von Isotopenverhältnissen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isotopenverhältnisses von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in einer eine Probe enthaltenden wässrigen mobile Phase, umfassend die folgenden Schritte (i) Einbringen der wässrigen mobilen Phase in einen Reaktor, (ii) Erhitzen der wässrigen Lösung unter Zugabe von Sauerstoff in den Reaktor auf eine Tempe ratur oberhalb von 600 °C zur Bildung eines wasserenthaltenden Probegases, (iii) Reduktion der im Probengas enthaltenden Stickoxide sowie Entfernung des Sauerstoffs, (iv) Wasserentfernung aus dem Probengas durch chemische Trocknung und/oder Membrangastrocknung und (v) Einbringung des getrockne ten Probengases in ein Isotopenmassenspektrometer.

Die Isotope eines Elementes unterscheiden sich durch ihre Neutronen- und Massenzahl. Unter dem Isotopenverhältnis oder der sogenannten Isotopensig- natur eines chemischen Elementes versteht man dabei die relative Häufigkeit der Isotope dieses Elementes. Beispielsweise ist über die Bestimmung der Verhältnisse der stabilen Isotope von Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff die Herkunft von pflanzlichen und tierischen Produkten ermittelbar.

Zur Durchführung der Isotopenverhältnisanalyse werden hochpräzise Massen spektrometer verwendet. Diesen müssen gasförmige Substanzen zugeführt werden. Hier sind zum einen Bulk-Analysen zur Bestimmung des Isotopenver hältnisses in der gesamten Probe möglich. In dem Artikel "A novel tool for stable nitrogen isotope analysis in aqueous samples" von E. Federherr et al. , in Rapid Communication in Mass Spectrometry, 2016, 30, Seite 2537-2544 findet sich ein Beispiel für dieses Verfahren. Um jede einzelne Substanz individuell charakteri sieren zu können, gibt es zum anderen die Möglichkeit, jede Substanz separat zu vermessen. Dazu können die einzelnen Bestandteile von Flüssigkeiten über Trennsäulen mittels Flüssigkeitschromatografie (LC) zeitlich aufgetrennt wer den. Kontinuierlich wird das LC Eluat nach Einbringen in einen Reaktor bei einer Temperatur oberhalb von 600 °C durch Verbrennung zu Gas umgesetzt.

Die enthaltenen Kohlenstoff- sowie Stickstoffverbindungen setzen sich so eben falls zu Gasen um und können nach einer Gasaufbereitung mit einem Isotopen- verhältnismassenspektrometer detektiert werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise im Artikel "A novel high temperature combustion interface for compound-specific stable isotope analsysis of carbon and nitrogen via high- performance liquid chromatography/isotope ratio mass spectrometry" von E. Federherr et al. , in Rapid Communication in Mass Spectrometry, 2016, 30, Seite 944 bis 952 beschrieben.

Bei Elementaranalysatoren wird häufig der MFC direkt vor den Detektor verlegt, wodurch der Fluss in den Detektor möglichst konstant gehalten werden soll. Bei dieser Anordnung ergibt sich der Nachteil, dass der Massenflussregler aufgrund von in dem Probengas enthaltenem Wasser im Falle einer unvollständigen Wasserabscheidung oder einer Fehlfunktion, z.B. einem Überlauf des Konden sators, geschädigt werden kann. Außerdem kann beim Aufschalten der mobilen Phase oder durch eine ungleichmäßige Probenzufuhr durch die schlagartige Druckerhöhung eine Kondensation in den Zuleitungen des Systems stattfinden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn aufgrund der Nachweisempfindlichkeit auf Puffervolumen im System verzichtet wird und der Trägergasfluss reduziert wird.

