Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Anhand von Beispielen wird in diesem Vortrag ein möglicher ganzheitlicherer Ansatz für die Digitalisierung und den Einsatz maschinengestützter Prozesse bei der Herstellung von Spezialchemikalien und Arzneimitteln durch die Einführung integrierter und vernetzter Systeme und Prozesse skizziert. Ein aktueller Ansatz und ein Beispiel in diesem Vortrag sind flexible und modulare chemische Produktionseinheiten, die Mehrzweckanlagen nutzen, um verschiedene hochwertige Produkte mit kurzen Stillstandszeiten zwischen den Kampagnen herzustellen und die Markteinführungszeit für neue Produkte zu verkürzen.
Als zweites Beispiel wird kurz die Testplattform Wasserstofftankstelle vorgestellt, die als moderne Anlage der Prozessindustrie betrachtet werden kann, vergleichbar mit einer Anlage aus der chemischen oder pharmazeutischen Industrie. An ihr lassen sich alle derzeit entlang der Digitalen Transformation diskutierten Konzepte implementieren, um sie zu standardisieren und zu validieren. Dazu gehören Konzepte zur Konnektivität von Sensoren und Aktoren aus der Feldebene in höhere Ebenen der Automatisierung oder zur Einbringung zusätzlicher Sensoren oder Sensornetzwerke, die zunehmend flexibler gestaltet werden soll, die sichere und nachvollziehbare Parametrierung von Automatisierungskomponenten – vielleicht aus einem digitalen Abbild (Verwaltungsschale bzw. „Digitaler Zwilling“) heraus, Konzepte zur vorausschauenden Wartung („Predictive Maintenance“), Konzepte zu digitalen Entscheidungsprozessen, Zertifikaten und Signaturen oder der zunehmende Einsatz von komplexen Auswertungsalgorithmen und Applikationen in der Feldebene („Embedded Computing“) oder der „Kante“ zu Cloudbasierten Systemen der Informationstechnik („Edge-Computing“).
Die beiden Beispiele sollen aktuelle Entwicklungsachsen des industriellen Messwesens im Rahmen der industriellen Automation aufzeigen, in denen Messwerte, deren Messunsicherheiten und Kontextinformationen eine wichtige Rolle einnehmen.
Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) sind eine Substanzklasse bestehend aus mehreren tausenden Einzelverbindungen. Unter PFAS zählen alle Verbindungen, die mindestens eine perfluorierte Methyl- (-CF3) oder Methylen-Gruppe (-CF2-) besitzen.[1] Somit zählt auch ein großer Teil der fluorierten Medikamente, Pflanzenschutzmittel oder Biozide in die PFAS-Substanzklasse. Aufgrund der Persistenz, Bioakkumulation in Nahrungsketten, Toxizität und der ubiquitären Verbreitung von PFAS zählen sie zu den „emerging pollutants“.[2] Die PFAS-Analytik ist wegen ihrer vielfältigen physikalisch-chemischen Eigenschaften und der sehr hohen Anzahl an PFAS eine große Herausforderung. Da es für viele Anwendungen noch ungewiss ist, welche PFAS verwendet werden, wie sie in die Umwelt gelangen und welche Transformations- bzw. Abbauprodukte entstehen, stoßen analytische Ansätze, die nur auf Einzelsubstanzen abzielen, hier an ihre Grenzen. PFAS-Summenparameter-Methoden, die darauf abzielen ein möglichst vollständiges Abbild der PFAS-Belastungssituation widerzuspiegeln, werden daher immer wichtiger.
Introduction
Per- and polyfluorinated alkyl substances (PFASs) are a group of over 4730 individual compounds. Several PFASs are extremely persistent, bioaccumulative and toxic. The analysis of PFASs is challenging because of their various chemical and physical properties as well as the high number of compounds. Target-based approaches (e.g., LC-MS/MS) are limited to the availability of analytical grade standards and are not suitable for the analysis of new/unknown PFASs and transformation products. Therefore, PFAS sum parameter methods become increasingly important to indicate realistic PFAS pollution levels.
