Summary
Diese Methode zur zweistufigen Pyrolyse online gekoppelt mit der Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Erkennung und Datenauswertung kann zur Mehrkomponenten-Analyse von Tattoo-Farben und zur Diskriminierung von gefälschten Produkten eingesetzt werden.
Abstract
Tattoo-Farben sind komplexe Zutatenmischungen. Jeder von ihnen besitzt verschiedene chemische Eigenschaften, die bei der chemischen Analyse angesprochen werden müssen. Bei dieser Methode zur zweistufigen Pyrolyse werden online gekoppelte Gaschromatographie-Massenspektrometrie (Py-GC-MS) flüchtige Verbindungen während eines ersten Desorptionslaufs analysiert. Im zweiten Anlauf wird die gleiche getrocknete Probe für die Analyse von nicht-flüchtigen Verbindungen wie Pigmenten und Polymeren pyrolysiert. Diese lassen sich anhand ihrer spezifischen Zersetzungsmuster erkennen. Zusätzlich kann diese Methode verwendet werden, um Original von gefälschten Farben zu unterscheiden. Zur Beschleunigung der Stoffidentifikation werden einfache Screening-Methoden zur Datenauswertung mit den durchschnittlichen Massenspektren und selbstgefertigten Pyrolyse-Bibliotheken eingesetzt. Mit Hilfe spezialisierter Auswertungssoftware für pyrolyse GS-MS-Daten kann ein schneller und zuverlässiger Vergleich des vollständigen Chromatogramms erreicht werden. Da GC-MS als Trenntechnik eingesetzt wird, beschränkt sich die Methode auf flüchtige Stoffe bei der Desorption und nach der Pyrolyse der Probe. Das Verfahren kann für ein schnelles Substanzscreening in Marktkontrolluntersuchungen angewendet werden, da es keine Probenvorbereitungsschritte erfordert.
Introduction
Tätowierfarben sind komplexe Mischungen, die aus Pigmenten, Lösungsmitteln, Bindemitteln, Tensiden, Verdickungsmitteln und manchmal auchKonservierungsstoffen 1 bestehen. Die zunehmende Popularität der Tätowierung in den letzten Jahrzehnten hat dazu geführt, dass es eine Gesetzgebung zur Bekämpfung der Sicherheit von Tattoo-Tintenfarben in ganz Europa gegeben hat. In den meisten Fällen sind farbspedende Pigmente und ihre Verunreinigungen eingeschränkt und sollten daher durch staatliche Labormarktuntersuchungen überwacht werden, um deren Einhaltung des Gesetzes zu kontrollieren.
Mit dem hier beschriebenen Ansatz der Online-Pyrolysis-Gass-Chromatographie-Massenspektrometrie (py-GC-MS) lassen sich mehrere Inhaltsstoffe gleichzeitig identifizieren. Da flüchtige, semi-flüchtige und nicht-flüchtige Verbindungen im selben Prozess getrennt und analysiert werden können, ist die Vielfalt der Zielverbindungen im Vergleich zu anderen Methoden, die für die Tattoo-Tintenanalyse eingesetzt werden, hoch. Flüssige Chromatografie-Verfahren werden meist mit Pigmenten durchgeführt, die in organischen Lösungsmitteln 2 lösunglisiert werden. Die Raman-Spektroskopie sowie die Vier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR) wurden als geeignete Werkzeuge zur Identifizierung von Pigmenten und Polymeren beschrieben, sind aber mit Mehrstoffmischungen limitiert, da im Standard keine Trenntechnik eingesetzt wird. Laboranwendungen3,4. Die Laserdesorptionierung der Massenspektrometrie (LDI-ToF-MS) wurde auch für die Pigment-und Polymeridentifikation5,6eingesetzt. Insgesamt fehlt es den meisten Methoden an der Analyse flüchtiger Verbindungen. Der Mangel an geeigneten kommerziellen Spektralbibliotheken ist ein häufiger Nachteil all dieser Methoden. Die Identifizierung von anorganischen Pigmenten wurde oft mit entweder induktiv gekoppelter Plasmassenspektrometrie (ICP-MS )7,8odermit energiespersiver Röntgenspektroskopie (EDX)4,9durchgeführt. Auch FT-IR und Raman-Spektroskopie wurden für die Analyse anorganischer Pigmente wie Titandioxid oder Eisenoxide in anderen Forschungsfeldern 10,11, 12,13eingesetzt.
Ziel dieser Studie war es, eine Methode zu etablieren, die in Standard-Analyselabors mit moderaten finanziellen Kosten zur Modernisierung bestehender und gängiger Geräte eingesetzt wird. Py-GC-MS, wie hier beschrieben, ist ein nicht-quantitativer Ansatz zur Identifizierung von organischen Zutaten aus Mischungen. Bei der Identifizierung verdächtiger Substanzen in einem Py-GC-MS-Screening lassen sich Zielstoffe mit spezielleren Ansätzen quantifizieren. Interessant ist es vor allem für die Analyse von nicht flüchtigen und nicht löslichen Stoffen wie Pigmenten und Polymeren.
