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GC/MS Organophosphate in Stillgewässern mit GC/MS analysieren

Autor / Redakteur: Julia Regnery* und Wilhelm Püttmann* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Chlorierte beziehungsweise unchlorierte Organophosphate werden als Flammschutzmittel oder Weichmacher zahlreichen Produkten zugesetzt. Aus diesem Grund gehören sie mittlerweile zu den dominierenden Fremdstoffen in Oberflächengewässern. Für die exakte Analyse der Organophosphate in Stillgewässern ist eine geeignete Probenvorbereitung ein entscheidendes Kriterium.

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Abb. 1: Allgemeine Strukturformel der Phosphorsäureester. R1, R2 und R3 sind entweder gleiche oder verschiedene organische Substituenten. In allen technisch relevanten Produkten ist R1=R2=R3 (s. Tab. 1).
Abb. 1: Allgemeine Strukturformel der Phosphorsäureester. R1, R2 und R3 sind entweder gleiche oder verschiedene organische Substituenten. In allen technisch relevanten Produkten ist R1=R2=R3 (s. Tab. 1).
( Archiv: Vogel Business Media )

Die drei chlorierten Organophosphate Tris(2-chlorethyl)phosphat (TCEP), Tris(1-chlor-2-propyl)phosphat (TCPP) und Tris(1,3-dichlor-2-propyl)phosphat (TDCP) finden als Flammschutzmittel breite Anwendung in Schaumstoffen und einer Vielzahl weiterer Produkte. Durch Verdampfung, Auswaschung oder im Zuge der Entsorgung Organophosphat-haltiger Produkte werden sie freigesetzt und belasten aufgrund ihrer physikochemischen Eigenschaften (niedrige Henry-Koeffizienten, hohe chemische Stabilität im Wasser) insbesondere die aquatische Umwelt. Die drei unchlorierten Organophosphate Triisobutylphosphat (TiBP), Tri-n-butylphosphat (TnBP) und Tris(2-butoxyethyl)phosphat (TBEP) hingegen werden vorwiegend als Weichmacher verwendet. Die allgemeine Strukturformel dieser Substanzen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Im Jahr 2001 lag der weltweite Verbrauch von chlorierten Flammschutzmitteln bei etwa 186 000 Tonnen [1]. Aufgrund strengerer Brandschutzbestimmungen sowie der stärkeren Regulierung der Verwendung bromierter Flammschutzmittel wird mit einem weiteren Anstieg des Verbrauchs an chlorierten Organophosphaten gerechnet. Untersuchungen zum Vorkommen und der Persistenz von chlorierten Flammschutzmitteln in der aquatischen Umwelt sowie deren potenziell gefährliche Wirkung auf aquatische Lebewesen und die menschliche Gesundheit sind im Rahmen der EURisikobewertung in Risk Assessment Reports zusammengefasst (ORATS, Online European Risk Assessment Tracking System).

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Das Auftreten von chlorierten Organophosphaten wurde in Kläranlagen und Fließgewässern vielfach untersucht. Für sie ist eine geringe biologische Abbaubarkeit bei konventioneller Abwasserbehandlung beschrieben. Eine vergleichbare Persistenz ist bei den unchlorierten Organophosphaten nicht gegeben [2]. Das Vorkommen dieser Substanzen in Oberflächengewässern und im Grundwasser wurde hauptsächlich der Einleitung geklärter Abwässer zugeschrieben [3]. Eine kürzlich von Bacaloni und Mitarbeitern [4] in Italien durchgeführte Studie an abgelegenen, hydrographisch geschlossenen Systemen ohne Abwasserbelastung legt aber nahe, dass der Eintrag von Organophosphaten durch nasse oder trockene Deposition als weitere wichtige Quelle für das Vorkommen dieser Substanzen in Oberflächengewässern in Betracht zu ziehen ist. Ausgehend von den Hauptemittenten Ballungsraum und Straßenverkehr wird ein Transport dieser Substanzen über die Atmosphäre diskutiert [5].

