Probenvorbereitung für die Dioxin- und PCB-Analytik im Ultraspurenbereich

Die Nadel im Heuhaufen

von Dr. Uwe Aulwurm

Die Probenvorbereitung von Dioxinen und PCB aus verschiedensten Matrices wie Lebens- und Futtermittel oder Umweltproben spielt eine zentrale Rolle im gesamten Analyseprozess, da die Analyten vielfach im ppt- und ppq-Bereich ­bestimmt werden müssen. Um das Verfahren der Probenvorbereitung zu ­vereinfachen und zu verkürzen, ist ein leistungsfähiges, robustes und verlässliches Gerät für die automatisierte Probenvorbereitung entwickelt worden.

Die im Folgenden vorgestellte automatisierte Probenvorbereitung beschreibt die Abtrennung der Analyten von störenden Matrixkomponenten, wobei unter Analyten alle polychlorierten Dibenzodioxine (PCDD) und Dibenzofurane (PCDF) sowie alle poly­chlorierten Biphenyle (PCB), d.h. ndl-PCB (non-dioxin-like PCB), mo-PCB (mono-ortho PCB) und dl-PCB (dioxin-like PCB), zu verstehen sind. Da die einzelnen Gruppen hinsichtlich ihrer Toxizität unterschiedlich bewertet werden, ist es in der Regel erforderlich, die toxischeren Dioxine (PCDD und PCDF) wie auch dl-PCB separat von den anderen PCB zu sammeln bzw. zu analysieren. Die mehrstufige Probenvorbereitung, die über vier verschiedene Reinigungsschritte, d.h. Säulenformate, abläuft, erlaubt die vorgenannte Abtrennung in unterschiedliche Fraktionen. Die Probenvorbereitung selbst erfolgt in einem handlichen Tischgerät, das trotz der verwendeten Lösungsmittel keinen Abzug benötigt, da der Prozess vollständig in dem geschlossenen Gerät abläuft. Die Säulen sind gebrauchsfertig erhältlich und können in Sekundenschnelle in das System eingesetzt werden. Ein paten­tierter Mechanismus verschließt alle vier Säulen gleichzeitig flüssigkeits- und gasdicht. Die erhaltenen Fraktionen der Aufreinigung können nach einem anschließenden Konzentrierungsschritt direkt im GC-HRMS oder GC-MS/MS gemessen werden.

Methodik der Probenvorbereitung

Die Proben werden nach üblichen Verfahren extrahiert, mit 13C-markierten Standards entsprechend versetzt und dann mit dem Probenvorbereitungsgerät DEXTech™ aufgearbeitet.

Das Stand-Alone-System DEXTech™ (Abb.1) der LCTech GmbH verfügt über ein Touchscreen-Bedienfeld, die bereits erwähnte patentierte Verspannmechanik, eine geschlossene Lösungsmittelversorgung mittels Doppelkolbenpumpe sowie eine geschlossene Fraktionssammlung, getrennte Abfall­sammlung von halogeniertem und nicht halogeniertem Abfall mit Überfüllsensoren und Stickstoff zur Trocknung der gebrauchten Säulen. Als Fertigsäulen sind saure Multilayer-Silicasäulen aus Glas, eine Florisil®-Säule aus Glas und zwei mehrfach verwendbare Kohlenstoffsäulen aus Edelstahl erhältlich. Abbildung 2 zeigt das zur Reinigung bzw. Auftrennung der Analyten verwendete Flussschema; insgesamt werden drei verschiedene Fraktionen, PCDD/F, ndl-PCB/mo-PCB und dl-PCB gesammelt. Die Fraktionierung wird über eine patentierte Verriegelung der Säulen mit zwischengeschalteten Ventilen zur entsprechenden Steuerung des Proben­flusses erreicht. Aufgrund der sehr kleinen Totvolu­men im Gerät ist eine Spülung mit 7?ml ausreichend, um eine Kreuzverschleppung auszuschließen. Nach manueller Injektion der in n-Hexan gelösten Probe in eine 15-ml-Probenschleife startet der automa­tisierte Prozess. Im ersten Schritt wird die Probe über drei Säulen, die saure Silicasäule, die Florisil^®-Säule und eine Kohlenstoffsäule mit n-Hexan gefördert. Dabei wird an der sauren Silicasäule zunächst ein Großteil der Matrixkomponenten durch konzentrierte Schwefelsäure zersetzt und im unteren Teil der Säule weiter chromatografisch gereinigt. Im weiteren Fluss über die Florisil^®-Säule werden die Dioxine auf dieser zurückgehalten, während alle PCB eluieren und auf eine Kohlenstoffsäule geladen werden. Von ihr werden die dl-PCB wiederum zurückgehalten, während der überwiegende Teil an ndl-PCB und einige mo-PCB in der ersten Fraktion mit 140?ml gesammelt wird. Im zweiten Schritt werden die auf der Florisil^®-Säule gebundenen Dioxine im Rückfluss mit n-Hexan/Dichlormethan (1/1; v/v) auf eine weitere Kohlenstoffsäule überführt, dort erneut gebunden, während störende Matrixkomponenten entfernt werden. Die erste Kohlenstoffsäule wird im Anschluss mit demselben Lösungsmittel eluiert und in die erste Fraktion eingeleitet, welche nun alle ndl- und mo-PCB beinhaltet. Unter Rückfluss mit 56?ml Toluol werden die dl-PCB in einer separaten zweiten Fraktion aufgefangen. Der letzte Schritt ist die Elution der Dioxine von der zweiten Kohlenstoffsäule, ebenfalls im Rückfluss mit 56?ml Toluol. Die erhaltenen Fraktionen werden nun entsprechend den Erfordernissen aufkonzentriert, in ein GC-Glas über­führt und mit einem Gaschromatografiesystem gemessen.