In Artikel "A novel high temperature combustion interface for compound-specific stable isotope analsysis of carbon and nitrogen via high-performance liquid chromatography/isotope ratio mass spectrometry" von E. Federherr et al., in Rapid Communication in Mass Spectrometry, 2016, 30, Seite 944 bis 952 wurden die beiden Massenflussregler vor der Probenaufgabe positioniert. Bei dieser Anordnung ist durch die fehlende Flussstabilisierung am Ende eine besonders gleichmäßige Probenzufuhr unerlässlich. Hierfür wird die Probe mittels einer Kapillare eingebracht, die einen Strahl produzieren soll. Dies funk tioniert jedoch nur bei genügend hohen Flussraten der mobilen Phase, da es sonst zur Tropfenbildung kommt. Diese Flussraten liegen für manche Applikati onen jedoch oberhalb der für die chromatographische Trennung optimalen Flussrate. Ein dünnerer Innendurchmesser der Kapillare würde eine Absenkung des Flusses der mobilen Phase erlauben, aber zu einem zu hohen Rückdruck führen, der die Packung mancher Trennsäulen schädigen kann.

Des Weiteren ergibt sich aus dem beschriebenen Aufbau, dass der Kondensator diskontinuierlich nach jeder abgeschlossenen Messung entleert wird, indem ein Ventil, welches nach dem Kondensator angeordnet ist, geöffnet und der Sys temdruck samt dem kondensierten Wasser abgelassen wird. Nach jeder Mes sung muss der Druck neu aufgebaut werden, wodurch die mögliche Messfre quenz sinkt. Der Kondensator muss ein genügend großes Volumen haben, um eine ausreichend große Wassermenge aufnehmen zu können und bringt durch das große Totvolumen eine Peakverbreiterung bei kontinuierlichem Messbetrieb ohne Fokussierung mit sich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Isotopenverhältnisse von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in einer wässrigen Lösung zuverlässig bestimmt werden kann, und gleichzeitig eine Beeinträchtigung der Anlage, insbesondere ihres Massenflussreglers, und gleichzeitig auch eine Beeinträchtigung der Messung durch Wasser zuverlässig vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein solches Verfahren umfasst prinzipiell die Schritte:

(i) Einbringung der Probe in einer wässrigen mobilen Phase in einen Reaktor,

(ii) Erhitzen der wässrigen Lösung unter Zugabe von Sauerstoff in dem Reaktor auf eine Temperatur oberhalb von 600 °C, vorzugsweise oberhalb von 800 °C, besonders bevorzugt auf einen Temperaturbereich zwischen 880 und 1150 °C zur Bildung eines wasserenthaltenden Probengases,

(iii) Reduktion der im Probengas befindlichen Stickoxide sowie Entfernung des enthaltenden Sauerstoffes,

(iv) Wasserentfernung aus dem Probengas durch chemische Trocknung und/oder Membrangastrocknung

(v) Einbringung des getrockneten Probegases in ein Isotopenmassenspektrome- ter. Entscheidend an diesem Verfahren ist, dass die Einbringung der wässrigen Lösung in den Schritt (i) dadurch erfolgt, dass die wässrige Lösung mit Wasser als mobile Phase über eine Kapillare in den Reaktor geführt wird. Innerhalb dieser Kapillare wird ein Gasgemisch aus Sauerstoff und wenigstens ein Inert gas derart zugeführt, dass die wässrige Lösung zerstäubt wird. Aufgrund dieser Zerstäubung bzw. Einbringung in sehr kleinen Tropfen kann so sichergestellt werden, dass die Probenlösungen auch bei niedrigen Flussrate der mobilen Phase tatsächlich sehr gleichmäßig in den Reaktor eintreten und so Druckpulse vermieden werden. Diese geänderte Anordnung ermöglicht in der Zusammenschau auch, dass durch die gleichmäßigere Aufgabe die Massenflussregler für Inertgas und/oder Sauerstoff bereits vor der Einbringung in den Reaktor angeordnet sind und so vor Schäden durch Wasser in nachgeschalteten Prozessstufen geschützt wird. Eine Verlegung der/des Massenflussregler(s) bringt zusätzlich den Vorteil, dass eine ungewollte Kondensation in Zuleitungen und Instabilitäten der Basislinie des Massenspektrometers verhindert werden kann. Sauerstoff und Inertgas wirken jetzt vergleichbar zu einem Zerstäubungsgas.

