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

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Kapitel 6. Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden für die Bestimmung von Phenolen, unter besonderer Berücksichtigung der Alkylphenole, in umweltrelevanten Matrices voneinander unabhängige Analysenverfahren auf Basis der Techniken der HPLC-MS, HPLC-NMR, GC-MS und Kapillarelektrophorese entwickelt und eingesetzt. Jedes Verfahren hat spezifische Vor- und Nachteile bezüglich Einsatzbereich, Meßunsicherheit, Selektivität, Empfindlichkeit sowie Zeit- und Kostenaufwand. Der Einsatzbereich der Verfahren wird durch Anfälligkeit gegenüber Matrixeinflüssen, detektierbare Substanzpalette, Routinefähigkeit sowie Eignung zur qualitativen und quantitativen Analytik bestimmt. Erst durch den kombinierten Einsatz verschiedener Verfahren kann eine umfassende analytische Aussage für die Charakterisierung von Matrixproben erzielt werden.

Die Kenndaten der entwickelten Analysenverfahren sind inTabelle 9 gegenübergestellt.

Tabelle 9: Kenndaten der entwickelten Analysenverfahren

 

GC-LRMS

GC-HRMS

CE

HPLC-MS

HPLC-NMR

Bestimmungsgrenzen

1 µg/L

1 µg/L

100 µg/L

50-500 µg/L

5 x 104 µg/L

Selektivität

hoch

sehr hoch

gering

mittel

sehr hoch

Einsatzbereich

sehr hoch

sehr hoch

hoch

mittel

gering

Zeitaufwand/ Stunden

1

1

< 1

1,5

4

Kosten

mittel

hoch

gering

hoch

sehr hoch

Meßunsicherheit

1-5%

1-5%

5-10%

5-10%

10-20%

Das GC-LRMS-Verfahren ist wegen seiner hohen Empfindlichkeit und Selektivität für die Bestimmung einer breiten Palette von Phenolen, die sich in ihren physikochemischen Eigenschaften stark unterscheiden, sowohl als quantitatives Standardverfahren als auch als wichtige Screeningmethode zur Analyse unbekannter Proben einsetzbar. Das Verfahren wurde validiert und an realen Proben geprüft. Nach Derivatisierung mit MSTFA gelingt die Trennung, Zuordnung und Bestimmung der meisten phenolischen Substanzen. Die direkte Gehaltsbestimmung der Analyte im Bereich der internationalen Grenzwerte ist oft ohne vorherige Aufkonzentrierung bei der Probenvorbereitung möglich (siehe Tabelle 9).

Das GC-HRMS-Verfahren hat die höchste Selektivität und erlaubt die Bestimmung aller untersuchten phenolischen Verbindungen, bedarf jedoch eines hohen Kostenaufwandes. Damit ist es ein leistungsstarkes Referenzverfahren für die Phenolanalytik.


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Mit der Kapillarelektrophorese wurde das ”Direkte-MEKC-Stacking“-Verfahren zur Anreicherung neutraler und ionischer Analyte entwickelt und validiert. Die Analyte werden dabei durch unterschiedliche Aufenthaltswahrscheinlichkeiten in der micellaren und wäßrigen Phase des MEKC-Elektrolyten getrennt. Die interne Anreicherung (Stacking) der Analyte in der Kapillare erfolgt ohne Feldumkehr während der Analyse. Anhand von Oberflächenspannungsmessungen am MEKC-Elektrolyten wurde festgestellt, daß die Micellbildung im Elektrolyt nicht so abrupt wie in rein wäßrigen Systemen bei der Kritischen Micellaren Konzentration erfolgt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Konzentration an Tensidmonomeren in der wäßrigen Phase wegen des Anteils an organischen Lösungsmittel-Additiven (insgesamt 15% v/v) erhöht ist. Dadurch werden die kapillarelektrophoretischen Trenneigenschaften des MEKC-Elektrolyten beeinflußt, so daß die Trennung der untersuchten phenolischen Verbindungen gelingt. Die Verfahrenskenngrößen wurden in einem Ringversuch mit einem laborinternen Referenzmaterial abgesichert. Dabei wurde verifiziert, daß das ”Direkte-MEKC-Stacking“-Verfahren auch im externen Laboratoriumsvergleich Ergebnisse mit Unsicherheiten kleiner 10% in Konzentrationsbereichen von 500 bis 5000 µg/L liefert. Der obere Bereich internationaler Grenzwerte kann mit den Bestimmungsgrenzen des Verfahrens (ca. 100 µg/L) erreicht werden (siehe Tabelle 9). Der untere Bereich wird durch Aufkonzentrierung der Analyte bei der Probenvorbereitung detektierbar. Das auf der Kapillarelektrophorese basierende Verfahren ist wegen seiner Schnelligkeit, Umweltfreundlichkeit und geringen Kosten als Standardverfahren für die Routineanwendung geeignet.