Die beschriebene Methode kann für Farben und Lacke in anderen Anwendungsbereichen angepasst werden. Die beschriebenen Methoden der Datenauswertung sind für alle Pyrolyseuntersuchungen anwendbar. Auch gefälschte Produkte, meist aus asiatischen Märkten, stellen für den Verbraucher eine potenzielle Gefahrenquelle und eine finanzielle Belastung für die Hersteller dar (persönliche Kommunikation auf der 3. ECTP in Regensburg, Deutschland, 2017). Die hier beschriebene Methode kann verwendet werden, um die Eigenschaften von vermeintlichen gefälschten Tinten mit einer Originalflasche zu vergleichen, ähnlich wie die veröffentlichten forensischen Ansätze für die Autolackierung14.
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Protocol
1. Tattoo-Farbenvorbereitung und Probenmontage
- Verwenden Sie ein 25-mm-Hohlglas-Pyrolyse-Rohr als Probenhalter und Quarzwolle für die Probenvorbereitung.
- Das Pyrolyseröhröhrchen mit den spezialisierten Pinzetten für Pyrolyseröhren (zur Dekontamination backen) abnehmen und die nötige Menge Quarzwolle mit spitzer Pinzette in die Röhre geben.
- An jeder Seite des Pyrolyse-Rohls zwei Stahlstäbe (zur Dekontamination backen) zwei Stahlstäbe (für die Dekontamination backen) geben und die Wolle zu einem 1 – 2 mm dicken Stopper verdichten. Der Stopper muss im unteren Drittel des Pyrolyse-Rohs positioniert werden, um eine ausreichende Erwärmung während des Pyrolyseprozesses zu erreichen.
- Einen Gasbrenner zünden und das Pyrolyse-Rohr backen und 2 – 3 s von jeder Seite füllen, um Schadstoffe zu entfernen.
Achtung: Verwenden Sie saubere Handschuhe und berühren Sie vor dem Umgang mit Pyrolyse-Röhren und Wolle kein Element. Verwenden Sie den Augenschutz und entfernen Sie alle brennbaren Flüssigkeiten und Gegenstände während der Pyrolyse-Röhre backen. Das Protokoll kann hier gestoppt werden. Die vorbereiteten Pyrolyseröhren bis auf weiteres in einer sauberen Glasschale lagern.
- Schütteln Sie die Tattoo-Tin-Tin-Flaschen kräftig für 1 min von Hand, um Homogenität zu gewährleisten. Zusätzlich können sie 1 min in ein Ultraschallwasserbad gelegt werden. Einige Tinten können nach der Durchführung beider Schritte noch sedimentäre Pigmente aufweisen und eine längere Homogenisierung benötigen.
- Erhalten Sie eine 2μL-Mikrokapillare mit einem Durchmesser unter dem Innendurchmesser des Pyrolyse-Rohes. Die Kapillarspitze in die Tinte tauchen und etwa 1 μL Tinte saugen, indem sie die Hälfte der Kapillare füllen.
- Die Kapillare in das Pyrolyse-Rohr einlegen und den Quarzwolle-Stopper mit der Tinte verfärben. Eine klare Farbfärbung muss sichtbar sein, ohne dass der Probe zu viel Tinte hinzugefügt wird.
- Für die automatisierte Einspritzeinheit einen Stahltransportadapter erhalten und das vorbereitete Pyrolyse-Rohr mit Pinzetten für Pyrolyseröhren daran befestigen.
- Überprüfen Sie, ob die Pyrolyse-Röhre perfekt senkrecht ist und beim Schütteln nicht abfällt.
- Den Transportadapter in das Tablett an der gewünschten Stelle legen.
Achtung: Die Tinte kann den Stahltransportadapter, an dem das Pyrolyserohr befestigt ist, verunreinigen; Das muss daher nachträglich gründlicher gereinigt werden.
2. Analyse von Farbproben durch py-GC-MS
- Das GC-MS-System, das mit einer Thermal Desorption Unit (TDU) und einem Pyrolyzer-Modul ausgestattet ist, auf dem Cold Injection System (CIS) nach den Anweisungen des Herstellers aufstellen. Verwenden Sie eine Inertelektronenaufprall (EI) Ionenquelle bei 70 eV und Helium mit einer Reinheit von 99,99% als Trägergas (1 mL/min). Setzen Sie das Split-Verhältnis der GUS auf 1:50.
- Installieren Sie eine HP-5MS Spalte und eine Schutzsäule zur Trennung. Setzen Sie in der Steuerungssoftware der Instrumente folgende Analyseparameter: Starten Sie die Ofentemperatur bei 50 ° C, halten Sie 2 min und Rampe bei 10 ° C/min bis 320 ° C. Halten Sie die Endtemperatur für weitere 5 min. Stellen Sie die Transferleittemperaturen auf 320 ° C.
- Führen Sie jede Probe in einem Lösemittel-Modus ohne Pyrolyse, um für semi-flüchtige Verbindungen zu analysieren.
- Verwenden Sie die Lösemitteloption des TDU/Injektors und ramponieren Sie die TDU-Temperatur nach 0,5 Minuten beginnend bei 50 ° C auf 90 ° C bei einer Geschwindigkeit von 100 ° C/min. Das Lösemittel wird nach 1,9 min abgeschaltet.
