Forschungsbericht 2006 - Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

Neue Techniken zum Hochdurchsatzscreening von Katalysatoren

Autoren
Trapp, Oliver
Abteilungen

Heterogene Katalyse (Prof. Dr. Ferdi Schüth)
MPI für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr

Zusammenfassung
Für das Hochdurchsatzscreening von Katalysatoren in Parallelreaktoren wurde am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung eine neuartige gaschromatographische Technik entwickelt, die Informationstechnologie mit der chemischen Analyse vereint. Durch den Einsatz von Multiplexing bei chromatographischen Trennungen wird eine Maximierung des Informationsgehaltes bei minimaler Analysenzeit erreicht.

In den letzten Jahren wurde die Methodenentwicklung zum Auffinden und Optimieren von hocheffizienten und selektiven Katalysatoren und Reagenzien durch Einsatz kombinatorischer Verfahren und des parallelisierten Hochdurchsatzscreenings rasant vorangetrieben. Gerade beim parallelisierten Hochdurchsatzscreening steht man vor der Herausforderung, die bei der katalysierten Reaktion entstehenden Edukte und Produkte möglichst parallel und zeitgleich zu identifizieren und zu quantifizieren, um Aussagen über die Selektivität und die Produktivität zu erhalten. Zur Charakterisierung dieser häufig komplexen Probengemische kommen insbesondere hocheffiziente chromatographische Trenntechniken zum Einsatz. Der Probendurchsatz wird allerdings durch die Analysendauer limitiert. Vielfach werden daher ebenfalls parallelisierte Trenntechniken genutzt, was allerdings mit hohen Betriebs- und Wartungskosten verbunden ist, oder schnelle Trenntechniken auf Kosten der Trennleistung und damit vollständigen Charakterisierung der Analyte eingesetzt. Das Ziel ist aber eine vollständige und zeitaufgelöste Erfassung aller Analyte, um auch Einblicke in den kinetischen Verlauf einer Reaktion zu erhalten, besonders auch zur Identifikation von Induktionsphasen, d.h. eine Maximierung des Informationsgehaltes bei minimaler Analysenzeit ist erforderlich. Der Auslastzyklus (Peakkapazität) bei chromatographischen Trenntechniken ist durch das Verhältnis des Informationsgehaltes (Summe aller Peakbreiten in einem Chromatogramm) zur Analysendauer definiert. Gerade bei hocheffizienten Trenntechniken ist dieser Auslastzyklus niedrig, da zu einem hohen Anteil nur das Detektorhintergrundsignal aufgenommen wird. In der Spektroskopie und Massenspektrometrie wurde dieses Problem durch Einführung so genannter Multiplexingverfahren [1] gelöst, bei denen die elektromagnetischen Wellen bzw. Ionen durch Modulation überlagert werden und anschließend das Rohspektrum durch Fourier-Transformation (FT) oder Hadamard-Transformation (HT) in ein konventionelles Spektrum überführt wird. Der entscheidende Vorteil ist hierbei, dass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis gegenüber „Abtastverfahren“ deutlich verbessert wird (Multiplexingvorteil), da „mehr Signal pro Zeiteinheit“ aufgenommen werden kann. Multiplexingverfahren haben in der Infrarotspektroskopie (FT-IR), Kernresonanzspektroskopie (FT-NMR), der Ionenzyklotronresonanzmassenspektrometrie (FT-ICR-MS), Flugzeitmassenspektrometrie (HT-TOF-MS [2]) und insbesondere im Bereich der Informationstechnik und Telekommunikation zur gleichzeitigen Transmission von Signalen aus unterschiedlichen Quellen breite Anwendung gefunden.

Am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung werden neue chromatographische Trennverfahren unter Verwendung von Multiplexing-Techniken entwickelt [3]. Hierzu wird der zu untersuchende Analytstrom aus einem chemischen (Parallel-) Reaktor kontinuierlich in einer hierfür entwickelten Multiplexingvorrichtung in die Gasphase überführt. Die Analyten werden dann durch eine Pulsfolge, gemäß einer binären n-bit Pseudozufallssequenz der Länge N = 2n-1, kontinuierlich auf eine Trennsäule injiziert. Die zur Modulation verwendete binäre n-bit Pseudozufallssequenz, bestehend aus den Elementen „0“ und „1“, wird aus einer n+1 × n+1 Hadamard-Matrix hergeleitet. Bei einem Element „0“ dieser binären Pseudozufallssequenz erfolgt kein Analytpuls, bei einem Element „1“ wird auf die Trennsäule injiziert. Auf dieser Trennsäule erfolgt dann eine Auftrennung der jeweils injizierten Proben. Das auf diese Weise erhaltene Chromatogramm ist jedoch eine komplette Überlagerung von (2n-1)/2 Chromatogrammen, die mittels Hadamard-Transformation (HT) und der bekannten Pseudozufallssequenz in ein konventionelles Chromatogramm transformiert werden (Abb. 1).

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Rohchromatogramm (schwarz) und durch Hadamard-Transformation entfaltetes Chromatogramm (rot). Multiplexing-Gaschromatographie (MPGC), 7-bit Pulssequenz, 20 s Pulsintervall, 10 ms Pulsdauer (90 Probeninjektionen/ h).

