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Abstract

Schnelle und präzise online Messtechnik ist wichtig für die Erforschung von sich schnell verändernden Prozessen, wie beispielsweise der Deaktivierung von Katalysatoren, oder für die Überwachung von chemischen Prozessen für deren effizienten und sicheren Betrieb. Des Weiteren ist die Analyse von Verunreinigungen im Spurenbereich in chemischen Produkten, Nahrungsergänzungsmitteln und Pharmazeutika von größter Bedeutung, um sichere, für den Verzehr geeignete, Produkte zu garantieren. Für solche Anwendungen wird häufig die Selektivität und Empfindlichkeit einer gaschromatographischen (GC) Messung benötigt. Trotzdem bleibt die Charakterisierung von sich schnell verändernden Prozessen mit GC eine analytische Herausforderung, weil GC Methoden oft sehr langsam sind. Darüber hinaus sind GC Detektoren oft nicht empfindlich genug, um die Anforderungen in der Spurenanalytik zu erfüllen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurden in dieser Arbeit mehrere GC Verfahren, basierend auf dem Prinzip der Multiplexing Gaschromatographie (mpGC) entwickelt und erforscht. Bei mpGC werden durch die Dosierung aufeinanderfolgender Proben, bevor alle Komponenten von vorherigen Proben die Trennsäule verlassen haben, überlagerte Chromatogramme aufgezeichnet. Wenn die Einzelchromatogramme, die das überlagerte Chromatogramm bilden, sich voneinander unterscheiden ist das berechnete Chromatogramm, das durch Hadamard Transformation erhalten wird, ein gemitteltes Chromatogramm dieser Einzelchromatogramme und enthält so genanntes Korrelationsrauschen. Je mehr sich diese Einzelchromatogramme voneinander unterscheiden, desto höher wird die Intensität des Korrelationsrauschens. Ein Algorithmus für die Unterdrückung von Korrelationsrauschen, verursacht durch die Peaks hochkonzentrierter Komponenten, wurde für die Spurenanalyse in der Prozessanalytik entwickelt. Die Nachweisgrenze für aromatische Verunreinigungen in einem CO2 Strom einer Produktionsanlage wurde im Vergleich zur konventionellen GC Methode von 10 auf 1 ppb verringert. Ein weiterer Algorithmus für die Unterdrückung von Korrelationsrauschen, verursacht durch die systematische nicht-lineare Antwort eines chromatographischen Systems (konstante Unterschiede zwischen den Einzelchromatogrammen unterschiedlicher Dosierungen), wurde entwickelt. Hiermit wurden, im Vergleich zur konventionellen GC Methode, dreimal häufiger berechnete Chromatogramme von Zielkomponenten im Konzentrationsbereich ≤ 1 ppm erhalten. Zusätzlich wurde ein Algorithmus entwickelt, um die Abtastfrequenz des GC Detektors ohne großen Rechenaufwand im berechneten Chromatogramm beizubehalten. Zur vollständigen Vermeidung von Korrelationsrauschen wurde die neue Technik time-division Multiplexing Gaschromatographie (td-mpGC) eingeführt um Hochdurchsatz Messungen durchzuführen, in welchen jedes Einzelchromatogramm von jeder Dosierung reproduziert werden kann. Bei dieser Methode werden verschachtelte Chromatogramme mit basisliniengetrennten Peaks der Zielkomponenten von allen dosierten Proben erzeugt. Diese Technik wurde für die Charakterisierung von verschiedenen katalytischen Reaktionen angewendet, wobei der Probendurchsatz im Vergleich zu konventioneller GC um etwa Faktor 5 erhöht wird. Des Weiteren werden Säulenschaltungen wie Rückspülung und Schnitt, notwendig für die Prozess-GC, erstmals angepasst für die Anwendung in der mpGC.