- Die Temperatur des TDU auf 320 ° C mit einer Geschwindigkeit von 720 ° C/min für 3,5 min erwärmen. Die flüchtigen Verbindungen werden in der GUS bei-150 ° C erfasst.
- Halten Sie die GIS-Temperatur 2 min und die Rampe auf 320 ° C bei 12 ° C/min.
Hinweis: Eine verlängerte Zeit zwischen Probenvorbereitung und Analyse führt zur Verdunstung flüchtiger Verbindungen, da der Probenhalter geöffnet ist. Analysieren Sie Proben innerhalb weniger Stunden nach der Zubereitung, wenn flüchtige Verbindungen gezielt werden.
- Führen Sie einen zweiten Anlauf derselben Probe durch, bei der die Pyrolyseeinheit zur Untersuchung von nicht-flüchtigen Verbindungen eingesetzt wird.
- Verwenden Sie das gleiche Ofenprogramm wie beim ersten Desorptionslauf.
- Halten Sie die Temperatur der GUS konstant bei 320 ° C und verwenden Sie ein Split-Verhältnis von 1:100.
- Die TDU direkt von 50 ° C auf 320 ° C mit einer Rate von 720 ° C/min anrichten und 1,6 min konstant halten.
- Programmieren Sie eine 6er-Pyrolyse bei der gewünschten Temperatur (hier 800 ° C) im Endtemperatursegment der TDU.
Hinweis: Achten Sie darauf, eine ausreichende Anzahl an Proben-und Split-Verhältnissen zu verwenden, um eine Kontamination der Säule und MS zu verhindern.
- Verwenden Sie einen Polystyrol-Standard, um die Leistung des Instruments zu überprüfen. Führen Sie mindestens drei Polystyrol-Proben vor und nach jedem Experiment aus. 2 μL eines 4 mg/mL-Polystyrol-Standards in Dichlormethan in die Glaswolle einlegen und eine Pyrolyse bei 500 ° C für 0,33 min durchführen.
- Prüfen Sie, ob das Spitzenflächenverhältnis des Polystyrol-Monomers und des Dimmer zwischen 3 und 4 liegt und das Eintasten des Dimmer im resultierenden Chromatogramm (auch Pyrogramm genannt) unter 2 liegt. Halten Sie historische Daten der Polystyrol-Parameter fest und kalibrieren Sie die Pyrolyse-Temperatur, wenn das Spitzenverhältnis außerhalb der Reichweite ist.
Hinweis: Die Werte für das Polystyrol-Monomer-und Düster-Verhältnis sowie das Abtasten sollten den historischen Werten der gut funktionierenden Systeme entnommen werden.
3. Ansätze zur Datenauswertung
Hinweis: Die Datenauswertung sollte je nach den einzelnen analytischen Fragestellungen angepasst werden, z.B. bei der Suche nach Volatilen, nicht flüchtigen Verbindungen, gefährlichen Spaltprodukten aus Azopigmenten oder ähnlichem.
- Datenauswertung für flüchtige Verbindungen
- Für die Datenauswertung flüchtiger Verbindungen starten Sie die GC-MS-Analysis/MS-Bibliothekssuchsoftware (siehe Materialtabelle) und öffnen das Chromatogramm des Desorptions-Laufs.
- Wählen Sie kommerzielle Bibliotheken aus, indem Sie auf Spectrum und Select Library klicken. Laden Sie die Bibliothek von Interesse.
- Wählen Sie Integrationsparameter aus und führen Sie eine Bibliothekssuche durch, indem Sie auf Spectrum und Bibliothekssuchbericht klicken.
Hinweis: Achten Sie besonders darauf, Bibliotheksspektren von vermeintlich identifizierten Verbindungen mit den Spektren zu vergleichen, die bei der Analyse der Tinte gewonnen werden. Manchmal lassen sich trotz zusätzlicher molekularer Massenspitzen in den unbekannten Spektren gute Streichhölzer erzielen. Zur eindeutigen Identifizierung müssen analytische Standards anhand der Einstell-und Instrumentsparameter analysiert werden, um Retentionszeiten und Spektren zu überprüfen.
- Schnelles Screening auf nicht flüchtige Verbindungen
Hinweis: Die Identifizierung von nicht-flüchtigen Verbindungen aus Pyrolyse basiert auf dem Vorhandensein von mehreren spezifischen Abbauprodukten der Elternverbindung innerhalb desselben Pyrogramms. Da Pyrogramme bis zu mehreren Hundert Verbindungen enthalten können, ist eine manuelle Auswertung kaum möglich. Beginnen Sie mit einem schnellen Datenauswertungsansatz mit den durchschnittlichen Massenspektren (AMS). Dies ist nützlich für die Identifizierung der am häufigsten vorhandenen Pigmente oder Polymer innerhalb der Probe. Dieser Ansatz eignet sich nur für ein schnelles Screening auf Tintendeklarationsbetrug und für einen Ausgangspunkt für die manuelle Pyrogrammbewertung.- Für die pyrolyse Datenauswertung markieren Sie das gesamte Chromatogramm in der GC-MS-Auswertungssoftware (siehe Materialtabelle) mit der rechten Maustaste nach unten, um ein AMS zu erhalten.
