Analytisch-Chemisches Fortgeschrittenen Praktikum

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1 Bericht zum Vertiefungsprojekt Analytisch-Chemisches Fortgeschrittenen Praktikum Methodenentwicklung zur Analyse halogenierter Kohlenwasserstoffe mittels Headspace GC-MS in Wasserproben Karsten Müller

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Einführung Aufgabenstellung Desinfektion mit Chlordioxid Theorie Gaschromatographie Adsorptionschromatographie Verteilungschromatographie Aufbau eines Gaschromatographen Headspace-Gaschromatographie Massenspektrometrie Detektion in der Gaschromatographie Durchführung Lösungsvorschlag Instrumentelle Parameter verwendeter Standard Auswertung Allgemeines Probenvorbereitung Erhöhung der Ionenstärke Standard Variationen Tränkwasserproben Zusammenfassung und Ausblick 19 7 Anhang 21 2

3 1 Einleitung Die analytische Chemie stellt ein interdisziplinäres Teilgebiet der Chemie dar. In ihr ist die Anwendung von bestehenden oder neu entwickelten Messmethoden auf analytische Fragestellungen aus allen wissenschaflichen Bereichen von zentraler Bedeutung. Die instrumentelle Analytik vereint dabei die Nutzung von komplexen Analysegeräten zur Probencharakterisierung unter Berücksichtigung der instrumentell gesetzten Grenzen bei der Auswertung der Ergebnisse. Durch die Instrumentalisierung ist es möglich geworden hohe Probenaufkommen mit geringem Wissen über das verwendete Verfahren zu bewältigen. Die Gefahr die produzierten Werte als nicht fehlerbehaftet zu betrachten ist jedoch größer als bei herkömmlichen Methoden. Eine statistische Betrachtung ist daher für jede quantitative Auswertung sinnvoll. Sie zeigt welchen Schwankungen das Analyseergebnis unterliegt und verdeutlicht so, welche Genauigkeit das eingesetzte Verfahren besitzt. 2 Einführung 2.1 Aufgabenstellung Ziel des Vertiefungsprojektes ist eine Methodenentwicklung zur Untersuchung wässriger Proben auf halogenierte Kohlenwasserstoffe mittels Headspace-GC- MS. Bei den untersuchten Proben handelt es sich um Tränkwasser aus einer Putenzucht. Das Projekt ist Bestandteil einer Studie über Trinkwasserdesinfektion mit Chlordioxid bei der Firma Heidemark in Verbindung mit dem Institut für Tierernährung der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover. Die vergleichende Feldstudie in einem Putenmaststall der Firma Heidemark beschäftigt sich mit dem Einfluß einer permanenten Chlordioxidgabe in das Tränkwassersystem auf die Ergebnisse in der Putenmast. Das Vertiefungsprojekt dient der Sicherstellung, das durch permanente Zugabe von Chlordioxid in das Tränkwasser keine vorhandenen organischen Kom- 3

4 ponenten halogeniert werden. Daraus resultiert die Aufgabe eine Methode zu entwickeln, welche einen qualifizierenden Nachweis zuläßt. Findet eine Halogenierung statt, so soll eine Qualifizierung und Quantifizerung der entstandenen Verbindungen ermöglicht werden. 2.2 Desinfektion mit Chlordioxid Chlordioxid (E 926) wird zum Bleichen in der Textil-, Cellulose und Papierindustrie verwendet und hat Chlor weitgehend ersetzt. Es findet Verwendung bei der Trinkwasserdesinfektion, wo es in einzelnen Ländern Chlor ebenfalls weitgehend ersetzt hat, da es im Gegensatz zu Chlor stark viruzid und wirksam gegen viele Protozoen und Biofilme ist. Es hat eine 25fach stärkere Oxidationwirkung im Vergleich zu Chlor. Des Weiteren wird Chlordioxid zunehmend auch bei der Abfüllung von PET-Flaschen zur Desinfektion genutzt. Zur Vollständigkeit sei erwähnt das PE gegenüber Chlordioxid nicht stabil ist. Eine Verwendung zur Desodorierung (Geruchsbefreiung) übelriechender Abfälle und Abwässer ist möglich, da Chlordioxid im Gegensatz zu Chlor nicht chlorolytisch wirkt und daher keine persistenten Organochlorverbindungen in die Umwelt entläßt. Dieser Umstand wird durch das Ergebnis des Projektes bestätigt. Chlordioxid als relativ stabiles Radikal überträgt sein ungepaartes Elektron leicht auf DNA, die dann durch Bruch den Zelltod auslöst. Auf dieser Wirkung scheint die desinfizierende Wirkung zu beruhen. Erstaunlicherweise sind höhere Organismen sehr unempfindlich gegen Chlordioxid. Die Toleranzschwelle für Wirbeltiere liegt bei mehr als dem zwanzigfachen dessen, was üblicherweise zur Trinkwasserdesinfektion eingesetzt wird. Chlordioxid hat im Gegensatz zu Chlor keinen negativen Einfluss auf den Geruch und Geschmack von Wasser. Chlordioxid ist unter Normaldruck bei 20 C ein gelbliches bis rotes Gas, das bei 10 C flüssig wird. Die wässrige Lösung ist nicht haltbar und zersetzt sich, besonders durch Lichteinwirkung. Bei erhöhter Temperatur ist das Gas explosiv. Ein Nachteil in der Verwendung von Chlordioxid ist, das es am Verwendungsort hergestellt werden muss. Im Labormaßstab kann Chlodioxid durch Reaktion von Kaliumchlorat mit Schwefelsäure gewonnen werden. Für eine Gewinnung im Produktionsmaßstab wird nach CUNNINGHAM und LOSCH die Reaktion von 4

