Die vorliegende Dissertation beschreibt die Kopplung der Präkonzentrationstechnik Needle Trap Device (NTD) mit der thermischen Desorption in einem Photoionisierungs-Flugzeitmassenspektrometer (Photoionization-Time-of-Flight Mass Spectrometry, PI-TOFMS) zur Detektion gasförmiger, organischer Substanzen in komplexen Gemischen. Die Probe wird dafür über ein oder mehrere verschiedene Adsorbensmaterialien geleitet, die sich innerhalb einer Nadel befinden. Die adsorbierten Moleküle werden anschließend in einem speziellen Inlet eines Gaschromatographen desorbiert. Durch eine direkte Kopplung gelangen die Moleküle direkt in die Ionenkammer des Massenspektrometers und werden mit Hilfe von Photonen weich ionisiert, so dass wenig bzw. keine Fragmentierung stattfindet. Es lässt sich zwischen Einphotonen- (Single Photon Ionization, SPI) und Mehrphotonenionizierung (Multiphoton Ionization, MPI) unterscheiden. Der Unterschied besteht nicht nur in der Anzahl der zur Ionisierung benötigten Photonen, sondern auch in deren unterschiedlichen Energie. Durch die Verwendung des TOF ist es möglich, die ionisierten Substanzen in Abhängigkeit von ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis zu trennen und anschließend zu detektieren. Durch die Variation der Adsorbentien in der Needle Trap und der Ionisierungswellenlängen (verschiedene Photonenenergien) ist es möglich, unterschiedliche organische Substanzen zu analysieren. Deshalb ist die Methode für verschiedene analytische Bereiche interessant und anwendbar. Die Erweiterung des Systems um eine gaschromatographische Trennsäule ermöglicht zusätzlich die Nutzung der Retentionszeit als substanzspezifischen Wert und damit die eindeutige Bestimmung der in der Probe enthaltenen Moleküle.
Die erste, erfolgreiche Anwendung war die Detektion von volatilen organischen Substanzen im Atemgas. Die Bestandteile des Atemgases von Nichtrauchern und Rauchern wurden verglichen sowie der Atem eines mechanisch beatmeten Schweins auf das Anästhetikum Propofol hin untersucht. Des Weiteren wurde die Needle Trap Device- Thermal-Desorption Time-of-Flight Mass Spectrometry (NTD-TD-PI-TOFMS) erfolgreich zur Untersuchung von Abgasen aus einem Schiffsdieselmotor eingesetzt, um Unterschiede in der Zusammensetzung bei der Verbrennung unterschiedlicher Kraftstoffe nachzuweisen.
The present thesis describes a combination of pre-concentration technique needle trap device (NTD) and thermal-desorption in a photoionization time-of-flight mass spectrometer (PI-TOFMS) for analysis of gaseous organic compounds in complex gas mixtures. Therefore, the sample is flushed through one or more different adsorbent materials located in the needle. Afterwards the adsorbed molecules are desorbed in a special inlet of a gas chromatograph. Due to direct coupling, the molecules are transferred directly inside the ion source and are softly ionized using photons; hence, there is less or even no fragmentation. Thereby, it is possible to distinguish between single photon (SPI) and multiphoton ionization (MPI). The differences are not just differences of the amount of for ionization needed photons, but also the photon energy. Due to the usage of a TOF, it is feasible to separate the ionized substances depending on their mass-to-charge ratio and subsequently detect it. By variation of the adsorbent materials inside the needle trap and the variation of the ionization wavelengths (different photon energies), it is possible to measure various organic substances. Thus, the method is interesting and applicable for several analytical research fields. Extending the developed system by a gas chromatographic separation column, it is possible to use also the retention time as substance-specific value and thereby, to determine the molecules contained in the sample.
First successful application was the detection of volatile organic compounds (VOCs) in breath gas. The components of breath gas of non-smoking and smoking subjects was compared and the breath of a mechanically ventilated pig was investigated due to contained anesthetic propofol. Furthermore, the needle trap device thermal-desorption time-of-flight mass spectrometry (NTD-TD-PI-TOFMS) was successfully used for investigation of exhaust of ship diesel engine to prove the variations in composition, when operating engine with different fuel types.