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3  Ergebnisse und Diskussion

3.1 Konstruktion eines neuen Durchfluß-Photoreaktors

3.1.1 Allgemeiner Aufbau

Um variable Untersuchungen zur Photostabilität im Durchfluß durchführen zu können, wurde ein Durchfluß-Photoreaktor konstruiert. Der Reaktor ist sowohl für den Einsatz vor der Trennsäule als auch nach der Trennsäule geeignet und in jedem HPLC-Labor mit geringstem finanziellen Aufwand herstellbar.

Abbildung 16 : Schematische Darstellung des konstruierten photochemischen Reaktors bei Einsatz von Hg-Niederdruckstrahlern

Die Niederdruckstrahler wurden in einer Aluminiumröhre positioniert, um UV-Strahlung nach außen abzuschirmen und gleichzeitig die Strahlungsintensität im Inneren der Röhre durch Reflexion zu erhöhen. An den Enden der Röhre befanden sich Kunststoffaufsätze. Die gewinkelte Anordnung der Aufsätze ermöglichte ein Durchströmen des Luftstromes, wobei der Schutz vor UV-Strahlung aber weiterhin gegeben war. Die Einstrahlungs­spektren wurden durch den alternativen Einsatz von drei Hg-Niederdruckstrahler mit Emissionsbereichen im UV-C, UV-B und UV-A und einem Hg-Hochdruckstrahler variiert. Die UV-C-Strahler emittieren nahezu monochromatisch bei 254 nm, während UV-B und UV-A-Strahler ein breiteres Spektrum emittieren (Abbildung 17):


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Abbildung 17 : Prozentuale Spektralflußverteilung der UV-A- und UV-B-Strahler nach Herstellerangaben

Entscheidend für die Bestrahlung vor der Trennsäule war die Verwendung hochdruckstabiler Reaktionsschleifen. Es konnten sowohl die auf dem Markt befindlichen hochdruckstabilen Kapillaren1 der Firma ICT verwendet werden als auch selbst gefertigte Reaktionsschleifen aus ETFE (Ethyltrifluorethylen, Tefzel). ETFE erwies sich als ausreichend UV-durchlässig (siehe folgende Untersuchungen) und ist nach Hersteller­angaben hochdruckstabil bis 260 bar.

Weiterhin wurden PTFE und Quarz als Materialien eingesetzt. Die Fertigung der Kapillarschleifen erfolgte bei PTFE und ETFE durch Häkeln mit einer einfachen Häkelnadel oder durch Wickelung über ein selbst gefertigtes Trägersystem.

Abbildung 18 : UV-A-Strahler (Philipps) mit Reaktionskapillare (Länge l = 5 m, Innen­durch­messer ID = 0,254 mm), gewickelt um ein konstruiertes Trägersystem


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Die Quarzkapillaren wurden aus für die Gaschromatographie üblichen, aber unbelegten Kapillaren hergestellt. Die Entfernung der äußeren Polyimidschicht war auf einfache Weise durch thermische Behandlung möglich. Die Sprödigkeit des Materials machte eine Wickelung unmöglich, so daß diese nur längs neben dem verwendeten Strahler als kurze Reaktionskapillaren eingesetzt werden konnten. Die PTFE- und ETFE-Kapillaren wurden aus Schläuchen mit verschiedenen Längen (l = 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 5 und 15 m) und Innen­durchmessern (ID = 0,254; 0,3 mm)2 hergestellt. Für die Hg-Niederdruckstrahler wurden röhrenförmige Schleifen mit einem Gesamtdurchmesser von 1,8 ± 0,5 cm gehäkelt, so daß die Schleifen direkt über die entsprechenden Lampen gezogen werden konnten. Der Einsatz des Hg-Hoch­druckstrahlers bedingte einen grundsätzlich anderen Aufbau, da der Kontakt von Reaktions­kapillare und Strahlungsquellle aufgrund der nötigen Wasserkühlung nicht möglich war. Reaktionskapillaren mit einem Gesamt­durch­messer von 5 cm konnten aber über den Kühlmantel gezogen werden.

Abbildung 19 : Hg-Hochdruck-Strahler (Philipps) mit Reaktionskapillare (Länge l = 3,0 m, Innen­durchmesser ID = 0,254 mm)

Mittels eines Thermofühlers wurde die Temperatur an den Oberflächen der Lampen kontrolliert. Die drei Niederdruckstrahler zeichneten sich durch geringe Erwärmung aus (UV-C-Strahler: 43 °C, UV-B-Strahler: 45 °C, UV-A-Strahler: 43 °C; Schwankungen ± 2 °C). Durch den Einsatz eines Ventilators konnte die Oberflächentemperatur der Strahler [Seite 29↓]weiter herabgesetzt werden (UV-C-Strahler: 22 °C, UV-B-Strahler: 23 °C, UV-A-Strahler: 22 °C; Schwankungen ± 2 °C). Die Oberflächentemperatur des Kühlmantels des Hg-Hoch­druck­strahlers war abhängig von der Effektivität der Wasserkühlung und konnte bis auf 25 °C gesenkt werden.

3.1.2 Vergleich mit handelsüblichen Reaktoren

Da handelsübliche Reaktoren in der Regel für analytische Zwecke genutzt werden, steht die schnelle photochemische Umsetzung des Analyten im Vordergrund. Aufgrund des meist aromatischen Charakters der zu untersuchenden Verbindungen ist der Einsatz von Niederdruck UV-C-Lampen mit einer Hauptemission von 253,7 nm in vielen Fällen effektiv. Käuflich zu erwerben sind Photoreaktoren mit Hg-Niederdruckstrahlern, die einen Emissionsbereich im UV-C und UV-A besitzen. Zur Verfügung stand das Gerät "Beam Boost" der Firma ICT. Die UV-A-Strahler waren sowohl im industriell gefertigten Gerät als auch extern im konstruierten Reaktor einsetzbar. Ein Betrieb des handelsüblichen UV-C-Strahlers war jedoch nur in geschlossenen Systemen möglich, im konstruierten Reaktor war er aufgrund von zu starker Ozonproduktion ausgeschlossen.

Daher wurde ein UV-C-Strahler mit Spezialgläsern (Philips TUV 8W, G8 T 5) verwendet, der laut Hersteller keine ozonerzeugende Strahlung produziert. Dieser war auch im "Beam Boost" einsetzbar. UV-B-Strahler sind bisher nicht handelsüblich, für Stabilitäts­unter­suchungen im UV-Bereich aber zweckmäßig, um auch diesen Wellen­längenbereich zu erfassen. Quecksilber-Hochdruckstrahler sind bereits für die photo­chemische Nachsäulenderivatisierung genutzt worden [12], aber für käufliche Photo­reak­toren nicht erhältlich.

Die industriell gefertigten Geräte werden ohne Kühlung betrieben. Um Temperatur­einflüsse auszuschließen, war für Stabiltätsuntersuchungen eine Kühlung erforderlich. Mit dem konstruierten Reaktor waren vergleichende Untersuchungen bei verschiedenen Temperaturen unter Kontrolle durch einen Thermofühler möglich.

3.1.3 Integration des Photoreaktors in ein Meßsystem

Der Photoreaktor konnte in einen einfachen FIA-Meßplatz, bestehend aus Pumpe, Injektionsventil, Detektoren, Schreiber und evtl. Rechner, mittels Kupplungsstücken integriert werden. Nach Injektion der zu untersuchenden Lösung wurden die Substanzen im Durchfluß bestrahlt und anschließend direkt detektiert.

Weiterhin erfolgte die Schaltung des photochemischen Reaktors on-line in ein HPLC-System. Der Einsatz war sowohl vor als auch nach der Trennsäule möglich. Im Rahmen [Seite 30↓]dieser Arbeit wurden ein UV-Detektor, ein elektrochemischer Detektor und ein fluori­metrischer Detektor eingesetzt. Die Bestrahlungszeiten konnten durch Veränderung des Kapillar­volumens oder der Fließgeschwindigkeit sowie durch das Abstellen der Pumpe zum Zeitpunkt des Aufenthalts der Substanzen in der Kapillare variiert werden. Für die ampero­metrische Detektion (Arbeitselektode: Glassy Carbon, Referenzelektrode: Ag/AgCl/c(KCl) = 3 mol/L) war das Abstellen der Pumpe und die damit verbundene Unter­brechung des Durchfluß nicht optimal. Der Grundstrom fiel nach dem Abstellen zunächst ab und stabilisierte sich nach erneutem Anstellen erst nach einer bestimmten Zeit. Einer Verlängerung der Bestrahlungszeiten waren damit Grenzen gesetzt (maximale Bestrahlungszeit: 5 min). Die Meßergebnisse der ECD hängen von der Fließ­ge­schwin­digkeit ab [93]. Die Flußrate beeinflußt auch die Höhe des Grundstroms, der vor allem durch Oxidations- bzw. Reduktions­vorgänge an der Elektroden­oberfäche, durch Aufladen der elektrischen Doppelschicht und durch elektrochemische Verunreinigungen erklärt wird [94]. Durch den Einsatz eines weiteren Injektionsventils wurde ein zweiter Schaltkreis geschaffen. In der Stellung "Inject" des Reodynes wurde der Photoreaktor durchflossen und in der Stellung "Load" der Fluß an der Kapillare vorbei geleitet.

Ein permanentes Durchströmen des ECD wurde damit gewährleistet und ein Absinken des Grundstromes verhindert.

Abbildung 20 : Schematische Darstellung des HPLC-Systems mit integrierten Photoreaktor für die Bestrahlung vor der Trennsäule unter Gewährleistung des permanenten Durchflußes durch die amperometrische Detektorzelle


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3.2  Vergleich von Strahlungsintensitäten im Durchfluß

3.2.1 Methode und Auswahlkriterien der aktinometrischen Messungen

Um vergleichende Untersuchungen der absorbierten Strahlungsintensitäten durch­zuführen, wurde die bewährte Ferrioxalat-Aktinometrie angewandt. Ziel war es den Einfluß relevanter Parameter auf die Strahlungsintensitäten zu bewerten. Entsprechend der anschließend zu untersuchenden Proben wurde zur Standardisierung zunächst eine Aktinometer-Lösung in das Durchfluß-System injiziert und bestrahlt. Nach dem Auffangen der Lösung in einem Maßkolben erfolgte die Reagenzienzugabe und die photometrische Bestimmung des gebildeten Eisen (II). Der Absorptionskoeffizient des o-Phenanthrolin­komplexes wurde mit 1,12·10-4 L·mol-1·cm-1 spektralphotometrisch ermittelt (Wert von Hatchard und Parker 1,11·10-4 L·mol-1·cm-1 [26]).

Eine direkte Bestimmung der Absorption im Durchfluß mit UV-Detektion wäre prinzipiell denkbar, wobei die Reagenzienzugabe aufgrund der Eigenabsorption und der photo­chemischen Instabilität [27] des o-Phenanthrolins erst nach der Bestrahlung erfolgen sollte. Somit müßten zusätzliche Pumpen und Mischkammern eingesetzt werden. Da die Absorptionsmessung nach 30 min empfohlen wird [27], beinhaltet die Durchfluß-Methode keine echten Vorteile, so daß die nach der on-line Bestrahlung durchgeführte relativ aufwendige stationäre Extinktonsmessung vorgezogen wurde.

Folgende Auswahlkriterien für die Aktinometer wurden berücksichtigt:

Die ICH empfiehlt die Chinin-Aktinometrie für die Standardisierung von UV-Lampen, die für photochemische Stabilitätsuntersuchungen eingesetzt werden. Aufgrund der nicht exakten Kenntnis des Ablaufs der photochemischen Reaktion [97], der nicht bekannten Quantenausbeuten [32] und vor allem aufgrund des begrenzten Spektralbereiches bis 335 nm [96] wurde die Chinin-Aktinometrie jedoch nicht eingesetzt.


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3.2.2  Bestimmung der Bestrahlungszeiten

3.2.2.1 Methode

Um die Strahlungsintensitäten pro Zeiteinheit angeben zu können, war es zunächst erforderlich, die entsprechenden Bestrahlungszeiten T h ν unter Variation der relevanten Parameter zu ermitteln. Die durchschnittlichen Bestrahlungszeiten wurden sowohl theoretisch berechnet als auch praktisch bestimmt.

Die theoretische Berechnung erfolgte nach Gleichung 2 (siehe Kapitel 2.1.2.2.), wobei das Volumen der Kapillare nach Herstellerangaben (Länge l und Innendurchmesser ID) berechnet werden konnte. Die Bestrahlungszeiten in Durchfluß-Systemen sind abhängig von der Flußrate und dem Volumen der Kapillaren. Da bei den verwendeten Reaktions­kapillaren (ID = 0,1' = 0,254 mm) der Innendurchmesser vom Hersteller mit einem Fehler von ± 0,01' festgelegt ist und der Radius im Quadrat in die Berechnung eingeht, konnte der allein daraus resultierende Fehler der Bestrahlungszeiten T theo entsprechend hoch sein.

Abbildung 21: Berechnung der theoretischen Bestrahlungszeiten T theo in den Reaktions­schleifen mit 1,0 m und 2,0 m Länge bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten. Die eingefügten Fehlerindikatoren basieren auf der nur mit 0,01' Genauigkeit festgelegten Innendurchmesser (ID = 0,1' = 0,254 mm).


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Der Fehler durch die Flußrate F wurde dabei der Einfachheit halber vernachlässigt, da an eine HPLC-Pumpe im analytischen Bereich eine Anforderung an die Flußkonstanz von ± 2 % und besser gestellt wird [98] und eine volumetrische Überprüfung keine Hinweise auf Abweichungen ergab.

Die Länge l der eingesetzten Kapillaren werden vom Hersteller mit einem Fehler von ± 10 cm angegeben. Bei selbst hergestellten Kapillaren wurde der Fehler durch verschiedene Längen hingegen vernachlässigt.

Die praktische Bestimmung der Bestrahlungszeiten basierte auf der Auswertung der erhaltenen Signale des UV-Detektors, ohne und mit Integration der Kapillaren in das Fließ­injektionssystem. Zu diesem Zweck wurde die Aktinometer-Lösung eingesetzt, da mit dieser auch die entsprechenden Umsetzungen nach Bestrahlung verfolgt wurden. Eine 410-3 molare „Ferrixoalat"-Aktinometerlösung wurde in das FIA-System injiziert und anschlie­ßend photometrisch bei 300 nm detektiert. Die Bestrahlungs­zeiten T h ν wurden aus den Differenzen von T Ges -T 0berechnet, wobei T0 die Verweilzeit ohne Integration der Kapillare und T Ges die Verweilzeit mit Reaktionskapillare bezeichnet.

Gleichung 19 : T Ges : mittlere Verweilzeit im Gesamtsystem (mit Reaktionskapillare) [s]; T0: Verweilzeit ohne Integration der Kapillare [s]; T h ν: Bestrahlungszeit [s]

Da bei der Integration der Reaktionskapillare ein zweites Kupplungsstück mit in das System geschaltet werden mußte, erfolgte die Bestimmung von T 0 durch den Einsatz eines 4 cm langen Stücks Kapillare. Damit waren beide notwendigen Kupplungsstücke integriert. Die eingesetzten Reaktionskapillaren wurden dementsprechend jeweils um 4 cm der angegebenen Länge verlängert.

Die Bestimmung der Verweilzeiten basierte auf der Auswertung der Zeit, die dem Peakmaximum entspricht (Methode 1) oder auf der Berechnung der Summenhäufigkeit der Verweilzeiten (Methode 2). Beruhend auf der Gleichung von Ruzicka et al. (Gleichung 20) zur Berechnung der mittleren Verweilzeiten, erfolgte die Berechnung der mittleren Bestrahlungszeiten nach Gleichung 21.

Gleichung 20 : Berechnung der mittleren Verweilzeiten T nach [20]


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Gleichung 21 : Gleichung zur Berechnung der mittleren Verweilzeiten T; At: Absorption (Signal des UV-Detektors) zur Zeit t; T: mittlere Verweilzeit/s; n: Anzahl der Meßpunkte

(n = 900)

Da die Peak­formen, vor allem bei kurzen Verweilstrecken und hohen Fließgeschwindigkeiten nicht gaussförmig waren (Abbildung 22), ergaben sich signifikante Unterschiede zwischen den beiden Auswertemethoden (siehe folgende Kapitel).

3.2.2.2 Bestimmung der Verweilzeiten ohne Integration der Reaktionsschleifen

Die Diskrepanz zwischen den Auswertemethoden wurde vor allem bei der Bestimmung der Verweilzeiten T0 ohne Integration der Kapillare deutlich, da bei kurzer Aufenthaltszeit im Durchfluß-System die Peaks das stärkere Tailing besaßen (vgl. Kapitel 2.1.2.2.).

Abbildung 22 : Signale einer Aktinometerlösung (c = 4·10-3 mol/L) ohne Integration einer Kapillare in das FIA-System bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten zur Bestimmung von T 0. Detektionswellenlänge λ = 300 nm.

Erfolgte die Auswertung nach Methode 2, ergaben sich um die Faktoren 1,15 - 1,58 erhöhte Verweilzeiten in der Kapillare im Vergleich zu Methode 1, dargestellt in Tabelle 3 (Versuchsdurchführung: Kapitel 4.2.1.).


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Tabelle 3 : Verweilzeiten einer Aktinometerlösung (c = 4 10-3 mol/L) im FIA-System ohne Integration einer Reaktionsschleife bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten (n = 6). Methode 2: mittlere Verweilzeit T. Methode 1: Zeit des Peakmaximums T max.

Tag 1:

Flußrate
F

[mL/min]

Methode 2
mittlere Verweilzeit T [s]

sdv(T)
[s]

Methode 1
Zeit des Peakmaximums
T
max [s]

sdv(Tmax)
[s]

T/T max

0,2

19,53

0,304

16,95

0,345

1,15

0,4

9,93

0,187

8,35

0,207

1,19

0,7

5,55

0,216

4,50

0,194

1,23

1

3,87

0,258

3,07

0,216

1,26

1,5

2,58

0,293

1,78

0,222

1,45

Tag 2:

Flußrate
F
[mL/min]

Methode 2
mittlere Verweilzeit
T
[s]

sdv(T)
[s]

Methode 1
Zeit des Peakmaximums
T
max [s]

sdv(Tmax)
[s]

T/T max

0,2

19,52

0,301

16,30

0,189

1,20

0,4

9,74

0,197

8,12

0,256

1,20

0,7

5,60

0,150

4,40

0,182

1,27

1

3,95

0,158

3,00

0,156

1,32

1,5

2,65

0,243

1,68

0,287

1,58

Tag 3:

Flußrate
F

[mL/min]

Methode 2
mittlere Verweilzeit
T
[s]

sdv(T)
[s]

Methode 1
Zeit des Peakmaximums
Tmax [s]

sdv(Tmax)
[s]

T/T max

0,2

19,73

0,258

16,85

0,287

1,17

0,4

9,65

0,295

8,35

0,296

1,16

0,7

5,45

0,208

4,55

0,254

1,20

1

3,77

0,302

3,20

0,315

1,18

1,5

2,44

0,277

1,65

0,205

1,48


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Die Werte an den verschiedenen Tagen unterschieden sich jedoch nicht signifikant. Die Produkte (Volumen V 0 = F T 0) aus Flußrate F und Verweilzeit ohne Integration der Kapil­laren T 0 ergaben nur vergleichbare Werte, wenn nach Methode 2 ausgewertet wurde.

Tabelle 4 : Berechnete Volumina V 0 ohne Integration der Kapillaren in das FIA-System bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten (n = 6). Auswertung nach Methode 2 - (Die Angaben der Standardabweichungen beruhen auf den Standardabweichungen der Verweilzeiten sdv(T), wobei der Fehler durch die Flußrate vernachlässigt wurde).

Flußrate
F

[mL/min]

Tag 1
Volumen V 0
[µL]

sdv(V)
[µL]

Tag 2
Volumen V 0
[µL]

sdv(V)
[µL]

Tag 3

Volumen V 0
[µL]

sdv(V)
[µL]

0,2

65,1

1,01

65,07

1,00

65,78

0,86

0,4

66,2

1,25

64,93

1,31

64,30

1,97

0,7

64,8

2,52

65,33

1,75

64,75

2,43

1

64,4

4,30

65,83

2,63

64,50

5,03

1,5

64,6

7,33

66,25

6,08

64,50

6,93

Das nach Methode 1 ermittelte Volumen war von der Flußrate abhängig und betrug z.B. 44,5 µL bei 1,5 mL/min Flußrate und 54,8 µL bei 0,2 mL/min Flußrate. Die Verweilzeiten im System sollten umgekehrt proportional zur Flußrate sein. Das Auftragen der Verweilzeiten gegen die Fließgeschwindigkeit ergab jedoch nur nach Methode 2 folgende hyperbolische Darstellung:

Abbildung 23: Darstellung der Mittelwerte der mittleren Verweilzeiten T 0 (n = 18) in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit ohne Integration der Kapillaren in das FIA-System (Werte aus Tabelle 3).


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Eine Auswertung nach Methode 1 zur Bestimmung von To war somit nicht geeignet, da aufgrund der kurzen Verweilzeit im System die Peaks nicht gaussförmig waren.

3.2.2.3 Bestimmung der Verweilzeiten nach Integration der Reaktionskapillaren

Die Bestrahlungszeiten der Substanzen in den Reaktionsschleifen wurden durch die Veränderungen der Fließgeschwindigkeit, des Kapillarvolumens und durch Unterbrechen der Pumpentätigkeit zum Zeitpunkt des Verweilens des Bolus in der Reaktionsschleife variiert.

3.2.2.3.1 Veränderung der Fließgeschwindigkeit

Die Bestrahlungszeiten in den verschieden Kapillaren wurden immer bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten bestimmt, wobei sich signifikante Unterschiede zwischen den Auswertemethoden 1 und 2 vor allem bei hohen Flußraten ergaben.

Bei niedrigen Flußraten (F≤ 0,7 mL/min), ergaben sich für die mittleren Verweilzeiten selbst bei kurzen Kapillaren (l = 1 m) keine signifikanten Unterschiede nach t-Test (Wahr­schein­lichkeit P = 0,95; Freiheitsgrad f = 10) zwischen den Auswertemethoden 1 und 2, so daß die weniger aufwendige Methode 1 vorzuziehen war.

Tabelle 5 : Bestimmung der Verweilzeiten (Methode 1 und Methode 2) im Gesamtsystem nach Integration einer ETFE-Kapillare (l = 1 m, ID = 0,254 mm) (n = 6).

gehäkelte Kapillare:

Flußrate
F
[mL/min]

Methode 2
mittlere Verweilzeit
T
[s]

sdv(T)
[s]

Methode 1
Zeit des Peakmaximums Tmax [s]

sdv(Tmax)
[s]

0,2

33,87

0,445

34,24

0,376

0,4

17,35

0,376

17,60

0,381

0,7

10,03

0,437

10,47

0,436

1

7,08

0,397

7,51

0,366

1,5

3,97

0,236

4,26

0,187

Die Entscheidung, ob die Bestrahlungszeiten nach Methode 1 oder 2 ausgewertet werden, sollte anhand der Peakprofile und deren Symmetrie erfolgen. Die Symmetrie­faktoren Ss bestimmt nach Gleichung 22 [99] variierten von 1,02 (bei F = 0,2 mL/min) bis zu 1,5 (bei F = 1,5 mL/min). Um mit Methode 1 auszuwerten, sollten die Symmetrie[Seite 39↓]­faktoren Ss≤ 1,1 sein, da sich diese bei einer Flußrate von 0,7 mL/min ergaben und sich dort kein signifikanter Unterschied zwischen den Methoden mehr feststellen lassen konnte.

Gleichung 22 : Ss = Symmetriefaktor (tailing-Faktor); b0.05: Peakbreite bei einem Zwanzig­stel der Peakhöhe; A: Entfernung zwischen der durch das Maximum des Peaks gezogenen Senkrechten und dem aufsteigenden Kurvenast bei einem Zwanzigstel der Peakhöhe nach [99]

3.2.2.3.2 Veränderung der Form und Art der Reaktionsschleifen

Die Form und Art der Reaktionsschleifen konnte durch Variation der Länge und des Innen­durchmessers der verwendeten Schläuche sowie durch das Häkeln der Kapillaren verändert werden. Durch das Einbringen von Windungen wurden die Peaks schmaler (vgl. Kapitel 2.1.2.2.).

Abbildung 24: Signale (UVD) einer Aktinometerlösung (c = 4·10-3 mol/L) nach Integration einer ETFE-Kapillare (l = 1 m, ID = 0,254 mm) in das FIA-System vor bzw. nach dem Häkeln bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten (0,4; 0,7 und 1,5 mL/min). Detektions­wellenlänge λ = 300 nm.

Die Bestrahlungszeiten, berechnet sowohl nach Methode 1 als auch nach Methode 2, veränderten sich erwartungsgemäß nicht signifikant (vgl. Tabelle 5 und 6).


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Tabelle 6 : Bestimmung der Verweilzeiten (Methode 1 und Methode 2) im Gesamtsystem nach Integration einer ETFE-Kapillare (l = 1 m, ID = 0,254 mm) (n = 6).
nicht gehäkelte Kapillare:

Flußrate
F
[mL/min]

Methode 2
mittlere Verweilzeit
T
[s]

sdv(T)
[s]

Methode 1
Zeit des Peakmaximums Tmax [s]

sdv(Tmax)
[s]

0,2

33,70

0,533

33,85

0,441

0,4

17,44

0,580

17,80

0,376

0,7

9,98

0,394

10,39

0,368

1

7,01

0,460

7,39

0,502

1,5

3,95

0,237

4,28

0,194

Aus den erhaltenen Peaks konnte zusätzlich der Einfluß der Windungen auf die Peakhöhe bestimmt werden. Die Peakverbreiterung durch Dispersionsprozesse im Photoreaktor ließ sich dadurch näher charakterisieren. In Anlehnung an Gleichung 3 (Kapitel 2.1.2.2.) wurden die Dispersionskoeffizienten als Verhältnisse der Peakhöhen nach und vor dem Häkeln der Reaktionsschleifen berechnet. Der Effekt der Peakverschmälerung durch das Einfügen von Windungen wirkte sich v.a. bei langen Kapillaren mit großem Innendurchmesser und bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten aus.

Tabelle 7: Bestimmung der Dispersionskoeffizienten D als Verhältnisse der Peakhöhen nach und vor dem Häkeln der Reaktionsschleifen (n = 6).