- Erstellen Sie eine Bibliothek mit erhaltenen Spektren bekannter Referenzsubstanzen aller interessanten Verbindungen, z.B. Pigmente und Polymere, indem Sie auf Spectrum und Edit Library klicken (klicken Sie auf Neue Bibliothek erstellen, wenn keine vorhanden ist).
- Wählen Sie neue Informationen hinzufügen und füllen Sie alle Informationen aus, die Sie interessieren.
Hinweis: Wählen Sie die AMS-Spektren von Standards oder Tinten aus und klicken Sie auf Spectrum und NIST-Suche , wenn eine Weiterleitung an eine andere Software gewünscht wird, die in der Lage ist, die MSS-Bibliothekssuche zu suchen. - Generieren Sie ein AMS der untersuchten Tinte Pyrogramm und nutzen Sie die Bibliothekssuche für den Vergleich mitder selbstgebauten AMS-Bibliothek 15. Messen von Spaltenbluten oder anderen Spaltengeräuschen ausschließen.
Hinweis: Das höchste Match in der Bibliothekssuchliste wird wahrscheinlich das am häufigsten vorhandene Pigment oder Polymer in den Farben sein. Um dies zu überprüfen, vergleichen Sie die einzelnen charakteristischen Abbauprodukte des Stoffes, der in der Pyrolyse des Standardsubhalts im Pyrogramm der analysierten Tinte zu sehen ist (siehe Abschnitt 3.4 und Ergänzende Tabelle 1).
- Identifizierung von nicht flüchtigen Verbindungen mit spezialisierter Pyrogramm-Auswertungssoftware
- Wandeln Sie die Pyrogramme von Interesse in das benötigte Format um, wie es in den Software-Anweisungen angegeben ist. Integrieren Sie das Pyrogramm so, dass maximal 200 Verbindungen gefunden werden. Ansonsten erhöht sich die Zeit der Datenauswertung in der Pyrogramm-Auswertung sofware deutlich.
- Bauen Sie einen Ordner auf Ihrem Computer mit allen Pyrogramm-Einträgen, die als Bibliothek dienen sollen, z.B. Pigmentpyrogramm-Bibliothek zur Pigmentidentifikation oder Pyrogramme einer Originalfarbe, um sie mit vermeintlichen gefälschten Produkten zu vergleichen.
- Laden Sie das unbekannte Pyrogramm in der Registerkarte Bibliothekssuche, indem Sie auf Browse klicken.
- Laden Sie den Bibliotheksordner und wählen Sie nur MS Matching und RT-Matching in den Suchoptionen, da die Gesamtfülle im Vergleich zu Pyrogramm von Referenzpigmenten variieren wird.
- Klicken Sie in den Suchoptionen auf Fortgeschrittene . Wählen Sie den Parameter "Verwenden Sie nur Spitzen mit spezifizierten MS-Spektren" und verwenden Sie eine Passschwelle von 850 in der Pyrogramm-Auswertungssoftware.
- Klicken Sie auf Hinzufügen , um die angegebenen MS-Spektren (3 – 5 MS-Spektren der reichsten Spitzen) von jedem Pyrogramm von Referenzpigmenten oder Polymeren aus der Bibliothek in den erweiterten Suchoptionen zu speichern (vgl. Zusatztabelle 1). So werden auch in einer Mehrkomponenten-Tinte nur Pigmentspitzen mit ansonsten störenden, hochreichen Spitzen verglichen.
- Drücken Sie OK, um zum Hauptfenster zurückzukehren.
- Klicken Sie auf Suchen , um den Vergleich zu starten.
- Wenn nötig, gehen Sie auf Chromatogram Match, wählen Sie eine Verbindung, und klicken Sie auf Senden an NIST , um die Spektren an die MS-Bibliothekssoftware weiterzuleiten und die Verbindung zu identifizieren.
Hinweis: Klicken Sie auf MS, um die Spektren in die erweiterten Suchoptionen aufzunehmen (vgl. Schritt 3.3.6).
- Manuelle Stoffidentifikation
Hinweis: Wenn keine spezialisierte Pyrogramm-Auswertungssoftware zur Verfügung steht, nutzen Sie die Datenauswertung durch das Standard-MS-Bibliothekssuchprogramm und die kommerzielle Bibliothek zusammen mit gemeldeten Fragmenten (Ergänzende Tabelle1) und unserer Pyrolyse-Bibliothek 15. Der manuelle Vergleich von Pyrogramm-Verbindungen mit bekannten Abbauprodukten wird ebenfalls durchgeführt, um die Treffer im AMS zu überprüfen.- Für die Datenauswertung von nicht-flüchtigen Verbindungen starten Sie die GC-MS-Analyse und öffnen das Chromatogramm des Pyrolyselaufs.
- Wählen Sie kommerzielle und (selbst gemachte) Pyrolyse-Bibliotheken (z.B. unsere zur Verfügung gestellte Pyrolyse-Bibliothek 15), indem Sie auf Spectrum undSelect Library klicken . Laden Sie alle Bibliotheken von Interesse.
