Lüders, Christian: Entwicklung von Analysenverfahren und Referenzmaterialien für die Bestimmung von Phenolen in umweltrelevanten Matrices

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Kapitel 5. Referenzmaterialien

Referenzmaterialien dienen der Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Verbesserung der Vergleichbarkeit analytischer Resultate<160> (z.B. für Qualitätssicherungssysteme (EN 45001, ISO 25) und Laboratorium-Akkreditierung). Die Anforderungen, die an Referenzmaterialien bezüglich ihrer qualitativen und quantitativen Zusammensetzung gestellt werden, richten sich nach ihrem Verwendungszweck. Ideale Referenzmaterialien der Umweltanalytik sind den natürlichen Proben möglichst ähnlich, bezüglich Matrix und Inhaltsstoffen charakterisiert und in den relevanten Parametern zertifiziert.

Referenzmaterialien müssen homogen und unter definierten Lagerungsbedingungen innerhalb eines definierten Zeitraums stabil sein, so daß sie bei Verwendung geeigneter Analysenverfahren die Bestimmung der Analyte innerhalb definierter Ergebnisunsicherheiten gestatten. Diese Materialien haben aus Gründen der Vergleichbarkeit von Analysenergebnissen und deren Akzeptanz große wirtschaftliche Bedeutung auf nationaler und internationaler Ebene<161>.

Die Verfahrensentwicklung zur Bestimmung von Phenolen auf Basis unabhängiger Analysentechniken, die den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet, setzt voraus, daß Materialien eingesetzt werden, deren Zusammensetzung genau bekannt ist. Das ist am besten durch gravimetrisch hergestellte Lösungen realisierbar. Sind diese Lösungen bezüglich Stabilität, Homogenität und Vertrauensbereich der Analytgehalte charakterisiert, lassen sie sich als laboratoriuminterne Referenzmaterialien einsetzen. Erst im darauffolgenden Schritt können Matrix-Referenzmaterialien eingesetzt werden, um die Qualitätssicherung der Probenvorbereitung mit einzuschließen.

Bei analytisch relevanten organischen Spurenkomponenten in Referenzmaterialien ist die Stabilität im Vergleich zu den anorganischen Komponenten gering. Die Analyte können z.B. durch thermische Zersetzung sowie oxidative, photochemische und mikrobielle Prozesse zerstört werden. Bei der Herstellung von Referenzmaterialien für die Phenolanalytik muß daher gewährleistet sein, daß die Analytkonzentration in einem definierten Zeitraum stabil bleibt und nicht durch Zersetzung oder Abbau verändert wird.

Die Homogenität ist bei flüssigen Referenzmaterialien im Gegensatz zu festen wegen der guten Durchmischbarkeit der Matrix gewährleistet, solange das Löslichkeitsprodukt der


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Analyte nicht überschritten wird und die Substanzen in Konzentrationsbereichen vorliegen, in denen Wandadsorptionseffekte an Gefäßwände vernachlässigt werden können.

Es wurden Referenzmaterialien bestehend aus 12 phenolischen Verbindungen in der Matrix Wasser für den laborinternen Einsatz in 2 Konzentrationsniveaus durch gravimetrische Verdünnung hergestellt. Die Stabilität der Materialien wurden über den Zeitraum von 2 Monaten mit dem ”Direkten-MEKC-Stacking“-Verfahren der Kapillarelektrophorese geprüft. Werden die Referenzmaterialien bei Raumtemperatur gelagert, zersetzen sie sich innerhalb einer Woche, so daß die Abweichungen der bestimmten Gehalte von den Sollkonzentrationen und die zugehörigen Streuungen im Bereich von 20 bis 30% liegen. Damit liegt die Abweichung deutlich über der durchschnittlichen Verfahrensunsicherheit (ca. 10%, siehe Kapitel 4.2.4.3 ). Die Meßwerte lassen auch eine Zeitabhängigkeit bedingt durch den Alterungsprozeß erkennen.

Die Messungen von gekühlt (-4°C) gelagerten Proben (Messung bei Herstellung, nach 3 Tagen, nach 30 Tagen und nach 60 Tagen) über den Zeitraum von 2 Monaten ergaben, daß die Materialien im Bereich der Meßunsicherheit stabil sind.

Die Werte der einzelnen Meßreihen lassen keine Tendenzen bezüglich der Mittelwerte und Standardabweichungen erkennen, die auf Zersetzung der Analyte schließen lassen. Als Beispiel ist in Abbildung 44 der Gehalt an 2,4,6-Trimethylphenol in Abhängigkeit von der Alterung dargestellt. Die Abweichungen von der Sollkonzentration liegen im Bereich der Toleranzgrenzen (+/- doppelte Wiederholpräzision).

Bei der Analyse vergleichbarer älterer Lösungen (Alter ca. 18 Monate, Lagerung ebenfalls bei -4°C) konnte ebenfalls keine Zersetzung der Proben beobachtet werden, so daß die Stabilität der Referenzmaterialien auf den Zeitraum von ca. 2 Jahren abgeschätzt wird.

An den vier Meßtagen über den Zeitraum von 60 Tagen wurden die jeweiligen Mittelwerte und Standardabweichungen bestimmt. Die Werte zeigen keine signifikante Tendenz bezüglich eines Alterungsprozesses (vgl. Abbildung 44 ), so daß die Werte gemeinsam statistisch erfaßt wurden. Die Mittelwerte wurden daher zusammengefaßt und als Gesamtmittelwerte dargestellt.


