We legden die vraag voor aan Ben van Baar van de Vrije Universiteit. In zijn werkkamer op de afdeling Massaspectrometrie staan grote apparaten met computerschermen. Op de wand hangen grote tekeningen waarop uitgelegd wordt hoe de massaspectrometrie werkt. Ben legt met plezier uit waar hij mee bezig is.
Als we over vanille beginnen, geeft Ben toe dat hij nog nooit aan vanillestokjes heeft gemeten. “Maar dat is gemakkelijk te proberen. Geurstoffen zoals vanille zijn vluchtige stoffen, en die zijn met deze apparatuur uitstekend te meten.”
Hij laat zien hoe eenvoudig dat is: een paar vanillestokjes in stukjes breken, in een klein reageerbuisje met wat oplosmiddel doen, schudden, en dan de vloeistof opzuigen in een injectiespuit. Van dichtbij is te zien dat het geen gewone spuit is: je kunt er één microliter vloeistof – dat is één vijftigste van een druppel – mee opzuigen.
De kleur van chemie
Dit artikel is afkomstig uit het hoofdstuk ‘Ruiken’ uit de uitgave De kleur van chemie van de Vrije Universiteit; een bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren.
Gaschromatograaf
De microliter vanille-extract wordt ingebracht in een gaschromatograaf. Het hart van zo’n apparaat bestaat uit een lange, dunne buis, tot een spiraal opgerold en gevuld met poeder. Er gaat een voortdurende gasstroom door de buis, meestal stikstof of helium (het dragergas), en de hele buis wordt lekker warm gemaakt.
Het vanillemengsel uit de spuit wordt in het begin van die lange buis gespoten. De aanwezige stoffen verdampen aan het begin direct en gaan dan met de gasstroom mee. Onderweg blijven ze regelmatig plakken aan het poeder, en ze komen even regelmatig ook weer los.
Eigenlijk is plakken aan het poeder niet helemaal het goede woord. Het blijkt dat de geurstoffen oplossen een dun laagje vloeistof dat zich om de poederkorreltjes bevindt. Na het oplossen verdampen ze ook weer gemakkelijk uit dat vloeistoflaagje. Vandaar dat deze methode in het Engels ‘GLC’ heet: Gas Liquid Chromatography.
Het idee achter de gaschromatograaf is dat vluchtige stoffen wat sneller door de buis gaan dan minder vluchtige stoffen. Aan het einde van de buis komen alle verschillende stoffen er netjes na elkaar uit, gesorteerd op volgorde van hun vluchtigheid en oplosbaarheid in het vloeistoflaagje.
Aan het eind van de buis zit een detector, want je wilt wel weten wanneer er een component van het geurmengsel uit komt. Je zou dat met je eigen neus kunnen doen, zodat je direct kunt zeggen waar elke component naar ruikt. Zo van “nu komt er een fris bloemig geurtje langs, dit is typisch vanille en dat is meer een groene geurstof.”
In uitzonderingsgevallen wordt het nog wel eens zo gedaan, maar een detector is handiger. Deze levert bij iedere gedetecteerde stof een elektrisch signaaltje dat met een computer wordt geregistreerd en in een grafiek weergegeven. Zo’n grafiek heet een gaschromatogram. Op de x-as staat de tijd sinds het inspuiten van het mengsel, en op de y-as de hoeveelheid van elke gemeten stof. Zo is de samenstelling van het vanille-extract nauwkeurig in kaart te brengen.
Massaspectrometer
Maar wat weet je dan van al die componenten in de vanille? Behalve de tijd die een component nodig had om door de buis te komen, en de hoeveelheid van die stof, weet je eigenlijk nog niets – niet eens of het wel een geurstof is. Daarom wordt een gaschromatograaf vaak gecombineerd met een massaspectrometer. Dit is een geniale extra detector die van veel stoffen direct de formule weet te bepalen en ze dus echt kan ‘herkennen’.
In een massaspectrometer wordt een verbinding met elektronen beschoten. De meeste moleculen overleven die beschieting niet en vallen in brok stukken uit elkaar. De kleinste beschadiging die een molecuul kan oplopen is dat er een elektron uit het molecuul wordt gewipt. Het is dan een positief geladen ion geworden. Ook veel andere brokstukken zijn na het elektronenbombardement positief geladen.
De positieve ionen worden in een massaspectrometer enorm versneld: tot een snelheid van zo’n 100 kilometer per seconde. Dit gebeurt in een sterk vacuüm, zodat ze een afstand van enkele meters kunnen afleggen zonder te botsen met luchtmoleculen. Daarbij worden ze tussen de polen van een heel sterke magneet geleid.
Wie goed heeft opgelet bij natuurkunde weet dat bewegende lading – zoals een stroom positieve ionen – door een magneet wordt afgebogen. Dat is precies wat in een massaspectrometer gebeurt. En nu komt het: de lichte ionen worden veel sterker afgebogen dan zware ionen. Zo kun je met een massaspectrometer een overzicht maken, een spectrum, van de massa’s van de brokstukken.
Ben van Baar: “Het massaspectrum van een stof is bijna als een vingerafdruk van de stof. Met behulp van de computer kunnen we zo’n massaspectrum vrij snel ‘lezen’. Van veel stoffen zijn de massaspectra opgeslagen in de computer, zodat een snelle vergelijking kan plaatsvinden.”
Als voorbeeld vraagt Ben het massaspectrum op van de stof die na 9 minuten 43 seconden uit de gaschromatograaf kwam en de hoogste piek van het gaschromatogram opleverde. De computer herkent het bijbehorende massaspectrum direct als dat van vanilline.
Maar er zijn nog meer stoffen door het oplosmiddel uit de vanillestokjes geëxtraheerd. Ben stelt even scherp op een aantal van deze piekjes en vraagt het bijbehorende massaspectrum op om te zien of er nog interessante stoffen bij zijn. Het stofje op 14 minuten en 2 seconden blijkt linolzuur te zijn, het meervoudig onverzadigde vetzuur bekend van de hart en bloedvatenreclame. Het zit in veel mengsels van plantaardige oorsprong.
Als hij de piek van 13 minuten 10 seconden opvraagt, roept Ben verrast uit: “Kijk, daar heb je het plastic zakje waar de vanillestokjes in hebben gezeten.” Het spectrum blijkt van diethylftalaat te zijn – een stof die veel als weekmaker in plastic wordt gebruikt.
Het is een bewijs hoe gevoelig deze combinatie van gaschromatograaf en massaspectrometer is. Zelfs een minuscule hoeveelheid stof, die met het oog al lang niet meer te zien is, wordt door de gaschromatograaf opgespoord en door de massaspectrometer herkend.
Vrije Universiteit Amsterdam
Het boek ‘De kleur van chemie’ werd in 2007 uitgegeven door de Faculteit der Exacte Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam (Afdeling Scheikunde en Farmaceutische Wetenschappen). Het is een geactualiseerde bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren. Ze belichten de rol van de scheikunde op tal van gebieden.