- Integrieren Sie das Pyrogramm in die GC-MS-Auswertungssoftware und berücksichtigen Sie alle Spitzen mit einem Flächenbereich von 0,2% der Gesamtfläche (kann so angepasst werden, dass eine überschaubare Anzahl von Spitzen integriert wird).
- Starten Sie die Bibliothekssuche, indem Sie auf Spectrum und Bibliothekssuchbericht klicken.
- Vergleichen Sie anhand von Bibliotheksübereinkommen spezifische Pigment-und Polymerabbauprodukte in Ergänzungstabelle 1 oder Fragmente, die in der Literatur16, 17, 18angegeben sind, 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26. Für Pigmente werden 2 bis 3 Abbauprodukte benötigt, um das verwendete Pigment eindeutig zu identifizieren.
Hinweis: Alle Spektralabstimmungen mit entsprechenden Bibliotheken müssen sorgfältig ausgewertet werden. Zusätzliche Spitzen, die höher als der Massengipfel sind, machen oft ähnliche Strukturen mit zusätzlichen Seitengruppen aus. Wenn möglich, sollten Referenzsubstanzen analysiert werden, um die individuelle Retentionszeit im analytischen Setup zu erhalten.
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Representative Results
Die Methode beinhaltet für jede Probe einen zweistufigen chromatographischen Ansatz (Abbildung 1). Im ersten Durchlauf wird die Probe im Injektorsystem bei 90 ° C getrocknet, bevor flüchtige Verbindungen auf die Säule übertragen werden. Da der Trocknungsprozess in den meisten Fällen unvollständig ist, werden Restlösemittel und flüchtige Verbindungen übertragen und analysiert. Im zweiten Anlauf wird die zuvor getrocknete Probe anschließend pyrolysiert, um die Analyse von nicht flüchtigen organischen Komponenten zu erleichtern.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Pyrolyse-Workflows. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Gut produzierte Tinten mit hochreinen Inhaltsstoffen und einer begrenzten Anzahl von Komponenten führen zu leicht interpretierenden Chromatogrammen mit Standardbibliotheken, da die meisten Spitzen identifiziert werden können (Abbildung2). Doch auch in den hochwertigen Tinten wurden nicht deklarierte Zutaten gefunden. Propylenglykol findet sich zum Beispiel oft zusätzlich zu dem deklarierten Glycerin (Abbildung 2 und Abbildung3).
Andere Stoffe wie Formaldehyd könnten als Konservierungsmittel zugesetzt werden. 1-Hydroxy-2-Propanone kann als Verunreinigung der Pigmentsynthese entstehen und ist daher ein Beispiel für eine nicht absichtlich hinzugefügte Substanz (NIAS).
Abbildung 2: Repräsentative Ergebnisse der py-GC-MS-Analyse einer Tattoo-Tinte mit nur wenigen, reinen Inhaltsstoffen. (A) 1st Run : Desorption zur Identifizierung flüchtiger Verbindungen. (B) 2. Lauf : Pyrolyse zur Identifizierung von weniger und nicht flüchtigen Verbindungen. Im Folgenden werden die deklarierten und identifizierten Inhaltsstoffe angegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Tinten, die mehrere Inhaltsstoffe und Verunreinigungen enthalten, führen zu einem schwer zu interpretierenden Pyrogramm (Abbildung 3). Die meisten Spitzen, die im zweiten Durchlauf auftreten, sind möglicherweise nicht von einander getrennt, was die Identifizierung erschwert, selbst wenn die Datendekonkonvolution verwendet wird. Einige Stoffe können auch zu Spitzenwerten unterhalb der Schwelle führen, die bei der Datenauswertung gesetzt werden (z.B. 0,2% der Gesamtspitzenfläche). Eine Lösung für dieses Problem könnte ein stufenweiser Ansatz sein, bei dem 400 ° C, 600 ° C und 800 ° C in aufeinanderfolgenden Pyrolyseschritten für die gleiche Probe verwendet werden (siehe Abbildung4).
Einige Pigmentabbauprodukte können aus mehreren Pigmenten stammen (Ergänzende Tabelle 1). Acetylcyanid kann zum Beispiel in Abbildung 3 und Abbildung 4 aus mehreren gelben oder orangefarbenen Pigmenten stammen. Das Abbauprodukt 2-Methoxyphenylicyanat kann auch aus dem Pigment Red 9 und o-anisidin aus den Pigmenten Red 170 und Red9 stammen. Durch die Kombination mit dem Abbauprodukt 4-Methoxy-2-Nitro-Anilin und dem gelben Erscheinungsbild der Tinte wären aber nur Pigmente gelb 65 und 74 als Mutterverbindungen plausibel. Diese beiden Pigmente sind regionale Isomere und können bei dieser Methode nicht von einem anderen unterschieden werden. Pigment Orange 13 — die auf der Farbflasche deklariert wurde — nicht identifiziert wurde. Wenn das Pigment nur in geringen Mengen vorhanden war, könnte es unter der Grenze der Erkennung gewesen sein. Tinten werden dagegen oftfalschangegeben 27.