Fließ-geschwindig-keit
F [mL/min]

Kapillare 1
l = 1 m
ID = 0,254 mm

Kapillare 2
l = 5 m
ID = 0,254 mm

Kapillare 3
l = 5 m
ID = 0,254 mm

Kapillare 4
l= 5 m
ID = 0,3 mm

Kapillare 5
l = 15 m
ID = 0,254 mm

0,2

0,87

0,83

0,79

0,65

0,47

0,4

0,86

0,79

0,80

0,62

0,56

0,8

0,85

0,80

0,81

0,70

0,66

Bei längeren Verweilzeiten war der Effekt der Peakverschmälerung größer, wobei sich dies durch eine Verlängerung der Kapillaren, Vergrößerung des Innendurchmessers oder durch Herabsetzen der Flußrate erzielen ließ. Eine Variation der Bestrahlungszeit durch [Seite 41↓]Veränderung des Innendurchmessers oder der Länge der Kapillare war immer mit einem Wechsel der Kapillaren verbunden und dadurch aufwendig. Bei einer Variation des Innendurchmessers war die Verwendung von Kapillaren aus Schläuchen unter­schiedlicher Chargen erforderlich, während die Herstellung von Kapillaren unter­schied­licher Länge aus Schläuchen der gleichen Chargen möglich war. Weiterhin bewirkte eine Zunahme des Innendurchmessers der Kapillaren eine starke Zunahme der Dispersion. Durch den Einsatz längerer Kapillaren wurde das Peakprofil zunehmend gaussförmiger. Grundsätzlich war zu vermerken, daß Windungen der Peakverbreiterung entgegen­steuern, aber dadurch die Bestrahlungszeiten nicht verändert wurden.

Die Verweilzeiten (Methode 2) im Gesamtsystem für Kapillaren unterschiedlicher Länge sind im Gegensatz zu den Bestrahlungszeiten nicht direkt proportional zur Länge, da das Volumen V 0 und damit T 0 mitberücksichtigt werden muß. Ein linearer Zusammenhang, inklusive signifikant von Null verschiedener Achsenabschnitt, wurde aber erwartet, falls keine signifikanten Unterschiede (bezüglich l und ID) zwischen den Kapillaren auftraten.

Um zu prüfen, ob der Einsatz von Kapillaren unterschiedlicher Länge zur Variation der Bestrahlungszeit geeignet war, wurden zunächst die Verweilzeiten T in Kapillaren unterschiedlicher Länge l bei drei Flußraten F bestimmt. Anschließend wurde eine lineare Regressionsanalyse durchgeführt (Versuchsdurchführung Kapitel 4.2.3.). Die Kapillar­längen l wurden jeweils um 4 cm der angegebenen Länge verlängert. Dies war für zukünftige Messungen mit eingeschalteter Strahlungsquelle sinnvoll, da nur der sich direkt in Kontakt mit dem Strahler befindliche Teil der Reaktions­schleife berücksichtigt werden sollte. Verlängert man die Reaktions­kapillaren, um damit die Bestrahlungszeit zu erhöhen, sollte der Zu- bzw. Ablauf nicht miteinbezogen werden. Diese Enden wurden daher mit strahlungsundurchlässigem Klebeband abgeschirmt (siehe dazu auch Kapitel 3.2.2.1.).

Folgende Voraussetzungen für eine lineare Regression wurden überprüft:

Normalverteilung der Daten

Zur Prüfung auf Normalverteilung wurde der gängige Test nach David auf dem 10 % Niveau (α = 0,1) durchgeführt, wobei sich die Prüfgröße Td berechnet nach [100]:

Gleichung 23 : R = Spannweite der Stichprobe (y max - y min); SA = Standard­abweichung der Stichprobe


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Die Werte waren in der Regel normalverteilt, wobei geringe Abweichungen von der Normalverteilung vernachläßigt werden können [100].

Gleichheit der Varianzen

Die Prüfung auf Gleichheit der Varianzen erfogte mittels F-Test [P = 0,9; f 1 = 5, f 2 = 5] [101] und dem häufiger angewendeten G-Test [P = 0,95, k (Anzahl der Gruppen) = 5; ν (Anzahl der Freiheitsgrade für jede Gruppenvarianz) = 5] nach Cochran [100].

Die Prüfgröße G max berechnet sich hierbei nach:

Gleichung 24 : s 2 max = größte beobachtete Varianz, s 2 j = Varianz des Signals der Kalibrierprobe

Es konnten keine Hinweise für eine Unheinheitlichkeit der Varianzen beobachtet werden, so daß diese Voraussetzung angenommen wurde.

Fehlerfreiheit der unabhängigen Variablen x

Die Variable x war in diesem Fall die Länge l der eingesetzten Kapillaren, wobei diese selbst hergestellt wurden und damit der Fehler nicht berücksichtigt wurde. Die vom Hersteller erhältlichen Kapillaren hingegen werden mit einem Fehler von ± 10 cm angegeben.

Linearität

Die graphische Darstellung der Verweilzeiten in Abhängigkeit von der Länge der Kapillare ließen auf einen linearen Zusammenhang schließen (Werte: siehe Anhang 1):


[Seite 42↓]

Abbildung 25 : ETFE: Graphische Darstellung der mittleren Verweilzeiten (n = 20) in Abhängigkeit von der Länge der Reaktionsschleifen (ETFE) bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten (0.2, 0.5, 1.0 mL/min). Fehlerindikatoren: ± sdv(T)/s.

Abbildung 26: PTFE: Grafische Darstellung der mittleren Verweilzeiten (n = 20) in Abhängigkeit von der Länge der Reaktionsschleifen (PTFE) bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten (0.2, 0.5, 1.0 mL/min). Fehlerindikatoren: ± sdv(T)/s.

Die lineare Regressionsanalyse ergab folgende Ergebnisse:

Material der Reaktions-schleife

Flußrate
F
[mL/min]

Steigung m
[s/m]

sdv (m)
[s/m]

Achsen-abschnitt b
[s]

sdv ( b )
[s]

Korre-lations­koeffizient

R 2

Standardfehler des Schätzwertes y; sdv (y)
[s]

PTFE

0,2

12,18

0,160

19,83

0,339

0,998

0,505

PTFE

0,5

4,87

0,094

7,70

0,199

0,993

0,297

PTFE

1,0

2,34

0,067

4,02

0,141

0,996

0,211

ETFE

0,2

14,71

0,185

19,74

0,392

0,997

0,585

ETFE

0,5

5,75

0,093

7,96

0,197

0,995

0,295

ETFE

1,0

2,87

0,061

3,95

0,128

0,992

0,191


[Seite 44↓]

Aus den Achsenabschnitten konnten die entsprechenden Verweilzeiten im Gesamtsystem ohne Integration der Kapillaren T 0 ermittelt werden. Die ermittelten Werte entsprachen den durch Methode 2 praktisch bestimmten Verweilzeiten ohne Reaktionsschleife T 0. Die aus den Werten berechneten Volumina V 0 waren mit den durch Methode 2 ermittelten Volumina (siehe Kapitel 3.2.2.2.; Tabelle 4) vergleichbar. In diesem Falle war die Bestimmung von T 0 direkt aus den Werten von T ges bestimmbar und damit könnte auf die praktische Bestimmung von T 0 verzichtet werden.

Tabelle 8 : Formale Berechnung der Volumina V 0 aus den Achsenabschnitten
(siehe Abbildung 26 und 27).

Fließgeschwindigkeit F [mL/min]

ETFE
V [µL]

ETFE
sdv(V) [µL]

PTFE
V [µL]

PTFE
sdv(V) [µL]

0,2

65,8

1,31

66,1

1,23

0,5

66,4

1,64

64,2

1,67

1,0

65,7

2,13

69,1

2,45

Ein weiterer Hinweis für den linearen Zusammenhang ergab sich aus der graphischen Darstellung der Bestrahlungszeiten T h ν in Abhängigkeit von der Länge l der Kapillaren.

Bei der Berechnung der Bestrahlungszeiten war zu beachten, daß diese aus einer Differenz zweier praktisch bestimmter Größen mit einer bestimmten Präzision resultierten. Unter der vereinfachten Annahme, daß T Ges und T 0 zwei voneinander unabhängige Variablen darstellen, addieren sich bei der Fehlerfortpflanzung die zugehörigen Varianzen [102]. Die Bestrahlungszeiten wurden berechnet nach Gleichung 19 und auf 1 m Kapillar­länge bezogen4. Es ergaben sich keine signifikanten Unter­schiede bezüglich der Bestrah­lungs­zeiten pro Meter Kapillare in Abhängigkeit von der Länge der Kapillare, so daß auf lediglich geringe Abweichungen (innerhalb der Meßgenauigkeit) zwischen Kapillaren aus Schläuchen einer Charge geschlossen werden konnte. Die Überprüfung der Linearität konnte als Maß für die Gleichförmigkeit der Kapillaren genutzt werden.


[Seite 45↓]

Abbildung 27: Darstellung der Bestrahlungszeiten T h ν pro Länge l der Kapillaren. Fließgeschwindigkeiten: 0,2; 0,5; 1,0 mL/min. ETFE und PTFE Kapillaren [ID = 0,254 mm (nach Herstellerangaben), l = 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 m]. Fehlerindikatoren: ± sdv [(T-T 0)/l]/m.s.

Für die Bestimmung der Bestrahlungszeiten in einer Kapillare war in der Regel eine Fließ­geschwindigkeit ausreichend, da sich die Produkte (T h ν F) aus Bestrahlungszeiten T und Fließ­geschwindigkeit F und damit das bestrahlte Volumen V h ν, nicht signifikant unter­schieden. Die Steigungen der Geraden, und damit auch die Bestrahlungszeiten, unter­schieden sich aber zwischen Kapillaren, die aus unterschiedlichen Schläuchen gefertigt wurden, signifikant. Die theoretischen Steigungen (ID = 0,254 mm) betrugen 15,20 s/m für F = 0,2 mL/min, 6,08 s/m für F = 0,5 mL/min und 3,04 s/m für F = 1 mL/min. Die Bestrahlungs­zeiten sind abhängig von der Flußrate und dem Volumen der Kapillare. Da die Achsen­abschnitte der Geraden vergleichbar waren und diese ebenfalls von der Flußrate abhängig sind, dürfte dieser Parameter nicht der entscheidende sein. Die Länge der Kapillaren wurde als fehlerlos angenommen, da sie selbst gefertigt wurden. Aus den Steigungen der PTFE Kapillaren wurden daher formal die durchschnittlichen Innen­durchmesser der eingesetzten Schläuche berechnet.

Tabelle 9 : Berechnung der Innendurchmesser der Kapillaren aus den Steigungen der Graphen (Abbildung 25 und 26) bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten.

Fließgeschwindigkeit
F [mL/min]

ETFE

PTFE

ID [mm]

sdv(ID) [mm]

ID [mm]

sdv(ID) [mm]

0,2

0,250

0,0280

0,227

0,0260

0,5

0,247

0,0315

0,227

0,0316

1,0

0,247

0,0358

0,223

0,0376


[Seite 46↓]

Der theoretische Innendurchmesser nach Herstellerangaben beträgt 0,254 mm ± 0,0254 mm, die berechneten Werte der ETFE Schläuche lagen somit im vorgegebenen Intervall, wohingegen sich die Werte der PTFE Schläuche an der unteren Grenze befanden. Die Standardabweichungen resultierten aus der Standardabweichungen der Steigungen.

3.2.2.3.3 Unterbrechen der Pumpentätigkeit

Eine Probe in das Trägersystem zu injizieren und ihren Vorwärtstransport zu stoppen, ist die effektivste Methode, die Verweilzeit zu erhöhen und zunehmende Dispersion zu verhindern [20]. Die Dispersion ist, abgesehen von einem geringen Anteil an molekularer Diffusion, vernachlässigbar.

Abbildung 28 : Signale einer Aktinometerlösung (c = 4·10-3 mol/L) nach Integration einer ETFE-Kapillare (l = 1 m, ID = 0,254 mm) in das FIA-system und Unterbrechen der Pumpentätigkeit für 2, 4, 6 und 8 s. Fließgeschwindigkeit F = 0,5 mL/min; Detektions­wellenlänge λ = 300 nm.

In einer Tefzel-Kapillare (ETFE, ID = 0,254 mm, l = 5 m) war erst nach 2 Stunden
(T stop = 2 h) eine signifikanten Veränderung des Peakprofiles unter Abnahme der Peakhöhe (> 2 %) zu verzeichnen.

Das Unterbrechen der Pumpentätigkeit sollte zum Zeitpunkt des Verweilens des Bolus in der Kapillare erfolgen. Damit eine vollständige Bestrahlung des Bolus erfolgen konnte, sollte die Substanz vollständig die Reaktionsschleife erreicht haben.

Ein Maß für die untere Grenze der Unterbrechung des Durchflußes nach der Injektion waren die erhaltenen Peakprofile, die ohne Integration der Schleife erhalten worden sind (vgl. Abbildung 22, Kapitel 3.2.2.2.).


[Seite 47↓]

Das Stoppen der Pumpe erfolgte nach der minimalen Stoppzeit (T min), d.h. nach vollständigem Passieren der Substanz durch das System ohne Kapillare. Die Stoppzeit sollte für jede Fließgeschwindigkeit neu definiert werden. Ein Maß für die obere Grenze der Unterbrechung des Durchflußes nach der Injektion war das Erscheinen der Substanz in der Detektorzelle. Bei der Verwendung von kurzen Kapillaren überlagerten sich die Peakprofile (Abbildung 29), so daß diese Methode nur bei längeren Kapillaren (l > 3 m) angewendet werden konnte.

Abbildung 29 : Signale einer Aktinometerlösung (c = 4·10-3 mol/L) ohne und mit Integration von Reaktionsschleifen unterschiedlicher Länge (1,0; 1,5; 2,0 und 2,5 m) in das FIA-system. Fließgeschwindigkeit F = 1,0 mL/min; Detektionswellenlänge λ = 300 nm.

Die Bestrahlungszeiten T h ν bei der Methode des Stoppens lassen sich berechnen nach :

Gleichung 25 : T Ges : mittlere Verweilzeit im Gesamtsystem (mit Reaktionskapillare) [s]; T0: Verweilzeit ohne Integration der Kapillare [s]; T h ν: Bestrahlungszeit [s]; T stop: Zeit des Unterbrechens der Pumpentätigkeit [s].

3.2.2.3.4 Einfluß der Temperatur

Das Erwärmen der Reaktionskapillaren führte zu einer Veränderung des Peakprofils. Die Peaks wurden schmaler, wobei sich die Verweilzeiten nicht verän­derten. Eine Erhöhung der Temperatur auf 50 °C bewirkte eine Zunahme der Peakhöhe um den Faktor 1,2 im Vergleich zur Peakhöhe bei 20 °C (in einer selbstgefertigten ETFE-Kapillare, l = 2 m, ID = 0,254 mm).


[Seite 48↓]

Dieser Effekt wurde auch bei der photo­chemischen Nachsäulen­bestrahlung beschrieben und kann dort als sinnvolle Methode zur Intensitätserhöhung der Signale genutzt werden. Scholten et al. beobachteten bei der Umsetzung von Phenothiazinen eine Verringerung der Peakbreite nach Bestrahlung, wobei dieser Effekt auch lediglich bei höheren Tempe­raturen ohne Bestrahlung auftrat [103]. Die hier festgetellten signifikanten Unterschiede ließen sich nicht alleine auf die Detektion (Die UV-Detektion ist zudem weniger temperatur­abhängig als die amperometrische Detektion) zurückführen. Als ausschlag­gebende Komponente war die Zunahme der Diffusions­geschwindigkeit mit steigender Temperatur anzunehmen. Der Diffusions­koeffizient D diff ist direkt proportional zur Temperatur [104]. Aufgrund des Anstiegs der radialen Diffusion wurde der parabolischen Aufweitung des Flußprofiles entgegen gewirkt, wobei die Peaks schmaler wurden. Da die photo­chemischen Umsetzungen sowohl mit als auch ohne Kühlung durchgeführt wurden, mußte dieser Temperatureffekt im Folgenden bei der Auswertung der Peakhöhen berücksichtigt werden. Eine Auswertung über die Peakflächen war deshalb vorzuziehen.

3.2.2.4 Vergleich der eingesetzten Reaktionsschleifen

Die Bestrahlungszeiten T h ν (T h ν= T - T 0)der Kapillaren wurden jeweils praktisch bei einer Fließ­geschwindigkeit von 0,2 mL/min bestimmt und mit dem theoretisch berechneten Wert verglichen. Für T 0 wurde bei den selbstgefertigten Kapillaren 19,53 s (± 0,304 s) eingesetzt, welches dem Wert nach Integration eines 4 cm langen Schlauches der Kapillare entsprach (siehe Kapitel 3.2.2.2.). Eine Verlängerung der handelsüblichen Kapillaren war nicht möglich, daher wurde für T 0 = 18,92 s (= 19,13 s - 0,61 s) eingesetzt, wobei 0,61 die theoretische Verweilzeit in einem Schlauch mit l = 4 cm und ID = 0,254 mm darstellte. Aufgrund der kurzen Strecke wurden dabei eventuelle Fehler durch verschiedene Innendurchmesser vernachläßigt. Die theoretischen Bestrahlungs­zeiten werden als Intervall, das auf der Genauigkeit des Innendurchmessers und, bei Hersteller­angaben, auf der Genauigkeit der Länge (± 10 cm) beruht, angegeben. In einer Reaktionskapillare (l = 5 m, ID = 0,3 mm) betrug die mittlere Bestrahlungszeit bei einer Flußrate von 0,2 mL/min 86,75 s, während sie in einer anderen Kapillare vergleichbarer Ausmaße 129,20 s betrug (siehe Tabelle 10). Beide Werte lagen im vorgeschriebenen Intervall, wenn man die Fehler der Herstellerangaben für Länge und Innendurchmesser berücksichtigt, wobei sich die Werte jedoch um den Faktor 1,5 unterschieden! Vergleichende Untersuchungen erforderten demnach die praktische Bestimmung der Bestrahlungszeiten.


[Seite 49↓]

Tabelle 10 : Bestimmung der Bestrahlungszeiten T h ν (T h ν = T-T 0)der verwendeten Kapillaren bei einer Flußrate von 0,2 mL/min; (n = 4).
(1: selbst gefertigte; 2: käuflich erworbene Reaktionsschleife)

Material

Länge
[m]
5

ID theo
[mm]
6

1/2

T theo
[s]

T h ν
[s]

sdv(T h ν)
[s]

berech-neter ID
[mm]

ETFE

1

0,254

1

12,31 - 18,39

14,73

0,369

0,250

ETFE

1

0,254

1

12,31 - 18,39

14,37

0,498

0,247

ETFE

1,5

0,254

1

18,47 - 27,59

23,15

0,441

0,256

ETFE

2,0

0,254

1

24,63 - 36,79

30,28

0,483

0,254

ETFE

2,5

0,254

1

30,78 - 45,93

37,77

0,439

0,253

ETFE

3

0,254

1

36,94 - 55,18

44,20

0,567

0,250

ETFE

5

0,254

1

61,56 - 91,97

76,00

0,372

0,254

ETFE

5

0,254

1

61,56 - 91,97

76,57

0,372

0,257

ETFE

15

0,254

1

184,70 - 275,90

46,70

0,372

0,249

hochdruck­stabil

5

0,3

2

84,16 - 130,86

86,75

0,389

0,271

PTFE

1

0,254

1

12,31 - 18,39

13,25

0,367

0,237

PTFE

1

0,254

1

12,31 - 18,39

12,17

0,305

0,227

PTFE

1,5

0,254

1

18,47 - 27,59

18,70

0,394

0,230

PTFE

2

0,254

1

24,63 - 36,79

25,05

0,394

0,231

PTFE

2,5

0,254

1

30,78 - 45,93

30,55

0,464

0,228

PTFE

3

0,254

1

36,94 - 55,18

37,77

0,410

0,231

PTFE

5

0,254

1

61,56 - 91,97

61,92

0,385

0,229

PTFE

5

0,3

2

84,16 - 130,86

129,20

0,429

0,331

PTFE

5

0,3

2

84,16 - 130,86

140,80

0,441

0,346

PTFE

5

0,3

2

84,16 - 130,86

101,83

0,321

0,294


[Seite 50↓]

3.2.3  Bestimmung der Strahlungsintensitäten

3.2.3.1 Berücksichtigung der Verhältnisse im Durchfluß

Aktinometrische Messungen werden in der Regel durchgeführt, um die eingestrahlte Intensität I 0 zu bestimmen. Dies setzt voraus, daß in einem Konzentrationsbereich gearbeitet wird, in dem alle auftreffenden Photonen absorbiert werden, so daß der Abbau von Fe3+ mit einer Gleichung 0. Ordnung beschrieben werden kann.

Durch die Variation der Bestrahlungszeit T h ν wurde der photo­chemische Abbaus an Fe3+ im Durchfluß verfolgt, wobei die Stoffmenge an Fe3+ nach einer bestimmten Bestrahlungs­zeit T h ν jeweils anhand der Differenz aus der Stoffmenge an eingesetztem Fe3+ und der an gebildetem Fe2+ berechnet wurde. Die Stoffmenge an Fe2+ konnte aus der Absorption des o-Phenanthrolins nach dem Bouguer-Lambert-Beerschen Gesetz wie folgt berechnet werden:

Gleichung 26 : n Fe2+: Stoffmenge Fe2+ [mol]; A λ: Absorption des Phenanthrolinkomplexes bei 510 nm ; ε: Absorptionskoeffizient des o-Phenanthrolinkomplexes: 11200 L.mol-1.cm-1; V: Volumen des Maßkolbens: 2 mL; d: Schichtdicke [cm]

Sofern im Bereich der Totalabsorption (Reaktion 0. Ordnung) gemessen wird, entspricht die Zahl der absorbierten Photonen der insgesamt auftreffenden Photonen und I abs/V = I a = I 0. In diesem Falle würde sich ein linearer Abfall der Stoffmenge an Fe3+ ergeben.

Diese Voraussetzung ist allerdings unter den allgemeinen Durchflußbedingungen nicht einzuhalten, da die eintretende Dispersion zur Entstehung von Konzentrationsgradienten in der Kapillare führt und damit zu unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Abschnitten des Bolus.

Die Abhängigkeit der Abnahme von Fe3+ von der Bestrahlungszeit ist in Abbildung 30 dargestellt.


[Seite 51↓]

Abbildung 30 : Stoffmenge n Fe3+ nach Bestrahlung der Aktinometerlösung (0,02 mol/L) in einer Kapillare aus PTFE (l = 1 m, ID = 0,227 mm) unter Variation der Flußrate (0,7; 0,8; 1,0; 1,5 und 2,0 mL/min (UV-C-Strahler) und 0,3; 0,4; 0,5; 0,7 und 1,0 mL/min (UV-A-Strahler und UV-B-Strahler) (n = 4). Werte siehe Anhang 2.

Die eingefügten Fehlerindikatoren basieren auf den Standardabweichungen der Absorptionsmessungen.

Eine Reaktion, die durch eine Reaktionsgleichung 0. Ordnung beschrieben werden kann, ist nur bei einer ausreichend hohen Konzentration an Aktinometer-Lösung gegeben. Im allgemeinen Fall hingegen gilt Gleichung 13 (Kapitel 2.2.4.) in Anlehnung an das Bouguer-Lambert-Beersche Gesetz, wobei sowohl die Schichtdicke als auch die Absorption und damit die entsprechende Konzentration mit einbezogen werden müssen. Voraussetzung für die Gültigkeit dieses Gesetzes ist zudem das senkrechte Auftreffen der Strahlung auf eine planare Oberfläche, da Streuung und Reflexion an der Probenoberfläche zur Lichtschwächung führen. Aufgrund des zylinder­förmigen Reaktionsraums der Kapillaren im Durchfluß-System ist diese Bedingung nicht erfüllt. Da aber die absorbierte Strahlungsintensität und nicht das Restlicht gemessen wurde, wurden diese Parameter mit einbezogen.

Die Schichtdicke d war in gehäkelten Kapillaren nicht definierbar, da sich durch die räumliche Anordnung die Schläuche in verschiedenen Winkeln zur einfallenden Strahlung befanden. Dies konnte mit um das Trägersystem gewickelten Kapillaren umgangen werden (siehe Abbildung 18, Kapitel 3.1.1.), wobei die Schichtdicke jedoch durch das Zylindervolumen nicht einheitlich war. Eine Mittelung der Schichtdicke konnte aber über d mittel = ID π/4 erfolgen.

Eine Proportionalität zwischen der Absorption und der absorbierten Strahlungsintensität ist lediglich für Reaktionsbedingungen 1. Ordnung gegeben. Im Übergangsgebiet zwischen 0. und 1. Ordnung muß die inhomogene Verteilung berücksichtigt werden. Im [Seite 52↓]Laufe der Bestrahlung verändert sich nun die Verteilung der Substanz und führt zu einer Vergrößerung des bestrahlten Gesamtvolumens im Vergleich zum Injektionsvolumen. Bei einem Injektions­volumen von 20 µL ergab sich bei einer Flußrate von 1mL/min in einer ETFE Kapillare von 1 m Länge (ID = 0,250 mm) ein bestrahltes Volumen von ca. 100 µL (siehe Abbildung 31). Eine disper­gierte Probe absorbiert bei gleicher GesamtAbsorption mehr Photonen pro Zeiteinheit als eine nicht dispergierte Probe. Der Bereich 1. Ordnung ist ein Ausnahmefall, hier ist die Dispersion aufgrund des proportionalen Zusammenhangs zwischen Absorption und absor­bierter Strahlungs­intensität vernachläßigbar. Ein dispergierter Bolus absorbiert dann entsprechend viele Photonen wie ein nicht dis­per­gierter Bolus.

Abbildung 31 : Einfluß der Dispersion auf das bestrahlte Volumen am Beispiel der Injektion einer Aktinometer-Lösung (4 10-3 mol/L) in eine Kapillare (l = 1 m, ID = 0.250 mm) mit anschließender photometrischer Detektion (λ = 300 nm). Injektionsvolumen V i = 20 µL.

Die Verteilung der Substanz durch die Dispersionsprozesse kann nicht exakt definiert werden. Die erhaltenen Peakprofile der UVD konnten als Anhaltspunkte herangezogen werden, unberücksichtigt blieb aber die zeitliche Veränderung und der Beitrag des UV-Detektors am Dispersionsprozeß (siehe Gleichung 4, Kapitel 2.1.2.2.). Aus diesem Grund war es in dem verwendeten Konzentrationsbereich auch von Bedeutung, ob die Bestrah­lungs­zeit durch Variation der Länge oder der Flußrate erfolgte. Dies zeigte sich bei allen drei eingesetzten Strahlern und bei beiden eingesetzten Materialien (PTFE, ETFE). Die umgesetzte Stoffmenge n Fe3+ war bei der Variation der Flußrate stets höher als bei der Variation der Längen der Kapillaren unter Berücksichtigung der Bestrahlungszeiten.