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Abbildung 44: Stabilität von 2,4,6-Trimethylphenol in Abhängigkeit vom Alter des Referenzmaterials

Abbildung 45 und Abbildung 46 zeigen die Werte für die Analyt-Sollkonzentrationen und die detektierten Gesamtmittelwerte mit den zugehörigen Standardabweichungen der Stabilitätsmessungen (Zeitraum 60 Tage) für die Referenzmaterialien. Die Gesamtmittelwerte ergeben sich aus den Mittelwerten für die verschiedenen Meßtage (Alterung). Jede Meßreihe wurde gemäß der erarbeiteten Standardarbeitsanweisung158 (siehe auch Kapitel 0 ) durchgeführt. Die Konzentrationsangaben beziehen sich auf die Menge an Analyt in Menge der Probenlösung. In Tabelle 19 und Tabelle 20 im Anhang sind die zu den Abbildungen gehörigen Zahlenwerte sowie die prozentuale Meßwertstreuung (Präzision) und die prozentuale Abweichung der Mittelwerte von der Sollkonzentration (Richtigkeit) aufgelistet.

Abbildung 45 zeigt die Mittelwerte und Standardabweichungen für die Stabilität des Referenzmaterials im Konzentrationsbereich von 1,0 mg/kg. Die Werte weichen durchschnittlich um 6% von den Sollwerten ab und streuen dabei um 4%. Damit liegen die statistischen Abweichungen der Werte des Referenzmaterials im Bereich der Wiederholpräzision des Analysenverfahrens.

Signifikant ist auch hier wieder die durch Querstörungen verfälschte Auswertung der Analyte 1-Naphthol und 2-Methoxyphenol, wodurch die größten Abweichungen entstehen.


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Abbildung 45: Mittelwerte und Standardabweichungen für das Referenzmaterial, Konzentration der Analyte ca. 1 mg/kg

Auch beim Referenzmaterial im unteren Konzentrationsbereich (0,5 mg/kg) liegen die Abweichungen von der Sollkonzentration und die Streuungen jeweils durchschnittlich bei 5%. Da dieses Konzentrationsniveau in der Größenordnung der Bestimmungsgrenze liegt, ist der Einfluß von Störsignalen des Untergrundes noch stärker. Daher betragen die Abweichungen für 1-Naphthol und 3-Methoxyphenol von der Sollkonzentration mehr als 15% (siehe Abbildung 46).

Um die Probenvorbereitung und Extraktion in die Verfahrensvalidierung mit einzubeziehen, werden feste Matrix-Referenzmaterialien mit bekannter Analytkonzentration benötigt. Dazu wurde unbelastetes Bodenmaterial mit verschiedenen Phenolen dotiert.

Bei ausführlichen Untersuchungen<162> wurde festgestellt, daß sich die Analyte innerhalb kurzer Zeit (ca. 1 Woche) nach Dotierung des Materials sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Kühlung in andere Phenolderivate umwandelten.


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Abbildung 46: Mittelwerte und Standardabweichungen für das Referenzmaterial, Konzentration der Analyte ca. 0,5 mg/kg

Die Abbauprozesse wurden am Beispiel der Dotierung eines unbelasteten Bodens mit 2,4,6-Trimethylphenol untersucht. Die Identifizierung der Zersetzungsprodukte erfolgte mit den Verfahren der GC-MS und HPLC-MS. Die GC-MS-Massenspektren wurden mit Hilfe einer Spektrenbibliothek zugeordnet. Als Abbauprodukte von 2,4,6-Trimethylphenol konnten die Produkte einer Dimerisierung (symmetrisches Dimer: 4,4´-Methylenbis-2,6-dimethylphenol, Molekülmasse: 256 Dalton; asymmetrisches Dimer: alpha-4-(4-Hydroxy-2,3,5-trimethylphenyl)-mesitol, Molekülmasse 270 Dalton) und das Produkt einer Oxydation (4-Methoxymethyl-2,6-dimethylphenol, Molekülmasse: 152 Dalton) zugeordnet werden.

Die Massen der Molekülionen konnten mit dem HPLC-MS-Verfahren (nach Umkehrphasentrennung) bestätigt werden.

Die Zersetzung schreitet über den Zeitraum von mehreren Monaten fort. Da die Stabilität des Materials nicht gewährleistet ist, können feste synthetische Matrix-Referenzmaterialien der ausgewählten Analyten nicht hergestellt werden.

Die entwickelten Verfahren und die Erfahrungen bei der Herstellung des synthetischen flüssigen Materials bilden die Grundlage für die Entwicklung und Zertifizierung fester natürlicher Matrix-Referenzmaterialien.


Fußnoten:
<160> P. Quevauviller, ”Reference materials: an inquiry into their use and prospects in Europe“, Trends Anal. Chem. 18 (1999) 76-84
<161> A. Zschunke, ”Global comparability of analytical results“, Accred. Qual. Assur. 3 (1998) 393-397
<162> K. Krüger, C. Lüders, S. Schrahé, ”BAM-interner Forschungsbericht: Untersuchungen der Konzentrationsveränderungen spezieller Alkylphenole im Ackerboden“ (April 1999)


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Thu Dec 30 17:06:56 1999