Methods
For the instrumental analysis of such sum parameters, a fluorine selective detector is needed. In our study we used high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS) which is a sensitive and highly selective tool for fluorine determination. The method is based on the in situ formation of diatomic gallium-mono fluoride (GaF) in a graphite furnace at a temperature of 1550°C. The molecular absorption of GaF can be detected at its most sensitive wavelength at 211.248 nm providing limits of quantification of c(F) 2.7 µg/L.
Results
Here, we present an improved method for the determination of PFASs using HR-CS-GFMAS via GaF detection. The optimized method includes a modifier pretreatment step using a mixture of Mg, Pd and Zr and a correction measurement using perfluorooctanoic acid. The combination of both resulted in increased accuracy and precision as well as overall lower detection limits. Furthermore, during optimization the influence of species-specific responses during HR-CS-GFMAS analysis was reduced resulting in a more accurate determination of PFAS sum parameters. To test the applicability of the improved method, we analysed soil samples from a former fire-fighting training area combining the improved method for detection with our previously optimized extraction method for extractable organically bound fluorine (EOF) determination in soils.
Innovative aspects
• Highly sensitive and selective method for fluorine/PFASs analysis based on HR-CS-GFMAS
• Increased accuracy for the determination of EOF
• Reduction of PFAS species-specific responses by optimized modifier conditions
IRWG strategy update
(2023)
Introduction
NMR spectroscopy is one of the most important analytical methods in organic chemistry. While most analyses are carried out qualitatively with the aim of substance identification and structure elucidation, quantitative NMR spectroscopy (qNMR) is increasingly gaining importance in research and industry. qNMR provides the most universally applicable form of direct purity determination without need for reference materials of impurities or the calculation of response factors but only exhibiting suitable NMR properties.
Methods
One of the most attractive features of quantitative NMR spectroscopy is that the NMR peak areas can be used directly for concentration quantification without further calibration. Another advantage of NMR spectroscopy is that the method has a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical comparison method that is independent of the matrix. This enables automated robust data evaluation strategies that can be used for online applications of qNMR spectroscopy.
Jancke et al. proposed NMR spectroscopy as a relative primary analytical method because it can be fully described by mathematical equations from which a complete uncertainty budget can be derived, allowing it to be used at the highest metrological level. Weber et al. discussed in detail important aspects of the procedure that enable the realisation of low measurement uncertainties in qNMR measurements. Since certification of CRM requires expanded mea¬sure¬ment uncertainties of less than 0.5 % (relative), the work of Weber et al. demonstrated for the first time that qNMR can fulfil this criterion.
Results
To date, further comparative studies have been carried out in metrology and industry, demonstrating the performance of quantitative NMR spectroscopy and further reducing measurement uncertainties. The development of validation concepts and the commercial availability of suitable certified reference materials facilitate the application, especially in the usually highly regulated industrial environment. Users can thus accelerate the development of analytical methods. The talk will cover a wide range of topics from current metrological activities to new challenges for qNMR spectroscopy and also deals with aspects such as validation and accreditation.
Innovative aspects
• qNMR provides the most universally applicable form of direct purity determination
• Expanded measurement uncertainties lower than 0.15 % (relative) possible
• Benchtop NMR instruments increasingly used for qNMR spectroscopy
In den letzten Jahren erfreut sich die Benchtop-NMR-Spektroskopie steigender Beliebtheit. Zusätzlich zu Anwendungen im Labor werden die kompakten Geräte auch zunehmend in industriellen Bereichen eingesetzt. Neben geringeren Investitions- und Betriebskosten sind insbesondere die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme entscheidende Faktoren. Ein prozessnaher Einsatz kann sowohl nach Probenahme im Rahmen der Betriebsanalytik erfolgen als auch als Online-Analytik mit direkter Ankopplung an Prozesse. Insbesondere bei der direkten Kopplung mittels Durchflusszellen spielt der Probentransfer eine entscheidende Rolle. Dies zeigt sich auch am Beispiel eines Extraktionsprozesses im Labormaßstab. Das in einem Bioprozess aus tierischen Altfetten hergestellte Copolymer PHB(Co-HHX) wurde in einem Batch-Prozess mit organischen Lösungsmitteln aus gefrier-getrockneten Zellen extrahiert. Unter Variation der Parameter wurde der Prozess direkt in der mehrphasigen Suspension mittels Benchtop-NMR-Spektroskopie verfolgt.