Um zuverlässig Wasser vollständig zu entfernen, hat es sich als günstig heraus gestellt, wenn nach der Trocknung gemäß Schritt (iv) entferntes Wasser aktiv abgepumpt wird. Dadurch wird ein Ansteigen eines Flüssigkeitsspiegels vermie den.

Besonders bevorzugt ist diese Ausgestaltung dann, wenn Schritt (iv) einen Kondensator und/oder einen Kondensator sowie eine nachgeschaltete Memb rangastrocknung umfasst. Insbesondere bei einem Kondensator kommt es zum Vorliegen eines Flüssigkeitsspiegels, welcher dann abgepumpt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass dieser Kondensator eine Messvorrichtung aufweist, welche das Flüssigkeitsniveau innerhalb des Kondensators bestimmt. In der bevorzugtesten Variante wird darüber der Ab pumpvorgang gesteuert oder geregelt. Flierdurch wird verhindert, dass ein Teil des Probengases aus der Vorrichtung durch eine zu hohe Abpumpgeschwindig keit entfernt wird, was zu einer Absenkung des Trägergasflusses und bei gerin gen Flüssen zu einer Peakverbreiterung und einem damit verbunden Verlust an Nachweisempfindlichkeit führen würde. Auf der anderen Seite wird jedoch zu verlässig jede Form von flüssigem Wasser kontinuierlich aus dem System abge führt. Zusammenfassend wird durch dieses aktive Abpumpen die Betriebssicherheit erhöht. Vorzugsweise erfolgt das Abpumpen des Kondensors in Kombination mit einem Wasserstandsensor, welcher ein schnelles Ablassen bei ungeplanter übermäßiger Füllung über ein Ablassventil auslöst. Alternativ könnte der Was serstandsensor auch die Pumprate erhöhen.

Weiterhin hat es sich als günstig herausgestellt, dass für die Membrangastrock nung ein perfluoriertes Copolymer verwendet wird, welches vorzugsweise als ionische Gruppe einer Sulfogruppe enthält. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang Nafion®. Dadurch kommt es zu einer vollständigen Trocknung.

Alternativ oder ergänzend ist es zudem auch begünstigt, dass als Inertgas Heli um verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass es bei einer nachgeschalteten Massenspektrometrie zu keiner Veränderung der Ergebnisse führt.

Im Zusammenhang mit der Zugabe von Sauerstoff und/oder Inertgas in den Zerstäuber kann bereits an dieser Stelle der Gesamtmassenfluss im System mittels des Massenflussreglers gesteuert werden, wobei entweder ein Massen- flussregler für den Gesamtstrom aus Sauerstoff und/oder Inertgas oder aber zwei getrennte Massenflussregler für Sauerstoff und Inertgas vorgesehen sein können. Durch diese Positionierung wird auch verhindert, dass eventuell vor handenes flüssiges Wasser sich dort sammelt und den Massenflussregler zer stört.

Die Erfindung umfasst weiterhin auch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bis 8 ausgelegt. Dabei ist jede Ausgestaltung der Anlage denkbar, die eine beschriebene Variante des Verfahrens ermöglicht. Eine solche Vorrichtung zur Bestimmung des Isotopenverhältnisses und/oder Stickstoff in einer wässrigen Lösung umfasst einen Reaktor zum Erhitzen der wässrigen Lösung unter Zugabe von Sauerstoff auf eine Temperatur oberhalb von 600 °C, eine Einbringungsvorrichtung zur Einbringung der wässrigen Lö sung in den Reaktor, eine Reduktionsvorrichtung zur Reduktion von den in dem Probengas enthaltenen Kohlenstoff- und/oder Stickstoffverbindungen, wenigs tens eine Trocknungsvorrichtung zur Wasserentfernung und ein Isotopenmas- senspektrometer.

