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Polychlorierte Biphenyle Nachweis polychlorierter Biphenyle in Oberflächenwasser

Autor / Redakteur: Haibo Wang*, Anthony Gray*, Ed George*, Gunnar Weibchen** und Dr. Georg Kneer** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Herstellung, die Anwendung und der Verkauf polychlorierter Biphenyle (PCB) ist laut Stockholmer Konvention seit 2001 weltweit verboten. Doch deren Eintrag in die Umwelt kann dies nach jahrelangem intensiven Gebrauch nicht stoppen. Daher ist eine aussagekräftige Analytik enorm wichtig. Eine neue GC/MS-Methode erlaubt die Bestimmung von neun PCB-Kongeneren in Oberflächenwasser.

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Eine neue GC/MS-Methode bestimmt neun polychlorierte Biphenyle in Oberflächenwasser.
Eine neue GC/MS-Methode bestimmt neun polychlorierte Biphenyle in Oberflächenwasser.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Toxizität der PCB-Kongenere ist abhängig von ihrer Struktur und geht bei Mischungen der PCB hauptsächlich von den non-ortho und mono-ortho chlorsubstituierten Kongeneren aus [1].

Die PCB wurden erstmalig in Untersuchungen von Umweltproben 1966 aufgefunden [2]. Sie gehören aufgrund ihrer Persistenz zu den zwölf als „dreckiges Dutzend“ bekannten organischen Schadstoffen, deren Herstellung, Anwendung und Verkauf durch die Stockholmer Konvention weltweit verboten wurde. Von den 209 möglichen Kongeneren wurden bislang weniger als 90 in nennenswerter Konzentration in der Umwelt detektiert [3]. Nachweisgrenzen unterhalb 1 pg/µL in der PCB-Analytik von Umweltproben werden gegenwärtig mittels Kopplung von Gaschromatographie mit Elektroneneinfangdetektion (GC-ECD) erreicht. Da bislang keine GC-Kapillarsäule verfügbar ist, die alle 209 Kongenere mit ausreichender Auflösung trennen kann, wurde aus Gründen der Praktikabilität vorgeschlagen, Indikator-Kongenere zu bestimmen. Bei dieser Methode werden in der Umweltanalytik eine Auswahl chromatographisch trennbarer Kongenere als Indikatoren für die Quantifizierung genutzt [4].

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Die Methode zur Bestimmung von neun PCB-Kongeneren im Oberflächenwasser zeichnet sich durch eine minimale Probenvorbereitung und Nachweisgrenzen (LOD, Limit of Detection) unterhalb 0,1 pg/µL aus. Als Analysesystem diente das Varian 4000 GC/MS im EI-Full-Scan-Modus.

Folgende Materialien und Reagenzien wurden verwendet:

  • Oberflächenwasserprobe (etwa 1 L),
  • Neun PCB-Kongener-Standards und Phenanthren-d10 (interner Standard) von Ultra Scientific (s. Tab. 1),
  • Factor-Four VF-Xms GC-Kapillarsäule (30 m, 0,25 mm ID, 0,25 µm FD),
  • Pyrex-Kulturgläser (25 x 200 mm) mit Teflon beschichteten Kappen von Thermo Fisher Scientific,
  • alle Chemikalien mit Reinheitsgrad für HPLC oder Analyse sowie
  • Nanopure infinity ultrareines Wasser (Barnsted International) zur Erstellung der Kalibrierkurven.

Probenvorbereitung für die GC/MS

Zuerst wurden der Qualitätskontrollstandard, der Wiederfindungsstandard sowie ein mit 1 ppb dotierter Standard zur Bestimmung der Detektionsgrenze vorbereitet. In einem Extraktionsröhrchen wurden hierfür zu 35 Milliliter Oberflächenwasser oder hochreinem Wasser je 35 Mikroliter einer Verdünnungsstufe der PCB-Mischung, die jeweils 1000 ppb Phenanthren-d10 (interner Standard) enthält, und sechs Gramm NaCl gegeben. Analog wurden 35 Milliliter hochreines Wasser vorbereitet.

Zu den Proben in den Extraktionsröhrchen wurden 2,0 Milliliter Hexan gegeben. Die verschlossenen Röhrchen wurden eine Minute geschüttelt. Innerhalb einer Minute erfolgte die Phasentrennung und es wurden etwa 1 Milliliter der Hexanphase für die Messungen in ein Autosamplerprobengefäß überführt. Die Konzentrationsbereiche der untersuchten PCB sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Diskussion

Im EI-Full-Scan-Modus wies die Kalibrierkurve eine Linearität mit weniger als 15 Prozent relativer Standardabweichung (% RSD) für alle neun PCB über den Kalibrierbereich von 0,025 bis 5 ppb (mono-, di- und tri-PCB), 0,05 bis 10 ppb (tetra-, penta- und hexa-PCB), 0,75 bis 15 ppb (hepta- und octa-PCB) sowie 0,125 bis 25 ppb (deca-PCB) auf. Abbildung 3 zeigt ein typisches TIC-Chromatogramm eines PCB-Standards mit 5 bis 25 ppb im EI-Full-Scan-Modus.