Ergebnisse des Ringversuchs

Das oben vorgestellte System wird in den meisten Laboratorien überwiegend für die Analytik von ­Lebens- und Futtermitteln bzw. Umweltproben verwendet. Im Folgenden werden die Ergebnisse aus einem Ringversuch der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) an Umweltproben (Klärschlamm, Boden, Kompost) zur Validierung der künftigen Norm EN 16190 vorgestellt. Die Auswahl der Matrices demonstriert die Leis­tungsfähigkeit des Systems, da teilweise sehr hohe Gehalte an Analyten vorliegen und damit die Gefahr einer Kreuzkontamination gegeben ist. Darüber hinaus stellt die Zusammensetzungen der Matrices z.B. mit Störstoffen, organischem Material sowie schwefelhaltigen Komponenten eine Herausforderung dar. Zielsetzung war der Vergleich der im ­Labor unter Einsatz von DEXTech™ ermittelten Messwerte mit den Konsensuswerten des Ringversuchs. Des Weiteren wurde untersucht, ob hoch kontaminierte Proben eine Kreuzkontamination in die nachfolgende Probe verursachen. Darüber ­hinaus wurde die Robustheit der Aufarbeitung mit dem System überprüft. In Tabelle 1 sind für die verschiedenen Matrices die entsprechenden Messwerte der einzelnen PCDD/F- und PCB-Kongenere des Labors als auch des Gesamtmittelwerts (Konsensuswert) dargestellt. Wie sich zeigt, sind die Werte der mit dem System bearbeiteten Proben in den meisten Fällen in Übereinstimmung mit dem Konsensuswert. Einzelne Abweichungen liegen in der GC-Messung und der Gesamtunsicherheit der Analytik begründet, sind jedoch irrelevant. Die Wiederfindungen liegen in der Regel zwischen 80 und 120%.

Eine zentrale Voraussetzung in der Routine­analytik von Dioxinen und PCB ist die Vermeidung einer Kreuzkontamination, d.h. die Verschleppung einer vorher bearbeiteten in die nachfolgende ­Probe. Gerade im Bereich von Umweltproben, etwa bei Flugasche, werden sowohl für PCDD/F als auch PCB hohe Werte ermittelt, wodurch Flugasche besonders zur Überprüfung einer Kreuzkontamina­tion geeignet ist. Zur Überprüfung wurde zuerst ­eine hochbelastete Flugascheprobe mit einem Säulenset und danach eine Blindprobe mit einem neuen Säulenset bearbeitet. Abbildung 3 verdeutlicht die Kreuzkontamination sowie einen weiteren bedeutenden Wert, den allgemeinen Blindwert. Aufgrund der hochempfindlichen Messung werden in den Labors trotz größter Anstrengungen mehr oder weniger konstante Blindwerte ermittelt. Diese resultieren aus den eingesetzten Materialien, aber auch den jeweiligen Umgebungsbedingungen im Laborgebäude. Insbesondere handelt es sich hierbei um PCBs, da diese früher industrielle Verwendung z.B. in Kunststoffen, Leuchtstoffröhren und Dichtmaterialien fanden. Die dargestellten Blindwertmessungen setzen sich aus den Blindwerten des Lösungsmittels, des Labors und der eingesetzten Säulen zusammen. Eine Verschleppung von PCDD/F konnte nicht gemessen werden. Die gefundenen PCB-Werte nach kontaminierten Flugascheproben liegen größenmäßig im gleichen Bereich wie die typischen Blindwerte des DEXTech™. Daraus ist ersichtlich, dass sowohl das System selbst als auch die vorkonfektionierten Fertigsäulen keinerlei Kreuzkontamination aufweisen. Abschließend erfolgte die Überprüfung der Robustheit des Systems bzw. der Bearbeitung. Hierzu bearbeiteten verschiedene Mitarbeiter einen verdünnten Flugascheextrakt an mehreren Tagen an unterschiedlichen Systemen. Wie sich in Tabelle 2 zeigt, liegen die ermittelten Standardabweichungen sehr gut im Bereich der gesetzlichen Erfordernisse.

Zusammenfassung

Das Gerät zur automatisierten Probenvorbereitung DEXTech™ und die direkt einsetzbaren Fertigsäulen ermöglichen es, schwierige Umweltproben sowie jegliche Lebens- und Futtermittelproben normgerecht zu bearbeiten. Ein großer Vorteil der automatisierten Aufarbeitungen sind die etablierte Methodik mit verfügbaren Fertigsäulen, ein im Vergleich zur manuellen Bearbeitung mit 90min deutlich verkürzter und reproduzierbarer Prozess und der mit weniger als 640ml (inklusive Konditionierung und Fraktionierung) vergleichsweise geringe Lösungsmittelbedarf.

Danksagung

Dem Helmholtz Zentrum München, Deutsches Forschungszentrum für ­Gesundheit und Umwelt (GmbH), Arbeitsgruppe Molecular EXposomics (MEX), insbesondere Herrn Prof. Dr. Dr. Schramm und Herrn Dipl. Chem. Ing. Henkel­mann, danken wir für die Durchführung der Experimente und die Bereitstellung der Daten.

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