Erfindungswesentlich ist, dass die Einbringungsvorrichtung durch eine Kapillare und ein sie umgebendes Rohr gebildet wird. Durch die Kapillare wird die die Probe enthaltende mobile Phase und durch das Rohr wird ein Gasgemisch aus Sauerstoff und/oder wenigstens einem Inertgas eingebracht. Das Rohr erstreckt sich vorzugsweise über die Austrittsöffnung der Kapillare hinaus. Durch die Vermischung von Gasstrom und wässriger mobiler Phase wird letztere zer- stäubt. Durch diese Zerstäubung erfolgt die Einbringung im System wesentlich gleichmäßiger. Dies verhindert zum einen eine Aufweitung der Peaks in dem nachgeschalteten Massenspektrometer und zum anderen die Entstehung von Druckpulsen. Günstig ist zudem, dass es so über die Einbringungsvorrichtung im Strömungsverlauf zu einer Vorwärmung kommt, da sich die Einbringungsvor- richtung in die heiße Zone des Reaktors erstreckt.

Es hat sich zudem als bevorzugte Variante herausgestellt, wenn das Rohr und/oder die Kapillare wenigstens teilweise aus Platin gefertigt ist/sind, da so eine Oxidation des Einbringungsvorrichtungsmaterials praktisch vollständig unterbunden wird. Zudem wird über die Wärmeleitfähigkeit begünstigt, dass sich die einzubringende Probe schon in der Kapillare erwärmt.

In diesem Zusammenhang hat es sich als günstig herausgestellt, wenn sich durch eine zusätzliche, wenigstens teilweise Ummantelung ein das Rohr umge bender Spülbereich ausbildet, durch den im Betrieb ein mit dem Zerstäubergas gemisch identisches oder ein anderes Spülgas, welches bevorzugt ebenfalls aus Sauerstoff und/oder Inertgas zusammengesetzt ist, eingebracht wird. Dieser Spülbereich verhindert die Ausbildung eines Totvolumens.

Weiterhin hat es sich als günstig herausgestellt, wenn der Reaktor wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig mit Silberwolle gefüllt ist. Dadurch entsteht innerhalb des Reaktors ein homogeneres Temperaturprofil. Gleichzeitig bietet die Silberwolle eine deutlich vergrößerte Oberfläche für das sich dort teilweise niederschlagende Aerosol aus der Zerstäubung an, so dass hier ebenfalls die Umsetzung vollständiger erfolgen kann.

Ergänzend oder alternativ empfiehlt es sich zudem, dass dem Reaktor eine Flüssigkeitschromatografie, bevorzugt eine HPLC, vorgeschaltet ist, in der über deren wenigstens eine Säule eine zu untersuchende Probe in ihre einzelnen Bestandteile aufgetrennt werden kann.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erge ben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messvorrich tung und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Einbringungsvorrichtung im Detail.

Fig. 1 stellt damit die Verschaltung der verschiedenen Komponenten der Mess vorrichtung dar. Über Leitung 1 wird eine flüssige Probe, vorzugsweise aus einer HPLC, in einer wässrigen mobilen Phase auf ein 4-Wege-Ventil 2 gege ben. Dieses kann entweder durch eine Verschaltung die flüssige Probe über Leitungen 42 und 41 in einen Auffangbehälter 40 verwerfen oder aber über Leitung 3 die Probe auf eine hier nicht näher gezeigte Einbringungsvorrich tung 100 führen.

In dieser Einbringungsvorrichtung wird die Probe mit einem Inertgas, vorzugs weise Helium, welches über eine Leitung 1 1 , einen Massenflussregler 5, eine Leitung 6 geführt wird und/oder mit Sauerstoff, welcher vorzugsweise über eine Leitung 7, einem Massenflussregler 8 in Leitung 9 geführt wird, vermischt. Opti onal können Inertgas und Sauerstoff auch wenigstens teilweise über eine ge meinsame Leitung 11 eingebracht werden. In jedem Fall tritt die flüssige Probe aus Leitung 3 zerstäubt in einen Reaktor 10.

