Für die Untersuchung der chemischen Identität komplexer Proben, wie Erdöl oder Fraktionen davon, sind leistungsstarke chemisch-analytische Methoden erforderlich. Während leichte Fraktionen vollständig mit gaschromatographischen (GC) Techniken analysiert werden können, erfordert die Untersuchung höhersiedender Fraktionen alternative analytische Methodik. Die chemische Charakterisierung nicht-flüchtiger Bestandteile wird durch den Trend zur Verwendung schwerer Rohöle und anstehende Änderungen der Regularien für Schweröl immer wichtiger. Das gilt sowohl für die Ölindustrie als auch für Behörden und Umweltschützer. Aufgrund der herausfordernden physikalischen Eigenschaften dieser Proben, wurde in den letzten Jahren vor allem hoch-auflösende Massenspektrometrie mit direkt-Infusionstechniken angewendet („Petroleomics“). Dieses analytische Feld wurde bisher hauptsächlich mit Fourier-Transforma Ionenzyklotronresonanz Massenspektrometrie (FTICRMS) mit Atmosphärendruckionisation bearbeitet.
Ziel dieser Dissertation war die Erarbeitung alternativer analytischer Ansätze durch den Einsatz von hochauflösender Flugzeitmassenspektrometrie (engl.: high-resolution time-of-flight mass spectrometry; HRTOFMS) mit Vakuumionisation und verschiedenen Probeneinlässen. Dafür wurde eine Methodik zur hoch-temperatur 2D-Gaschromatographie für die Anwendung mit HRTOFMS optimiert um flüchtige und semi-flüchtige Bestandteile zu analysieren. Komplementär dazu, wurden Thermogravimetrie (TGA) und ein Direkteinlass (DIP) an der MS-Plattform etabliert um auch nichtflüchtige Rückstände zu analysieren. Dazu wurden zusätzlich neue Konzepte und Softwarelösungen zur Prozessierung, Visualisierung und Interpretation der Daten ausgearbeitet. Die Verwendung unterschiedlicher Probeneinlässe an einer gemeinsamen Massenspektrometrie-Plattform erlaubte dabei effiziente Datenintegration und gute Vergleichbarkeit der Resultate.
Der entwickelte multi-methodische analytische Ansatz wurde zunächst für die Untersuchung von Schwerölen angewendet. Die Kombination der charakteristischen Eigenheiten der unterschiedlichen Techniken erlaubte dabei eine umfassende Beschreibung der chemischen Zusammensetzung (Publikation 1). Diese Herangehensweise wurde für die Anwendung auf nicht-flüchtige Vakuumrückstände und Bitumen ausgeweitet, für eine detaillierte chemische Charakterisierung dieser hoch-komplexen Proben (Publikation 2). Darüber hinaus wurden Alterungsprozesse für Straßenbaubitumen studiert und die Ergebnisse mit einer alternativen Analysetechnik, basierend auf FTICRMS verglichen. Neben der Untersuchung von Petroleumproben konnte auch die Anwendung auf komplexe Aerosolproben gezeigt werden. Die Massenspektrometrieplattform wurde ausserdem um eine weiche Ionisationstechnik (SPI) erweitert und die Anwendung von TGA mit zusätzlichem GC-Schritt (TGA×GC-MS), für multi-dimesionale Trennung, gezeigt (Publikation 3).