[Seite 53↓]

Abbildung 32 : Stoffmenge n Fe3+ nach Bestrahlung der Aktinometerlösung (0,02 mol/L) in einer Kapillare aus PTFE (l = 1,0 m, ID = 0,227 mm) unter Variation der Flußrate
(F = 0,7; 0,8; 1,0; 1,5 und 2,0 mL/min (UV-C-Strahler) und der Kapillarlänge (1,5; 2,0; 2,5 und 3,0 m); V i = 20 µL; Werte siehe Anhang 2.

Die eingefügten Fehlerindikatoren basieren auf den Standardabweichungen der Absorptions­messungen.

Als mögliche Erklärung wurde die unterschiedliche Dispersion herangezogen. Die Dispersion in FIA-Systemen nimmt im allgemeinen mit Abnahme der Fließgeschwindigkeit ab[20], da die parabolische Aufweitung der Probenzone durch geringere Konvektion vermindert ist. Dies gilt selbstverständlich nur, wenn die Verweilzeiten des Bolus konstant bleiben, d.h. bei einer entsprechenden Kompensation durch Verkürzung der Kapil­lare. Vergleicht man die aufgenommenen Signale der UVD (Abbildung 22, 24 und 29; Kapitel 3.2.2.), so wird deutlich, daß sich die Peakformen durch die Verlängerung der Kapil­laren nicht wesentlich ändern, wohingegen die Peakhöhen im Falle des Herab­setzens der Fließgeschwindigkeit deutlich abnehmen. Eine Verlängerung der Bestrah­lungs­zeit bewirkte im letzteren Falle eine stärkere Peakverbreiterung und damit zugleich eine Zunahme des bestrahlten Volumens. Die Umsätze wären damit vergleichsweise höher.

Eine Beschreibung der Kinetik konnte somit nur nach der allgemeinen Gleichung 13
(siehe Kapitel 2.2.4.) erfolgen und die absorbierten Strahlungsintensitäten nicht als Ein­strahl­intensitäten aufgefaßt werden.

Die absorbierten Strahlungsintensitäten wurden in Anlehnung an Gleichung 10, Kapitel 2.2.3. nach folgender Gleichung berechnet:


[Seite 54↓]

Gleichung 27 : I abs: absorbierte Strahlungsintensität [Es/s]; n Fe2+: Stoffmenge Fe2+ [mol];
φ: Quantenausbeute (hier: 1,2 nach [96]); T h ν: Bestrahlungszeit [s]; A λ: Absorption des Phenanthrolinkomplexes bei 510 nm; ε: Absorptionskoeffizient [L.mol-1.cm-1]; V: Volumen des Maßkolbens [L]; Schichtdicke [cm]

3.2.3.2 Vergleichende Untersuchungen der absorbierten Strahlungsintensitäten

Möglich waren vergleichende Untersuchungen der absorbierten Strahlungsintensitäten unter Variation diverser Parameter (Versuchsdurchführung Kapitel 4.3.4.2.).

3.2.3.2.1 Einbrenndauer der Strahler

Die Absorption des o-Phenanthrolinkomplexes variierte mit der Einbrenndauer der Strahler. Direkt nach dem Einschalten waren die absorbierten Strahlungsintensitäten gering, sie stiegen in den nächsten Minuten an, fielen nach 20 min ab und stabilisierten sich nach 30 min.

Abbildung 33 : Absorption des Fe(II)-Phenanthrolinkomplexes (λ = 510 nm) nach Injektion der Aktinometer-Lösung und Bestrahlung in einer ETFE Kapillare (l = 1 m) unter Einsatz der Kühlung in Abhängigkeit von der Einbrenndauer des Strahlers

Die Strahlungsintensität hängt vom Quecksilberdamfdruck ab, der wiederum eine Funktion der Temperatur ist. Die Einstellung des stabilen Betriebszustandes basiert auf dem Erreichen stabiler Temperaturbedingungen [105]. Bei tiefen Temperaturen ist nicht genug Quecksilber verdampft und der Lichtstrom niedrig. Mit steigender Temperatur wächst mit dem Dampfdruck auch der Lichtsstrom, jedoch nur bis zu einem bestimmten Wert. Dann fällt der Lichtsstrom wieder, und zwar aufgrund der zunehmenden Selbst­[Seite 55↓]absorption durch die mit steigender Temperatur immer zahlreicher werdenden nicht angeregten Hg-Atome.

Durchzu­führende Messungen sollten daher nach einer Einbrenn­dauer von mindestens 30 min erfolgen.

3.2.3.2.2 Position der Kapillare

Voraussetzung für eine gleichmäßige Strahlungsverteilung über die Länge des Ent­ladungs­rohres ist ein gleichmäßiger Dampfdruck im gesamten Entladungsgefäß. Ein Abfall an den Lampenenden ist nach Herstellerangaben nicht zu vermeiden, so daß der Position der Kapillare eine entscheidende Bedeutung zukommt. Bei Positionierung der Kapillaren an den Enden des Entladungsrohres war eine Abnahme der absorbierten Strah­lungs­intensität auf ca. 40 % zu verzeichnen. Bei den Versuchen wurde die Reaktionsschleifen immer mittig angeordnet, so daß die berechneten Strahlungs­intensitäten auch an verschiedenen Tagen vergleichbar waren (siehe Anhang 3).

3.2.3.2.3 Material der Reaktionsschleife

Die Absorption des Phenanthrolinkomplexes war bei PTFE-Kapillaren grundsätzlich niedriger als bei ETFE Kapillaren, aber da die Bestrahlungszeiten in den PTFE Kapillaren geringer waren, ließen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Materialien feststellen (Werte siehe Anhang 2 und 4)

Abbildung 34: Absorption des Fe(II)-Phenanthrolinkomplexes bei Bestrahlung der Aktino­meterlösung (0,02 mol/L) in einer Kapillare aus PTFE (l = 1 m, ID = 0,227 mm).


[Seite 56↓]

Abbildung 35: Absorption des Fe(II)-Phenanthrolinkomplexes bei Bestrahlung der Aktinometerlösung (0,02 mol/L) in einer Kapillare aus ETFE (l = 1 m, ID = 0,247 mm).

Um vergleichende Untersuchungen mit einer Quarzkapillare durchführen zu können, wurden kurze Abschnitte der jeweiligen Reaktionsschleifen parallel zum Strahler (Abstand d = 0,8 cm) mit Hilfe des Trägersystem positioniert, da eine Häkelung bzw. Wickelung der Quarzkapillaren aufgrund der Sprödigkeit nicht möglich war.

Tabelle 11 : Berechnete absorbierte Strahlungsintensitäten I abs (Mittelwerte) in Abhän­gigkeit vom Material der Reaktionsschleifen kurzer, nicht gewickelter Reaktions­kapillaren (l = 12 cm), die durch ein Trägersystem in einem Abstand von 0,8 cm längs des eingesetzten Strahlers positioniert wurden, bei einer Flußrate von 0,15 mL/min;
(n = 6).

Strahlungsquelle

ETFE

PTFE

Quarz

I abs
108
[Es/s]

sdv (I abs)
108
[Es/s]

I abs
108
[Es/s]

sdv (I abs)
108
[Es/s]

I abs
108
[Es/s]

sdv (I abs)
108
[Es/s]

UV-C

7,26

0,115

7,20

0,101

5,11

0,188

UV-B

3,26

0,254

3,12

0,219

2,15

0,258

UV-A

3,27

0,278

3,24

0,159

2,48

0,126

Die berechneten absorbierten Strahlungsintensitäten waren bei den ETFE und PTFE Reaktionsschleifen vergleichbar. Die Werte bei der Verwendung von Quarzkapillaren waren niedriger und entsprachen ca. 70 % der Werte bei Kunststoffkapillaren. Die Erhöhung des Ausmaß der Umsetzungen in Kapillaren aus ETFE und PTFE im Vergleich [Seite 57↓]zu Quarz war bemerkenswert, entsprach aber den bisher durchgeführten Arbeiten auf diesem Gebiet (siehe Kapitel 2.1.2.1.).

Zudem waren die Verhältnisse der Strahlungsintensitäten bei verschiedenen Strahlungsquellen vergleichbar, so daß keine Wellenlängenabhängigkeit bezüglich der Durchlässigkeit von Teflon bzw. Tefzel im Vergleich zu Quarz festgestellt werden konnte.

3.2.3.2.4 Einsatz der Kühlung

Die absorbierten Strahlungsintensitäten nahmen beim Einsatz der Kühlung ab.

Abbildung 36 : Graphische Darstellung der Strahlungsintensitäten (n = 24) in Abhängig­keit vom Reaktionsschleifenmaterial, dem Einstrahlungsspektrum und dem Einsatz der Kühlung. Werte siehe Anhang 3.

Da sich die Bestrahlungszeiten durch die Temperatur nicht veränderten, war dieser Effekt nicht auf veränderte Expositionsdauern (z.B. durch eventuelle Verformungen des Materials) zurückzuführen. Weiterhin ist die Quanten­ausbeute des Aktinometers im Temperatur­bereich von 5 - 80 °C konstant [28]. Die Verschmälerung der Signale durch erhöhte Temperaturen führte zu einer Verringerung des bestrahlten Volumens und sollte daher eher zu einer Abnahme der absorbierten Strahlungsintensität führen. Entscheidend war der Einfluß auf den Quecksilberdampfdruck in den Strahlungsquellen. Die Temperatur beeinflußt die relative Ausbeute der Leuchtstoffröhren, wobei die Werte bei 20 °C, in [Seite 58↓]Abhängigkeit von der Art des Strahlers, ca. 80 % der Ausbeute bei 40 °C entsprechen [105].

Bei vergleichenden Untersuchungen (Kühlung an/aus) ist es auf jeden Fall nötig, den Einfluß auf die Strahlungsausbeute mit zu berücksichtigen.

3.2.3.2.5 Einsatz von Reflexionsmaterialien

Durch den Einsatz von Reflexionsmaterialien konnten die absorbierten Strahlungs­inten­sitäten gesteigert werden. Der Ventilator ermöglichte es, die Temperatur an der Oberfläche des Entladungsrohres konstant zu halten und damit die Reflexion und nicht den Temperatureinfluß zum entscheidenden Faktor zu machen. Durch den Einsatz des selbst konstruierten Reaktors mit Aluminiumröhre (ID = 10 cm) wurden die Ausbeuten um die Faktoren 1,30 - 1,37 gesteigert, während eine schmalere Röhre aus Aluminiumfolie (ID = 5 cm) zu einer Erhöhung der Ausbeute um den Faktor 2,12 - 2,26 führte.

Tabelle 12 : Berechnete absorbierte Strahlungsintensitäten (Mittelwerte) in Abhängigkeit vom Reflektormaterial - unter Einsatz der Kühlung - nach Bestrahlung in einer ETFE-Reaktionskapillare (l = 1 m); (n = 6).

Strahlungs-quelle

schwarzes Papier

Reaktor

Aluminiumfolie

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)
108
[Es/s]

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)
108
[Es/s]

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)
108
[Es/s]

UV-C

4,33

0,105

5,63

0,181

9,40

0,388

UV-B

1,75

0,155

2,29

0,119

3,95

0,345

UV-A

1,82

0,189

2,50

0,047

3,85

0,258

3.2.3.2.6 Art und Form der Reaktionsschleifen

Die absorbierten Strahlungsintensitäten waren in Kapillaren, die um das Trägersystem gewickelt wurden, aufgrund der effektiveren Anordnung höher als in gehäkelten Kapillaren. Zum einen war zu berücksichtigen, daß durch das Häkeln eine Peakverschmälerung eintrat und damit das bestrahlte Volumen geringer wurde. Maßgeblich waren aber auch die Schichtdicke und der Abstand zur Strahlungsquelle, der nur für das Trägersystem eindeutig war, für gehäkelte Kapillaren aber nicht exakt bestimmbar (0 cm ≤d≤ 1 cm).


[Seite 59↓]

Tabelle 13: Berechnete absorbierte Strahlungsintensitäten (Mittelwerte) in Abhängigkeit von der Wickelung der Reaktionsschleifen bei einer Flußrate von 0,5 mL/min; (n = 6).

Strahlungsquelle

gehäkelte Kapillare

gewickelte Kapillare

I abs gewickelt /
I abs gehäkelt

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs) 108
[Es/s]

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs) 108
[Es/s]

UV-C

5,58

0,154

7,55

0,214

1,35

UV-B

2,35

0,188

3,25

0,155

1,38

UV-A

2,51

0,147

3,29

0,104

1,31

3.2.3.2.7 Lebensdauer der Strahlungsquelle

Angaben zur Lebensdauer von Licht- und Strahlungsquellen sind bis heute noch nicht einheitlich definiert worden. Der Strahlungsrückfall wird vor allem durch die Belastung (Betriebsstrom) und die Schalthäufigkeit beeinflußt. Bei den UV-C-Strahlern mit einer Nutz-Brenndauer von 100 bzw. 200 h konnten keine Unterschiede festgestellt werden, während der über 1500 h in Betrieb gewesene Strahler einen Abfall der absorbierten Strahlungsintensität auf ca. 80 % aufzeigte.

Tabelle 14 : Berechnete absorbierte Strahlungsintensitäten (Mittelwerte) in Abhängigkeit von der Brenndauer der Strahlungsquellen (UV-C) unter Einsatz der Kühlung nach Bestrahlung in einer ETFE-Reaktionskapillare (l = 1 m); n = 6.

Nutz-Brenndauer:
100 h

Nutz-Brenndauer:
300 h

Nutz-Brenndauer:
>1500 h

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)108
[Es/s]

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)108
[Es/s]

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)108
[Es/s]

5,35

0,115

5,63

0,181

4,43

0,388

3.2.3.2.8 Art des photochemischen Reaktors

Vergleichende Untersuchungen zwischen dem selbst hergestellten Reaktor und dem zur Verfügung stehenden handelsüblichen Gerät "Beam Boost" waren nur mit dem UV-A und UV-C-Strahler ohne Einsatz des Ventilators möglich (siehe Kapitel 3.1.2.).


[Seite 60↓]

Tabelle 15 : Berechnete absorbierte Strahlungsintensitäten (Mittelwerte) in den beiden photochemischen Reaktoren unter Verwendung verschiedener Strahlungsquellen (UV-C/ UV-A) ohne Kühlung nach Bestrahlung in einer ETFE-Reaktionskapillare (l = 1 m);
(n = 6).

Strahlungs-quelle

"Beam Boost"

Photoreaktor

I abs "BeamBoost"/

I abs Photoreaktor

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)108
[Es/s]

I abs 108
[Es/s]

sdv (I abs)108
[Es/s]

UV-C

3,63

0,115

6,62

0,201

0,55

UV-A

1,68

0,089

3,15

0,104

0,53

Die absorbierten Strahlungsintensitäten betrugen im käuflich zu erwerbenden Gerät ca. 53 - 55 % der im photochemischen Reaktor gemessenen Intensitäten. Der Strahlungs­rückfall soll nach Herstellerangaben durch die Herabsetzung des Betriebsstroms vermindert werden. Da mit der Aktinometrie eine geeignete Methode vorhanden war, die Konstanz von Strahlungsintensitäten zu bestimmen und um höhere Umsätze zu erhalten, wurde der konstruierte Reaktor auf dem höheren Leistungsniveau belassen.

3.2.3.2.9 Vergleich mit der stationären Bestrahlung

Um die Methode zu prüfen, wurden Bestrahlungen der Aktinometer-Lösung stationär in einer Quarzküvette durchgeführt. Die absorbierten Strahlungsintensitäten bei stationärer Bestrahlung (Eintrittsfläche: 2 cm2) waren größer als die bei Bestrahlung unter Durchfluß-Bedingungen.

Tabelle 16 : Vergleich der berechneten absorbierten Strahlungsintensitäten (UV-C/ UV-B/ UV-A) ohne Kühlung nach Bestrahlung in einer Quarz-Reaktionskapillare (l = 12 cm);
(n = 6).

Strahlungs-quelle

stationäre Bestrahlung

Quarz-Kapillare

I abs stationär/

I abs Photoreaktor

I abs 108

[Es/s]

sdv (I abs)108

[Es/s]

I abs 108

[Es/s]

sdv (I abs)108

[Es/s]

UV-C

9,57

0,223

5,11

0,188

1,88

UV-B

3,75

0,132

2,15

0,258

1,75

UV-A

4,51

0,177

2,48

0,126

1,81

Aufgrund der einheitlichen und größeren Schichtdicke konnte bei der stationären Bestrahlung von einer Total­absorption (Eλ≥ 2) ausgegangen werden. Die Absorption des Phenanthrolin­komplexes, graphisch dargestellt in Abbildung 37, sollte in dem Fall proportional zur Bestrahlungszeit sein (Werte: siehe Anhang 5).


[Seite 61↓]

Abbildung 37 :Graphische Darstellung und Ergebnisse der linearen Regressionsanalyse der Absorptionen des o-Phenanthrolinkomplexes, ermittelt nach Bestrahlung in einer Quarz­küvette (Schichtdicke d = 1 cm, bestrahltes Volumen V h ν= 2 mL) in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit unter Variation des Einstrahlungsspektrums.

Ein direkter Vergleich erforderte neben der Berücksichtigung der unterschiedlichen Reaktionsordnungen auch den Einbezug der verschiedenen Eintrittsflächen bzw. Volumina. Das bestrahlte Volumen V h ν im Durchfluß (20 µL ohne Dispersion) war im Vergleich zur stationären Bestrahlung (2,0 mL) um den Faktor 100 kleiner. Die Intensitäten pro Volumen waren daher im Durchfluß größer und der Einsatz von Reaktionskapillaren zur Bestrahlung ist in diesem Sinne sehr effektiv. Eine Wellenlängenabhängigkeit bezüglich der Durchlässigkeit der Kapillaren war im Rahmen der Meßgenauigkeit nicht zu verzeichnen.


[Seite 62↓]

3.2.3.3  Abschätzung der eingestrahlten Lichtintensität

Um von den absorbierten Strahlungsintensitäten Rückschlüsse auf die insgesamt auftreffenden Photonen ziehen zu können, mußte der Einfluß der Dispersion auf die Reaktionsordnung der photochemischen Reaktion berücksichtigt werden.

3.2.3.3.1 Hoher Konzentrationsbereich

Im Falle einer Reaktion 0. Ordnung (Eλ > 2), würde im Bereich der Totalabsorption gearbeitet, so daß I a = I o angenommen werden könnte. Konzentrations­gradienten sind nur dann von Bedeutung, wenn die Totalabsorption der Probe nicht gewähr­leistet ist. Ziel war es daher, unter Bedingungen zu arbeiten, die eine Bestimmung bzw. Abschätzung aller auftreffenden Photonen erlaubt.

Bei einem gaussförmigen Peakprofil geht die Konzentration an den Rändern des Bolus aber gegen Null, so daß unter den angewendeten Bedingungen eine Totalabsorption im Gesamtbereich des bestrahlten Volumens nicht möglich war (siehe Kapitel 3.2.3.1.). Durch Verkürzung der Kapillaren (l = 4,5 cm) und Unterbrechen der Pumpentätigkeit zum Zeit­punkt des Verweilens der Substanz in der Kapillare konnten die Randbedingungen aber minimiert werden. Die eingesetzte Konzentration der Aktinometerlösung wurde auf 0,2 mol/L erhöht, um eine ausreichend hohe Konzentration in der Kapillare auch nach den Dispersions­prozessen zu erhalten. Das injizierte Volumen (V i = 20 µL) war ca. 10 mal größer als das Volumen der Kapillare (V = 2,2 µL ; ID = 0,247 mm), so daß näherungs­weise ein Auffüllen der Kapillare angenommen wurde.

Die Totalabsorption konnte insofern trotzdem nicht zu 100% gewährleistet werden, weil die Schichtdicken bedingt durch das zylindrische Volumen, zwischen d min = 0 und d max = ID lag. Ausgehend von der Kreisfunktion y2 = r2 - x2, läßt sich die Fläche eines Viertel­kreises anhand des folgenden Integrals berechnen:

Gleichung 28 : Integral der Kreisfunktion y2 = r2 - x2, berechnet durch Mathematica 3.0 for Microsoft Windows (Copyright 1988-97 Wolfram Research, Inc.)

Bei einem Radius r von 0,127 mm wird bei einem Abstand von x = 0,120 vom Kreismittelpunkt bereits 95 % der Fläche erfaßt. Nach Einsetzen in die Kreisfunktion ergibt sich ein Wert für y von 0,041 mm. Bei einer Schichtdicke d 95% (d 95%= 2·0,041 mm ) von 0,082 mm (32% des Innen­durch­messers) wird damit bereits 95% der Fläche erfaßt, so daß eine Näherung erfolgen konnte.


[Seite 63↓]

Abbildung 38 : Kennzeichnung der Schichtdicke d 95% anhand des Querschnitts durch die Reaktionskapillare

Für die Absorptionen bei 254, 311 und 366 nm (Hauptemissionen der jeweiligen UV-Strahler) ergaben sich demnach folgende Werte:

A 254 nm = ε 254 nm . c d . d 95%= 4890 moL-1.L.cm-1.0,2 mol.L-1. 0,0082 cm = 8,0

A 311 nm = ε 311nm . c d . d 95%= 2826 moL-1.L.cm-1.0,2 mol.L-1. 0,0082 cm = 4,6

A 366 nm = ε 366nm . c d . d 95%= 877 moL-1.L.cm-1.0,2 mol.L-1. 0.0082 cm = 1,4

Die Absorptionskoeffizienten wurden hierfür stationär in einer Küvette mit dem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC bestimmt. Unter den gewählten Bedingungen wurde eine Abschätzung der Totalabsorption unter den Bedingungen einer Reaktion 0. Ordnung (für den UV-C und UV-B-Strahler) vorgenommen. Das Auftragen der Absorptionen des o-Phenanthrolinkomplexes ergab in diesem Falle eine Gerade (Abbildung 39).

Abbildung 39: Graphische Darstellung (UV-C-Bestrahlung) der Absorption E λ des o-Phenan­throlinkomplexes (λ = 510 nm) in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit.

Werte siehe Anhang 6.
Kapillaren: Quarz, PTFE, ETFE (Länge l = 4,5 cm, ID = 0,32 mm (Quarz), ID = 0,227 mm (PTFE), ID = 0,247 mm (ETFE)). Kühlung aus; Flußrate 1 mL/min.


[Seite 64↓]

Tabelle 17 : Ergebnisse der linearen Regressionsanalyse (n = 15):

UV-C

Material der Kapillare

Kühlung

Steigung der Geraden m

[s-1]

relsdv%

(Steigung)

y(x=0)

relsdv%

(y(x=0)

Korrelations-koeffizient R2

ETFE

aus

0,0192

2,22

0,360

3,25

0,992

ETFE

an

0,0165

2,04

0,292

3,05

0,995

PTFE

aus

0,0175

1,95

0,358

3,89

0,991

PTFE

an

0,0152

2,89

0,255

4,28

0,989

Quarz

aus

0,0129

3,55

0,144

3,51

0,996

Quarz

an

0,0112

3,58

0,134

4,58

0,998

UV-B

Material der Kapillare

Kühlung

Steigung der Geraden m

[s-1]

relsdv%

(Steigung)

y(x=0)

relsdv%

(y(x=0)

Korrelations-koeffizient R2

ETFE

aus

0,0070

1,55

0,360

2,51

0,995

ETFE

an

0,0060

1,89

0,292

2,89

0,994

PTFE

aus

0,0063

1,28

0,187

2,62

0,997

PTFE

an

0,0054

1,21

0,255

3,15

0,993

Quarz

aus

0,0044

2,14

0,144

4,50

0,994

Quarz

an

0,0042

2,55

0,134

3,01

0,998

Die Achsenabschnitte waren signifikant von Null verschieden, da schon während des Durchfliessens der Aktinometer-Lösung eine Bestrahlung erfolgte und in der Graphik die Absorption zur Stopzeit T stop aufgetragen wurde. Das Unterbrechen der Pumpentätigkeit für bestimmte Bestrahlungszeiten führten daher zu einer zusätzlichen Bestrahlung (siehe Gleichung 25, Kapitel 3.2.2.3.3.). Aus den Steigungen der Geraden konnten die absorbierten Strahlungsintensitäten I abs nach Gleichung 27, Kapitel 3.2.3.1. (Steigung m = E λ/T h ν) berechnet werden. Die Berücksichtigung der Volumina (V = 1,8 µL für PTFE-Kapillaren; 2,2 µL für ETFE-Kapillaren und 3,6 µL für die Quarzkapillaren) ergab die absorbierten Quanten­strom­konzentrationen I a, die in diesem Falle bedingt als eingestrahlte Quantenstrom­konzentrationen I 0 aufgefaßt werden konnte.


[Seite 65↓]

Tabelle 18: Berechnung der eingestrahlten Quantenstromkonzentrationen anhand der Steigungen der Geraden nach Gleichung 27, Kapitel 3.2.3.1.

Material der Kapillare

Kühlung

UV-C

I abs·109

 

[Es·s-1]

.

UV-C

I a·103

I 0·103

[Es·s-1·L-1]

.

UV-B

I abs·109

 

[Es·s-1]

.

UV-B

I a·103

I 0·103

[Es·s-1·L-1]

.

ETFE

aus

2,86

1,30

1,04

0,47

ETFE

an

2,46

1,12

0,89

0,41

PTFE

aus

2,60

1,45

0,94

0,52

PTFE

an

2,26

1,26

0,80

0,45

Quarz

aus

1,92

0,53

0,65

0,18

Quarz

an

1,67

0,46

0,63

0,17

I abs:absorbierte Strahlungsintensität [Es·s-1]
I
a:absorbierte Quantenstromkonzentration [Es·s-1·L-1]
I
0:eingestrahlte Quantenstromkonzentration [Es·s-1·L-1]

zur Berechnung:
φ:Quantenausbeute (hier: 1,2 nach [96])
m:
Steigung m = E λ/T h ν (Abbildung 39)
T
h ν:Bestrahlungszeit [s]
E
λ:Absorption des Phenanthrolinkomplexes bei 510 nm
ε:Absorptionskoeffizient Phenanthrolinkomplexes bei 510 nm: 11200 L.mol-1.cm-1
V
:Volumen des Maßkolbens: 2 mL
d
: Schichtdicke: 1 cm

Auch unter diesen Versuchsbedingungen waren die Strahlungsintensitäten bei der Bestrahlung in Quarz-Kapillaren niedriger als in Tefzel- oder Teflon-Kapillaren. Dies war insofern bemerkenswert, als Strahlungsreflexionen in der Kapillare durch die hohe Konzen­tration der Aktinometer-Lösung minimiert wurden. Reflexionen an den Innen­wänden der Kapillaren durch nicht absorbierte Photonen konnten also nicht maßgeblich für die hohen Umsätze in Teflon bzw. Tefzel-Kapillaren verantwortlich sein.