Aus Reaktor 10 wird über eine Leitung 12 die vollständig verdampfte, wasser enthaltende Probe in eine Reduktionsvorrichtung 20 überführt, in der die enthal tenen Komponenten, besonders die Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen, reduziert werden.

Über eine Leitung 21 wird das so behandelte Probengas zusammen mit dem Wasserdampf in den Kondensator 30 eingebracht. Dieser Kondensator 30 weist io

vorzugsweise einen Flüssigkeitsmesssensor 31 auf, der den Flüssigkeitspegel in dem Kondensator 30 steuert/regelt. Kondensiertes Wasser wird so gesteuert oder geregelt über die Leitungen 32 und 38 sowie eine Pumpe 33 abgepumpt. Über eine Bypassschaltung mit den Komponenten 34, 35, und 37 kann dieses Wasser ebenfalls in den Auffangbehälter 40 geführt werden, wodurch sicherge stellt ist, dass auch bei sehr hohen Wassermengen diese nicht im System ver bleiben.

Über eine Leitung 51 kann dann die Probe einer Trocknungsvorrichtung 50 zur vollständigen Trocknung zugeführt werden, welche besonders bevorzugt mit Nafion® abläuft. In diesem Fall wird über eine Leitung 54 ein Inertgas, ebenfalls vorzugsweise Helium, eingebracht und über eine Leitung 56 wieder ausgeleitet.

Über eine Leitung 61 gelangt schließlich das derart vorbereitete Probengas in eine Leitung 65 und von dort in ein Massenspektrometer 70. Es ist auch möglich die Probe über eine Leitung 66 zu verwerfen bzw. überflüssige/s Probenmen ge/Trägergas abzuführen.

Fig. 2 zeigt im Detail noch einmal die erfindungsgemäße Einbringungsvorrich tung 100. Die Einbringungsvorrichtung 100 weist eine erste Kapillare 106 auf, in welcher, vorzugsweise von oben, über Leitung 3 flüssige Probe in einer mobilen Phase eingebracht wird, deren Fluss günstiger Weise kontinuierlich erfolgt.

Diese Kapillare 106 ist mit einem Rohr 101 ummantelt. Günstiger Weise er streckt sich das Rohr 101 über die Länge der Kapillare 106 hinaus. Es ist denk bar, dass sich die Geometrie des Rohrs 106 im Bereich der Austrittsöffnung der Kapillare 106 in nicht dargestellter Weiser verändert.

Über eine Leitung 11 wird an einem beispielsweise orthogonal stehenden in das Rohr 101 mündenden Stutzen 102 Sauerstoff und/oder Inertgas zugemischt, so dass sich im weiteren Verlauf von Kapillare 106 und Rohr 101 im Bereich der Austrittsöffnung der Kapillare 106 die Probe zerstäubt.

Vorzugsweise liegt eine Ausgestaltung vor, bei der das Rohr 106 von einem Zylinder 105 ummantelt ist. So bildet sich ein Spülbereich 103 um das Rohr 101 aus. Der Spülbereich 103 ist mit einem zweiten, vorzugsweise orthogonal zur angeordneten, Stutzen 104 ausgestaltet, in den über Leitung 11 oder alternativ eine andere Quelle ebenfalls Sauerstoff und/oder Inertgas eingespeist wird.

Bezugszeichenliste

1 Leitung

2 4-Wege-Ventil

3 Leitung

5 Massenflussregler

6, 7 Leitung

8 Massenflussregler

9 Leitung

10 Reaktor

1 1 12 Leitung

20 Reduktionsvorrichtung 21 Leitung

30 Kondensator

31 Flüssigkeitspegelregler

32 Leitung

33 Pumpe

34, 35 Leitung

37 Ventil

38 Leitung

40 Auffangbehälter

41 , 42 Leitung

43 Stopfen

50 T rocknungsvorrichtung

51 Leitung

56 Leitung

57 Ventil

58, 61 Leitung

65,66 Leitung 70 Massenspektrometer

100 Einbringungsvorrichtung 101 Rohr

102 Stutzen

103 Spülbereich

104 Stutzen

105 Zylinder

106 Kapillare