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Den Nachweis von PAK vereinfachen

| Redakteur: LP-Redaktion

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( Archiv: Vogel Business Media )

Weit verbreitet für den Nachweis von PAKs ist die Hochleistungsflüssigchromatographie mit Fluoreszenzdetektion. Abgesehen davon, dass sich die Identifikation der PAK oft als schwierig erweist, handelt es sich um ein arbeits- und zeitintensives Verfahren. Ein Auftragslabor aus Niedersachen wollte daher seine Vorgehensweise bei der PAK-Analyse ändern. Mit Unterstützung des in Mülheim an der Ruhr ansässigen Geräteherstellers Gerstel wurde die bislang von Hand durchgeführte Aufreinigung der Probenextrakte mittels Festphasenextraktion (SPE) vollständig automatisiert. Gleiches gilt für die Probenaufgabe: Statt den Extrakt einzudampfen und mit einem LC-gängigen Lösemittel aufzunehmen, erfolgt die Aufgabe direkt in den GC als Large-Volume-Injektion. ??EPA-Methode als Maßstab bei der PAK-Analyse??Zu den PAKs zählen rund 100 verschiedene Substanzen. Das besondere an ihnen beziehungsweise ihr kleinster gemeinsamer Nenner findet sich in ihrer Molekülstruktur. Es handelt es sich immer um die Verbindung von mindestens zwei aromatischen Kohlenwasserstoffringen. Aufmerksamkeit erregen aber vor allem Polyaromaten, bei denen vier bis sieben Ringe eine Einheit bilden. Die US-amerikanische Umweltbehörde EPA (Environmental Protection Agency) hat 16 PAKs als besonders gefährlich eingestuft. ??In der EPA-Methode 610, die sich zunehmend zum Maßstab beim Nachweis entwickelt, sind folgende PAKs zur Fahndung ausgeschrieben: Naphthalin, Acenaphthylen, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren, Anthracen, Fluoranthen, Pyren, Benzo[a]-pyren, Benzo[a]anthracen, Chrysen, Benzo[b]fluoranthen, Benzo[k]fluoranthen, Dibenz[a,h]anthra-cen, Benzo[g,h,i]perylen und Indeno[1,2,3-c,d]pyren. Gefährlich für den Menschen sind diese PAK, allen voran das Benzo[a]pyren, aufgrund ihrer ausgeprägten hormonaktiven, genverändernden, krebserregenden oder auch fruchtschädigenden Wirkung. In den Körper aufgenommen, reichern sie sich im Fettgewebe an; an Rußpartikeln anhaftend, werden sie zudem lungengängig. PAKs sind nicht nur schädlich, sondern obendrein auch noch extrem langlebig und ubiquitär: Selbst im Eis der Antarktis finden sich polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen anthropogenen Ursprungs. ??Erdöl – Segen und Fluch gleichermaßen??Als natürlicher Bestandteil finden sich PAKs in Kohle und Erdöl, folglich auch – mal in größeren, mal in kleineren Mengen – in Produkten, die aus den genannten Rohstoffen hergestellt wurden, etwa Teer, Bitumen, Asphalt, Otto- und Dieselkraftstoff oder auch Additiven, wie sie Kunststoffen (siehe Kasten) zugesetzt werden. Mit diesen Zusätzen kann das Eigenschaftsprofil der Produkte beeinflusst werden. PAKs entstehen allerdings auch im Verlauf einer unvollständigen Verbrennung organischer Materialien wie Diesel, Benzin, Heizöl, Holz oder Tabak. Brandrückstände können dementsprechend PAKs enthalten. Gleiches gilt für Baustoffe wie Dachpappe oder Asphalt. Aus eben diesem Bereich stammen die Proben, die ein in Niedersachen ansässiges Auftragslabor auf die von der EPA geächteten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe hin untersucht. Das Labor setzte bislang bei der Analyse auf die Hochleistungsflüssigchromatographie mit anschließender Fluoreszenzdetektion. Diese Vorgehensweise erfordert unter Umständen den Einsatz großer Mengen Lösemittel. Die Aufreinigung der Probenextrakte, die in der Regel manuell mittels Festphasenextraktion erfolgte, sowie das Eindampfen und Aufnehmen des Rückstandes mit einem adäquaten Lösemittel, erwies sich zudem als arbeits- und zeitintensiv. Das Unternehmen war daran interessiert, die Methode zu vereinfachen und so Zeit und Geld zu sparen. Dr. Oliver Lerch, Applikationspezialist bei Gerstel, beschreibt die Anforderungen: „Wir wurden beauftragt, zu prüfen, ob die automatisierte Gerstel-SPE mit anschließender Large-Volume-Injektion in einen Gaschromatographen und massenselektiver Detektion (LVI-GC/MS) ebenso gute oder gar bessere Ergebnisse liefere, als die bisherige Applikation.