Ein Temperatur­effekt war auch entsprechend den vorangegangen Versuchen zu verzeichnen.


[Seite 66↓]

3.2.3.3.2  Niedriger Konzentrationsbereich

Im Falle von Reaktionsbedingungen, unter denen eine Umsetzung abläuft, die durch eine Gleichung 1.Ordnung beschreibbar ist, gilt Gleichung 15 (Kapitel 2.2.4.). Im Gegensatz zu Reaktionen 0. Ordnung mußten zusätzlich die Absorptionskoeffizienten der Aktinometer-Lösung berücksichtigt werden, da nicht alle auftreffenden Photonen absorbiert wurden. Die Konzentration der Aktinometer-Lösung wurde auf 10-5 mol/L herabgesetzt. Konzentrations­gradienten waren in diesem Fall von untergeordneter Bedeutung, denn eine dispergierte Probe absorbiert die gleiche Zahl an Photonen, die eine entsprechende nicht dispergierte Probe absorbieren würde (siehe Kapitel 3.2.3.1.). Wegen der niedrigeren Konzentrationen ist in diesem Fall eine direkte Verfolgung der Degradation mittels UV-Detektion im on-line System möglich. Die Abnahme an Ferrioxalat kann direkt spektral­photometrisch durch die Abnahme der Absorption bei λ = 300 nm verfolgt werden, da die Photoprodukte bei dieser Wellenlänge nicht absor­bieren (Werte: siehe Anhang 7).

Abbildung 40 : Degradation der Ferrioxalat-Lösung (c = 10-5 mol/L) in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit. Detektionswellenlänge λ = 300 nm. Kühlung an; (n = 3)

AREA%: Mittelwerte der Flächen dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100

Die eingestrahlte Quantenstromkonzentration I 0 kann nach Gleichung 29 (aus Gleichung 15 und 16) abgeschätzt werden. Die halblogarithmische Auftragung ergab eine Gerade.


[Seite 67↓]

Gleichung 29 : φ A: Quantenausbeute; d: hier d mittel; χ : natürlicher molarer Absorptions­koeffi­zient (χ = 2,3 ε).

Dabei kann die Geschwindigkeitskonstante k durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Gleichung 30 : I 0: eingestrahlte Quantenstromkonzentration [Es·s-1·L-1]; φ A: Quanten­aus­beute 1,2; χ = natürlicher molarer Absorptionskoeffizient (χ = 2,3·ε) [L·mol-1·cm-1]; d mittel: mittlere Schichtdicke [cm]

Die Durchführung einer Regressionsanalyse (A = A 0 e-kt) erlaubt die Bestimmung von k, wobei als Startwerte für die Auswertung mittels des Levenberg-Marquardt-Algorithmus die mittels linearer Regression der logarithmierten Werte erhaltenen Konstanten eingesetzt wurden. Die eingestrahlte Quantenstromkonzentrationen I 0 konnten aus der Geschwindigkeits­konstanten k berechnet werden:

Gleichung 31

Die Schichtdicke wurde als mittlere Schichtdicke d mittel = 0,175 mm (PTFE ID = 0,223 mm) und d mittel = 0,196 mm (ETFE ID = 0,250 mm) angenommen (d mittel = ID π/4). Vorausgesetzt wurde weiter­hin, daß die Absorptionen und Quantenausbeuten (φ = 1,2 nach [96]) der Aktino­meter-Lösung über den gesamten Einstrahlungsbereich gleich waren und die Absorptionen denen der Wellenlängen der Hauptemissionen der Strahler entsprechen (Methode 1).

Zunächst wurden die Absorptionskoeffizienten der Aktinometer-Lösungen bei den Wellen­längen ermittelt, die der Hauptemissionslinien der Strahler entsprachen.


[Seite 68↓]

UV-C: ε 254 = 4890 mol-1 L cm-1

UV-B: ε 311 = 2826 mol-1 L cm-1

UV-A: ε 366 = 877 mol-1 L cm-1

Die Spektralfluß­verteilungen der Strahler und das Absorptionsspektrum der Aktino­meterlösung (siehe Abbildung 41) konnten aber auch durch anteilsmäßige Wichtung der einzelnen Wellenlängen (5 nm Abschnitte) berück­sichtigt werden (Methode 2).

Abbildung 41 : UV-Spektren von Ferrioxalat-Aktinometerlösungen verschiedener Konzen­trationen (c = 1 10-2mol/L; 5 10-4 mol/L und 2 10-4 mol/L)

Die Spektralfluß­verteilung der Strahler wurde hierfür nach Gleichung 9 (Kapitel 2.2.3.) von Watt nach Es (siehe Anhang 8) umgerechnet und die Einstrahlungsintensitäten in den verschie­denen 5 nm Abschnitten (siehe Anhang 9) berechnet. Da sich die Anga­ben des Herstellers nur auf 5 nm Abschnitte beziehen, wurde zur Umrechnung die jewei­lige mittlere Wellenlänge eingesetzt. Aufgrund der höheren Energie von Photonen niedri­gerer Wellenlänge ergab sich eine geringere Wichtung, falls die Spektralflußverteilung auf Teil­chen bezogen wurde (Abbildung 42).


[Seite 69↓]

Abbildung 42 : Graphische Darstellung der Umrechnung der Spektralflußverteilung des UV-B-Strahlers vom energiebezogenen Anteil (Watt) zum teilchenbezogenen Anteil (Es)

Im Folgenden wurde als Spektralflußverteilung immer der Photonen bezogene Anteil eingesetzt.

Bei der Wichtung wurde daher sowohl die Absorption der Aktinometer-Lösung als auch die Spektralflußverteilung der Strahler berücksichtigt, wobei k im Falle einer Reaktion 1. Ordnung proportional zu I 0 und ε ist (Methode 2, siehe Anhang 9).

Die Ergebnisse der Regressionsanalyse sind in Tabelle 19 zusammengestellt.


[Seite 70↓]

Tabelle 19 : Ergebnisse der Regressionsanalyse (A = A0·e-kt)und Abschätzung der Strahlungs­intensitäten I 0 (gewichtet und ungewichtet) anhand der Degradation der Aktinometer-Lösung nach einem Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung.
ε 254 = 4890 mol-1 L cm-1; ε 311= 2826 mol-1 L cm-1; ε 366 = 877 mol-1 L cm-1; φ = 1,2

PTFE:

 

A0

sdv (A0)

k

[1/s]

sdv (k)

[1/s]

Korrelations-koeffizient
R2

I 0 -
Methode 1
[Es/s/L]

I 0 -
Methode 2
[Es/s/L]
gewichtet

UV-C

98,5

1,97

0,234

0,0127

0,995

0,99·10 3

1,21·10 3

UV-B

97,5

2,45

0,050

0,0037

0,985

0,37·10 3

0,46·10 3

UV-A

99,2

1,11

0,021

0,0012

0,988

0,49·10 3

0,46·10 3

ETFE:

 

A0

sdv (A0)

k

[1/s]

sdv (k)

[1/s]

Korrelations-koeffizient
R2

I 0 -
Methode 1
[Es/s/L]

I 0 -
Methode 2
[Es/s/L]
gewichtet

UV-C

98,3

2,30

0,202

0,0125

0,994

0,76·10 3

0,93·10 3

UV-B

97,8

1,65

0,052

0,0033

0,995

0,34·10 3

0,43·10 3

UV-A

98,9

1,17

0,017

0,0010

0,988

0,35·10 3

0,33·10 3

Die berechneten Strahlungsintensitäten I 0 (gewichtet) unterschieden sich z.T. nicht deutlich von den ungewichteten Werten und waren mit den Werten, die unter den Bedingungen einer annähernden Totalabsorption erhalten worden sind, durchaus vergleichbar. Da es sich jeweils nur um eine Abschätzung handelte, waren vergleichende Beurteilungen aber problematisch.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Einstrahlintensitäten auch bei niedrigen Konzentrationen an Aktinometer-Lösung unter der Annahme, daß die Reaktion durch eine Kinetik 1. Ordnung beschrieben werden kann, grob abgeschätzt werden können.

3.2.3.3.3 Vergleich mit Tageslicht

Bei einem Vergleich der Intensität des eingestrahlten Lichtes mit der vom Tageslicht mußten neben den Intensitäten auch die Wellenlängen berücksichtigt werden. Da die Angaben über die Sonnenlichteinstrahlung in Bestrahlungsstärken (Einheit: W m-2 oder W cm-2) oder als Photonenflux (Einheit: Es m-2 s-1) angegeben werden, die berechneten Quanten­strom­konzentrationen I 0 aber pro Volumen bestimmt wurden (Einheit: Es.s-1.L-1), mußte eine Umrechnung erfolgen. Wird als bestrahlte Fläche in der Kapillare das Produkt aus Durchmesser und Länge angenommen, so entspricht 1 cm2 einer Kapillar­länge von 39,4 cm (bei einem Innendurchmesser ID = 0,254) und damit einem Volumen von ca. 20 µL. Der erhaltene Photonenflux (umgerechnet von 20 µL auf 1 L) wurde mit dem Standard-Sonnenspektrum [106] (bestrahlte Fläche: 1 cm2) verglichen. Bisher sind eine Reihe von gemessenen Sonnen­spektren, die unterschiedliche Breitengrade, Höhen sowie Schwankungen aufgrund des Jahres, der Jahreszeit und der Tageszeit berücksichtigen, veröffentlicht worden [107]. Das verwendete Referenzspektrum wurde von der europäischen Arbeits­gruppe "Sun Protection Measurement" der COLIPA (European Cosmetic, Toiletry and Perfumery Association) als Standardsonne ausgewählt und stellt [Seite 71↓]das Spektrum eines wolkenlosen Himmels bei hohem Sonnenstand und verhältnismäßig niedriger Höhe über dem Meeresspiegel dar. Die Einheit der Bestrahlungsstärke wird durch µW cm-2 nm-1 angegeben, daher war zunächst eine Umrechnung in Es cm-2 s-1 nm-1 erforderlich (siehe Anhang 10).

Die nahezu monochromatische Linienemission des UV-C-Strahlers erlaubte eine direkte Umrechnung auf die 20 µL pro Wellenlänge. Die ermittelte Strahlungsintensität I 0 (siehe Tabelle 19, Kapitel 3.2.3.3.2.) wurde anteilsmäßig auf die entsprechenden Wellenlängen verteilt.

Tabelle 20 : Berechnung der Strahlungsintensität I 20µL und Verteilung anhand der prozentualen spektralen Emission
I
20µL = I 0 V = 9,3 10-4 Es s-1 L -1  20 µL = 1,86 10-8 Es s-1
(I 0: Einstrahlintensität in einer ETFE Kapillare, gewichteter Wert; siehe Tabelle 19)

Wellenlänge
[nm]

Anteil der Emission

I 20µL
[Es. s-1]

254

0,809

1,38 · 10-8

311

0,132

2,25 · 10-9

366

0,060

1,02 · 10-9

405

0,090

1,53 · 10-8

Summe

1,000

1,86 · 10-8

Wegen der Absorption durch die Ozonschicht ist die Intensität der Strahlung mit Wellen­längen unterhalb von 290 nm auf der Erde gering. Daher sind die UV-C-Strahler bei Simu­lations­experimenten für photochemische Stabilitätsuntersuchungen nicht unbedingt zweck­mäßig. Sie können jedoch als "Stress-Test" in photochemischen Untersuchungen ange­wendet werden [108].

Die polychromatische Emission der UV-B- und UV-A-Strahler erforderte die Verteilung auf den entsprechenden Wellenlängenbereich durch Umrechnung in 5 nm Schritten. Die berech­neten Werte gaben die gesamte Stahlungsintensität innerhalb eines 5 nm Bereiches an (siehe Anhang 11). Das Standardsonnenspektrum bezieht sich jedoch auf die Angaben für die Strahlungsintensität pro einzelner Wellenlänge. Daraus folgt, daß die Werte aus Anhang 11 für die vergleichende graphische Darstellung durch 5 geteilt werden mußten.


[Seite 72↓]

UV-B: I 20µL = I 0 V = 4,3 10-4 Es s-1 L-1  20 µL = 8,6 10-9 Es s-1

UV-A: I 20µL = I 0 V = 3,3 10-4 Es s-1 L-1  20 µL = 6,6 10-9 Es s-1

(I 0: Einstrahlintensität in einer ETFE Kapillare, gewichteter Wert; siehe Tabelle 19)

Abbildung 43 : Darstellung der Einstrahlintensitäten der Standardsonne (Angaben bis 400 nm) und des UV-B und UV-A-Strahlers, bezogen auf die Intensität I pro cm2 bzw. 20 µL.

Unter den vorgegebenen Versuchsbedingungen war der Anteil an UV-B-Strahlung, der die Probe erreicht höher als durch die Standardsonne vorgegeben war, wohingegen der UV-A-Strahler zu einer geringeren Exposition führte. Um Aussagen über die photochemische Stabilität von Substanzen zu treffen, sollten diese Spektren berück­sichtigt werden.


[Seite 73↓]

3.3  Bestrahlung vor der chromatographischen Trennung: Untersuchungen zur Photostabilität

3.3.1 Methode

3.3.1.1 Fließinjektionsanalyse

Die Integration des Photoreaktors in ein FIA-System mit anschließender photometrischer und amperometrischer Detektion ermöglichte es, erste Aussagen über eventuelle Veränderungen von UV-Filtern durch UV-Strahlung (UV-C, UV-B, UV-A) zu treffen.

Nach der Bestrahlung erfolgte im direkten Anschluß die UVD, gefolgt von der ECD. Die Auswertung erfolgte über die Peakflächen (n = 6), signifikante Unterschiede wurden mittels t-Test (P = 0,95; Freiheitsgrad f = 10) überprüft. Die Versuchsdurchführung ist in Kapitel 4.4.2. beschrieben. Da die Peakhöhen aufgrund von Dispersionsprozessen von der Temperatur abhängig waren (vgl. Kapitel 3.2.2.3.4.), wurde die Auswertung über die Flächen durchgeführt. Durch den Einsatz des Ventilators konnte dieser Effekt aber minimiert werden. Dies zeigte sich beispielsweise bei der Bestrahlung von Suliso­benzonum. Nach Bestrahlung ohne Kühlung erhöhten sich die Peakhöhen signifikant, während sich die Flächen nicht veränderten. Wurde das System hingegen gekühlt, waren die Peakhöhen vergleichbar. Die markierten Prozentzahlen (Tabelle 21) stellen die signifikanten Unterschiede dar, so daß bei der Auswertung über die Peakhöhe vermeintlich eine Veränderung stattgefunden hat.


[Seite 74↓]

Tabelle 21: Suliso­benzonum: Screening im FIA-System: Verhältnis (prozentual) der Mittelwerte der Peakhöhen bzw. -flächen (n = 6) mit und ohne Bestrahlung in Abhängigkeit vom Ein­strahlungs­spektrum, dem Einsatz der Kühlung und der Bestrahlungszeit. Signifikante Veränderungen: Fett gedruckt.

Strahler

Zeit des Stoppens

T stop
[s]

UVD
KÜHLUNG AUS
Fläche %

UVD
KÜHLUNG AUS
Höhe %

UVD
KÜHLUNG AN
Höhe %

ECD
KÜHLUNG AUS
Höhe %

ECD
KÜHLUNG AN
Höhe %

UV-C

0

100,4

104,8

100,2

105,8

101,6

40

100,9

105,7

101,1

106,4

102,6

80

100,7

103,6

100,7

102,5

103,4

120

101,0

105,0

101,0

109,0

99,5

160

100,3

106,3

99,5

108,3

99,3

UV-B

0

100,0

104,2

102,1

110,1

102,0

40

99,8

106,2

98,5

108,2

104,5

80

99,9

105,1

100,6

115,1

98,5

120

100,5

104,6

98,5

109,2

97,6

160

100,7

106,2

100,1

107,2

103,2

UV-A

0

98,8

103,8

99,7

105,9

99,6

40

101,5

107,8

100,1

104,5

100,5

80

100,4

103,3

99,8

109,1

99,5

120

99,2

104,1

99,4

103,2

98,2

160

98,9

104,5

102,3

106,5

97,5

Diese Ergebnisse bestätigten die Annahme, daß die Peaks durch erhöhte Temperaturen schmaler wurden.

Die Peakflächen bei UVD zu Beginn und am Ende der Versuchsreihen, bei abgeschalteter Strahlungsquelle, unterschieden sich bei allen UV-Filtern nicht signifikant. Damit wurde der Ausgangswert überprüft. Veränderungen im Detektionsverhalten waren daher nicht auf Veränderungen in der Lösung während der Versuchsdauer zurückzuführen.

Durch die UVD konnten Veränderungen im Absorptionsverhalten erkannt werden. Da für die Anwendung als UV-Filter ein ausreichendes Absorptionsvermögen notwendig ist, konnten damit auch erste Hinweise auf Wirksamkeitsverluste gewonnen werden. Die Detektion erfolgte bei zwei Wellenlängen, wobei eine die Wellenlänge des Absorptionsmaximums darstellte. Daher wurden zunächst die UV-Spektren der UV-Filter [Seite 75↓]im relevanten Fließmittel aufgenommen, wobei durch den Einsatz eines Thermostaten mögliche Temperatureffekte auf die Absorption verfolgt werden konnten.

Tabelle 22 : Detektions-Wellenlängen der UVD mit Absorptionskoeffizienten (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

Chemischer Lichtschutzfilter

Wellenlänge

λ max [nm]
(Absorptionskoeffizient ε
[mol -1 . L . cm -1 ])

Wellenlänge
λ [nm]
(Absorptionskoeffizient ε
[mol -1 . L . cm -1 ])

4-Aminobenzoesäure

270

(970)

254

(660)

4-Bis(polyethoxy)aminobenzoesäure-polyethoxyethylester

306

(960)

280

(450)

1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-

(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion

360

(1020)

285

(360)

2-Cyan-3,3-diphenyl-acrylsäure-

2-ethyl-hexylester

305

(950)

254

(390)

2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon (Oxybenzonum)

328

(410)

288

(640)

2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon-5-sulfonsäure (Sulisobenzonum)

323

(320)

287

(470)

3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on

305

(810)

280

(400)

4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester

309

(780)

240

(330)

2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure

305

(1010)

254

(250)

3,3,5-Trimethyl-cyclohexyl-salicylat

304

(230)

280

(80)

Bei einem Potential von +1,2 V elektrochemisch detektierbare UV-Filter waren 4-Amino­benzoe­säure, 2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon, 2-Hydroxy-4-methoxy­benzo­phenon-5-sulfon­säure, 3,3,5-Trimethyl-cyclohexyl-salicylat und 2-Phenylbenzimidazol-5-sulfon­säure. Damit stand für diese UV-Filter eine zusätzliche Detektionsmethode zur Verfügung. Für nicht detektierbare Verbindungen wurde die Möglichkeit eröffnet, eventuelle Photo­produkte, die amperometrisch oxidierbar waren (z.B. Phenole oder aromatische Amine) mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen. Da Aufgabemassen von 20 - 100 pg theoretisch [Seite 76↓]detek­tierbar sein sollten [109], konnten eventuelle amperometrisch oxidierbare Photoprodukte auf 0,2 % begrenzt werden (Annahme: Nachweisgrenze 100 pg).

Nach dem Grundgesetz von Grotthus und Draper ist nur das von einem Stoff absorbierte Licht photochemisch wirksam. Alle chemischen Lichtschutzfilter absorbieren UV-C- und UV-B-Strahlung, während UV-A-Strahlung nur von einem geringeren Anteil der UV-Filter absorbiert wird. Je nach Absorptionsspektrum des UV-Filters erlaubt der Einsatz des UV-A-Strahlers daher Aussagen über mögliche andere Effekte. Bei 4-Aminobenzoesäure, ein UV-B-Filter, waren z.B. keine Veränderungen der Peakflächen nach UV-A-Bestrahlung sowohl mit als auch ohne Einsatz des Ventilators erkennbar. Somit konnten unter den angegebenen Versuchsbedingungen Einflüsse durch Wärme oder systembedingte Veränderungen (z.B. Adsorptionseffekte an den Reaktionskapillaren) von der photochemischen Degradation abgegrenzt werden.

3.3.1.2 Hochdruckflüssigkeitschromatographie

Im HPLC-System konnte nach der Bestrahlung die Chromatographie erfolgen, so daß die Detektion eventueller Photoprodukte möglich war. Durch eine Veränderung des Fließmittels konnten die Versuchsbedingungen während der Bestrahlung verändert werden. Zu berücksichtigen war aber, daß sich damit zugleich eine Veränderung der mobilen Phase ergab und damit andere chromatographische Bedingungen.

Als Auswahlkriterien für das Fließ- bzw. Lösungsmittel dienten:

Die Variation des Einstrahlungsspektrums durch den Einsatz der verschiedenen Strahlungsquellen ermöglichte es, Aussagen über eine Wellenlängenabhängigkeit der Umsätze zu treffen, wobei die Strahlungsintensität zusätzlich zu berücksichtigen war. Veränderungen im Absorptions­spektrum oder die Bildung von Photoprodukten durch den UV-C-Strahler mußten kritisch betrachtet werden, da dieser Wellenlängenbereich für die Anwendung als UV-Filter nicht relevant ist. Eine Bestrahlung mit dem UV-B-Strahler war zweckmäßiger, die Strahlungsintensität war aber höher als die Werte der Standardsonne; eine Bestrahlungszeit von 2 h wurde daher als mehr als ausreichend angesehen. Die UV-A-Bestrahlung erfolgte bis zu 4 h lang, da die Emission zwar im geeigneten Wellen­längen­bereich lag, aber die Intensität relativ gering war (vgl. Kapitel 3.2.3.3.3.).

Bei den HPLC-Untersuchungen wurden auch vergleichende Untersuchungen mit und ohne Einsatz des Ventilators durchgeführt, wobei sich auch hier die Peakerhöhung durch erhöhte Temperatur zeigte.

Im Folgenden werden die Ergebnisse des Screenings im FIA-System und die Ergebnisse der HPLC-Untersuchungen für den jeweiligen UV-Filter dargestellt.


[Seite 78↓]

3.3.2  4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester

Abbildung 44 : UV-Spektrum von 4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester; c = 0,1 mg/L; Lösungsmittel: Methanol/ Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (90/10); (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester wies ein Absorptions­maximum bei 309 nm auf und absorbiert vor allem im UV-B-Bereich. Die Absorptions­eigenschaften waren unabhängig vom pH-Wert oder der Temperatur.

3.3.2.1 Fließinjektionsanalyse

Untersuchungen im FIA-System zeigten veränderte Absorptionseigenschaften nach Bestrahlung mit UV-C-, UV-B- und UV-A-Strahlung. Die Signale, gemessen mit der UVD, nahmen sowohl im Absorptionsmaximum bei 309 nm als auch bei 240 nm ab.

Eine Variation der Bestrahlungszeit (50 - 170 s), dargestellt in Abbildung 45, führte hingegen nicht zu signifikant verschiedenen Peakflächen. Die Flächen% blieben konstant, waren aber von der eingestrahlten Wellenlänge abhängig. Der Einfluß des Einstrahlungs­spektrums wurde vor allem bei der Detektion im Maximum deutlich. Bestrahlung mit dem UV-C-Strahler führte zu einer Abnahme auf ca. 80 %, mit dem UV-A-Strahler auf ca. 70 % und dem UV-B-Strahler auf ca. 65 % der Ausgangspeakfläche.


[Seite 79↓]

Abbildung 45 : 4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester:

Graphische Darstellung der Flächen% der UVD bei den Detektionswellenlängen 309 nm und 240 nm in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit.
Flächen%: Mittelwerte der Flächen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei Thν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100.
Die Fehlerindikatoren beruhen auf der Standardabweichung der bestimmten Flächen.

Bei der Abnahme der Absorption bei 309 nm war die Bildung des entsprechenden
Z-Isomers zu diskutieren, welches einen geringeren molaren Absorptionskoeffizienten besitzt [78]. Die Konstanz der Peakflächen bei Änderung der Expositionszeit lieferte dabei einen Hinweis auf die Bildung eines photostationären Gleichgewichtszustands. Weitere Hinweise sollten dabei die Ergebnisse der HPLC liefern, was im folgenden Kapitel näher dargestellt wird.

Mittels der amperometrischen Detektion waren auch nach Bestrahlung keine Signale zu erhalten. Eine denkbare photolytische Etherspaltung mit der Bildung der entsprechenden elektrochemisch oxidierbaren phenolischen Verbindung war unter den Versuchs­bedingungen daher nicht zu erfassen.

3.3.2.2 Hochdruckflüssigkeitschromatographie

Durch die Schaltung des photochemischen Reaktors in ein HPLC-UVD-System mit Bestrahlung vor der Trennsäule konnte ein photochemisches Degradationsprodukt detektiert werden. Die Injektion einer frisch hergestellten Lösung von E-4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester führte zu einem Peak (Retentionszeit t r = 8,2 min, Peak 1). Nach Bestrahlung nahm bei allen eingesetzten Strahlern die Peakhöhe des E-Isomers ab und ein zweiter Peak (Retentionszeit t r = 7,5 min, Peak 2) wurde detektiert, vgl. Abbildung 46. Die Chromatogramme veränderten sich ebenfalls bei längeren Bestrahlungs­zeiten (bis zu 2 h bei UV-B- und UV-C-Bestrahlung, bis zu 4 h bei UV-A- Bestrahlung) nicht.


[Seite 80↓]

Abbildung 46 : Chromatogramme einer bestrahlten Lösung (30 s) von E-4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester (Detektionswellenlänge λ = 309 nm)

Die Abnahme der Höhe des Peaks des E-Isomers war bei der Bestrahlung mit länger­welligem Licht ausgeprägter als bei kurzwelligem. Die Peakhöhe (Peak 1) in % wurde bei 309 nm und 254 nm, mit und ohne Kühlung, verfolgt (Tabelle 23). Es zeigten sich keine signifikanten Unterschiede bei den verschiedenen Detektionswellenlängen, was ein Hinweis auf Peakreinheit ist.

