerst plaats je een kleine hoeveelheid monster in een micro-kwartsbuisje – µ-vial – dat je in een ‘inlet liner’ zet. Als het toestel in gebruik was en is afgekoeld tot circa 40 °C, kun je de monsterbuis handmatig of automatisch via een CTC PAL3 autosampler in de inlaat plaatsen. De inlaat sluit en wordt daarna met draaggas gespoeld om alle zuurstof te verwijderen. Je wilt immers absoluut geen oxidatie tijdens de pyrolyse. Vervolgens wordt het monster razendsnel verhit. Dat gaat met 100 °C per seconde tot 1000 °C bereikt is. De vluchtige afbraakproducten worden dan direct overgebracht naar de capillaire kolom van de GC-MS.
“Echte pyrolyse vindt pas plaats boven 600 °C. Bij lagere temperaturen smelten polymeren slechts; pas bij hogere temperaturen vallen ze uiteen in analyseerbare fragmenten.”
“Je analyseert de bouwstenen van het oorspronkelijke materiaal”
Sjaak de Koning, GL Sciences
tk2 Waarom pyrolyse GC-MS?
“Een gaschromatograaf kan normaliter alleen (semi-)vluchtige verbindingen analyseren. Pyrolyse maakt vaste stoffen of stoffen met een hoogmoleculair gewicht als polymeren vluchtig door ze thermisch af te breken tot kleinere fragmenten, waardoor ze geschikt worden voor GC-MS-analyse. Je analyseert de bouwstenen van het oorspronkelijke materiaal. Dat levert je een karakteristieke ‘fingerprint’ per polymeertype. Zo kun je de samenstelling van je monsters identificeren.”
tk3 Pyrolyse vergt amper monstervoorbereiding?
“Zeker. Pyrolyse heeft als voordeel dat het volledige monster in één stap wordt geanalyseerd, met minimale voorbereiding. Denk aan trimmen om het passend te maken of wegen van enkele microgrammen.”
“Alternatieven zoals solventextractie, derivatisering of thermische desorptie vragen vaak meer monstervoorbewerking en er kan informatie over het monster verloren gaan. Vergeleken met andere voorbereidende GC-MS-technieken, waarbij het vaak nodig is om een sample-cleanup of iets dergelijks te doen, of extracten te maken, is er dus amper monstervoorbereiding nodig.”
“Ideaal voor onderzoek aan microplastics, omdat je monsters direct of als extract in de koude inlaat kunt worden injecteren”
Sjaak de Koning, GL Sciences
tk4 Wat zijn typische toepassingen van pyrolyse-GC-MS?
“Denk aan forensisch onderzoek, bijvoorbeeld de vergelijking van verf- of kunststofdeeltjes. Denk aan materiaalonderzoek, zoals de karakterisering van polymeren, coatings en lijmen. Denk aan milieuonderzoek voor de identificatie van typen of mengsels van microplastics in bodem en water. Ik zou willen stellen dat deze techniek ideaal is voor onderzoek aan microplastics, omdat monsters direct of als extract in de koude inlaat kunnen worden geïnjecteerd. Het oplosmiddel wordt ‘weggeblazen’ vóór verhitting, zodat enkel de pyrolyseproducten de GC-kolom bereiken.
tk5 Pyrolyse is geschikt voor vaste en vloeibare monsters?
“Inderdaad. Eerst de vloeibare monsters. De pyrolyse gebeurt dan direct via injectie in de inlaat, die razendsnel in temperatuur oploopt, waarbij de vluchtige componenten zonder transferlijn rechtstreeks in de GC-kolom terechtkomen. Er blijft niets hangen. Dit minimaliseert verliezen en maakt de opstelling compacter en stabieler.
Bij vaste monsters wordt het monster in de liner of micro-vial gezet en in de inlaat geplaatst. Er wordt met draaggas gespoeld om zuurstofresidu te elimineren. De liner fungeert hier als monsterhouder. Na analyse wordt enkel het microbuisje weggegooid; de liner zelf kan hergebruikt worden. Voor grote aantallen monsters kan het proces worden geautomatiseerd met de Liner Exchanger (LINEX) die inlaten automatisch opent, sluit en verwisselt. Dit bespaart tijd en maakt routinematige analyse van tientallen monsters per dag mogelijk.”
“Neem je de beperkingen in acht, dan is het een zeer praktische techniek die je snel, heel veel en betrouwbare informatie geeft”
Sjaak de Koning, GL Sciences
tk6 Wat zijn de beperkingen van Py-GC-MS?
“Zeker wanneer er wordt gewerkt met vaste stoffen is het heel moeilijk om steeds eenzelfde hoeveelheid materiaal te analyseren. Dit maakt kwantitatieve analyse soms lastig. Verder kan ook slechts zeer weinig vaste stof geanalyseerd worden, omdat anders het systeem overbeladen raakt en de resulterende chromatogrammen (pyrogrammen) niet bruikbaar zijn. Maar neem je deze beperkingen in acht, dan is het een zeer praktische techniek die je snel, heel veel en betrouwbare informatie geeft over de samenstelling van je monster.”
Pyrolyse-opties van de OPTIC-5
Single Shot GC-analyse
Het monster wordt in één stap verhit tot pyrolysetemperatuur.
Perfect voor een snelle screening van materialen.
Double Shot GC-analyse
Desorptie van vluchtige componenten (TD–GC–MS) onder lage temperatuur, wordt gevolgd door pyrolyse (Py–GC–MS).
Zorgt voor een scheiding tussen vluchtige en niet-vluchtige fracties.
Large Volume Injection (LVI) pyrolyse
Bedoeld voor grotere monstervolumes bij lage concentraties.
Geschikt voor milieuonderzoek met bijvoorbeeld lage concentraties microplastics.
Multistep (Multi Shot)
Dit biedt tot 9 opeenvolgende temperatuurstappen en is bedoeld voor complexe materialen met meerdere afbraakfasen.
Evolved Gas Analysis (EGA)
Hierbij wordt de temperatuur geleidelijk verhoogd van 40 naar 100 °C. Daarna gaat de inlaat rap naar 300 tot 1000 °C.
Deze modus maakt het mogelijk het uitgassen van materiaal nauwkeurig te volgen.
Thermal Desorption (TD)
Alleen vluchtige verbindingen worden vrijgemaakt, en de piektemperatuur wordt lager gehouden. Dit beperkt de desorptie tot de vluchtige stoffen.
Deze modus heeft een milde analyse zonder (volledige) afbraak van het monster als resultaat.
Reactive Pyrolysis (THM)
Deze vorm van pyrolyse maakt het mogelijk om vetzuren te onderzoeken bij biologische monsters, zoals bacteriën. Er wordt een derivatiseringsmiddel toegevoegd aan het monster om de scheiding te vereenvoudigen en methylesters te kunnen identificeren om zo de vetzuren te bepalen.