Im Rahmen eines Forschungsprojekts zum atmosphärischen Eintrag von Organophosphaten in Oberflächengewässer wurden daher anthropogen gering beeinflusste, abgelegene Seen vulkanischen Ursprungs (Krater- und Maarseen) untersucht. Die Analyse der Wasserproben erfolgte nach Anreicherung der organischen Substanzen durch Festphasenextraktion (Solid Phase Extraction, SPE) und anschließender Gaschromatographie-Massenspektroskopie (GC-MS).

Optimierung der Probenaufbereitung

Für Wasserproben, in denen nur geringe Konzentrationen der Zielsubstanzen zu erwarten sind, ist ein großes Probenvolumen (> 1,5 L) bei der SPE und somit ein hoher Anreicherungsfaktor notwendig. Um ungelöste Bestandteile und organische Schwebstoffe aus den Proben zu entfernen, müssen diese filtriert werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich die organischen Schwebstoffe bei der SPE auf dem Adsorbermaterial der Einweg-Kartuschen anlagern und zu einem frühzeitigen Verstopfen der Kartuschen führen. Zudem können mit organischer Matrix belastete Proben bei der GC-MS-Analytik die Qualität der chromatographischen Trennung herabsetzen sowie die Trennsäule stark belasten.

Bisher erfolgte die Filtration der Wasserproben mit vorextrahierten Faltenfiltern (597, Schleicher & Schuell). Diese Filtrations-Methode erwies sich jedoch bei stark schwebstoffhaltigen Wasserproben als ungeeignet, da sich die Faltenfilter bereits nach einem filtrierten Volumen von 200 bis 300 mL zusetzten und gewechselt werden mussten. Fast alle der untersuchten Stillgewässer wiesen besonders während der Sommermonate einen hohen Gehalt an organischer Substanz auf, sodass sich die Probenaufbereitung unverhältnismäßig zeitaufwändig gestaltete oder zu geringe Volumina für die Probenanreicherung mittels SPE erzielt wurden.

Versuche unter Verwendung einer Vakuumfiltrationseinheit (Sartorius) ermög-lichten zwar eine schnellere Filtration der Wasserproben, waren aber ebenso wenig für die Filtration stark partikelhaltiger Proben geeignet.

Druckfiltration

Die Verwendung einer mit Stickstoff betriebenen Druckfiltrationseinheit aus Edelstahl (Sartorius, s. Abb. 2) erzielte hingegen das gewünschte Resultat. Die verwendeten Glasfaserfilter (Typ A/E, Pall) hatten einen Durchmesser von 143 mm bei einer Porengröße von unter 1 µm und wurden vor der Filtration mindestens zwei Stunden bei 400 °C ausgeheizt. Die Filtration mit Membranfiltern der Porengröße unter 0,45 µm erwies sich als nicht praktikabel, da dies die Verwendung mehrerer Vorfilter erforderte. Dank des großen Aufgusszylinders der Einheit (Volumen 2,12 L) konnte die gesamte Probe in einem Schritt eingefüllt werden. So wurde ein längerer Kontakt mit der umgebenden Laborluft vermieden. Die Filtration war mit einem angelegten Druck von 1,5 bar selbst bei moorigen Wasserproben innerhalb weniger Minuten möglich. Nach jeder Probe wurde die Filtrationseinheit zerlegt und sorgfältig mit Reinstwasser gereinigt, um Querkontaminationen zu vermeiden. Des Weiteren wurden regelmäßig Blindwertanalysen durchgeführt. Um mögliche Substanzverluste während der Probenaufbereitung abschätzen zu können, wurden die Wasserproben vor der Filtration (Applikation auf den Filter) mit 2 µg Tri-n-pentylphosphat (TPeP, Surrogatstandard) dotiert.

Festphasenextraktion

Die filtrierten Wasserproben (1,5 bis 2,5 L) wurden mittels SPE mit Bond-Elut-PPL-Kartuschen (1 mL, Varian) bei einem Unterdruck von 800 mbar extrahiert. Die Kartuschen wurden zuvor mit 1 mL Methanol und 1 mL Methanol/Acetonitrilgemisch (1/1) konditioniert. Nach Trocknung der Kartuschen im Stickstoffstrom erfolgte die Elution der auf der Festphase angereicherten mittelpolaren und polaren organischen Substanzen dreimal mit je 333 µL eines Methanol/Acetonitrilgemischs (1/1). Das Eluat wurde mit hochreinem Stickstoff bis zur Trockene eingeengt und der Rückstand in 100 µL Acetonitril gelöst. Zur Quantifizierung wurden vor Beginn der Messung 4 µg des internen Standards Squalan zugegeben.