Abbildung 3: Repräsentative Ergebnisse der py-GC-MS-Analyse der gelben Tattoo-Tinte "Bananencreme" mit vielen, unreinen Zutaten. (A) 1st Run : Desorption zur Identifizierung flüchtiger Verbindungen. (B) 2. Lauf : Pyrolyse zur Identifizierung von weniger und nicht flüchtigen Verbindungen. Im Folgenden werden die deklarierten und identifizierten Inhaltsstoffe angegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: Die allmähliche Pyrolyse der gelben Tinte "Bananencreme" in Abbildung 3. A-C) Die Kieferpyrolyse verläuft bei 400 ° C, 600 ° C und 800 ° C. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Ein positives Ergebnis für die gefälschte Produktidentifikation wird im folgenden Beispiel angezeigt (Bild 5). Drei "Zitronengelb"-Farben wurden entweder bei einem lizenzierten Händler des US-amerikanischen Tintenherstellers, über eine Internet-Auktionsplattform oder über einen asiatischen Marktplatz gekauft. Alle Tinten wurden mit der zweistufigen py-GC-MS-Methode analysiert. In diesem Beispiel sind die Unterschiede in Spitzenzahlen und Retentionszeiten bereits per Auge sichtbar.
Das Chromatogramm aus dem 1. Desorptionslauf und das Pyrogramm aus dem 2. Lauf der Originalfarbe wurden mit drei unabhängigen Anschaffungen der Originalfarbe und den beiden gefälschten Produkten mit Pyrogramm-Auswertungssoftware verglichen. Die Software wurde als sehr nützlich bei der Unterscheidung der verschiedenen Farben gefunden. Der Vorwärts-Match-Faktor lag über 0,9 (wobei 1 das perfekte Match ist) nur in Richtung Pyrogramme oder Desorptions-Chromatogramme der gleichen Tinte.
Auch wurden Vorwärtsspiele über 0,9 nur mit der gleichen Tinte erreicht, wenn man die Tinte mit der Bibliothek verglich, die Pyrogramme von 84 Farben verschiedener Farben und Hersteller enthielt.
Alternativ kann ein statistischer Vergleich, wie von Yang et al. für Autolierungen vorgeschlagen, 14 angewendet werden.
Abbildung 5: Identifizierung von gefälschten Produkten durch py-GC-MS. Es wurden drei "Zitronengelb"-Tintenvon lizenziertem Händler (A), einer Online-Auktionsplattform (B) und einem asiatischen Marktplatz (C) analysiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Py-GC-MS ist ein nützliches Screening-Verfahren für eine breite Palette von Stoffen in Tattoo-Tinten, die auch für die Analyse anderer Produkte verwendet werden können. Im Vergleich zu anderen Methoden kann py-GC-MS mit nur minimaler Probenvorbereitung durchgeführt werden. GC-MS-Geräte sind in den meisten analytischen Labors im Vergleich zu spezielleren Methoden wie MALDI-ToF-MS und EDX zu finden.
Die Datenauswertung von Pyrogrammen kann eine Herausforderung sein, da die Liste der möglichen Inhaltsstoffe in der Theorie unendlich ist und Bibliotheksrecherchen, die auch die Kombination von Stoffen zu einer Elternverbindung in der Bibliothek berücksichtigen, notwendig sind. Die hier beschriebenen Methoden der Datenauswertung ermöglichen ein schnelles Schnellscreening von Stoffen, die den Standard-Pyrogramm-Bibliotheken zugesetzt wurden. Umgekehrt ist die Prüfung von gefälschten Produkten ein schneller und unkomplizierter Ansatz, der ohne vorgefertigte Bibliotheken durchgeführt werden kann, da die Identifizierung einzelner Stoffe irrelevant ist.
Um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen, sollte die Menge an Tinte, die der Pyrolyse zugesetzt wird, weder zu hoch noch zu niedrig sein. Dies führt entweder zu einer Verunreinigung der Pyrolyseanlage, des Liners oder der Säule oder zum Fehlen signifikanter Spitzen für eine korrekte Auslegung von Pyrogramm. Daher ist es sehr zu empfehlen, ein definiertes Farbvolumen, wie es in dieser Methode beschrieben wird, mit angepassten Split-Verhältnissen zu verwenden. Wie in Abbildung3 zu sehen ist, können Verunreinigungen oder Polymere das Pyrogramm mit Spitzen überlasten, die die Identifizierung einzelner Stoffe beeinträchtigen. Daher ist die Nachweisgrenze für Pigmente stark von den entsprechenden Mischungen abhängig. In solchen Fällen können Pigmente zunächst durch Verdünnung und Niederschlag in alkoholhaltigen Lösungsmitteln von anderen Tinteninhaltsstoffen getrennt werden.