Eine große Limitierung für den Einsatz als Online-Methode ist die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme. Während die Umgebungstemperatur gut kontrollierbar ist, stellt sich die Thematik der Probentemperatur komplexer dar. Bei größeren Abweichungen von der Magnettemperatur kommt es bereits nach kurzer Zeit zu Drift-Effekten, die die Lock-Systeme nur begrenzt kompensieren können. Ein Ansatz ist die Nutzung temperierter Luftströme, ähnlich bekannter VT-Einheiten ergänzt um eine aktive Isolierung zum Magneten. An einem Modellaufbau wurden dazu verschiedene Konstruktionen zunächst mittels Thermographie charakterisiert und anschließend die Anwendbarkeit in einem Prototyp-Gerät überprüft.
In der rauen industriellen Umgebung von Produktionsanlagen sind weitere Maßnahmen zum Betrieb eines Laborgerätes nötig (z.B. Temperierung, Witterungsschutz). Zusätzlich bestehen häufig strikte Anforderungen an den Explosionsschutz. Zu diesem Zweck wurde gemeinsam mit der Evonik Rheinfelden eine Einhausung entwickelt, die es ermöglicht neben der NMR-Spektroskopie auch eine weitere analytische Methode möglichst flexibel direkt an großtechnische Anlagen anzubinden.
The European project MefHySto addresses the need of large-scale energy storage, which is required for a shift to renewable energy supply. The project is funded by the European Metrology Programme on Innovation and Research (EMPIR) and consists of 14 consortium partners from all over Europe (www.mefhysto.eu). It is demonstrated, how MefHySto is contributing to the EMN for Energy Gases aiming at prioritisation of the measurement gaps and challenges interacting with the EMN stakeholders.
Determination of absolute (SI‐traceable) isotope ratios: The use of Gravimetric Isotope Mixtures
(2023)
The presentation is brief overview on how to use gravimetric isotope mixtures to determine SI traceable isotope ratios. There is no mass spectrometer on earth that directly measures isotope ratios. Mass spectrometers will always measure signal intensity ratios instead. The actual problem is that the measured intensity ratios differ more or less from the isotope ratios. The difference can be up to more than 10 % in case of lithium while it‘s below 1 % in case of the heavier elements like lead or uranium. Consequently, the signal intensity ratios are expressed for example in V/V depending on the type of mass spectrometer you are using, while the isotope ratios are expressed in mol/mol. This phenomenon is called Instrumental Isotopic Fractionation (or short IIF) but the more common name is still mass bias (even though this name is not entirely correct). To convert the measured into the isotope ratio usually a simple multiplication with a so-called correction (or short K) factor is done. Therefore, the problem is to determine the K factor. In absence of isotope reference materials the golden route is via gravimetric isotope mixtures, which will be explained within the presentation.
Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) emerged as a powerful technique for trace analysis of soil due to its multi-element capability, high sensitivity and low sample consumption. However, despite its success and widespread use, ICP-MS has several persistent drawbacks, such as high argon gas consumption, argon-based polyatomic interferences and the need for complicated RF-power generators. Unlike argon-based ICP, the nitrogen microwave inductively coupled atmospheric pressure mass spectrometry (MICAP-MS) uses nitrogen as plasma gas, which eliminates high operating costs associated with argon-gas consumption as well as the argon-based interferences1. In this work, the applicability of MICAP-MS for elemental analysis in different matrices is investigated. For this purpose, reference soil samples and steel samples are digested with aqua regia and used for analysis. Concentrations of selected elements are determined using MICAP-MS and validated with ICP-MS und certified values. Sensitivities, limits of detection and gas consumption for both methods are compared and discussed in detail. Performance of MICAP-MS under different nitrogen plasma gas concentrations is investigated and compared. Moreover, the performance of MICAP-MS in alloy matrices is investigated and discussed.