GC-MS-Analytik

Die Analyse der Proben erfolgte anhand eines Gaschromatographen (Thermo Scientific, Trace GC Ultra) gekoppelt mit einem Massenspektrometer (Thermo Scientific, DSQ II, s. Abb. 3). 1 μL des jeweiligen Extrakts wurde mithilfe des Autosamplers TriPlus (Thermo Scientific) splitlos injiziert. Die Injektortemperatur betrug dabei 240 °C. Zur Auftrennung der einzelnen Verbindungen wurde eine 30 Meter lange SLB-5ms Kapillar-Säule (Supelco) mit 0,25 µm Filmdicke und einem Innendurchmesser von 0,25 mm verwendet. Helium 5.0 diente als Trägergas. Der Gasdruck betrug 70 kPa. Die Ofentemperatur des Temperaturprogramms wurde zunächst eine Minute bei 80 °C gehalten und dann linear mit einer Rate von 4 °C / min bis 300 °C erhöht. Die Ausheizphase des Säulenofens bei 300 °C dauerte 30 Minuten. Die Probenmoleküle wurden im Massenspektrometer durch Ionisation im EI-Modus (Elektronenstoß-Ionisation) bei 70 eV fragmentiert. Der Massenbereich m/z 45 bis 600 wurde mit einem Scan pro Sekunde im Full-Scan-Modus gemessen. Abbildung 4 zeigt das Totalionenstromchromatogramm (TIC) einer analysierten Wasserprobe aus dem Kratersee. Die Quantifizierung der gesuchten Substanzen erfolgte in der jeweiligen Massenspur m/z des Hauptions anhand der internen Standardkalibration. Die jeweiligen Response- und Korrekturfaktoren der Standardsubstanzen wurden für jede Probenserie neu bestimmt. Die Nachweisgrenzen der einzelnen Substanzen (Limit of detection, LOD) wurden in Anlehnung an die DIN Norm 32645 auf Basis mehrfach gemessener Kalibrationskurven mit dem Programm DIN-Test 2000 (Universität Heidelberg) berechnet (s. Tab. 1).

Zusammenfassung

Die Methode der Probenaufbereitung und -anreicherung durch Festphasenextraktion (SPE) mit vorheriger Druckfiltration bietet den Vorteil, dass viele parallel gesammelte Wasserproben (Probenserien) mit nur geringem apparativem Aufwand innerhalb kurzer Zeit aufbereitet werden können. Die Filterfläche von 130 cm2 ermöglicht auch bei stark partikelhaltigen Proben kurze Filtrationszeiten. Zudem kommt die Festphasenextraktion ohne den, bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion benötigten, hohen Verbrauch an organischen Lösungsmitteln aus.

Literatur

[1] Davenport, B.; Fink, U.; Sasano, T.: Flame retardants. Marktstudie. SRI International, 2002.

[2] Meyer, J.; Bester, K.: Organophosphate flame retardant and plasticizers in wastewater treatment plants. J. Environ. Monit. 2004, 6:599-605.

[3] Andresen, J. A.; Grundmann, A.; Bester, K.: Organophosphorus flame retardants and plasticizer in surface water. Sci. Total Environ. 2004, 332 :155-166.

[4] Bacaloni, A. ; Cucci, F.; Guarino, C.; Nazzari, M.; Samperi, R.; Lagana, A.: Occurence of organophosphorus flame retardant and plasticizers in three volcanic lakes of central italy. Environ. Sci. Technol. 2008, 42:1898-1903.

[5] Marklund, A.; Andersson, B.; Haglund, P.: Traffic as a source of organophosphorus flame retardants and plasticizers in snow. Environ. Sci. Technol. 2005, 39:3555-3562.

[6] Fries, E.; Püttmann, W.: Occurrence of organophosphate esters in surface water and ground water in Germany. J. Environ. Monit. 2001, 3:621-626.

*Goethe-Universität Frankfurt am Main, Institut für Atmosphäre und Umwelt, Arbeitsgruppe Umweltanalytik, 60438 Frankfurt am Main,

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