Der Korrelationskoeffizient r2 gibt einen Hinweis auf den Grad des linearen Zusammenhangs, während die relative Standardabweichung (% RSD) ein Maß für die Streuung der Einzelwerte ist. Abbildung 4 zeigt die Kalibrierkurve eines penta-PCB-Kongeners im EI-Full-Scan-Modus. Weiterführende Untersuchungen zur Bestimmung der Präzision und Genauigkeit im EI-Full-Scan-Modus wurden sowohl mit aufgestocktem Oberflächenwasser als auch Reinstwasser im mittleren Konzentrationsbereich der PCB durchgeführt (s. Tab. 2).

Wie in den Ergebnissen dargelegt, liegen die Wiederfindungen der PCB in Reinstwasser und Oberflächenwasser im Bereich von 93 bis 117 Prozent beziehungsweise 90 bis 114 Prozent. Die relativen Standardabweichungen der mit PCB aufgestockten Proben im EI-Full-Scan liegen für Reinstwasser zwischen 2,0 bis 6,5 Prozent und zwischen 3,5 bis 8,9 Prozent für Oberflächenwasser.

Durch eine Reihe von Wiederholungsmessungen (Replikate) der Reinstwasser- und Oberflächenwasserproben, die jeweils mit den zweitniedrigsten Konzentrationen an PCB dotiert waren (0,05 bis 0,25 ppb), wurde die Nachweisgrenze (LOD) bestimmt. Die Berechnung der Nachweisgrenze basierte auf der Multiplikation der Standardabweichung der quantitativen Ergebnisse mit dem Studentschen t (student factor) bei 99 Prozent Vertrauensbereich. Die Resultate sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Zusammenfassung

Die Methode der chromatographischen Trennung der PCB mittels Factor-Four-VF-Xms-Kapillarsäule und nachfolgender Aufnahme der Massenspektren mit externer Ionisierung im EI-Full-Scan-Modus bietet einige Vorteile:

Sie zeigt eine hohe Empfindlichkeit und niedrige relative Standardabweichung im Vergleich mit ECD-Methoden bei gleichzeitig höherer Aussagekraft der Daten (Aufnahme kompletter Massenspektren).

Der lineare Bereich der Quantifizierung liegt zwischen 0,025 bis 5 ppb für PCB mit niedrigem Molekulargewicht und zwischen 0,125 bis 25 ppb für PCB mit hohem Molekulargewicht.

Die Robustheit der Methode konnte anhand der untersuchten Matrix gezeigt werden.

Hintergrund:Geräteparameter

Die einzelnen Einstellungen der Geräte im Überblick

  • Einstellungen des Varian GC CP 3800:
  • Injektortemperatur: 270 °C
  • Spliteinstellung: Splitlose Injektion für 0,5 min, dann Split 1:50
  • Trägergas: Helium mit 3,0 mL/min, EFC, konstanter Fluss
  • Temperaturprogramm: 80 °C für 2 min; 30 °C/min auf 200 °C, 10 °C/min auf 300 °C, 2 min isotherm; Gesamtlaufzeit: 18,0 min

Temperaturen der Ionenfalle des Varian 4000 MS:

  • Ionenfalle: 250 °C
  • Transferline: 280 °C
  • Manifold: 50 °C
  • Ionenquelle: 250 °C
  • Damping-Gas: 1 mL/min
  • Full-Scan Parameter der Ionenfalle des Varian 4000 MS:
  • Segment 1: 0 bis 5,0 min Filament aus
  • Segment 2: 5,0 bis 18,0 min, EI-Full-Scan
  • Massenbereich: m/z 50 bis 500
  • Target TIC: 20 000
  • Max. Ionisierungszeit: 25 000 µs
  • Scanzeit: 0,79 s/Scan

Literatur

[1] Tanabe, S. PCB Problems in the Future: Foresight From Current Knowledge. Environ. Pollut. 1988, 50:5-28.

[2] Jensen, S. Report of a new chemical hazard. New Sci. 1966, 32: 612-615.

[3] Metacalfe, C. D. Polychlorinated Biphenyls. In: Considerations for a Congener-Specific Analysis. Kiceniuk J. W.; Ray, S. Environ Health Persp. 1994, 81:225-239.

[4] Brochu, C.; Moore, S. Determination of PCBs in Ultra-Trace Levels in Surface Water by Ion Trap GC/MS/MS. GC/MS Varian Application Note. Number 64.

[5] Duinker, J.C.; Schulz, D.E.; Petrick, G. Selection of Chlorinated Biphenyl Congeners for Analysis in Environmental Samples. Mar. Pollut. Bull. 1988,19: 19-25.

[6] Chanel, I. Analysis of Organochlorine Pesticides and PCB Congenes With Agilent 6890 Micro-ECD. Agilent Application Note, June 1997.

*H. Wang, A. Gray, E. George, Varian, Inc, Walnut Creek/USA**G. Weibchen und Dr. G. Kneer, Varian Deutschland GmbH, 64289 Darmstadt

Die Bezeichnung polychlorierte Biphenyle (PCB) steht für eine Stoffgruppe von 209 Einzelverbindungen, den so genannten Kongeneren. Die Kongenere unterscheiden sich nach Anzahl und Position der Chlorierung am Grundgerüst des Biphenyls. Die allgemeine Summenformel der PCB lautet C12H10−xClx. PCB-Kongenere werden anhand des Substitutionsmusters der Chloratome an den Phenylringen des Biphenylgerüstes benannt (s. Abb. 1).

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