Tabelle 23 : Peakhöhe des E-Isomers (Peak 1) in % ermittelt bei zwei Detektions­wellen­längen (254 nm und 309 nm)
Höhen%: Mittelwerte der Höhen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Höhen bei
T h ν = 0, multipliziert mit dem Faktor 100

Einstrahlungsspektrum

Bestrahlungszeit: 30 s

Bestrahlungszeit: 10 min

Bestrahlungszeit: 40 min

Bestrahlungs-zeit: 120 min

254 nm

309 nm

254 nm

309 nm

254 nm

309 nm

254 nm

309 nm

UV-C

54,3

53,7

53,2

53,8

51,3

52,5

51,2

52,8

UV-B

33,1

34,9

32,7

33,2

31,2

34,7

33,5

33,6

UV-A

30,0

31,5

30,5

31,0

29,8

29,2

30,1

29,1

Hochdruckstrahler

34,5

33,2

31,8

32,5

33,7

32,2

33,2

31,5

Der Einsatz der Kühlung hatte keinen Einfluß auf die erhaltenen Signale bei allen eingesetzten Strahlern und Bestrahlungszeiten. Eine Erwärmung (bis 70 °C) der Kapillare bewirkte keine Abnahme der Signale der E-Form, so daß die Umsetzung nicht auf [Seite 81↓]Temperatureffekte zurückzuführen sind. Eine Erhöhung der Strahlungsintensität durch Abschalten der Kühlung war nicht entscheidend für die Zusammen­setzung des Gemisches.

Durch den Einsatz eines Dioden-Array-Detektors wurden die jeweiligen UV-Spektren ermit­telt. Angenommen wurde, daß der Peak 2 das entsprechende Z-Isomer darstellt, da dieses das aus der Literatur bekannte relevante Photoprodukt ist (vgl. Kapitel 2.3.2.3.). Die Spektren wurden nach einer UV-C-Bestrahlung mit einer Degra­dation des E-Isomers von 53 % aufgenommen worden, so daß unter der Annahme, daß keine weiteren Photo­pro­dukte entstanden sind, 47 % des Z-Isomers vorhanden waren. Die Verhältnisse der Absorptionen im UV-Spektrum bei 311 nm (UV-B) und 254 nm (UV-C) zeigen, daß das
E-Iso­mer im langwelligeren UV-B Bereich stärker absorbiert als das mutmaßliche
Z-Isomer. Eine Verschiebung des Gleichgewichts ist daher im langwelligeren Bereich ausgeprägter (siehe Abbildung 45 und 46).

Abbildung 47: UV-Spektrum des E-4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylesters (Peak 1), aufgenommen nach Bestrahlung mit UV-C-Strahlung mittels Dioden-Array-Detektor (Bestrahlungszeit: 10 min)

Abbildung 48 : UV-Spektrum des Z-4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylesters (Peak 2), aufgenommen nach Bestrahlung des E-Isomers mit UV-C-Strahlung mittels Dioden-Array-Detektor (Bestrahlungszeit: 10 min)


[Seite 82↓]

Ein Vergleich der UV-Spektren mit aus der Literatur bekannten Spektren [78] diente als weiteres Identitätskriterium der Isomere. Die Bildung der entsprechenden Dimere ist bisher nur nach Bestrahlung der Festsubstanz [82] oder höher konzentrierter Lösungen [54] beschrieben worden; diese konnten unter den angegebenen Versuchsbedingungen nicht nachgewiesen werden.

Die Verhältnisse der Absorptionskoeffizienten konnten durch die anteilsmäßige Zusam­men­setzung des Gemisches, ermittelt mit HPLC-UVD nach Bestrahlung, und der Veränderung der GesamtAbsorption, ermittelt im FIA-UVD-System, berechnet werden, wobei:

Gleichung 32 : A λ: Absorption des Gemisches nach Bestrahlung; A λ 0: Absorption des Gemisches ohne Bestrahlung; ε λ e: molarer Absorptionskoeffizient des E-Isomers [mol-1 . L. cm-1], ε λ z: molarer Absorptions­koeffizient des Z-Isomers [mol-1·L·cm-1], x e: Anteil des E-Isomers nach Bestrahlung

A λ/A λ 0 wurde aus den Ergebnissen der FIA mittels der Peakflächen der UVD vor und nach Bestrahlung ermittelt (siehe Abbildung 45).

Für die Verhältnisse im Absorptionsmaximum bei 309 nm konnten folgende Gleichungen aufgestellt werden:

UV-C:0,80 = (ε λ e · 0,53 + ε λ z · 0,47) / ε λ e

UV-B:0,70 = (ε λ e · 0,33 + ε λ z · 0,67) / ε λ e

UV-A:0,65 = (ε λ e · 0,30 + ελ z ·0,70) / ε λ e

Für das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten (ε λ z / ε λ e) bei 309 nm wurde 0,54 als Mittelwert berechnet. Der Zusammensetzung des Gemisches kommt damit eine entscheidende Bedeutung bezüglich der Filterleistung zu. Eine Zunahme des Z-Isomers führt zu einer Abschwächung der UV-B-filternden Eigenschaften des 4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylesters.

Die Photostabilität des E-Isomers ist als gering einzustufen, da hier eine Umsetzung schon nach 40 s durch alle eingesetzten Strahlungs­quellen erfolgte. Bezieht man sich dagegen auf das nach Bestrahlung entstandene Isomeren-Gemisch, dann waren weitere photochemische Umsetzungen auch nach 120 min (bzw. 4 h für den UV-A-Strahler) nicht zu verzeichnen.


[Seite 83↓]

3.3.3  3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on

Abbildung 49 : UV-Spektrum von 3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on; c = 0,1 mg/L; Lösungsmittel: Methanol/ Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (90/10); (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on wies ein Absorptions­maximum bei 305 nm auf. Die Absorptions­eigenschaften waren ebenfalls unabhängig vom pH-Wert oder der Temperatur.

3.3.3.1 Fließinjektionsanalyse

Nach Bestrahlung nehmen die Flächen der Signale der UVD auch bei diesem UV-Filter ab (Abbildung 50). Mit zunehmender Bestrahlungszeit sanken die Peakflächen aber weiterhin ab (UV-B-Strahler und UV-C-Strahler). Bestrahlung mit dem UV-C-Strahler führt zu einer Abnahme der Absorption im Maximum auf 84 - 87 %, mit dem UV-A-Strahler auf 88 - 89 % und dem UV-B-Strahler auf 80 - 84 % der Ausgangspeakfläche.

Mittels der amperometrischen Detektion waren auch nach Bestrahlung keine Signale zu erhalten.


[Seite 84↓]

Abbildung 50 : 3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on:

Graphische Darstellung der Flächen% der UVD bei den Detektionswellenlängen 305 nm und 280 nm in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit. Flächen%: Mittelwerte der Flächen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100. Die Fehlerindikatoren beruhen auf der Standardabweichung der bestimmten Flächen.

Die Abnahme der Absorption bei 305 nm kann auch hier auf die Bildung des entsprechen­den Z-Isomers zurückgeführt werden. Die mit zunehmender Bestrahlungszeit abneh­menden Peakflächen lieferten dabei einen Hinweis auf die Überlagerung eines photo­stationären Gleichgewichtszustands durch eine photochemische Degradation (vgl. Kapitel 2.3.2.5.).

3.3.3.2 Hochdruckflüssigkeitschromatographie

Durch die Schaltung des photochemischen Reaktors in ein HPLC-UVD-System mit Bestrahlung vor der Trennsäule konnte nach kurzen Bestrahlungszeiten mit allen eingesetzten Strahlern ein weiteres Degradationsprodukt, vermutlich das entsprechende Z-Isomer, detektiert werden. Die Injektion einer frisch hergestellten Lösung von
3-(4‘-Methyl)­ben­zy­li­den-bornan-2-on führte zu einem Peak (Retentionszeit t r = 5,8 min, Peak 1). Die Synthese von Benzylidencampher-Derivaten durch Kondensation von Campher mit der entsprechenden Benzaldehydverbindung liefert ausnahmslos die entsprechenden, thermo­dynamisch stabileren E-Isomere [87]. Nach Bestrahlung nahm bei allen einge­setzten Strahlern die Peakhöhe des E-Isomers ab und ein zweiter Peak (Reten­tionszeit t r = 6,3 min, Peak 2) wurde detektiert. Bei längeren Bestrahlungszeiten mit dem UV-C-, dem UV-B- und dem Hg-Hochdruck-Strahler traten weitere Peaks im Chromato­gramm auf (Abbildung 51).


[Seite 85↓]

Abbildung 51 : Chromatogramme einer
A) nicht bestrahlten
B) für 30 s bestrahlten (UV-B) und
C) für 10 min bestrahlten (UV-B) Lösung von E-3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on (Detektionswellenlänge λ = 254 nm) 1: E-Isomer; 2: Z-Isomer

Analog der Berechnung für E-4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester (siehe Kapitel 3.3.2.2.) konnten die Verhältnisse der Absorptionskoeffizienten ebenfalls ermittelt werden. Die anteilsmäßige Zusam­men­setzung des Gemisches, ermittelt mittels HPLC, erfolgte nach kurzer Bestrahlung (30 s), da nach diesem Zeitpunkt keine weiteren Peaks im Chromatogramm auftraten. Im Absorptionsmaximum bei 305 nm gilt, falls keine nicht detektierbaren Photoprodukte auftraten:

UV-C:0,83 = (ε λ e·0,54 + ε λ z·0,46) / ε λ e

UV-B:0,88 = (ε λ e·0,51 + ε λ z·0,49) / ε λ e

UV-A:0,90 = (ε λ e·0,72 + ε λ z·0,28) / ε λ e

Für das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten (ε λ z / ε λ e) bei 305 nm wurde 0,68 als Mittelwert berechnet. Eine Zunahme des Z-Isomers führte demnach zu einer Abschwä­chung der UV-B-filternden Eigenschaften, wobei die Abnahme weniger ausgeprägt war, als bei E-4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester.


[Seite 86↓]

Die Peakhöhe (Peak 1) des E-Isomers in % wurde bei 309 nm und 254 nm, mit und ohne Kühlung, verfolgt.

Tabelle 24 : Peakhöhe des E-Isomers (Peak 1) in %.
Höhen%: Mittelwerte der Höhen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Höhen bei
T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100

Einstrahlungsspektrum

Bestrahlungs-zeit: 30 s

Bestrahlungs-zeit: 10 min

Bestrahlungs-zeit: 40 min

Bestrahlungs-zeit: 120 min

254 nm

305 nm

254 nm

305 nm

254 nm

305 nm

254 nm

305 nm

UV-C

53,9

53,7

26,7

30,1

18,9

17,8

15,5

15,7

UV-B

50,5

52,5

43,7

41,6

29,9

30,1

24,5

23,1

UV-A

72,2

71,0

71,4

73,6

71,3

70,6

72,5

71,7

Hochdruckstrahler

66,5

65,4

64,0

63,2

59,4

61,5

54,4

55,8

Längere Bestrahlungszeiten führten, außer bei dem UV-A-Strahler, zu einer weiteren Abnahme der Peakhöhen. Bei Einsatz des UV-A-Strahlers war nur Peak 2 als zusätzlicher Peak im Chromatogramm zu erhalten, so daß in diesem Falle die Bedingungen für einen photochemischen Gleichgewichtszustand offenbar vorhanden waren. Bei allen anderen Strahlern konnten nach einiger Zeit zusätzliche Peaks detektiert werden (Tabelle 25):

Tabelle 25 : Anzahl der zusätzlich auftretenden Peaks nach Bestrahlung

Einstrahlungsspektrum

Bestrahlungs-zeit: 30 s

Bestrahlungs-zeit: 10 min

Bestrahlungs-zeit: 40 min

Bestrahlungs-zeit: 120 min

254 nm

305 nm

254 nm

305 nm

254 nm

305 nm

254 nm

305 nm

UV-C

1

1

5

4

5

2

3

2

UV-B

1

1

4

3

4

3

4

3

UV-A

1

1

1

1

1

1

1

1

Hochdruckstrahler

1

1

2

2

2

2

2

2

Der Einsatz der Kühlung hatte keinen Einfluß auf die erhaltenen Signale bei allen eingesetzten Strahlern und Bestrahlungszeiten. Eine Erwärmung (bis 70 °C) der Kapillare bewirkte keine Abnahme der Signale der E-Form, so daß die erhaltenen Peaks nicht auf Temperatureffekte zurückzuführen waren. Eine Erhöhung der Strahlungsintensität durch Abschalten der Kühlung war nicht entscheidend für die Zusammen­setzung des Gemisches. Mit einem Dioden-Array-Detektor wurden die jeweiligen UV-Spektren aufgezeichnet (Abbildung 52 und 53).


[Seite 87↓]

Abbildung 52: UV-Spektrum des E-3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on (Peak 1), aufgenommen nach Bestrahlung mit UV-C-Strahlung mittels Dioden-Array-Detektor (Bestrahlungszeit: 10 min)

Abbildung 53: UV-Spektrum des Z-3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on (Peak 2), aufgenommen nach Bestrahlung mit UV-C-Strahlung mittels Dioden-Array-Detektors (Bestrahlungszeit: 10 min)

Die Photostabilität des E-Isomers ist entsprechend als gering einzustufen, da hier eine Umsetzung schon nach 40 s durch alle eingesetzten Strahlungs­quellen erfolgte. Die Photostabilität des Isomeren-Gemisches ist hinsichtlich längerwelliger UV-Strahlung (UV-A-Strahler) als ausreichend anzusehen (4 h), während UV-C- und UV-B-Strahlung schon nach 10 min zu photochemischen Abbauprodukten führte. Da sich das entsprechende Gemisch der beiden Isomeren weiterhin zersetzt, ist es für zukünftige Arbeiten sicherlich von Interesse, diese photochemischen Produkte näher zu charakterisieren.


[Seite 88↓]

3.3.4  1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion

Abbildung 54 : UV-Spektrum von 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion; c = 0,1 mg/L; Lösungsmittel: Methanol/ Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (90/10); (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion wies Absorptions­maxima bei 360 nm und 285 nm auf und absorbierte vor allem im UV-A-Bereich. Die Absorptions­eigenschaften waren abhängig vom pH-Wert und der Temperatur. Erwärmung führte zu einer Abnahme der Absorption bei 360 nm und einer Zunahme derjenigen bei 285 nm, da die Lage des Keto-Enol-Gleichgewichtes von der Temperatur beeinflußt wird (siehe Kapitel 2.3.2.6.). Durch Deprotonierung im alkalischen Milieu bedingt durch die CH-Acidität bzw. durch Enolat-Bildung [89] erfolgte eine bathochrome Verschiebung (λmax: 365 nm).

3.3.4.1 Fließinjektionsanalyse

Bei einer angelegten Spannung von +1,2 V waren sowohl ohne als auch mit Bestrahlung keine Signale zu erhalten. Nach Bestrahlung mit UV-C-Strahlung nahmen die Flächen der Signale der UVD hingegen auch bei diesem UV-Filter ab, dargestellt in Abbildung 55. Dieser Effekt zeigte sich vor allem am Absorptionsmaximum bei 360 nm. Der Einsatz des UV-B- und UV-A-Strahlers führte allerdings nicht zu signifikanten Unterschieden.


[Seite 89↓]

Abbildung 55 : 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion:

Graphische Darstellung der Flächen% der UVD bei den Detektionswellenlängen 360 nm und 285 nm in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit. Flächen%: Mittelwerte der Flächen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100. Die Fehlerindikatoren beruhen auf der Standardabweichung der bestimmten Flächen.

Da die Absorptionseigenschaften von der Temperatur abhängig waren, wurde ein weitergehendes Screening der UVD bei vier Detektionswellenlängen, jeweils mit und ohne Einsatz der Kühlung, nach einer Bestrahlungszeit von 10 min durchgeführt.

Tabelle 26 : Flächen% nach 10 min UV-C-, UV-B- und UV-A-Bestrahlung: Mittelwerte der Flächen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100; signifikante Veränderungen (t-Test; P = 0,9, f = 6): fett gedruckt

Detektionswellenlänge
[nm]

UV-C
Kühlung an

UV-C
Kühlung aus

UV-B
Kühlung an

UV-B
Kühlung aus

UV-A
Kühlung an

UV-A
Kühlung aus

260

98

98

104

107

103

110

285

87

84

102

106

108

111

300

98

95

99

99

102

104

360

78

68

95

92

93

91


[Seite 90↓]

Bei einer längeren Bestrahlungszeit konnten signifikante Veränderungen im Absorptions­maximum bei UV-B- und UV-C-Bestrahlung erkannt werden. Wurde bei 300 nm detektiert, konnten keine signifikanten Unterschiede bei allen drei Strahlern festgestellt werden, somit waren die Absorptionseigenschaften der entstandenen Produkte bei dieser Wellenlänge weniger von denen der Ausgangs­verbindung abweichend, als bei den anderen Detektionswellenlängen. Der Auswahl der Detektionswellenlänge kommt damit, gerade bei der FIA, eine große Bedeutung zu.

Bei Abschalten des Ventilators nahm die Absorption im Maximum bei allen drei Strahlungsquellen stärker ab. Bei UV-B- und UV-A-Strahlung führte ein Abschalten zu einer Zunahme der Absorption bei 260 und 285 nm. Der Einsatz der Kühlung erforderte vor allem die Berücksichtigung der Strahlungsintensitätserhöhung bei erhöhter Temperatur (siehe Kapitel 3.2.3.2.4.) und gleichzeitig die Verschiebung des Keto-Enol-Gleichge­wichtes.

Da es sich um die Überlagerung mehrerer Effekte handelte, war eine Untersuchung mittels HPLC für weitere Aussagen empfehlenswert.

3.3.4.2 Hochdruckflüssigkeitschromatographie

Die chromatographische Trennung von 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxy­phenyl)­propan-1,3-dion führte bereits ohne Bestrahlung zu zwei Peaks (Retentionszeit t r = 3,5 min: Peak 1; Retentionszeit t r = 7,8 min: Peak 2), dargestellt in Abbildung 56).

Peak 1 war bei der Wellenlänge von 360 nm nicht detektierbar. Da Peak 2 bei 360 nm detektierbar war, handelte es sich um die chelatierten Enolformen, die im UVA-Bereich absorbieren (siehe Kapitel 2.3.2.6.).


[Seite 91↓]

Abbildung 56 : Chromatogramme einer
A) nicht bestrahlten
B) unter Einsatz der Kühlung für 10 min bestrahlten (UV-C) und
C) ohne Kühlung für 10 min bestrahlten (UV-C) Lösung von 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion; Detektionswellenlänge λ = 280 nm 1: Keto-Form; 2: Enol-Form

An diesem Beispiel konnte die Möglichkeit der Variation der Temperatur durch den photochemischen Reaktor genutzt werden. Erwärmen der Reaktionskapillare auf 50 °C ergab eine Gleichgewichtsverschiebung zugunsten von Peak 1, wobei eine Abnahme von Peak 2 auf 95 ± 3 % und eine Zunahme der Peakhöhe von Peak 1 auf 105 ± 3 % erfolgte. Nebenpeaks wurden bei der Bestrahlung mit allen vier Strahlern detektiert, wobei es sich in der Regel um polarere Verbindungen handelte.

Durch den Einsatz eines Dioden-Array-Detektors wurden die entsprechenden UV-Spektren der beiden Peaks ermittelt. Peak 1 absorbierte nicht im längerwelligen UV-Bereich, wie es für die Keto-Form zu erwarten war [55].


[Seite 92↓]

Abbildung 57 : UV-Spektrum des Peak 1 einer Lösung von 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxy­phenyl)propan-1,3-dion ohne Bestrahlung

Das zu Peak 2 gehörige UV-Spektrum hingegen wies eine starke Absorptionsbande im UV-A Bereich auf und wurde daher den Enol-Formen zugeordnet.

Abbildung 58 : UV-Spektrum des Peak 2 einer Lösung von 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxy­phenyl)propan-1,3-dion ohne Bestrahlung

Die Lage des Gleichgewichts beeinflußt damit zunächst die UV-Filter-Eigenschaften. Erwärmung auf 50 °C führt zu einer Abnahme der UV-A-Filterleistung. Dieser Effekt sollte bei der praktischen Anwendung als UV-Filter berücksichtigt werden. Die Peakhöhen der Enol-Formen nahmen vor allem nach Bestrahlung mit dem UV-C-Strahler ab, wobei die Abnahme ohne Ventilator stärker ausgeprägt war (Tabelle 27). Da sich allein durch Erwärmen eine Abnahme der Enol-Form auf ca. 95 % ergab, mußte überprüft werden, inwieweit die Abnahme der Peakhöhe bei Einsatz der anderen Strahlungsquellen tatsächlich ein photochemischer Prozeß oder eine rein thermische Umwandlung darstellte.


[Seite 93↓]

Tabelle 27 : Peakhöhe der Enol-Form (Peak 2) in %: Mittelwerte der Höhen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Höhen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100; signifikante Veränderungen (t-Test, P = 0,9, f = 6): fett gedruckt

Einstrahlungsspektrum

Bestrahlungszeit: 10 min
KÜHLUNG AN

Bestrahlungszeit: 10 min
KÜHLUNG AUS

Bestrahlungszeit: 40 min
KÜHLUNG AN

Bestrahlungszeit: 40 min
KÜHLUNG AUS

UV-C

72,7

63,6

21,5

16,9

UV-B

101,4

95,8

92,5

88,9

UV-A

102,1

96,4

103,1

95,2

Hochdruckstrahler

99,8

 

95,6

 

Die Peakhöhe der Ketoform nahm bei allen Strahlungsquellen ab, wobei signifikante Verän­derungen durch UV-A-Bestrahlung erst nach 40 min auftraten (Tabelle 28). Eine sogenannte Photo­ketonisation, die bisher auch nur in unpolaren Solventien bemerkt wurde [55], konnte unter den angegebenen Bedingungen daher nicht beobachtet werden. Da die Peakhöhen von Peak 1 und Peak 2 abnahmen, konnte es sich nicht um eine rein thermische Ver­schie­bung handeln, somit sollte eine photochemische Umsetzung stattgefunden haben. Die Peakhöhen stiegen nach Abschalten des Ventilators an, da sich das Gleichgewicht zugunsten der Keto-Form verschoben hatte.

Tabelle 28 : Peakhöhe der Keto-Form (Peak 1) in %: Mittelwerte der Höhen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Höhen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100; signifikante Veränderungen (t-Test, P = 0,9, f = 6): fett gedruckt

Einstrahlungsspektrum

Bestrahlungszeit: 10 min
KÜHLUNG AN

Bestrahlungszeit: 10 min
KÜHLUNG AUS

Bestrahlungszeit: 40 min
KÜHLUNG AN

Bestrahlungszeit: 40 min
KÜHLUNG AUS

UV-C

33,1

37,4

11,4

14,1

UV-B

86,4

93,0

75,2

77,4

UV-A

96,6

97,4

91,4

94,4

Hochdruckstrahler

97,8

 

94,1

 

Bemerkenswert ist die geringe photochemische Umsetzung durch den UV-A-Strahler, obwohl die Substanz gerade in diesem Bereich ein starkes Absorptionsvermögen besitzt. Die Degradation wird vermutlich nicht durch die Absorption (π ->π*) im langwelligen UV-Bereich ausgelöst [52].[Seite 94↓] Die Photoreaktion über einen n ->π* angeregten Triplettzustand ist auch durch die Struktur der bisher identifizierten Photoprodukte angezeigt. Sie sind alle auf zwei radikalische Vorstufen zurückzuführen, entweder basierend auf einem Benzoyl- oder Phenacylradikal. Wahrscheinlicher ist daher eine Degradation durch Anregung der 1,3-Diketoformen [52]. Aus der Diketoform heraus können Photolysereaktionen im Sinne von Norrish-Typ-I-Spaltungen (α-Spaltungen) erfolgen und die entsprechenden primär gebildeten Radikale können sich durch Reaktion mit Sauerstoff bzw. durch Wasserstoff­über­tragungen zu den verschiedenen Produkten stabilisieren [110]. Falls der photochemische Prozeß tatsächlich nur über die Keto-Form laufen sollte, ist zu beachten, daß der photochemische Abbau durch erhöhte Temperaturen unter Umständen gesteigert werden kann, da die "reaktive" Form dann in größerem Ausmaß vorliegt.


[Seite 95↓]

3.3.5  4-Aminobenzoesäure

Abbildung 59 : UV-Spektrum von 4-Aminobenzoesäure; c = 0,1 mg/L; Lösungsmittel: Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (90/10); (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

Da die Photochemie der PABA im Vergleich zu den anderen untersuchten UV-Filtern am besten dokumentiert ist, wurde diese als Modellsubstanz für die Variation von zusätzlichen Einflußfaktoren, wie pH-Wert, Zusammensetzung der mobilen Phase oder Konzentration ausgewählt (Versuchsdurchführung: Kapitel 4.4.2. und 4.4.3.). Außerdem wurde neben dem UVD und ECD auch ein fluorimetrischer Detektor eingesetzt.

4-Aminobenzoesäure wies ein Absorptions­maximum bei 270 nm auf und ist ein klassischer UV-B-Filter. Die Absorptions­eigenschaften waren unabhängig von der Temperatur. Aufgrund der beiden pka-Werte (pka 1 = 2,5; pka 2 = 4,9) [111] ergab sich eine starke pH-Abhängigkeit der UV-Spektren, wobei sich bei pH = (pka 1 + pka 2)/2 = 3,7 eine bathochrome Verschiebung (λmax = 280 nm) ergab (siehe Abbildung 61). Es wird postuliert, daß die freie Form vor allem als dipolares Zwitterion existiert, wobei die Verbin­dung in Wasser zu 83 % in der dipolaren und zu 17 % in der neutralen Form vorliegen soll [112]. Die batho­chrome Verschiebung basiert jedoch auf dem Vorliegen elektro­nen-ziehender (-COOH) und elektronen-schiebender (-NH2) Substituenten und der damit verbundenen erweiterten Konjugation des π-Elektronensystems [113]. Dies beruht auf dem Vorliegen der neutralen Form. Der pka-Wert von Benzoesäure beträgt 4,2 [114], so daß der pka von 4,9 der Carboxylgruppe zugeordnet werden sollte (Die Erhöhung der Elektronendichte durch die Aminogruppe sollte zu einer Erhöhung des pka-Wert führen). Aufgrund der UV-Spektren und der Zuordnung der pka-Werte sollte die Verbindung vor allem in der neutralen Form vorliegen.


[Seite 96↓]

Ein Zusatz von 10 % Acetonitril oder Methanol beeinflußte die Absorptionseigenschaften nicht.

Der prozentuale Anteil der jeweiligen Form der PABA in Abhängigkeit vom pH-Wert wird in Abbildung 60 dargestellt. Bei dem für das Screening ausgewählten pH-Wert von 5,5 lag neben der freien Form vor allem die vollständig deprotonierte Form vor.