Die Einschränkung der Methode ist die Analyse organischer Pigmente ohne spezifische Spaltseiten wie Quinacridones, Perylen und Perinone 16,17,18. Auch wenn eine Mischung aus mehreren Pigmenten mit der gleichen Spaltgruppe auftritt (z.B. mit Azopigmenten), kann die Identifizierung eine Herausforderung sein (vgl. Tinte, die in Abbildung3 dargestellt ist). Außerdem müssen die Pyrolyseprodukte in die Gasphase gelangen können. Polymere wie Hydroxyethyl-Zellulose, die aus Zuckermonomeren bestehen, die für die GC-MS-Analyse chemisch modifiziert werden müssen, können von py-GC-MS nicht nachgewiesen werden. Wie bei allen anderen Methoden lassen sich nur Pigmente mit bekannten Pyrogrammen identifizieren. Aus der Pigmentstruktur lassen sich jedoch vor allem bei Azopigmenten Hauptabbauprodukte schließen. Daher kann die Überprüfung der Plausibilität eines deklarierten Pigments auch dann durchgeführt werden, wenn das Pigment noch nie in Py-GC-MS analysiert wurde.
Die Methode kann verwendet werden, um Originalfarben von gefälschten Produkten zu unterscheiden. Eine zuverlässige Probe der Originalfarbe muss aber vorhanden sein. Da sich die Zusammensetzung der Farben im Laufe der Zeit ändern kann, müssen die im gleichen Zeitbereich oder bestenfalls aus der gleichen Charge hergestellten Farben zum Vergleich verwendet werden. In Zukunft könnte py-GC-MS zur Überwachung von Tattoo-Tintenzutaten eingesetzt werden und damit Deklarationschrug und die Verwendung verbotener Pigmente und möglicher anderer Inhaltsstoffe aufdecken. Eine weitere Anwendung dieser Methoden könnte die Identifizierung von gefälschten Produkten14sein.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch das intramurale Forschungsprojekt (SFP #1323-103) am Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 99.999% Helium carrier gas | Air Liquide, Düsseldorf, Germany | - | |
| 5975C inert XL MSD with Triple-Axis Detectors | Agilent Technologies, Waldbronn, Germany | - | |
| 7890A gas chromatograph | Agilent Technologies, Waldbronn, Germany | - | |
| AMDIS software (Version 2.7) | The National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA | - | can be used for GC/MS peak integration, e.g. for transfer to pyrogram evaluation software |
| Cold Injection System (CIS) | Gerstel, Mühlheim, Germany | - | |
| electron impact (EI) source | Agilent Technologies, Waldbronn, Germany | - | |
| Enhanced ChemStation (E02.02.1431) | Agilent Technologies, Waldbronn, Germany | - | used to generate Average Mass Spektra (AMS), can be used for peak integration and standard GC/MS library search |
| J&W HP-5MS GC Column, 30 m, 0.25 mm, 0.25 µm, 5975T Column Toroid Assembly | Agilent Technologies, Waldbronn, Germany | 29091S-433LTM | |
| MassHunter Software | Agilent Technologies, Waldbronn, Germany | - | no Version specified, can be used for GC/MS peak integration and standard GC/MS library search |
| Microcapillary tube Drummond Microcaps, volume 2 µL | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | P1549-1PAK | |
| MS ChromSearch (Version 4.0.0.11) | Axel Semrau GmbH & Co. KG, Sprockhövel, Germany | - | specialized pyrogram evaluation software |
| NIST MS Search Program (MS Search version 2.0g) | The National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA | - | used for MS and AMS library generation and corresponding substance search with selfmade and commercial libraries |
| NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (EI) mainlib & replib (Data version: NIST v11) | The National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA | - | used commercial mass spectral library |
| Polystyrene (average Mw ~192,000) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 430102-1KG | |
| Pyrolysis tubes, tube type - quartz glass - lenght 25 mm; 100 Units | Gerstel, Mühlheim, Germany | 018131-100-00 | |
| Pyrolyzer Module for TDU | Gerstel, Mühlheim, Germany | - | |
| Quartz wool | Gerstel, Mühlheim, Germany | 009970-076-00 | |
| Steel sticks | Gerstel, Mühlheim, Germany | - | |
| Thermal Desorption Unit (TDU 2) | Gerstel, Mühlheim, Germany | - | |
| Transport adapter | Gerstel, Mühlheim, Germany | 018276-010-00 | |
| Tweezers for Pyrolysis tubes | Gerstel, Mühlheim, Germany | 009970-074-00 | |
| Zebron Z-Guard Hi-Temp Guard Column, GC Cap. Column 10 m x 0.25 mm, Ea | Phenomenex Ltd. Deutschland, Aschaffenburg, Germany | 7CG-G000-00-GH0 |
References
- Dirks, M. Tattooed skin and health. Vol. 48. Current Problems in Dermatology. Serup, J., Kluger, N., Bäumler, W. , Karger. 118-127 (2015).
- Engel, E., et al. Establishment of an extraction method for the recovery of tattoo pigments from human skin using HPLC diode array detector technology. Analytical Chemistry. 78 (15), 6440-6447 (2006).
- Poon, K. W. C., Dadour, I. R., McKinley, A. J. In situ chemical analysis of modern organic tattooing inks and pigments by micro-Raman spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy. 39 (9), 1227-1237 (2008).
- Timko, A. L., Miller, C. H., Johnson, F. B., Ross, V. In vitro quantitative chemical analysis of tattoo pigments. Archives of Dermatology. 137, 143-147 (2004).