“??Um die Freiheitsgrade der Gerstel-Applikateure weiter einzuschränken beziehungsweise ihre Entwicklungsarbeit anspruchsvoller zu gestalten, galt es zusätzlich, die Bestimmungsgrenzen der 16 EPA-PAKs auf 0,01 µg/mL je Komponente im Probenextrakt zu reduzieren. Die neue Methode unterteilt sich in zwei verschiedene automatisierte Arbeitsschritte: Probenvorbereitung und Probenaufgaben.??Für die Probenvorbereitung wurden die Dachpappen- beziehungsweise Asphalt-Extrakte zunächst im Verhältnis 20:1 oder 100:1 mit einer Dichlormethan-Hexan-Lösung (1:1) verdünnt. Die Aufreinigung erfolgte mittels automatisierter SPE. Kalibriert wurde über einen Konzentrationsbereich von 0,5 bis 1000 ng/mL. Als interner Standard wurde jedem mL Probe/Kalibrierlösung vier Mikroliter einer Lösung von d10-Phenanthren in Methanol zugesetzt ??Die so gereinigten Extrakte wurden nun ebenfalls automatisiert in den Gaschromatographen gebracht. 100 µL der Proben wurden mittels einer Large-Volume-Injektion in das Gerstel-Kalt-Aufgabe-System KAS 4 aufgegeben. Die Injektionsgeschwindigkeit entsprach nahezu der Verdampfungsgeschwindigkeit des Lösemittels. Es verdampft zum größten Teil bei der Injektion und entweicht durch den Split-Ausgang des GC. Die Analyten werden bei 10?°C auf dem KAS-Liner zurückgehalten. Nach Injektion der kompletten Probe wird der Splitausgang geschlossen und das KAS auf 300?°C geheizt, wobei die Analyten auf die Säule überführt werden.??Ziel durch neue Methoden in allen Punkten erreicht??Die Kundenapplikation habe sich ohne Probleme auf die Gerstel-SPE übertragen und vollständig automatisieren lassen. Die LVI-GC/MS lieferte gute Ergebnisse. Oliver Lerch: „Die relativen Standardabweichungen der Gesamtmethode sind sehr gut und liegen für die meisten Analyten um ein Prozent: zwischen 0,8 und 2,8 Prozent für 20?ng/L Standardlösung und zwischen 0,4 und 9,7 Prozent für Dachpappenextrakte (1:100).“ Die geforderte Bestimmungsgrenze von 0,01 µg/mL, das entspricht 10 ng/mL, lasse sich so leicht erreichen. Im Bereich zwischen 0,5 und 1000 ng/mL seien die Kalibriergeraden linear versehen mit sehr guten Korrelationskoeffizienten von 0,999. Zur Berechnung der Gehalte der Realproben wurden je nach Probenvolumen, das auf die SPE-Kartusche gegeben wurden, die Kalibriergeraden für 500 beziehungsweise 1000 µL Probe verwendet. Die Auswertung erfolgte mit und ohne Einbeziehung des internen Standards d10-Phenanthren. ??Eine Blind-Extraktion direkt nach der Extraktion des größten Standards erbrachte eine geringe Verschleppung. „Naphthalin ist die einzige Substanz, die höhere Standardabweichungen und Blindwerte aufweist“, erklärt Gerstel-Mitarbeiter Lerch. Grund sei vermutlich, dass Hexan und Dichlormethan nicht die idealen Lösemittel für Naphthalin sind; die relative Flüchtigkeit von Naphthalin spiele hierbei auch eine Rolle. Würde das Lösemittel weiter optimiert, schlussfolgert der Chemiker, ließe sich die Performance für Naphthalin wahrscheinlich verbessern. ??„Wiederholte Injektionen eines Standards weisen mit der 1-mL-Spritze etwas höhere, aber immer noch sehr gute, relative Standardabweichungen auf als mit der 100 µL-Spritze“, resümiert Lerch. Es sei daher möglich, die gesamte Applikation inklusive Injektion mit nur einer Spritze (1 mL-Spritze) an einem MPS durchzuführen. Soll indes eine 100 µL-Spritze für die Injektion zum Einsatz kommen, so lasse sich nach der Extraktion der Proben die Spritze wechseln und die Proben injizieren. Durch den Einsatz eines so genannten Dual-Rail-Autosamplers kann der Anwender auf den Spritzenwechsel verzichten. Bei diesem Autosampler sind zwei Roboterarme übereinander gelagert; die Funktionen sind miteinander verschachtelt: Während ein Arm unter Einsatz einer 1-mL- oder 2,5-mL-Spritze Standardlösungen zugibt und extrahiert, führt der andere die Large-Volume-Injektion aus einer 100-µL-Spritze durch. Oliver Lerch: „PAKs lassen sich auf einfache und überaus effiziente Weise bestimmen. Es kommt da auf die richtige Methode an.“

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