Abbildung 60 : Prozentualer Anteil der jeweiligen Form der 4-Aminobenzoesäure in Abhängigkeit vom pH-Wert

Abbildung 61 : UV-Spektren von 4-Aminobenzoesäure; c = 0,1 mg/L (normiert auf den molaren Absorptionskoeffizienten) bei pH = 0; 2,5; 3,7; 5,5 und 7,0


[Seite 97↓]

3.3.5.1  Fließinjektionsanalyse

3.3.5.1.1 UV-Detektion

Nach Bestrahlung mit dem UV-C-Strahler und dem UV-B-Strahler nahmen die Peakflächen der Signale der UVD im Absorptionsmaximum bei 270 nm ab. Detektion bei 254 nm führte zu einer Zunahme der Peakflächen bei Bestrahlung mit dem UV-B-Strahler, wohingegen Bestrahlung mit dem UV-C-Strahler zunächst zu einer Zunahme (nach 50 s), anschließend aber zu einer Abnahme der Peakflächen führte.

Abbildung 62 : 4-Aminobenzoesäure:

Graphische Darstellung der Peakflächen% der UVD bei den Detektionswellenlängen 254 nm und 270 nm in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit.
Flächen%: Mittelwerte der Flächen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei T h ν = 0
Die Fehlerindikatoren beruhen auf der Standardabweichung der bestimmten Flächen.

Somit handelte es sich bei der UV-C-Bestrahlung nicht um eine einheitliche Reaktion, d.h. es lief nicht nur eine linear unabhängige Reaktion ab. Die Einheitlichkeit einer Reaktion kann man unabhängig vom Auftreten isobestischer Punkte auf graphischen Wege durch Absorptionsdiagramme untersuchen.


[Seite 98↓]

Trägt man die im zeitlichen Verlauf einer Reaktion gemessenen Absorptionswerte bei einer beliebigen Wellenlänge gegen die Absorptions­werte bei einer anderen, ebenfalls beliebigen Wellenlänge auf, so muß eine Gerade entstehen, falls eine einheitliche Reaktion vorliegt [115].

Abbildung 63 : 4-Aminobenzoesäure: Absorptionsdiagramm: Auftragen der Werte der Peakhöhen (Mittelwerte) bei drei verschiedenen Wellenlängen gegen die Peakhöhe bei 280 nm.

Die Integration des Photoreaktors in ein FIA-System stellte damit eine einfache Methode dar, um die Einheitlichkeit einer photochemischen Reaktion zu überprüfen. Hierfür war ein Dioden-Array-Detektor am geeignetsten, es konnten aber auch zwei UV-Detektoren hintereinander geschaltet werden, so daß die gleiche Probe bei zwei verschiedenen Wellenlängen detektiert wurde. Das Auftreten einer nicht linearen Reaktion durch UV-C-Bestrahlung wurde mittels HPLC näher untersucht (siehe folgendes Kapitel).


[Seite 99↓]

Wurden verschiedene Konzentrationen der PABA verwendet ergaben sich signifikante Unterschiede der Abbaukinetiken.

Abbildung 64 : 4-Aminobenzoesäure:

Graphische Darstellung der Peakflächen% der UVD bei der Detektionswellenlänge 270 nm in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit und der eingesetzten Konzentration. (Mittelwerte der Peakhöhen (n = 3) dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100)

Die Degradationen der Konzentrationen 1 mg/L, 2,5 mg/L und 10 mg/L waren vergleichbar, während eine Konzentration von 100 mg/L zu einer langsameren Abnahme der Absorption bei 270 nm führte. Zu berücksichtigen war, daß die Reaktion je nach eingesetzter Konzentration einer anderen Reaktionsordnung folgen kann (vgl. Kapitel 2.2.4.).

Würde der Abbau einer Reaktion 0. Ordnung folgen, wäre der Umsatz aufgrund der nur begrenzt absorbierbaren Photonen zwar unabhängig von der eingesetzten Konzentration, bei einer Darstellung der AREA% würde sich aber, aufgrund der verschiedenen Anfangskonzentrationen, dennoch ein Unterschied ergeben.

Im Bereich zwischen 0. und 1. Ordnung sollte die Darstellung der AREA% ebenfalls abhängig von der Konzentration sein.


[Seite 100↓]

Nur im Bereich 1. Ordnung kann aus Gleichung 16 (Kapitel 2.2.4.) folgender Zusammenhang berechnet werden:

Gleichung 33

Das Verhältnis der Konzentration nach einer bestimmten Zeit t zur Ausgangs­konzentration(c a /c 0)ist nur in diesem Falle unabhängig von der Ausgangs­konzentration c 0. Eine Voraussetzung, die für geringere Konzentrationen (1; 2,5 mg/L und 10 mg/L) angenommen werden könnte.

Weiterhin können auch die entstandenen Photoprodukte im relevanten Wellen­längen­bereich Strahlung absorbieren und damit die eingestrahlte Quantenstromkonzentration I 0 verringern (interner UV-Filter-Effekt). Bei Gemischen kann die absorbierte Strahlungs­inten­sität der Verbindung A nach Gleichung 17 (Kapitel 2.2.4.) berechnet werden. Im Falle einer niedrigen GesamtAbsorption (Reaktionsbedingungen 1. Ordnung) kann folgende neue Gleichung (aus Gleichung 17 und Gleichung 15, Kapitel 2.2.4.) aufgestellt werden:

Gleichung 34

Die absorbierte Quantenstromkonzentration ist in diesem Falle abhängig von der einge­strahlten Quantenstromkonzentration und der Absorption der Verbindung bei der entspre­chenden Wellenlänge, aber unabhängig von der Gesamtabsorption und daher unabhängig von der Absorption der Photoprodukte. Relevant wird der Einfluß der Photo­produkte daher erst bei einer größeren Gesamtabsorption. Das Nichtbeachten der Absorp­tion der photochemischen Produkte in vielen Arbeiten wurde von Matsura et al. kritisiert, wobei diese ausgehend von der allgemeinen Gleichung 13 (Kapitel 2.2.4.) eine Gleichung zur Berück­sichtigung der photochemischen Produkte aufstellten [116]. Unter Reaktions­bedingungen 1. Ordnung könnte dieses Problem durch das Aufstellen von Gleichung 34 jedoch vernach­lässigt werden.


[Seite 101↓]

3.3.5.1.2  Amperometrische Detektion

Bei einer angelegten Polarisationsspannung von +1,2 V nahmen die Signale der ECD mit zunehmender Bestrahlungszeit ebenfalls ab.

Abbildung 65 : 4-Aminobenzoesäure:

Graphische Darstellung der Peakflächen der ECD bei einer angelegten Polarisations­spannung von 1,2 V in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit. (UV-C-Strahler)
AREA% : Mittelwerte der Flächen (n = 4) dividiert durch die Mittelwerte der Flächen bei T h ν= 0, multipliziert mit dem Faktor 100.

Die relativen Standardabweichungen der Signale der ECD der PABA (2,5 - 7,8 %) waren im Vergleich zur UVD höher. Weiterhin nahmen nach mehrfachen Injektionen die Peak­höhen ab. Die Überprüfung der Nullwerte vor und nach Bestrahlung führte bei der ECD, im Gegensatz zur UVD, zu signifikanten Unterschieden. Die Abnahme der Empfindlichkeit der ECD wird meist auf Veränderungen an der Elektrodenoberfläche zurückgeführt [117]. Adsorptionen der Edukte oder Produkte oder auch Filmbildungen können zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen führen [109]. Für die Auswertung in Abbildung 65 wurde als Nullwert daher der Mittelwert aus dem Wert vor der Bestrahlung und dem Wert am Ende der Bestrahlung eingesetzt. Diese formale Auswertung ermöglichte es Aussagen bezüglich der Veränderungen durch UV-Strahlung zu treffen. Der Einsatz der ECD war aber aufgrund der geringeren Reproduzierbarkeit kritisch zu bewerten.

Bei geringeren angelegten Polarisationsspannungen stiegen die Signale nach Bestrahlung an, ein Hinweis für die Entstehung von Photoprodukten, die bei niedrigeren Potentialen erfaßbar sind (Abbildung 66).


[Seite 102↓]

Abbildung 66 : 4-Aminobenzoesäure:

Graphische Darstellung der Peakhöhen der ECD (Mittelwerte, n = 4) bei einer ange­legten Polari­sations­spannung von +0,6, +0,8, +1,0 und +1,2 V mit und ohne UV-C-Bestrah­lung in einer ETFE-Kapillare (l = 5 m, ID = 0,254 mm). c = 0,5 mg/L.
Fehlerindikatoren: ±sdv(y).

Um weitere Aussagen bezüglich der entstandenen Photoprodukte zu treffen, wurde ein HPLC-System eingesetzt.

3.3.5.2 Hochdruckflüssigkeitschromatographie

Mittels on-line Bestrahlung und nachfolgender chromatographischer Trennung ließen sich nicht nur die Photoprodukte näher charakterisieren, sondern auch der Abbau der PABA unter Variation diverser Parameter verfolgen. Bei der Wahl eines anderen Fließmittels war zu beachten, daß sowohl die Retentionszeiten der Ausgangsverbindung als auch die­jenigen der photochemischen Degradationsprodukte von der Fließmittel­zusammen­setzung abhängig sind. Veränderungen von Parametern, wie pH-Wert oder der Anteil der organischen Komponente bewirken neben anderen Bestrahlungsbedingungen auch andere chro­mato­graphische Trennbedingungen. Der Einfluß des Mediums konnte daher am besten durch die Verfolgung der Signale der Ausgangsverbindung verfolgt werden. Hinweise auf Peakreinheit konnten dabei durch den Einsatz verschiedener Detektoren (ECD, UVD und Fluoreszenzdetektor) gewonnen werden.


[Seite 103↓]

3.3.5.2.1  UV-Detektion

Sowohl nach UV-B- als auch nach UV-C-Bestrahlung konnte der Abbau der PABA in Abhängigkeit der Expositionszeit verfolgt werden, wobei jeweils vier bis fünf Nebenpeaks, je nach Versuchsbedingungen, photometrisch detektiert worden sind (Abbildung 67).

Abbildung 67 : Chromatogramm einer PABA-Lösung (1 mg/L) nach 10 min UV-B-Bestrahlung, Fließgeschwindigkeit: 0,5 mL/min, Acetonitril/HOAc-NaOAc-Puffer (pH = 5,5) (10/90,v/v)

Der Abbau durch den UV-B-Strahler verlief dabei langsamer als durch den UV-C-Strahler. Da neben der Ausgangsverbindung auch die entsprechenden Photoprodukte degradieren (siehe Abbildung 68), mußte jeweils eine optimale Bestrahlungszeit gefunden werden, um die Anzahl der Photoprodukte anzugeben. Weiterhin wird die Nichteinheitlichkeit der Reaktion (vgl. FIA) durch die Bildung der Photoprodukte und den anschließenden Abbau erklärbar.

Alle Produkte, die bei 254 nm detektierbar waren, konnten auch im längerwelligen Bereich bei 270 bzw. 283 nm erfaßt werden, so daß auch durch die Degra­dations­produkte eine UV-B Filterleistung erfolgt.


[Seite 104↓]

Abbildung 68 : Peakhöhen der PABA und der durch UV-C-Bestrahlung entstanden Nebenpeaks in Abhängigkeit der Bestrahlungszeit.

Fließmittel: Methanol/HOAc-NaOAc-Puffer pH = 5,5 (10/90,v/v)
Detektionswellenlänge λ = 254 nm

Die Angaben über die Anzahl der Photoprodukte in Tabelle 29 beziehen sich auf die im Vergleich mit dem Chromatogramm der unbestrahlten Probe zusätzlich auftretenden Peaks. Außerdem wurden auch die Chromatogramme des bestrahlten Fließmittels herangezogen. Eine Veränderung der Peakhöhe der Nebenpeaks bei verschiedenen Bestrahlungszeiten ließen weiterhin auf photochemisch entstandene Produkte rückschließen. Mittels UV-A-Bestrahlung konnten keinerlei Nebenpeaks (nach 4 h) detektiert werden.


[Seite 105↓]

Tabelle 29 : Anzahl der mittels UVD erfaßbaren Photoprodukte der PABA in Abhängigkeit vom Einstrahlungsspektrum, der Fließmittelzusammensetzung und der Detektions­wellenlänge

Fließmittel

Strahlungs-
quelle

pH

Wellenlänge
[nm]

Anzahl der Nebenpeaks
tR < tR PABA //
tR > tR PABA

Acetonitril/ Perchlorsäure-Lösung
pH = 2,5 (30:70 v/v)

UV-C

2,5

254

3//1

Acetonitril/ Perchlorsäure-Lösung
pH = 2,5 (30:70 v/v)

UV-B

2,5

254

3//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

UV-C

5,5

270

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

UV-B

5,5

270

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

UV-C

5,5

254

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

UV-B

5,5

254

4//1

Methanol/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

UV-C

5,5

254

4//1

Methanol/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

UV-B

5,5

254

4//1

Methanol/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

UV-C

5,5

270

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 3,7 (10:90 v/v)

UV-C

3,7

254

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 3,7 (10:90 v/v)

UV-B

3,7

254

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 3,7 (10:90 v/v)

UV-C

3,7

270

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 7,0 (10:90 v/v)

UV-C

7

254

4//1

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 7,0 (10:90 v/v)

UV-C

7

270

4//1

Acetonitril/ Phosphat-Pufferlösung pH = 7,0 (10:90 v/v)-

UV-C

7

270

4//1

Acetonitril/ Phosphat-Pufferlösung pH = 7,0 (10:90 v/v)-

UV-B

7

270

4//1


[Seite 106↓]

In der Regel ergab sich ein ähnliches Produktspektrum, wobei sich bei pH = 2,5 nur vier zusätzliche Peaks erfassen ließen. Inwieweit tatsächlich ein Photoprodukt weniger entstanden ist, läßt sich schwer beurteilen, da aufgrund der Variation der mobilen Phase sich auch die Retentionszeiten stark veränderten und dadurch eine Trennung nicht unter den gleichen Bedingungen statt fand. Bei einem pH-Wert von 2,5 und einem Zusatz von 10 % Acetonitril ergab sich eine sehr hohe Retentionszeit (> 60 min), so daß der Anteil Acetonitril auf 30 % erhöht werden mußte und dadurch neben dem pH-Wert auch der Anteil der organischen Phase verändert wurde.

Das logarithmische Auftragen der prozentualen Peakflächen der PABA (Werte: siehe Anhang 12) ergab einen Hinweis für den Abbau nach Reaktionsbedingungen 1. Ordnung, analog Gleichung 16, Kapitel 2.2.4.

Abbildung 69 : Logarithmische Darstellung der UVD Flächen% einer PABA-Lösung (1,0 mg/L) Mobile Phase:

1)Acetonitril/Perchlorsäure-Lösung pH = 2.5 (30:70 v/v)
2)Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung pH = 3.7 (10:90 v/v)
3)Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung pH = 5.5 (10:90 v/v)
4)Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung pH = 7.0 (10:90 v/v)

Die Degradation verlief bei höheren pH-Werten schneller. Unter den angegebenen Versuchs­bedingungen (z.B. pH = 5,5; UV-C-Bestrahlung) konnte die Absorption falls keine Dispersion eintritt nach dem Lambert-Beer-Gesetz formal berechnet werden mit:

A 254 nm = ε 254 nm· [A] ·d mittel= 9730 mol-1·L·cm-1 · 1,786·10-5 mol·L-1 · 0,020 cm = 0,0035

Vor allem die geringe Schichtdicke war ausschlaggebend für die geringe Absorption, so daß eine Reaktion 1. Ordnung bezüglich der Ausgangsverbindung naheliegend war. Weiterhin ergaben sich keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Degradation unter­schiedlicher Konzentrationen (Auftragung der AREA %, Auftragemasse: 10 ng, 20 ng und [Seite 107↓]50 ng, siehe Anhang 13), so daß ein weiterer Hinweis für eine Reaktion 1. Ord­nung in diesem Konzentrationsbereich vorlag. Die Durchführung einer Regressions­analyse (A = A 0·e-kt) erlaubte die Bestimmung von k, wobei als Startwerte für die Auswertung mittels des Levenberg-Marquardt Algorithmus, die durch lineare Regression der logarithmierten Werte erhaltenen Konstanten eingesetzt wurden.

Tabelle 30 : PABA - Bestrahlung vor der Trennsäule bei verschiedenen pH-Werten: Ergebnisse der Regressionsanalyse A = A 0·e-kt

UV-C

Fließmittel

A0
[%]

sdv
(A0) [%]

k · 10 3
[s -1 ]

sdv(k) ·103 [s -1 ]

Korrelations-koeffizient R2

Acetonitril/ Phosphat-Pufferlösung pH = 7,0 (10:90 v/v)

100,1

1,259

9,570

0,243

0,998

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 7,0 (10:90 v/v)

100,3

0,526

9,450

0,090

1,000

Methanol/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

100,4

0,765

6,780

0,122

0,999

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

100,1

0,849

6,630

0,135

0,999

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 3,7 (10:90 v/v)

98,5

1,625

2,480

0,119

0,995

Acetonitril/ Perchlorsäure-Lösung
pH = 2,5 (30:70 v/v)

100,1

0,795

0,361

0,0293

0,974

UV-B

Fließmittel

A0
[%]

sdv
(A0) [%]

k · 10 3
[s -1 ]

sdv(k) ·103 [s -1 ]

Korrelations-koeffizient R2

Acetonitril/ Phosphat-Pufferlösung pH = 7,0 (10:90 v/v)

100,3

0,795

0,877

0,0223

0,999

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 7,0 (10:90 v/v)

100,1

0,262

0,855

0,0072

1,000

Methanol/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

99,9

1,041

0,829

0,0354

0,998

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

100,3

0,213

0,758

0,0053

1,000

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 3,7 (10:90 v/v)

101,3

2,245

0,217

0,0174

0,978

Acetonitril/ Perchlorsäure-Lösung
pH = 2,5 (30:70 v/v)

99,7

0,154

0,023

0,0005

0,999


[Seite 108↓]

Um die unterschiedlichen Geschwindigkeitskonstanten bei verschiedenen pH-Werten vergleichen zu können, mußten das Einstrahlungsspektrum, die Einstrahlintensität und die Absorptionseigenschaften der Substanz berücksichtigt werden.

Die Einstrahlungsintensität konnte aus den aktinometrischen Messungen abgeschätzt werden (siehe Kapitel 3.2.3.3.) und die stationär aufgenommenen UV-Spektren bei verschiedenen pH-Werten die Absorptionseigenschaften der PABA beschreiben. Unter der Voraussetzung, daß in einem Konzentrationsbereich gearbeitet wurde, in dem eine Reaktion 1. Ordnung erfolgte und damit auch die Absorption der Photoprodukte nicht entschei­dend ist, sollte Gleichung 16 (Kapitel 2.2.4.) die Abbaukinetik beschreiben. Damit wurde auch eine Abschätzung der Degradationsquantenausbeuten möglich, wobei bei der polychromatischen Emission neben dem Einstrahlungsspektrum der Strahlungsquelle, das Absorptionsspektrum der Substanz auch eventuelle Abhängigkeiten der Quanten­ausbeute von der eingestrahlten Wellenlänge berücksichtigt werden sollten. Die formale Berechnung der Quantenausbeute nach Gleichung 16 (Kapitel 2.2.4.) stellte somit vor allem ein Prüffaktor dar, um die Abbaukinetiken besser vergleichen zu können, als denn eine objektive Größe. Für den photochemischen Abbau durch den UV-C-Strahler war nach dem Grundgesetz von Grotthus und Draper, nach dem nur absorbierte Pho­tonen wirksam sein können, die Strahlung der Wellenlängen 254 nm und 311 zu berück­sichtigen. Die Überlagerung der UV-Spektren der PABA mit dem Emissions­spektrum des Strahlers führte bei allen pH-Werten nur zu diesen beiden "Schnittstellen" (siehe Anhang 14). Erfolgt die Reaktion 1. Ordnung, ist die Quanten­ausbeute unab­hängig von der Wellenlänge und wird die Schichtdicke mit d mittel = 0,257 mm ·π/4 = 0,202 mm angenommen, gilt:

Gleichung 35

Für die UV-B-Bestrahlung konnte die Berechnung von k/ φ =I 0·χ·d mittel für die Überlagerung der UV-Spektren mit dem Emissionsspektrum des Strahlers in 5 nm Abschnitten erfolgen (Anhang 15).

Somit konnten aus den Geschwindigkeitskonstanten k neben der Halbwertszeit t 1/2 = ln2/k auch die Degradationsquantenausbeuten φ formal berechnet werden:


[Seite 109↓]

Tabelle 31: Formale Berechnung der Halbwertszeiten und der Quantenausbeuten der Degradation der PABA in verschiedenen Fließmitteln

UV-C

Fließmittel

pH-Wert

Geschwindig-keitskonstante k

[1/s]

Halbwerts-zeit t ½
 
>[min]

I 0 . χ d mittel
[1/s]

Quanten-ausbeute

φ =
k /I 0 χ d mittel

Acetonitril/ Phosphat-Pufferlösung pH = 7,0 (10:90 v/v)

7,0

9,570  10-3

1,2

0,3564

0,0269

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 7,0 (10:90 v/v)

7,0

9,450  10-3

1,2

0,3564

0,0265

Methanol/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

5,5

6,780  10-3

1,7

0,3109

0,0218

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

5,5

6,630  10-3

1,7

0,3109

0,0213

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 3,7 (10:90 v/v)

3,7

2,480  10-3

4,7

0,1979

0,0125

Acetonitril/ Perchlorsäure-Lösung
pH = 2,5 (30:70 v/v)

2,5

0,361  10-3

32,0

0,0877

0,0041

UV-B

Fließmittel

pH-Wert

Geschwindig-keitskonstante k
[1/s]

Halbwerts-zeit t ½
[min]

I 0 . χ d mittel
[1/s]

Quanten-ausbeute

φ =
k /I 0 χ d mittel

Acetonitril/ Phosphat-Pufferlösung pH = 7,0 (10:90 v/v)

7,0

0,877  10-3

13,2

0,0248

0,0354

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 7,0 (10:90 v/v)

7,0

0,855  10-3

13,5

0,0248

0,0345

Methanol/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

5,5

0,829  10-3

13,9

0,0353

0,0235

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 5,5 (10:90 v/v)

5,5

0,758  10-3

15,2

0,0353

0,0215

Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung
pH = 3,7 (10:90 v/v)

3,7

0,217  10-3

53,2

0,103

0,0021

Acetonitril/ Perchlorsäure-Lösung
pH = 2,5 (30:70 v/v)

2,5

0,023  10-3

502,3

0,0366

0,0006


[Seite 110↓]

Da nicht nur die Geschwindigkeitskonstanten sondern auch die Quantenausbeuten der Degradation stark pH-abhängig waren, konnte die Veränderung des Absorptions­spektrums nicht die allein ausschlaggebende Komponente für den Einfluß des pH-Wertes darstellen. So führte eine verstärkte Absorption im UV-B Bereich bei Vorliegen der nicht ionisierten Form (pH = 3,7) im Vergleich zum Anion (pH = 7,0) nicht zu einem schnelleren Abbau der Ausgangsverbindung. Nach Gleichung 11 (Kapitel 2.2.4.) sollte eine höhere absorbierte Einstrahl­intensität I a aber zu einer schnelleren Umsetzung führen. In dem Fall der PABA müssen daher andere Faktoren mitberücksichtigt werden; wie z.B. die Degradation beeinflussende Folgereaktionen. Aus der Literatur ist die starke pH-Abhängigkeit der Quanten­ausbeuten für die Bildung der Photoprodukte bekannt [53]. Als reaktives Zwischenprodukt wird das Anilin-Radikalkation bzw. dessen deprotonierte Form. postuliert [53,71]. Die Resonanz­strukturen des Radikals zeigen eine Aktivierung der ortho und para Positionen auf:

Abbildung 70 : Reaktionsschema der photochemischen Bildung des deprotonierten PABA-Radikalkations nach [53]

Die Dissoziation des Kationradikals diente als Erklärungsmodell für die verschiedenen Ausbeuten und Arten an Photoprodukten. Die pH-Abhängigkeit der Bildung der Photoprodukte wird dabei mit der Dissoziation des angeregten Zwitterion-Radikals und dessen basen-katalysierter Konversion zum Anilino-Radikal erklärt [53,118]. Shaw et al.[53] postulieren, daß nicht das Radikalkation selbst, sondern das deprotonierte Radikalkation (HO2C-Ar-NH ) bei der Bildung von Photoprodukten die entscheidende [Seite 111↓]Rolle spielt. Der geschwindigkeits­bestimmende Schritt sei daher die Bildung der deprotonierten Form. Die pH-Wert Abhängigkeit der Bildung des aktiven Agens und damit der Bildung der Photoprodukte beeinflußt offenbar auch die Abnahme an Edukt.

Es ist daher zu berücksichtigen, daß die Photostabilität von UV-Filtern von äußeren Faktoren abhängig ist, deren Einfluß aber unter Umständen schwer vorhersagbar ist. Der Zusatz von Methanol bzw. Acetonitril beeinflußte unter den angegebenen Versuchs­bedingungen den photochemischen Abbau nicht signifikant, wie auch der Zusatz von verschie­denen Puffersystemen (Phosphat- oder Acetat-Puffer) bei gleichem pH-Wert.

Um die photochemischen Produkte näher zu charakterisieren, wurden als Vergleichs­substanzen 4-Aminophenol, 4-Aminosaliylsäure und 3-Hydroxy-4-amino­benzoe­säure eingesetzt. Als Vergleichskriterien dienten die Retentionszeiten, die Peak­höhen der Signale der UVD, ECD und fluorimetrischen Detektion und das Absorptions­spektrum der Substanzen in vier verschiedenen Fließmitteln. Das Interesse lag vornehmlich darin, die amperometrisch oxidierbaren Photoprodukte (vgl. folgende Kapitel) näher zu charakterisieren. Um neben den Retentionszeiten auswertbare UV-Spektren mittels des Dioden-Array-Detektors als Vergleichsmöglichkeit zu erhalten, mußte die Konzentration der PABA-Lösungen auf 100 mg/L erhöht werden. Damit wurde der Konzentrations­bereich für eine Reaktion 1. Ordnung überschritten (siehe auch: Ergebnisse der FIA), wobei sich die Ausbeute an Photoprodukten zwar erhöhte, das Verhältnis Photoprodukt zu Ausgangsverbindung sich indessen verschlechterte.

Für Peak 4 (siehe Abbildung 67) konnten vergleichbare UV-Spektren und Retentions­zeiten mit 4-Amino-3-Hydroxybenzoesäure festgestellt werden.

Abbildung 71 : Dioden-Array-Detektor: UV-Spektrum der 3-Hydroxy-4-aminobenzoesäure (Vergleichssubstanz) bei einer Retentionszeit von t r = 6,3 min


[Seite 112↓]

Abbildung 72 : Dioden-Array-Detektor: UV-Spektrum des Peak 4 (siehe Abbildung 67) bei einer Retentionszeit von t r = 6,3 min.

