Projekt 10662/01

Identifizierung und Wiedererkennung komplexer Geruchsemissionen auf der Grundlage eines mikroprozessorgesteuerten Gasphasen-Massenanalysatorsystems

ProjekttrÀger

Technische UniversitĂ€t MĂŒnchenInstitut fĂŒr Lebensmitteltechnologie und
Weihenstephaner Steig 23
85350 FreisingZielsetzung und Anlass des Vorhabens Untersuchung und Wiedererkennung von geruchsbelĂ€stigenden Emissionen mit Hilfe einer Anreicherungseinheit und eines GC/MS-Systems. Am Beispiel der Emissionen sollte ein Verfahren zur zweifelsfreien und reproduzierbaren Geruchsanalytik sowie zur Ermittlung der fĂŒr die GeruchsbelĂ€stigung verantwortlichen Substanzen entwickelt werden. Im Rahmen dieses Projektes sollte untersucht werden, in wieweit eine Methode auf massenspektrometrischer Basis gekoppelt mit einem entsprechenden Verfahren zur Mustererkennung fĂŒr die Zwecke der Geruchserkennung einsetzbar ist. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFĂŒr die Untersuchung und Wiedererkennung von Emissionen wurden Proben aus den Bereichen Massentierhaltung, KlĂ€rwerke und Verpackungsindustrie bearbeitet. WĂ€hrend die Proben aus den beiden ersten Bereichen mit Hilfe eines dafĂŒr geeigneten Anreicherungsschrittes (Adsorption und Zwischenfokussierung) bearbeitet wurden, konnten die Proben aus dem Bereich Verpackungsindustrie mittels direkter Thermodesorption mit Zwischenfokussierung mit einem GC/MS-System untersucht werden. Um zu ĂŒberprĂŒfen, ob die Erfassung massenspektrometrischer Daten in Kombination mit Verfahren der Mustererkennung geeignet sind zur Wiedererkennung und Diskriminierung von Emissionen, wurde ein neuartiges Sensor-Massenspektrometrie-System aufgebaut, bei dem komplexe gasförmige Stoffgemische in ein Massenspektrometer ĂŒberfĂŒhrt werden, ohne sie gaschromatographisch in ihre Bestandteile aufzutrennen. Die so erhaltenen Gesamtmassenspektren der zu untersuchenden Stoffgemische lassen sich anschließend mittels Hauptkomponentenanalyse auswerten. Um die fĂŒr den Geruchseindruck relevanten Substanzen zu bestimmen, wurde an dem Analysensystem eine Riechvorrichtung installiert, mit der es möglich ist, nach der chromatographischen Auftrennung in Einzelsubstanzen den Geruchseindruck der jeweiligen Verbindung zu bestimmen. Ergebnisse und Diskussion Im Rahmen dieses Projektes wurden zwei Systeme zur Anreicherung von leichtflĂŒchtigen Substanzen aus der Gasphase entwickelt und getestet: · Ein Gaschromatograph mit Anreicherungseinheit. Diese Kombination konnte aufgrund von gerĂ€tetechnischen sowie bautechnischen Problemen nicht zur Untersuchung und Identifikation von Ge-ruchsstoffen verwendet werden. · Ein automatischer Thermodesorber mit GC-MS-Sniffing-Kopplung. Bei disem besteht gleichzeitig die Möglichkeit zur Injektion eines unaufgetrennten Gemisches. Hiermit steht ein GerĂ€t zur VerfĂŒgung, mit dem sich Geruchsemissionen untersuchen lassen. Es konnte demonstriert werden, daß es mög-lich ist, komplexe Gasgemische ohne Auftrennung mittels massenspektrometrischer Daten (Selekti-on charakteristischer Fragmentionen) zu unterscheiden. Gleichzeitig besteht durch den zusĂ€tzlichen Einbau der Riechvorrichtung (Sniffing-Technik) die Möglichkeit, die Komponenten zu ermitteln, die wesentlich zum Geruch beitragen. Als MS-Sensor ließ sich dieses System jedoch nicht erfolgreich einsetzen, weil die sehr schmalen Signale fĂŒr die mathematische Auswertung weniger geeignet waren. Mit einer Kombination von Headspace-Probengeber und Massenspektrometer ließ sich dagegen ein funktionierender MS-Sensor konstruieren. FĂŒr dieses System wurde auch die Software (Konvertierung- und Auswertungsprogramm) entwickelt. Die Grundlage der Auswertung bilden die Mittelwerte der ge-messenen IntensitĂ€ten, die ĂŒber einen bestimmten Zeitraum nahezu konstant blieben. Prinzipiell ist es mit dieser Kombination möglich, komplexe Stoffgemische zu unterscheiden. Beispielsweise konnte das Meßsystem erfolgreich zur Charakterisierung von Kunststoffen sowie zur QualitĂ€tsbestimmung von Produkten aus dem Lebensmittelbereich eingesetzt werden. Diese Kombination ist aber nicht nur auf die Anreicherung und Bestimmung von Gas- bzw. Luftproben festgelegt. Man kann auch Feststoffe direkt in die Röhrchen fĂŒllen und untersuchen (direkte Thermodesorption). Somit lassen sich auch bei festen Stoffgemischen mit Hilfe der Riechvorrichtung die anhaftenden geruchsaktiven Substanzen bestimmen. Das Verfahren ermöglicht eine breite Anwendung im Bereich der Kunststoff- und Verpackungsindustrie sowie die Geruchsbewertung von Produkten, die aus Recyclingprozessen stammen. Allerdings ist das Potential, welches das GC-Thermodesorptions-System bietet, noch nicht voll ausgeschöpft. Zur Optimierung kĂ€men folgende Möglichkeiten in Frage: 1. Eine Modifizierung des GC-Thermodesorptions-Systems in Hinblick auf die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase. Eine Verlangsamung des TrĂ€gergasflusses bei der Direktinjektion mĂŒsste zur Verbreiterung der chromatographischen Banden fĂŒhren, so daß ein annĂ€hernd rechteckiges Messsignal entstehen wĂŒrde. Dieses könnte mit der vorhandenen Konvertierungssoftware besser verarbeitet werden. Eine noch attraktivere Alternative wĂ€re der Einsatz eines TOF-Massenspektrometers, welches aufgrund der höheren Scanraten eine vollstĂ€ndige Registrierung des pulsförmigen Strömungsprofils ermöglicht, so dass eine höhere Messgenauigkeit und Empfindlichkeit erzielt werden kann. 2. Eine Anpassung der Software an die Form des Messsignals. Wenn es möglich wĂ€re, die Konvertierungssoftware so umzuschreiben, dass die FlĂ€chen der Ionenspuren der einzelnen Fragmentionen ĂŒber den Zeitraum der Detektion automatisch ermittelt wĂŒrden und diese dann transformiert werden könnten, dann ließe sich auch das GC-Thermodesorptions-System als MS-Sensor einsetzen Fazit Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, komplexe gasförmige Stoffgemische anhand von massenspektrometrischer Analyse und statistischer Auswertung (Mustererkennung durch Hauptkomponentenanalyse) zu unterscheiden und wiederzuerkennen. Durch die Verwendung der massenspektrometrischen Daten der geruchsbeitrageden Verbindungen steht im Gegensatz zur herkömmlichen subjektiven humansensorischen Methode der Olfaktometrie ein objektives alter-natives Verfahren zur Geruchsbewertung zur VerfĂŒgung.

Übersicht

Telefon

08161/71-3283

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Bundesland

Bayern

Fördersumme

259.224,98 €

Förderzeitraum

01.02.1998 - 13.02.2002