Die HPLC-MS-Verfahren (ESI-MS und APCI-MS) ermöglichen ebenfalls die Analyse einer breiten Palette phenolischer Verbindungen. Bei der ESI-MS wurden die Analyte durch Einsatz alkalischer HPLC-Eluenten in ionischer Form in das ESI-Interface überführt, so daß auch Alkylphenole detektiert werden konnten. Zur Kopplung an die HPLC wurde dazu eine spezielle Polymersäule eingesetzt, die bei dem alkalischen pH-Wert des Eluenten stabil ist. Auch mit der APCI-MS gelang durch Optimierung der APCI-Parameter die Detektion von Alkylphenolen. Die Kopplung an die HPLC wurde auf Normalphasen- und Umkehrphasen-Säulen mit verschiedenen Lösungsmitteln durchgeführt. Die HPLC-MS kann als unabhängiges Vergleichs- und Referenzverfahren für die GC-MS und Kapillarelektrophorese genutzt werden. Die Analyte können sowohl in hydrophiler als auch in hydrophober Matrix detektiert werden. Die Bestimmungsgrenzen liegen im Bereich von 50 bis 500 µg/L (siehe


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Tabelle 9). Die internationalen Grenzwerte der EU und EPA für Einzelverbindungen in Wasser (0,5 bis 10 µg/L) und Boden (0,3 bis 10 mg/kg) können nach Aufkonzentrierung bei der Probenvorbereitung abgedeckt werden. Das Erreichen der Grenzwerte in Boden ist dabei stark von der eingesetzten Extraktionstechnik abhängig.

Bei Fragestellungen zur Analytstruktur hat die HPLC-NMR die höchste Aussagekraft. Zur Bestimmung von Phenolen wurde ein Analysenverfahren unter Anpassung der HPLC-Parameter an die Anforderungen der NMR-Detektion (z.B. Einsatz deuterierter Lösungsmittel, hohes Dosiervolumen) entwickelt. Das Verfahren setzt eine hohe Konzentration der Analyte voraus, die Bestimmungsgrenzen liegen bei 5 x 104 µg/L (siehe Tabelle 9). Mit der HPLC-NMR können Strukturisomere identifiziert werden, deren Zuordnung weder mit der UV-vis- noch mit der massenspektrometrischen Detektion möglich ist (z.B. Alkylphenole mit mehr als 3 C-Atomen in den Alkylketten).

Die entwickelten Analysenverfahren wurden in Kombination mit Extraktionstechniken an realen Matrixproben geprüft. Für die Matrices Boden und Holz zeigte sich die Beschleunigte Lösemittelextraktion (ASE) als die leistungsstärkste Technik und liefert unter der Voraussetzung, daß die Analyte thermisch stabil sind, die effizientesten Extraktionsergebnisse. Die Extrakte werden im Vergleich zu der Soxhletextraktion bei wesentlich geringerem Lösungsmittelverbrauch und extrem verkürzten Analysenzeiten (ca. 15 min gegenüber mehreren Stunden) gewonnen und sind dabei ca. 10 mal konzentrierter.

Die laborinternen Referenzmaterialien lassen sich nach der erarbeiteten Standardarbeitsanweisung durch gravimetrische Verdünnung herstellen. Ihre Homogenität, Reproduzierbarkeit und Stabilität (mindestens 2 Monate) wurde nachgewiesen. Die Referenzmaterialien können zur laborinternen Qualitätssicherung, zur Kalibrierung, zur Methodenbewertung und zum Laboratoriumsvergleich (Ringversuche, Eignungsprüfungen, Zulassungstests, Akkreditierung) eingesetzt werden. Die Entwicklung, Herstellung und Zertifizierung dringend benötigter natürlicher Matrix-Referenzmaterialien ist abhängig von der Stabilität der phenolischen Inhaltsstoffe.

Mit den entwickelten unabhängigen Analysenverfahren und laborinternen Referenzmaterialien sind die Voraussetzungen für die umfangreiche Charakterisierung realer Proben geschaffen worden. Auf Grundlage dieser Arbeit soll ein Normverfahren entwickelt werden.


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