Unter den angegebenen Versuchsbedingungen konnten 4-Aminophenol und 4-Amino­salicyl­säure nicht detektiert werden. Die Aktivierung der ortho und para Stellung der PABA durch die photochemische Bildung des mesomeriestabilisierten Radikals läßt die Bildung einer in meta-Stellung hydroxylierten Verbindung wenig wahrscheinlich werden. Eine Reaktion des Radikals, z.B. mit Sauerstoff, würde daher zu 4-Amino-3-Hydroxy­benzoesäure und nicht zu 4-Amino­salicyl­säure führen.

Die Decarboxylierung des mesomeriestabilisierten Radikals und die weitergehende Reaktion mit Sauerstoff wird als Reaktionsweg der Bildung von 4-Aminophenol beschrieben [53]. Da keiner der detektierten Nebenpeaks mit dem jeweiligem UV-Spektrum (im entsprechenden Fließmittel) von 4-Aminophenol übereinstimmte, mußte davon ausgegangen werden, daß entweder 4-Aminophenol unter den beschriebenen Versuchsbedingungen nicht, oder nur in geringen Konzentrationen, entstanden war oder, daß es durch Folgereaktionen, z.B. photochemisch oder oxidativ [119] bereits wieder abgebaut wurde. 4-Aminophenol ist bisher auch nur als Neben-Photoprodukt identifiziert worden [53].

3.3.5.2.2 Amperometrische Detektion

Bei einer angelegten Polarisationsspannung von +1000 mV konnten die photometrisch detektierbaren Verbindungen auch amperometrisch erfaßt werden.

Die Photoprodukte mußten eine entsprechend funktionelle Gruppe besitzen, die unter den Versuchsbedingungen oxidierbar war. Dies konnte auf den Erhalt der Amino-Funktion oder auf die Entstehung anderer funktioneller Gruppen wie z.B. Phenole hinweisen.


[Seite 113↓]

Abbildung 73 : Chromatogramme einer PABA-Lösung (1,0 mg/L) nach Bestrahlung vor der Trennsäule (RP-18). Amperometrische Detektion (Elektrode: Glassy Carbon. Polarisationsspannung: +1000 mV gegen eine Ag/AgCl-Elektrode).

Flußrate: 0,5 mL/min. Mobile Phase: Acetonitril-Acetat Puffer pH 5,5 (10:90) (v/v).
Unterbrechen der Pumpentätigkeit für 50 s und 210 s.

3.3.5.2.3 Fluorimetrische Detektion

Der Einsatz eines weiteren Detektors erlaubte es, Hinweise auf die Peakreinheit zu gewinnen. Es konnten damit sowohl die Ausgangsverbindung PABA (bei einer Anre­gungs­wellenlänge von 280 nm und einer Detektionswellenlänge von 300 nm) detektiert werden als auch zwei fluoreszierende Photoprodukte (Peak 4 und 5, siehe Abbildung 67) bei einem pH-Wert von 5,5.

Wurde der Abbau mittels der Fluoreszenzdetektion verfolgt, ergaben sich bei den eingesetzten Fließmitteln in der Regel keine signifikanten Unterschiede der Flächen% bei verschiedenen Bestrahlungszeiten, so daß der PABA-Peak mit hoher Selektivität der Ausgangsverbindung zugeordnet werden konnte.


[Seite 114↓]

Abbildung 74 : Degradation einer PABA-Lösung (1,0 mg/L) durch UV-C-Bestrahlung in einer ETFE-Kapillare (l = 5 m, ID = 0,25 mm) unter Variation der Bestrahlungszeit durch Unterbrechen der Pumpen­tätigkeit.

Auftragung der Flächen% der UVD und der Fluoreszenzdetektion. Mobile Phase: Acetonitril/ Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (10:90 v/v). Flußrate: 0,5 mL/min

Weiterhin konnten Aussagen bezüglich der Photoprodukte getroffen werden. Die Verhält­nisse der Peakhöhen der beiden eingesetzten Detektoren bei einer Referenzsubstanz werden entsprechend auch für das Photoprodukt erwartet. Da der Peak 4 (4-Amino-3-Hydroxy­benzoesäure) unter den angegebenen Bedingungen sowohl die Fähigkeit zur Fluoreszenz besaß als auch die entsprechenden Peakhöhenverhältnisse mit der Referenz­substanz übereinstimmten, konnte damit ein weiterer Hinweis für die Identität des Photoprodukts 4-Amino-3-Hydroxybenzoesäure gewonnen werden.


[Seite 115↓]

3.3.6  2-Cyan-3,3-diphenyl-acrylsäure(2-ethyl-hexylester

Abbildung 75: UV-Spektrum von 2-Cyan-3,3-diphenyl-acrylsäure(2-ethyl-hexylester); c = 0,1 mg/L Lösungsmittel: Methanol/ Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (90/10); (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

2-Cyan-3,3-diphenyl-acrylsäure(2-ethyl-hexylester) (Octocrylen) wies ein Absorptions­maximum bei 305 nm auf und absorbiert UV-Strahlung vor allem im UV-B und zum Teil auch UV-A Bereich. Die UV-Spektren bei verschiedenen pH-Werten unterschieden sich nicht. Die Substanz war unter den gegebenen Bedingungen nicht elektrochemisch detektierbar. Sie war unter den Versuchsbedingungen photochemisch stabil, da sich die Detektionseigenschaften der Substanz nach Bestrahlung nicht änderten und auch keine photochemischen Degradationsprodukte mittels HPLC aufgetrennt werden konnten.

Aufgrund des Vorliegens einer α , β-ungesättigten Carbonylverbindung kann die photochemische Aktivierung entsprechend der vorangegangenen Verbindungen ähnlicher Struktur angenommen werden. Allgemein kann eine direkte Isomerisierung sowohl über den Triplett T als auch über den Singulett-Zustand 1S erfolgen. Im Grundzustand S0 liegt das Energieminimum bei maximaler Wechselwirkung der pπ-Orbitale (also bei paralleler Einstellung), während die 1S und T ihr energetisches Minimum bei einem Torsionswinkel von 90° besitzen [80]. Die Rückkehr in den Grundzustand führt anschließend zu den entsprechenden Isomeren. Dieser effektive Mechanismus kann prinzipiell für Octocrylen auch angenommen werden und die photochemische Stabilität erklären, wobei aufgrund der beiden Phenylsubstituenten keine Isomere bei der Rückkehr in den Grundzustand entstehen und daher der Prozeß nicht als Isomerisierung bezeichnet werden kann.


[Seite 116↓]

3.3.7  2-Hydroxy-4-methoxy-benzophen

Abbildung 76 : UV-Spektrum von 2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon; c = 0,1 mg/L

Lösungsmittel: Methanol/ Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (90/10); (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon (Oxybenzonum, Benzophenon-3) wies Absorptions­maxima bei 288 nm und 328 nm auf und absorbiert UV-Strahlung sowohl im UV-C als auch im UV-B und in geringerem Umfang auch im UV-A Bereich. Die pH-Abhängigkeit der UV-Spektren ist bedingt durch die phenolische OH-Gruppe; Deprotonierung führte zu einer bathochromen Verschiebung (λmax = 370 nm). Die Substanz ließ sich als Phenol elektrochemisch detektieren (Empfindlichkeit im FIA-System: ca. 1 A/g). Sie war unter den Versuchsbedingungen photochemisch stabil, da sich die Detektionseigenschaften der Substanz nach Bestrahlung nicht änderten und auch keine photochemischen Degradationsprodukte mittels HPLC aufgetrennt werden konnten. Die Photostabilität kann durch den schnellen Wasserstoff-Transfer des angeregten Zustands erklärt werden, wobei die Rückreaktion exotherm unter Wärmeabgabe an die Matrix erfolgt [75].

Abbildung 77 : Bildung des angeregten Zustands der Benzophenone nach [75].


[Seite 117↓]

3.3.8  2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon-5-sulfonsäure

Abbildung 78 : UV-Spektrum von 2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon-5-sulfonsäure;
c = 0,1 mg/L ; Lösungsmittel: Acetat-Pufferlösung pH = 5,5; (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon-5-sulfonsäure (Sulisobenzonum, Benzophenon-4) wies Absorptions­maxima bei 287 nm und 332 nm auf und absorbiert UV-Strahlung sowohl im UV-C- als auch im UV-B- und in geringerem Umfang auch im UV-A-Bereich. Die pH-Abhängigkeit der UV-Spektren war ebenfalls auf die phenolische OH-Gruppe zurückzuführen; Deprotonierung führt zu einer bathochromen Verschiebung (λmax = 370 nm). Die Substanz ließ sich als Phenol elektrochemisch detektieren. (Empfindlichkeit im FIA-System: ca. 1 A/g). Sie war unter den Versuchsbedingungen photochemisch stabil, da sich die Detektionseigenschaften nach Bestrahlung nicht änderten und auch keine photochemischen Degradationsprodukte mittels HPLC aufgetrennt werden konnten (vgl. Benzophenon-3).

Um Temperatureffekte unabhängig von einer photochemischen Reaktion zu untersuchen, wurde 2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon-5-sulfonsäure als im Rahmen der durch­­geführten Untersuchungen photochemisch stabiler UV-Filter als Modellsustanz untersucht (siehe Kapitel 3.3.1.1.).


[Seite 118↓]

3.3.9  3,3,5-Trimethyl-cyclohexyl-salicylat

Abbildung 79 : UV-Spektrum von 3,3,5-Trimethyl-cyclohexyl-salicylat; c = 0,1 mg/L

Lösungsmittel: Acetat-Pufferlösung pH = 5,5; (ermittelt mit einem Shimadzu Spectro­photometer UV-2101-PC)

3,3,5-Trimethyl-cyclohexyl-salicylat (Homosalatum) wies ein Absorptions­maximum bei 304 nm auf. Die pH-Abhängigkeit der UV-Spektren ist bedingt durch die phenolische OH-Gruppe; Deprotonierung führte zu einer bathochromen Verschiebung (λmax = 335 nm). Die Substanz ließ sich als Phenol elektrochemisch detektieren. (Empfindlichkeit im FIA-System: ca. 2 A/g).

Die Substanz war unter den Versuchsbedingungen photochemisch stabil, da sich ebenfalls die Detektionseigenschaften nach Bestrahlung nicht änderten und auch keine photochemischen Degradationsprodukte mittels HPLC aufgetrennt werden konnten. Der angeregte Zustand kann analog der Benzophenone durch einen intramolekularen Wasserstofftransfer stabilisiert werden [120].

Abbildung 80 : Bildung des angeregten Zustands der Salicylsäure nach [120].


[Seite 119↓]

Die photoprotektive Wirkung ist daher auf pH-Bereiche beschränkt, in denen das Phenol nicht deprotoniert [121] vorliegt, wobei dies physiologisch aber nicht entscheidend ist.


[Seite 120↓]

3.3.10  2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure

Abbildung 81 : UV-Spektrum von 2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure; c = 0,1 mg/L

Lösungsmittel: Acetat-Pufferlösung pH = 5,5; (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure wies ein Absorptions­maximum bei 305 nm mit einer Schulter bei 318 nm auf. Deprotonierung führte zu einer bathochromen Verschiebung (λmax: 312 nm). 2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure war elektrochemisch detektierbar. Sie war unter den Versuchsbedingungen photochemisch stabil, da sich die Detektions­eigen­schaften der Substanz nach Bestrahlung nicht änderten und auch keine photochemischen Degradationsprodukte mittels HPLC aufgetrennt werden konnten. Diese Ergebnisse entsprechen der bisher durchgeführten Untersuchungen (siehe Kapitel 2.3.2.7.) und 2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure ist daher als photochemisch stabiler UV-Filter zu bewerten.


[Seite 121↓]

3.3.11  4-Bis(polyethoxy)aminobenzoesäure-polyethoxyethylester

Abbildung 82 : UV-Spektrum von 4-Bis(polyethoxy)aminobenzoesäure-polyethoxyethylester; c = 1,0 mg/L; Lösungsmittel: Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (ermittelt mit einem Shimadzu Spectrophotometer UV-2101-PC)

4-Bis(polyethoxy)aminobenzoesäure-polyethoxyethylester wies ein Absorptions­maximum bei 308 nm auf. Aufgrund der hohen molaren Masse wurde die Aufgabemasse im FIA-System erhöht. Zunächst konnten aber trotzdem kaum auswertbare Peaks erhalten werden. Nach der jeweils folgenden Injektion stiegen aber die Peakflächen, auch ohne Bestrahlung, an (siehe Abbildung 83).

Abbildung 83 : Peakflächen der UVD nach Injektion des 4-Bis(polyethoxy)­amino­benzoe­säure-polyethoxyethylesters;

Kapillare 1: Teflon-Kapillare ( l = 1 m, ID = 0,254 mm).
Kapillare 2: Tefzel-Kapillare ( l = 5 m, ID = 0,254 mm)


[Seite 122↓]

Ohne Einsatz der Kapillaren konnten konstante Werte der Peakflächen erhalten werden, so daß die Reaktionsschleifen für diesen Effekt verantwortlich waren. Eine mögliche Erklärung stellen Adsorptionsprozesse dar, wie sie von Polyethylenglykolen an PTFE [122] bereits bekannt sind. Der Anstieg der Peakflächen nach mehrfacher Injektion könnte dabei einen Hinweis auf Sättigung der möglichen Adsorptionsstellen hinweisen.

Die Untersuchung der Substanz führt daher zu der Feststellung, daß der photo­chemische Reaktor bzw. die eingesetzten Kapillaren aus ETFE und PTFE nicht für alle Substanzen optimal geeignet ist.


[Seite 123↓]

3.3.12  4-Acetamidobenzoesäure

Abbildung 84: UV-Spektrum von 4-Acetamidobenzoesäure; c = 1.0 mg/L

Lösungsmittel: Acetat-Pufferlösung pH = 5,5 (ermittelt mit einem Shimadzu Spectro­photo­meter UV-2101-PC)

4-Acetamidobenzoesäure ist kein zugelassener UV-Filter, wurde aber zusätzlich auf photochemische Stabilität untersucht. Ziel war es vor allem Hinweise auf amperometrisch detektierbare Verbindungen wie im Falle der PABA zu gewinnen. Eine Optimierung analytischer Methoden durch Einsatz des photochemischen Reaktors nach der Trennsäule sollte unter Umständen möglich sein (siehe folgende Kapitel).

4-Acetamidobenzoesäure wies ein Absorptions­maximum bei 265 nm auf und absorbiert UV-Strahlung sowohl im UV-C- als auch im UV-B-Bereich. Die Absorptions­eigenschaften waren unabhängig von der Temperatur.

3.3.12.1 Fließinjektionsanalyse

Nach Bestrahlung mit dem UV-C-Strahler nahmen die Peakflächen der Signale der UVD im Absorptionsmaximum bei 265 nm ab. Aufgrund der acetylierten Aminogruppe war
4-Acet­amidobenzoesäure unter den Versuchsbedingungen nicht amperometrisch detektierbar. Nach Bestrahlung wurden indessen deutliche Signale auch bei niedrigen Polari­sations­spannungen erhalten. Erwärmen der Kapillare oder Einsatz des UV-A-Strahlers führten nicht zu den entsprechenden Ergebnissen.


[Seite 124↓]

Abbildung 85 : 4-Acetamidobenzoesäure: Graphische Darstellung der Peakhöhen der ECD (Mittelwerte y, n = 4) bei einer angelegten Polarisationsspannung von +0,6; +0,8; +1,0 und +1,2 V mit und ohne UV-C-Bestrahlung in einer ETFE-Kapillare (l = 5 m, ID = 0,254 mm). c = 0,5 mg/L.

Fehlerindikatoren: ±sdv(y).

Erklärungen für die Bildung amperometrisch detektierbarer Verbindungen sind z.B. die Bildung von phenolischen Verbindungen (z. B. durch Hydroxylierungs­reaktionen) oder die Bildung der freien Amin-Funktion. Die photochemische Reaktivität von Carbonsäure-Aryl­estern ist ausführlich untersucht worden [123, 124], wobei Photo­umlagerung durch folgendes allgemeines Schema wiedergegeben werden:

Abbildung 86 : Allgemeines Schema der Photoumlagerung von Carbonsäure-arylestern nach [123]

Die photochemischen Reaktionen zur Bildung der Produkte II und III werden dabei als Photo-Fries-Reaktionen bezeichnet. Analog dazu reagieren auch die entsprechenden Carbonsäure-Arylamide, wobei die Reaktionen als Photo-Anilid-Umlagerungen bezeichnet werden und hier, neben den ortho und para substituierten Verbindungen, die freie Anilinform entsteht. Im Falle der PAABA würde dies die Bildung von PABA beinhalten, welches durch die im folgenden Kapitel dargestellte HPLC-Untersuchung bestätigt wurde.


[Seite 125↓]

3.3.12.2  Hochdruckflüssigkeitschromatographie

3.3.12.2.1 UV-Detektion

Die UV-Spektren der Photoprodukte wurden nach Auftragen höherer Konzentrationen an PAABA (c = 0,1 g/L) mittels Dioden-Array-Detektor aufgenommen, wobei sich analog der PABA das Verhältnis Produkt zu Edukt verschlechterte. Nach Bestrahlung traten zusätzliche Peaks im Chromatogramm auf (Abbildung 87).

Abbildung 87 : Chromatogramm einer PAABA-Lösung (0,1 g/L) nach 10 min UV-C-Bestrah­lung. Fließgeschwindigkeit F = 0,5 mL/min, Mobile Phase: Acetonitril/HOAc-NaOAc-Puffer (pH = 3,7)(10/90,v/v).

Das UV-Spektrum des Peaks bei einer Retentionszeit von t r = 9,84 (zuzüglich 10 min Bestrahlungszeit) entsprach dem UV-Spektrum der PABA bei dem entsprechenden pH-Wert (pH = 3,7). Die Degradation der PAABA verlief, analog der PABA, auch bei höheren pH-Werten (pH = 5,5) schneller, so daß in dem Falle eine höhere Ausbeute an Photo­produkten erzielt wurde. Eine Auftrennung von PABA und PAABA konnte jedoch nur bei niedrigeren pH-Werten (pH = 3,7) erzielt werden, so daß die Abnahme an PAABA bzw. die Ausbeute an Photoprodukten geringer war.


[Seite 126↓]

Abbildung 88 : Dioden-Array-Detektor: UV-Spektrum des photochemischen Degradations­produktes (PABA) der PAABA bei einer Retentionszeit von t r = 9,84 min

Ein Vergleich der Chromatogramme, die bei Bestrahlung ohne und mit Einsatz des Ventilators erhalten worden sind, wies auf einen Temperatureinfluß hin. Die Signale der Ausgangs­verbin­dungen nahmen bei höherer Temperatur ab, wohingegen die Signale der Photoprodukte anstiegen (bei Bestrahlung). Eine Erwärmung der Kapillaren führte hingegen nicht zu zusätzlichen Peaks, wie auch die Injektion einer für 10 min auf 60 °C erwärmten Lösung. Zu berücksichtigen war vor allem die Abhängigkeit der Strahlungs­intensitäten von der Temperatur (siehe Kapitel 3.2.3.2.4.). Erhöhte Tempe­raturen durch Abstellen des Ventilators führten zu einer Erhöhung der Einstrahl­intensitäten und damit zwangsläufig auch zu einer Zunahme der Photoprodukte.

3.3.12.2.2 Amperometrische Detektion

Beide photochemischen Degradationsprodukte waren amperometrisch bei einer angelegten Polarisationsspannung von +1000 mV detektierbar, wohingegen ohne Bestrahlung keine Peaks zu erhalten waren (Abbildung 89).

3.3.12.2.3 Fluorimetrische Detektion

Beide photochemischen Degradationsprodukte waren durch die Fluoreszenzdetektion zu erfassen.


[Seite 127↓]

Abbildung 89 : Chromatogramm einer PAABA-Lösung (2,5 mg/L) nach 10 min UV-C-Bestrahlung. Fließgeschwindigkeit: 0,5 mL/min. Acetonitril/HOAc-NaOAc-Puffer (pH = 3,7)(10/90.v/v)


[Seite 128↓]

3.4  Bestrahlung nach der chromatographischen Trennung: Optimierung analytischer Verfahren

Ergebnisse der Bestrahlungen von PABA und PAABA vor der Trennsäule konnten für die Optimierung analytischer Verfahren genutzt werden. Der Versuchsaufbau entsprach in diesem Falle der gängigen Anordnung des Photoreaktors nach der Trennsäule, wobei Vorversuche zur Optimierung von Parametern im FIA-System durchgeführt wurden. Im Vordergrund stand dabei die amperometrische Detektion, da die Fähigkeit der Absorption bei beiden Substanzen im allgemeinen abnahmen und damit eine Erhöhung der Empfindlichkeit der UVD nicht möglich war (siehe Kapitel 3.3.11. und 3.3.12.). Die Kombination der beiden Detektoren - nach der UVD erfolgte die ECD - erlaubte aber die jeweiligen Vorteile der beiden Detektionsarten zu nutzen und sie zudem untereinander zu vergleichen. Die Optimierung basierte auf der Fähigkeit der photochemischen Degra­dations­produkte der PABA, bei niedrigeren Polarisations­spannungen erfaßt werden zu können und der Umwandlung der PAABA in Photoprodukte, die im Gegensatz zur Ausgangsverbindung amperometrisch detektiert werden konnten.

Ziel war es den Einfluß des photochemischen Reaktors auf die UV- und amperometrische Detektion der PABA und PAABA zu untersuchen und, wenn möglich, die beiden Substanzen mit hoher Selektivität zu bestimmen. Die quantitative Bestimmung der PABA erfolgte bisher meist mittels HPLC [125-129], wobei u.a. die elektrochemische Detektion genutzt wurde, um die Selektivität im Vergleich zur UVD zu erhöhen [130]. Die Bestimmung der beiden Substanzen (PABA und PAABA) nebeneinander wurde meist mit dem Ziel, die N-Acetyltransferase-Aktivität im Blut menschlicher Probanden zu charak­terisieren, durchgeführt [131,132]. Die N-Acetylierung vieler primärer Arylamine spielt eine Schlüsselrolle bei deren Inaktivierung und/oder Eliminierung aus dem Körper. Eine quantitative Bestimmung von PABA und PAABA könnte daher in zukünftigen Arbeiten auch Hinweise auf Enzymaktivitäten liefern.


[Seite 129↓]

3.4.1  Optimierung von Parametern

Um das analytisches Verfahren zu optimieren, wurden Parameter wie Bestrahlungszeit, Zusammensetzung der mobilen Phase, pH-Wert, angelegte Polarisationsspannung und Temperatur variiert. Der entsprechende Einfluß wurde anhand der Empfindlichkeit, der Linearität, der Nachweisgrenze und der Selektivität dargestellt.

3.4.1.1 Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit E ist das Verhältnis von Meßsignal y zum Analysenwert x [133]. Im allgemeinen ist die Empfindlichkeit amperometrischer Detektoren sehr hoch, wobei neben üblichen Parametern wie dem Arbeitspotential, der Temperatur und dem pH-Wert im Falle des Einsatzes eines photochemischen Reaktors auch die Bestrahlungszeit mit­berück­sichtigt werden mußte.

Mittels der Fließinjektionsanalyse wurde der Einfluß der Bestrahlungszeit auf das ampero­metrische Signal bei einer angelegten Polarisationsspannung von +600 mV und +800 mV untersucht. Bei höheren pH-Werten wurden höhere Signale bei kürzeren Bestrahlungs­zeiten erhalten (siehe auch Anhang 16).

Abbildung 90 : Fließinjektionsanalyse: Abhängigkeit der Peakhöhen der ECD der bestrahlten PABA Lösung von der Bestrahlungszeit bei verschiedenen pH-Werten und angelegten Polarisationsspannungen


[Seite 130↓]

Die Erhöhung der Signale bei steigendem pH-Wert konnten einerseits auf die pH-Abhängigkeit der Photoreaktion (siehe Kapitel 3.3.11. und 3.3.12.) zurückgeführt werden, andererseits ist auch die amperometrische Detektion pH-abhängig. Zu kurze Bestrahlungszeiten führten zu geringeren Umsätzen, während zu lange Bestrahlungs­zeiten zum photochemischen Abbau der Photoprodukte führten und damit die Signale wieder abnahmen. In der Regel sollte der Parameter pH-Wert bei der ECD experimentell optimiert werden, da Vorhersagen nicht immer treffend sind, wobei die nicht protonierte Form der elektroaktiven Substanz wegen der höheren Elektronendichte aber leichter oxidierbar sein sollte [109].

Ein Zusatz von Methanol oder Acetonitril führte zu vergleichbaren Ergebnissen, so daß ein Einfluß der Zusammensetzung der mobilen Phase auf die photochemische Reaktion oder die amperometrische Detektion nicht erkannt werden konnte.

Die Untersuchung des Einfluß der Temperatur auf die Signalhöhe wurde im HPLC-System durchgeführt, wobei die Bestrahlung nach der chromatographischen Trennung erfolgte und die - mit oder ohne Einsatz der Kühlung - erhaltenen Signale verglichen wurden (Tabelle 32).

Tabelle 32 : Einfluß der Temperatur: Verhältnisse der Peakhöhen in % (Peakhöhe ohne Kühlung / Peakhöhe mit Kühlung . 100) bei der Bestrahlung der PABA und PAABA nach der Trennsäule bei einem Arbeitspotential von +1200 mV

Konzentration

[µmol/L]

PABA
Peakhöhe %

PAABA
Peakhöhe %

18,48

93

140

12,32

95

146

9,24

91

135

6,17

93

149

3,08

89

139

Die Temperatur beeinflußte neben der Peakform (siehe Kapitel 3.2.2.3.4. und 3.3.1.1.) und der Strahlungsintensität (siehe Kapitel 3.2.3.2.4.) auch die amperometrische Detektion, so daß mehrere Einflußfaktoren berücksichtigt werden mußten. Ein Erwärmen der Kapillare führte nicht zu amperometrisch detektierbaren Signale für die PAABA, wie dies auch bei der Bestrahlung vor der Trennsäule der Fall war (siehe Kapitel 3.3.12.). [Seite 131↓]Primär zu berück­sichtigen war die Erhöhung der Strahlungsintensität und der damit verbundene stärkere Abbau der Ausgangsverbindungen. Analog den Ergebnissen der FIA war die Abnahme der Signale der PABA und die Zunahme der PAABA bei einem Arbeitspotential von +1200 mV bei erhöhter Einstrahlintensität zu erwarten, wobei gleichzeitig eine durch die ther­mische Peakverformung bedingte Erhöhung der Signale eintreten sollte. Da die Signale der PABA bei den angelegten Arbeits­potentialen von +1200 mV sowohl auf die Photo­produkte als auch auf die Ausgangsverbindung zurückzuführen ist, war der Temperatureinfluß geringer als bei der PAABA. Bei der PAABA wurden nur die Photo­produkte erfaßt, eine Überlagerung mit den Signalen der z.T. abgebauten, aber dennoch vorhandenen Ausgangsverbindung erfolgte nicht, so daß der Einfluß der Temperatur und damit der Strahlungsintensität bei der PAABA eine größere Rolle zukam als bei der PABA.