- Boon, J. J., Learner, T. Analytical mass spectrometry of artists' acrylic emulsion paints by direct temperature resolved mass spectrometry and laser desorption ionisation mass spectrometry. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 64, 327-344 (2002).
- Hauri, U. Inks for tattoos and permanent make-up / pigments, preservatives, aromatic amines, polyaromatic hydrocarbons and nitrosamines. Department of Health, Kanton Basel-Stadt. Swiss National Investigation Campaign. , (2014).
- Bocca, B., Sabbioni, E., Mičetić, I., Alimonti, A., Petrucci, F. Size and metal composition characterization of nano- and microparticles in tattoo inks by a combination of analytical techniques. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 32 (3), 616-628 (2017).
- Schreiver, I., et al. Synchrotron-based nano-XRF mapping and micro-FTIR microscopy enable to look into the fate and effects of tattoo pigments in human skin. Scientific Reports. 7, 11395 (2017).
- Taylor, C. R., Anderson, R. R., Gange, R. W., Michaud, N. A., Flotte, T. J. Light and electron microscopic analysis of tattoos treated by Q-switched ruby laser. Journal of Investigative Dermatology. 97, 131-136 (1991).
- Namduri, H., Nasrazadani, S. Quantitative analysis of iron oxides using Fourier transform infrared spectrophotometry. Corrosion Science. 50 (9), 2493-2497 (2008).
- Burgio, L., Clark, R. J., Hark, R. R. Raman microscopy and x-ray fluorescence analysis of pigments on medieval and Renaissance Italian manuscript cuttings. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (13), 5726-5731 (2010).
- Manso, M., et al. Assessment of toxic metals and hazardous substances in tattoo inks using Sy-XRF, AAS and Raman spectroscopy. Biological Trace Element Research. 187 (2), 596-601 (2017).
- Yakes, B. J., Michael, T. J., Perez-Gonzalez, M., Harp, B. P. Investigation of tattoo pigments by Raman spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy. 48 (5), 736-743 (2017).
- Yang, S. -H., Shen, J. Y., Chang, M. S., Wu, G. J. Differentiation of vehicle top coating paints using pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry and multivariate chemometrics with statistical comparisons. Analytical Methods. 7, 1527-1534 (2015).
- Schreiver, I., Hutzler, C., Luch, A. Data from: Two-step pyrolysis-gas chromatography method with mass spectrometric detection for identification of tattoo ink ingredients and counterfeit products. Dryad Digital Repository. , (2019).
- Schreiver, I., Hutzler, C., Andree, S., Laux, P., Luch, A. Identification and hazard prediction of tattoo pigments by means of pyrolysis—gas chromatography/mass spectrometry. Archives of Toxicology. 90 (7), 1639-1650 (2016).
- Ghelardi, E., et al. Py-GC/MS applied to the analysis of synthetic organic pigments: characterization and identification in paint samples. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407 (5), 1415-1431 (2015).
- Russell, J., Singer, B. W., Perry, J. J., Bacon, A. The identification of synthetic organic pigments in modern paints and modern paintings using pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 400 (5), 1473-1491 (2011).
- Silva, M. F., Domenech-Carbo, M. T., Fuster-Lopez, L., Mecklenburg, M. F., Martin-Rey, S. Identification of additives in poly(vinylacetate) artist's paints using PY-GC-MS. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 397 (1), 357-367 (2010).
- Peris-Vincente, J., Baumer, U., Stege, H., Lutzenberger, K., Gimeno Adelantado, J. V. Characterization of commercial synthetic resins by pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry: application to modern art and conservation. Analytical Chemistry. 81, 3180-3187 (2009).
- Kleinert, J. C., Weschler, C. J. Pyrolysis gas chromatographic-mass spectrometric identification of polydimethylsiloxanes. Analytical Chemistry. 52 (8), 1245-1248 (1980).
- Scalarone, D., Chiantore, O. Separation techniques for the analysis of artists' acrylic emulsion paints. Journal of Separation Science. 27 (4), 263-274 (2004).
- Sonoda, N. Characterization of organic azo-pigments by pyrolysis-gas chromatography. Studies in Conservation. 44, 195-208 (1999).
- Chiantore, O., Scalarone, D., Learner, T. Characterization of artists' crylic emulsion paints. International Journal of Polymer Analysis and Characterization. 8 (1), 67-82 (2003).
- Schossler, P., Fortes, I., Figueiredo Júnior, J. C. D., Carazza, F., Souza, L. A. C. Acrylic and Vinyl Resins Identification by Pyrolysis-Gas Chromatography/Mass Spectrometry: A Study of Cases in Modern Art Conservation. Analytical Letters. 46 (12), 1869-1884 (2013).
- Wallisch, K. L. Pyrolysis of random and block copolymers of ethyl acrylate and methyl methacrylate. Journal of Applied Polymer Science. 18, 203-222 (1974).
- Hauri, U. Inks for tattoos and PMU (permanent make-up) / Organic pigments, preservatives and impurities such as primary aromatic amines and nitrosamines. State Laboratory of the Canton Basel City. , (2011).