Bisher in der Literatur beschriebene Multiplexing-Versuche (Korrelationstechniken) sind auf lange Pulsintervalle (Minutenbereich) und Pulsdauern (im Sekundenbereich) aufgrund ungenügender Injektionsstabilität beschränkt. Dies wiederum führt dazu, dass bislang nur kurze Injektionssequenzen angewendet werden konnten, die zu keiner deutlichen Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses führen. Diese Limitierungen konnte mit den am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung durchgeführten Arbeiten überwunden werden. Es konnte eine sehr gute Probeninjektionsstabilität (Abb. 1) und kurze Pulsintervalle (bis zu 1s) und präzise Pulsdauern (bis zu 2 ms) erreicht werden (Abb. 2). Dies ermöglicht erstmals den Einsatz langer Modulationssequenzen (11-bit = 2047 binäre Elemente und größer). Damit kann das große Potenzial langer Injektionssequenzen hinsichtlich der Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und des Probendurchsatzes (bis zu 1800 Probeninjektionen/ h) erschlossen werden.

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Mehrkanal-Multiplexing-Injektor und experimentelles Chromatogramm, das durch schnelle Injektionsfolge erhalten wurde. Multiplexing-Gaschromatographie (MPGC), 11-bit Pulssequenz, 1 s Pulsintervall, 2 ms Pulsdauer (1800 Probeninjektionen/ h).

Die Verwendung langer Modulationssequenzen eröffnet darüber hinaus noch ein weiteres Anwendungsgebiet, nämlich die Möglichkeit, Multiplexing-Gaschromatographie (MPGC) zur quantitativen Hochdurchsatzanalyse der Edukte und Produkte aus N-fach-Parallelreaktoren zu nutzen (Abb. 3). Hierzu wird die binäre Modulationssequenz in mehrere Abschnitte unterteilt, die jeweils einen Kanal des Parallelreaktors mit einem „Strichcode“ kodieren. Die Analyte jedes einzelnen Kanals des Parallelreaktors werden gemäß dieser Teilsequenz auf die Trennsäule injiziert. Dies bedeutet, dass die Analyte eines jeweiligen Kanals sich selbst anhand dieses „Strichcodes“ kodieren und damit unter Berücksichtigung der gesamten Modulationssequenz dem jeweiligen Kanal des Parallelreaktors zugeordnet werden können.

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Schematischer experimenteller Aufbau der Multiplexing-Gaschromatographie (MPGC) zur Hochdurchsatzanalyse der Edukte und Produkte aus einem N-fach-Parallelreaktor. Die Analyte aus den einzelnen Kanälen des Parallelreaktors werden durch Injektion mit einer Pseudozufallssequenz mit einem „Strichcode“ kodiert.

Durch Anwendung der Hadamard-Transformation wird aus den Rohdaten ein Übersichtschromatogramm erhalten. Aus dem Übersichtschromatogramm ergeben sich zum einen die mögliche Anzahl der Analyte in jeder Probe und insbesondere das Peakprofil des jeweiligen Analyten. Diese Informationen und die Signalintensitäten aus dem Rohchromatogramm werden verwendet, um ein lineares Gleichungssystem aufzustellen, dessen Lösung die relativen Konzentrationen der Analyte zu jedem Injektionspuls liefert (Abb. 4). Dadurch konnte bislang am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung ein Durchsatz von bis zu 200 Proben pro Stunde erreicht werden. Dadurch, dass jede Probe gemäß ihrer Teilsequenz mehrfach auf der Trennsäule aufgebracht und getrennt wird, ergibt sich der Vorteil, dass das Ergebnis der Analyse auch mit statistischen Methoden und damit die Qualität beurteilt werden kann. Durch die drastisch verkürzten Analysenzeiten zur Quantifizierung der Reaktionskomponenten kann somit der Durchsatz beim Screening von neuen Materialien auf ihre katalytische Aktivität erhöht werden.

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Fließschema zur Datenentfaltung der Hochdurchsatz-Multiplexing-Gaschromatographie (ht-MPGC).

Fragestellungen hinsichtlich Sequenzlänge, Modulationsgeschwindigkeit, Limitierung durch Probenanzahl und Analytanzahl zur Maximierung des Informationsgehaltes sind derzeitig Gegenstand weiterer Untersuchungen. Zudem wird das Spektrum der Multiplexing-Gaschromatographie (MPGC) durch Einsatz weiter Trenndimensionen, bspw. durch massenspektrometrische Detektion (MPGC-MS) und Kopplung mit einer weiteren schnellen Trennung (MPGC×GC), erweitert, um noch höhere Informationsdichten zu erzielen.
Mit Multiplexing-Gaschromatographie (MPGC) können so katalysierte Reaktionen in chemischen (Parallel-) Reaktoren zeitaufgelöst und quantitativ verfolgt werden. Dadurch können ablaufende Prozesse hinsichtlich ihrer Kinetik und Thermodynamik besser verstanden und Informationen für eine zielgerichtete Entwicklung und Optimierung von Katalysatoren erhalten werden [4].

Originalveröffentlichungen

1.
A. G. Marshall:
Fourier, Hadamard, and Hilbert Transforms in Chemistry.
Plenum, New York, 1982.
2.
O. Trapp, J.R. Kimmel, O.K. Yoon, I.A. Zuleta, F.M. Fernandez, R.N. Zare:
Kontinuierliche flugzeitmassenspektrometrische Zweikanaldetektion von Elektrospray-Ionen.
Angewandte Chemie 116, 6703-6707 (2004); Angewandte Chemie International Edition 43, 6541-6544 (2004).
3.
O. Trapp:
Analyse von Stoffgemischen.
Patentanmeldung 102005050114.1
4.
O. Trapp:
A Unified Equation for Access to Rate Constants of First Order Reactions in Dynamic and On-column Reaction Chromatography.
Analytical Chemistry 78, 189-198 (2006).
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