3.4.1.2 Linearität

Da unter HPLC Bedingungen (RP-18) eine Peaktrennung zwischen PABA und PAABA bei höheren pH-Werten nicht erzielt werden konnte, wurde als Fließmittel Acetonitril/ Acetat-Puffer­lösung pH 3,5 (85/15) eingesetzt, obwohl für die photochemische Reaktion bzw. für die amperometrische Detektion ein höherer pH-Wert in Hinblick auf die Empfindlichkeit günstiger wäre. Der Photoreaktor wurde ohne Kühlung betrieben, um die Intensitäts­erhöhung der Signale durch Temperaturanstieg zu nutzen.

Die Linearität zwischen Detektorsignal und Aufgabemasse wurde im Konzentrations­bereich von 1 - 1000 µmol/L untersucht. Sie ist neben der Gleichheit der Varianzen (Homo­skedastizität), der Normalverteilung der Werte und der Fehlerfreiheit der unab­hängigen Variable x Voraussetzung für eine lineare Regressionsanalyse.

Amperometrische Detektion:

Die Empfindlichkeiten nahmen mit steigender Konzentration ab, dargestellt in Abbildung 91. Dieser Effekt zeigte sich sowohl mit als auch ohne Bestrahlung nach der chromatograpischen Trennung, so daß der nicht lineare Zusammenhang zwischen Signal und Aufgabemasse nicht nur auf die photochemische Reaktion zurückzuführen war.


[Seite 132↓]

Abbildung 91 : Darstellung der Mittelwerte (n = 3) der Peakhöhen der Signale der ECD der PABA und PAABA in Abhängigkeit von der Konzentration mit und ohne Bestrahlung nach der chromatographischen Trennung bei einer angelegten Polarisationsspannung von +1000 mV. Fließmittel: Acetonitril /Acetat-Pufferlösung pH 3,5 (85/15)

Die Abweichungen von der Linearität bei der amperometrischen Detektion konnten auf Veränderungen an der Elektrodenoberfläche zurückgeführt werden (siehe Kapitel 3.3.5.1.2.). Neben den Adsorptionen der Edukte oder Produkte sind vor allem Film­bildungen von Bedeutung, wobei in der Regel versucht wird die "Passivierung" der Elek­trode durch geringe Aufgabemassen zu vermeiden. Bei den durchgeführten Versuchen zeigte sich, daß der entscheidende Parameter weniger die Aufgabemasse, sondern die Intensität der erhaltenen Stromantwort war. Ab einer Antwort von ca. 20 - 30 nA nahmen die Empfindlichkeiten über 10 % ab (siehe Anhang 17 und Tabelle 33, Versuchs­durch­führung: Kapitel 4.5.2.2.). Da Filmbildungen durch die an der Oberfläche gebildeten "aktiven" Verbindungen, wie Radikale hervorgerufen werden können, wäre in diesem Falle nicht die Konzentration der zu detektierenden Substanz ausschlaggebend, sondern die Konzentration an reaktions­fähigen Verbindungen an der Elektrodenoberfläche. Die Strom­antwort konnte hierbei als Maß angesehen werden. Um in linearen Bereichen arbeiten zu können, war die Herabsetzung des Arbeitspotentials somit von Vorteil, wobei aber die Empfindlichkeit geringer wurde.


[Seite 133↓]

Tabelle 33 : Peakhöhen der PABA und PAABA bei Bestrahlung nach der Trennsäule (RP-18) bei verschiedenen Konzentrationen und Arbeitspotentialen.
Fett:
Abnahme der Empfindlichkeiten auf unter 90% des vorangegangenen Wertes.

Konzentration
[µmol/L]

Peakhöhe/nA

 

Peakhöhe/nA

 

Peakhöhe/nA

 

600 mV

 

800 mV

 

1000 mV

 

 

PABA

PAABA

PABA

PAABA

PABA

PAABA

1000

48,08

36,40

102,30

66,30

300,10

84,20

 

47,70

35,50

101,50

63,50

291,60

86,00

 

46,60

34,00

100,50

64,10

288,05

85,00

750

42,00

33,50

94,20

60,80

279,90

77,00

 

39,00

30,80

96,80

58,90

273,60

73,40

 

41,50

31,50

93,50

57,80

273,60

75,20

500

36,20

27,50

80,50

55,70

251,55

69,80

 

35,30

27,10

85,60

52,30

243,63

69,20

 

36,50

27,80

82,30

54,00

241,02

67,40

250

30,80

20,60

57,30

44,10

209,52

54,10

 

31,84

21,10

56,20

42,60

203,49

54,40

 

33,60

21,50

54,10

43,50

202,95

52,40

125

24,96

13,80

43,00

28,20

142,74

31,60

 

23,92

13,50

42,00

28,50

138,87

30,60

 

24,40

13,60

41,25

28,10

137,34

31,80

62,5

16,50

7,20

34,10

16,10

91,71

20,00

 

17,10

7,30

33,90

15,80

88,2

20,10

 

16,80

7,10

32,50

15,50

85,41

20,10

46,88

13,20

4,82

28,90

11,90

75,915

16,35

 

13,70

4,95

27,80

12,20

74,088

16,40

 

13,50

5,00

27,50

12,10

72,576

15,90

35,26

10,75

3,50

22,80

8,45

60,23

13,80

 

10,75

3,90

22,20

8,60

58,50

13,20

 

10,50

3,95

22,30

8,50

58,28

13,10

20,0

6,45

2,25

14,70

5,40

41,20

8,20

 

6,00

2,35

15,10

4,80

40,40

7,60

 

6,20

2,30

14,80

5,10

41,50

7,75


[Seite 134↓]

Fortsetzung Tabelle 33:

Konzentration
[µmol/L]

Peakhöhe/nA

 

Peakhöhe/nA

 

Peakhöhe/nA

 

600 mV

 

800 mV

 

1000 mV

 

 

PABA

PAABA

PABA

PAABA

PABA

PAABA

14,06

4,70

1,60

10,30

3,40

28,90

5,20

 

4,35

1,70

10,50

3,50

28,40

5,10

 

4,60

1,55

10,20

3,70

27,40

5,00

7,03

2,20

0,82

5,40

2,30

17,50

2,55

 

2,05

0,78

5,60

1,90

17,20

2,45

 

2,08

0,78

5,60

1,80

16,80

2,50

1,76

0,55

0,20

1,50

0,70

7,25

0,75

 

0,58

0,19

1,40

0,80

6,55

0,80

 

0,55

0,18

1,50

0,70

6,85

0,65

1

0,35

0,10

0,80

0,45

3,20

0,45

 

0,40

0,15

0,75

0,40

3,30

0,55

 

0,45

0,10

0,80

0,42

3,30

0,45

0,488

0,18

0,05

0,35

 

1,55

 
 

0,21

0,04

0,40

 

1,40

 
 

0,18

0,02

0,35

 

1,40

 

0,244

0,10

   

0,80

 
 

0,14

   

0,70

 
 

0,08

   

0,65

 

UV-Detektion:

Mittels der UV-Detektion wurde zusätzlich der Einfluß des photochemischen Reaktors auf die Peakverbreiterung und damit auch der Empfindlichkeit, sowie der Einfluß der Bestrahlung untersucht.

Im Gegensatz zur amperometrischen Detektion ergab die graphische Darstellung der Peakhöhen zur Konzentration keine „Sättigungskurve“ entsprechend der ECD (Werte siehe Anhang 18)


[Seite 135↓]

Abbildung 92 : Graphische Darstellung der Peakhöhen der UVD der PABA und PAABA mit und ohne Reaktionsschleife; mit und ohne Bestrahlung nach der Trennsäule.

Ermittelt man die Verhältnisse der Peakhöhen (mit Reaktor / ohne Reaktor), berechnet aus Mittelwerten (n = 3), so ergibt sich kein Trend in bezug auf die eingesetzten Konzen­trationen (n = 13, 1000 – 1 µM). Die Verhältnisse können als Dispersionskoeffizienten des Photoreaktors begriffen werden und waren unabhängig von der eingesetzten Verbindung (PABA oder PAABA). Die Peakverbreiterung ist erwartungsgemäß unabhängig von der eingesetzten Konzentration.

Abbildung 93: Verhältnisse der Peakhöhen der PABA und PAABA in Abhängigkeit von der Konzentration 1-13 (entspricht 1000 – 1 µM); 7


[Seite 136↓]

Dieser Effekt ist zudem notwendige Voraussetzung für den Einsatz von photochemischen Durchfluß-Photoreaktoren nach der Trennsäule für die quantitative Bestimmung von Substanzen.

Nach Bestrahlung ergab die Berechnung der Empfindlichkeiten Hinweise auf Trends. Mit zunehmender Konzentration nahmen die Empfindlichkeiten zu, d.h. der photochemische Abbau war – prozentual – bei höheren Konzentrationen geringer.

Abbildung 94 : Photochemischer Abbau: Peakhöhen % (Höhenach Bestrahlung/ Höhevor Bestrahlung 100).

Bei der eingesetzten Konzentration von 1 mM konnte eine formale Berechnung der Absorption durch:

A 254 nm = ε 254 nm ·[A] ·d mittel= 9730 mol-1.L.cm-1 · 10-3 mol.L-1 · 0,020 cm = 0,2

erfolgen. Sobald eine geringe Absorption nicht gewährleistet ist, kann die photochemische Reaktion nicht mehr durch eine Gleichung nach Reaktionsbedingungen 1. Ordnung beschrieben werden. Die Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsordnung der photo­chemischen Degradation zeigte sich bereits im FIA-System (siehe Kapitel 3.3.5.1.). In höheren Konzentrationsbereichen muß die Eignung des Reaktors für die quantitative Bestimmung dementsprechend besonders überprüft werden. Falls der prozentuale photochemische Abbau nicht unabhängig von der eingesetzten Konzentration ist, kommt es zu Abweichungen von der Linearität zwischen Detektorsignal und Konzentration.


[Seite 137↓]

3.4.1.3  Nachweisgrenze

Die Definitonen der Nachweisgrenze sind in der Literatur uneinheitlich. Sie kann als niedrigste Konzentration des Analyten begriffen werden, die unter den angegebenen experimentellen Bedingungen nicht notwendigerweise quantifiziert, aber detektiert werden kann [134]. Dabei kann die Nachweisgrenze als Stoffmenge, bzw. Konzentration aufgefaßt werden, die sich aus der Erkennungsgrenze über die Kalibrierfunktion ergibt. Die Erkennungsgrenze wird dabei als das kleinste signifikant vom Blindwert unterscheidbares Signal definiert [101].

Nach der ICH Richtlinie "Note for Guidance on Validation of Analytical Procedures" kann die Bestimmung auf vielfältige Weise erfolgen und auf

  1. der visuellen Bewertung
  2. dem Signal-Rausch-Verhältnis
  3. der Standardabweichung des Signals bzw. der Leermatrix
  4. der Kalibrierfunktion

beruhen [135]. Nach den Eurachem-Richtlinien (GDCh-Geschäftsstelle) [136] wird es als ausreichend erachtet den "Leerwert (Blindwert) + 3 x Standardabweichung" zu berechnen, um Hinweise darauf zu bekommen ab wann die Detektion problematisch wird. Oftmals wird "2 bis 3 x Rauschen" als ausreichend erachtet [137].

Im Folgenden waren vor allem vergleichende Betrachtungen der verschiedenen Bedingungen (siehe Tabelle 34) von Interesse. Es wurden die gemessenen Signale von Proben niedriger Konzentration mit Leerproben (Injektion des Fließmittels) verglichen, wobei für die Bestimmung ein Signal-Rausch-Verhältnis von 3:1 genutzt wurde.

Tabelle 34 : Nachweisgrenzen der PABA und PAABA bei verschiedenen Bedingungen

 

UVD
ohne Photo-reaktor

UVD
Lampe aus

UVD
Lampe an

ECD
+600 mV
Lampe an

ECD
+800 mV
Lampe an

ECD
+1000 mV
Lampe an

c [µM]

m [ng]

c [µM]

m [ng]

c [µM]

m [ng]

c [µM]

m [ng]

c [µM]

m [ng]

c [µM]

m [ng]

PABA

0,12

0,34

0,5

1,4

1,0

2,8

0,24

0,67

0,5

1,4

0,24

0,67

PAABA

0,12

0,44

0,5

1,9

1,0

3,7

0,50

1,74

1,0

3,6

1,0

3,63

Die Nachweisgrenzen der UVD waren aufgrund der hohen Absorptionen der Substanzen - eine Voraussetzung für den Einsatz von PABA als UV-Filter - niedriger bzw. vergleichbar[Seite 138↓] mit den Nachweisgrenzen der ECD. Bei der UVD erhöhte der Einsatz des Reaktors die Nachweisgrenze, zum einen bedingt durch die Peakverbreiterung infolge der Dispersion in der Reaktionsschleife, zum anderen aufgrund des photochemischen Abbaus der Substanzen. Bei der ECD waren aufgrund der Erniedrigung des Rauschens bei niedrigeren Arbeitspotentialen trotz abnehmender Empfindlichkeit die Nachweisgrenzen z.T. geringer als bei höheren Arbeitspotentialen.

3.4.1.4 Selektivität

Eine Methode ist selektiv, wenn die zu bestimmende Komponente unabhängig von allen vorhandenen Begleitstoffen bestimmbar ist [133]. Die amperometrische Detektion ist selektiv für Substanzen, die elektrochemisch oxidierbar bzw. reduzierbar sind. Obwohl viele Substanzen mittels der UVD zu erfassen sind, ist die ECD bei einem leicht zugänglichen Arbeitspotential meist nicht möglich. Der Einsatz eines photochemischen Reaktors kann die Selektivität durch einfache Lampe ein/ Lampe aus - Vergleiche erhö­hen, wenn die Photoprodukte im Vergleich zur Ausgangs­verbindung ein anderes elektro­chemisches Verhalten aufzeigen. Bei einem Potential von +600 mV waren weder die PABA noch die PAABA amperometrisch zu detektieren, wohingegen bei höheren Potentialen die PABA zu erfassen war.

Bei der Validierung von analytischen Verfahren kann der Einsatz eines photochemischen Reaktors damit einen wertvollen Beitrag leisten. Die Selektivität kann durch einfachen Lampe aus/Lampe an - Vergleich erhöht werden, da neben der Retentionszeit die Peak­zuordnung auf der Fähigkeit nur nach Bestrahlung amperometrisch detektierbar zu sein beruht. Injiziert wurden Lösungen der PABA und PAABA, die im Gegensatz zu vorangegangenen Versuchen nicht durch Lösen in der mobilen Phase hergestellt wurden, sondern durch Lösen in einer Leermatrixprobe, bestehend aus:

90% Acetonitril/Puffer pH = 3,5 (85/15) (v/v)

10% Inkubationsansatz

(bestehend aus Hämolysat, Acetyl-CoA-regenerierendes System, Acetyl-Coenzym A, Perchlorsäure)

Ohne Bestrahlung erschienen keine Peaks im Chromatogramm, wohingegen UV-Bestrahlung zu auswertbaren Peaks führte (Abbildung 95). Bestrahlung der Leermatrix hingegen lieferte keine zusätzlichen Signale, was die Störung durch andere Substanzen minimierte. Der Lampe aus/Lampe an - Vergleich verringert somit die Wahrscheinlichkeit, daß gleichzeitig mit der relevanten Substanz zusätzliche Verbindungen eluiert werden und sind ein Hinweis auf Peakreinheit.


[Seite 139↓]

Abbildung 95 : Chromatogramme einer Mischung aus PABA und PAABA, gelöst in der mobilen Phase mit 10% Matrix-Lösung. Konzentration 20 µmol/L (PABA und PAABA). Flußrate: 0,5 mL/min. Arbeitspotential: +600 mV. Mobile Phase: Acetonitril - Acetat-Pufferlösung pH = 3,5 (15:85) (v/v). Links: Lampe aus; Rechts: Lampe an

3.4.2 Kalibrierung

Die quantitative Bestimmung mittels ECD gestaltete sich aufgrund des nicht linearen Zusammenhangs zwischen Aufgabemasse und Detektorsignal bei höheren Konzen­trationen problematisch. Eine mathematisch nicht lineare Kurvenanpassung wäre prinzipiell möglich, wobei in diesem Falle die Reihenfolge der Injektionen der verschiedenen Konzentrationen einen entscheidenden Einfluß auf die Kalibrierfunktion hätte. Injektionen von höheren Konzentrationen führten zur Abnahme der Peakhöhen der Signale nachfolgender Lösungen mit niedrigerer Konzentration, wohingegen dieser Effekt bei niedrigeren Konzentrationen zu vernachlässigen war.

Bei einem angelegten Arbeitspotential von +600 mV waren die Empfindlichkeiten über einen weiteren Konzentrationsbereich vergleichbar (siehe Anhang 17), so daß eine Kalibrierung durch lineare Regression hier trotz niedriger Empfindlichkeit sinnvoll [Seite 140↓]erschien. Die Kalibrierung erfolgte bei fünf Konzentrationen (c = 35,6; 21,4; 14,3; 7,15; 1,79 µmol/L) an drei verschiedenen Tagen mittels UVD (Detektionswellenlänge λ = 270 nm) und mittels ECD (Arbeitspotential: + 600 mV) durchgeführt. Am vierten Tag erfolgte eine Kalibrierung nach Zusatz von Matrix-Lösung.

3.4.2.1 Prüfung der Voraussetzungen zur Anwendung der linearen Regression

3.4.2.1.1 Fehlerfreiheit der Variablen x

Neben der Herstellung der Kalibrierlösungen, inklusive Einwiegen der Substanzen, Auffüllen und Verdünnen, ist auch die Injektion der Lösung ein fehler­behafteter Vorgang. Für die Kalibrierung wurden diese Fehler in x, aufgrund der im Verhältnis entscheiden-deren Fehler in y, formell als fehlerlos betrachtet.

3.4.2.1.2 Linearität

Die Linearität wurde an Hand der graphischen Darstellung der Peakhöhen und der Empfindlichkeiten in Abhängigkeit von der Konzentration untersucht. Es ergaben sich keine Hinweise für eine nichtlineare Abhängigkeit von Konzentration und Signal (Abbildung 96).

Abbildung 96 : Amperometrische Detektion (Upol = +600 mV) der PABA und PAABA nach chromatographischer Trennung und Bestrahlung: Darstellung der Peakhöhen
(Mittelwerte, n = 6) der Kalibriergeraden (Tag 1), Versuchsdurchführung: Kapitel 4.5.2.4.


[Seite 141↓]

3.4.2.1.3  Normalverteilung

Zur Prüfung auf Normalverteilung wurde der Test nach David auf dem 10 % Niveau (siehe auch Kapitel 3.2.2.3.2.) durchgeführt. Die Werte waren in der Regel normalverteilt (Tabelle 35), geringe Abweichungen von der Normalverteilung können zudem vernachlässigt werden [100].

Tabelle 35 : Test nach David (n = 6),
+ entspricht; - entspricht nicht

PABA

Konzentration
[µM/L]

TAG 1
ECD

TAG 1
UVD

TAG 2
ECD

TAG 2
UVD

TAG 3
ECD

TAG 3
UVD

TAG 4
ECD

TAG 4
UVD

35,6

+

+

+

+

-

+

+

-

21,4

+

+

+

+

+

+

-

+

14,3

+

+

+

+

+

+

+

+

7,15

-

+

-

-

+

+

+

+

1,79

+

-

+

-

+

+

+

+

PAABA

 

Konzentration

[µM/L]

TAG 1

ECD

TAG 1

UVD

TAG 2

ECD

TAG 2

UVD

TAG 3

ECD

TAG 3

UVD

TAG 4

ECD

TAG 4

UVD

35,6

+

+

+

+

+

+

+

+

21,4

-

+

+

+

+

-

-

+

14,3

+

+

+

+

+

+

+

+

7,15

+

+

+

+

-

+

+

+

1,79

+

+

+

+

-

+

+

+

3.4.2.1.4 Varianzenhomogenität

Die Prüfung auf Gleichheit der Varianzen erfolgte mittels F-Test (P = 0,9, f1 = 5, f 2 = 5) und dem Test nach Cochran (siehe auch Kapitel 3.2.2.3.2.). Die Varianzen unterschieden sich sowohl bei UVD als auch bei ECD in der Regel nicht signifikant (Tabelle 36). Die Homoskedastizität wurde daher angenommen.


[Seite 142↓]

Tabelle 36: F-Test (P = 0,9, f1 = 5, f2 = 5) und Test nach Cochran (n = 6), untere
+ entspricht; - entspricht nicht

PABA

 

TAG 1

TAG 2

TAG 3

TAG 4

F-Test - ECD

+

+

-

+

F-Test - UVD

+

-

+

+

Test nach Cochran -ECD

+

+

+

+

Test nach Cochran -UVD

+

+

+

+

PAABA

 

TAG 1

TAG 2

TAG 3

TAG 4

F-Test - ECD

+

+

+

-

F-Test - UVD

+

+

+

+

Test nach Cochran -ECD

+

+

+

+

Test nach Cochran -UVD

+

+

+

+

3.4.2.2 Lineare Regression

Die Ergebnisse der linearen Regressionsanalyse sind im Folgenden zusammengefaßt.

Tabelle 37: Ergebnisse der linearen Regressionsanalyse - Werte: Anhang 19 und 20

PABA

Steigung m
[1/(µmol/l)]

sdv (m)
[1/(µmol/l)]

Achsen-abschnitt b

sdv (b)

Korre-lations­koeffizient
R2

Standard -fehler des Schätzwertes y
sdv (y)

TAG 1

0,2877

0,0024

0,1919

0,0475

0,998

0,1543

TAG 1 UVD

0,0688

0,0002

0,0103

0,0042

1,000

0,0137

TAG 2

0,2884

0,0020

0,0177

0,0397

0,997

0,1289

TAG 2 UVD

0,0663

0,0003

0,0044

0,0057

1,000

0,0185

TAG 3

0,2480

0,0023

0,0371

0,0453

0,998

0,1471

TAG 3 UVD

0,0657

0,0006

0,0537

0,0120

0,998

0,0390

TAG 4 *)

0,2210

0,0017

0,0581

0,0340

0,998

0,1106

TAG 4 *) UVD

0,0657

0,0055

0,0104

0,0109

0,998

0,0355


[Seite 143↓]

Fortsetzung von Tabelle 37

PAABA

Steigung m
[1/(µmol/l)]

sdv (m)
[1/(µmol/l)]

Achsen-abschnitt b

sdv (b)

Korre-lations­koeffizient
R2

Standard -fehler des Schätzwertes y
sdv (y)

TAG 1

0,1031

0,0012

0,0561

0,0229

0,997

0,0743

TAG 1 UVD

0,0653

0,0003

0,0036

0,0064

0,999

0,0208

TAG 2

0,1052

0,0009

-0,0035

0,0189

0,998

0,0613

TAG 2 UVD

0,0645

0,0003

0,00843

0,0061

0,999

0,0198

TAG 3

0,0943

0,0012

-0,0015

0,0236

0,996

0,0765

TAG 3 UVD

0,0604

0,0007

0,02485

0,01328

0,997

0,0431

TAG 4 *)

0,0766

0,0009

0,0567

0,0180

0,996

0,0586

TAG 4 *) UVD

0,0640

0,0004

-0,0119

0,0767

0,999

0,0249

Die Werte der Peakhöhen der ECD unterschieden sich sowohl für die PABA als auch für die PAABA von Tag zu Tag signifikant. Die Steigungen der Geraden nahmen am 3. und 4. Tag ab, während dies für die UVD nicht der Fall war. Um zu quantifizieren, bedarf es bei der ECD daher einer täglich neuen Kalibrierung. Die geringere Reproduzierbarkeit war, da damit eine abnehmende Empfindlichkeit einher ging, wohl auch auf Veränderungen der Oberfläche der Arbeitselektrode zurückzuführen und stellt ein allgemeines Problem bei quantitativen Bestimmungen mittels amperometrischer Detektion dar [117,138]. Auch die Standardabweichungen der Meßwerte lagen bei der UVD in der Regel jeweils unter den Werten der ECD, wobei die geringere Präzision der Meßwerte der ECD ebenfalls auf Veränderungen der Oberfläche der Arbeitselektrode zurückgeführt werden konnten.

Tabelle 38 : relative Standardabweichungen der ECD und UVD der PABA

Konz. [µmol/L]

Vergleichs-bedingungen

Tag 1
(n = 6)

Vergleichs-bedingungen
Tag 1
(n = 6)

Vergleichs-bedingungen
Tag 1
(n = 6)

Wiederhol­bedingungen
Tag 1,2 und 3
(n = 18)

UVD

ECD

UVD

ECD

UVD

ECD

UVD

ECD

35,6

0,67

0,95

1,03

0,79

1,22

1,32

2,12

7,05

21,4

0,79

1,67

0,73

1,69

1,94

1,86

1,93

8,59

14,3

1,37

2,84

2,23

2,74

2,77

2,10

3,79

7,36

7,15

3,70

3,28

3,65

3,57

3,56

2,92

5,40

10,34

1,79

6,88

10,00

6,72

13,58

12,17

7,24

9,84

14,97


[Seite 144↓]

Zusammenfassend läßt sich daher sagen, daß die amperometrische Detektion in Verbindung mit der photochemischen Umsetzung der Substanzen, für die Methoden­entwicklung wertvolle zusätzliche Hinweise liefern kann. Für die Routineanalytik sollte aber in diesem Fall der UVD Vorrang eingeräumt werden.


Fußnoten und Endnoten

1 Informationen bezüglich des verwendeten Materials sind derzeit vom Hersteller (Firma ICT) nicht erhältlich.

2 Die Innendurchmesser entsprechen Herstellerangaben, die Längen der Schläuche wurden selbst festgesetzt.

4 

T 0 = 3,85/0,02 s = 19,25 s nach Abbildung 23;

T ges: nach Abbildung 25 und 26 (Werte: Anhang 1)

5 Die Angaben der Längen der Kapillaren erfolgte nach Herstellerangaben bei erworbenen Reaktionsschleifen und nach eigenen Angaben bei selbstgefertigten Kapillaren

6 nach Herstellerangaben (Fehler 10 %)

7 die Nummerierung erfolgte aufgrund der übersichtlicheren Darstellung im Vergleich zur Auftragung gegen den absoluten Wert der Konzentration.



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03.01.2005