5 Chlor mit einer wässrigen Lösung von Chloriten genutzt: 2 NaClO 2 + Cl 2 2 NaCl + 2 ClO 2 Als Vorteilhaft hat sich erwiesen, das Chlordioxid kaum mit Ammonium, Glukose, Pepton usw. reagiert und so der Desinfektionsprozess nicht gestört wird. Ein weiterer Vorteil ist die weitgehende Unabhängigkeit des Desinfektionsvermögens vom ph-wert. Dadurch ist ein Einsatz auch im alkalischen Bereich möglich. Die bakterizide Wirkung behält Chlordioxid im Trinkwasser auch über längere Zeit, bis es durch organische Substanzen reduziert wird. Ein Nachteil des Chlordioxidverfahrens ist, das es unter bestimmten Umständen zur Rückbildung von Chlorit infolge einer Reduktion des Chlordioxids kommen kann. Ferner kann durch Disproportionierung des Chlordioxids u. U. Chlorat entstehen. Weiterhin zieht ein großtechnischer Einsatz die Notwendigkeit einer Produktion vor Ort nach sich, was zu hohen Anschaffungskosten führt. ClO 2 + 4H + + 5e Cl + 2H 2 O ClO 2 + H e HClO 2 ClO 2 + 1e ClO 2 E 0 1, 51 V E 0 1, 26 V E 0 1, 16 V 3 Theorie 3.1 Gaschromatographie Chromatographie (griechisch, deutsch Farbenschreiben) wird in der Chemie ein Verfahren genannt, das die Auftrennung eines Stoffgemisches durch unterschiedliche Verteilung seiner Einzelbestandteile zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erlaubt. Dieses Prinzip wurde erstmals 1903 von dem russischen Botaniker Michail S. Twett angewendet und dargelegt. Er untersuchte einfarbige Pflanzenfarbstoffe und konnte diese durch Chromatographie in verschiedene Farbstoffe zerlegen. Praktische Anwendung findet diese Methode zum einen in der Produktion zur Isolierung bzw. Reinigung von Substanzen (= präparative Chromatographie), zum anderen in der chemischen Analytik, um Stoffgemische in möglichst einheitliche Inhaltstoffe zwecks Identifizierung oder mengenmäßiger 5

6 Bestimmung aufzutrennen. Die Chromatographie ist aus der organischen Chemie, der Biochemie, Mikrobiologie, der Lebensmittelchemie, der Umweltchemie und auch der anorganischen Chemie nicht mehr wegzudenken. Die kurze Einführung in das Thema ist der freien Enzyklopädie Wikipedia entnommen. Sie macht deutlich welchen Stellenwert die Chromatographie seit 1903 heute in allen naturwissenschaftlichen Bereichen eingenommen hat. Die Chromatographie läßt sich am einfachsten als Metapher erläutern: Ein Fluß führt Treibgut mit sich. Die Geschwindigkeit mit der sich das Gut flussabwärts bewegt hängt dabei von drei Faktoren ab: von der Art des Treibgutes (Sandkörner sind schneller als Felsbrocken) vom Flußbett (eine glattes Flußbett trennt weniger gut, als eines mit einer rauhen Oberflächen) von der Wassermenge die den Fluß kennzeichnet Wird dieser Vergleich auf die Chromatographie übertragen so stellt das Treibgut den Analyt, also unser Substanzgemisch, dar. Das Wasser im Fluss ist die mobile Phase, welche das Stoffgemisch transportiert. Das Flussbett ist die stationäre Phase, auf der die mobile Phase weiter transportiert wird. Aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Bestandteilen des Analyten mit der stationären Phase werden Substanzen unterschiedlich schnell weiter transportiert und es folgt eine Trennung des Stoffgemisches. In den letzten 100 Jahren haben sich verschiedene Trennmethoden innerhalb der Chromatographie entwickelt. Im Projekt wurden Substanzgemische durch die Gaschromatographie getrennt und mittels Massenspektrometrie (MS) charakterisiert. Bei der Gaschromatographie wird das Substanzgemisch in einem Injektor nach einspritzen schlagartig verdampft und durch einen Trägergasstrom aus Helium in eine Chromatographiesäule geleitet. Da die mobile Phase (Helium) ein Gas ist, wird die Methode als Gaschromatographie bezeichnet. Die Trennung erfolgt aufgrund von Adsorption an der Säulenoberfläche. Die Gaschromatographie ist also eine Adsorptionschromatographie. 6

7 Bei der Verteilungschromatographie erfolgt die Stofftrennung durch einen Lösevorgang innerhalb zweier nicht mischbarer Phasen. Beide Trennprinzipien lassen sich nicht rein nutzen. Sie kommen immer unterschiedlich stark miteinander verbunden vor. Die Gaschromatographie (GC) ist eine sehr empfindliche Methode. Es wird mit Substanzlösungen gearbeitet. Das Einspritzvolumen der bereits verdünnten Lösung liegt im Mikroliterbereich. Vom Einspritzvolumen wird dann unter Umständen vor dem Einleiten in die Säule durch ein Splitverfahren nur ein Bruchteil weitergeleitet Adsorptionschromatographie Adsorption ist eine Reaktion an Grenzflächen zwischen gelösten und festen Stoffen (Adsorbens, Sorbens). Es tritt also eine Anreicherung des gelösten Stoffes an der Phasengrenzfläche des festen Stoffes ein. Je nach Stärke der Adsorption wir in physikalische Adsorption (Physisorption) oder chemische Adsorption (Chemisorption) unterschieden. Die Chemisorption ist im Gegensatz zur Physisorption häufig irreversibel. Das verdeutlichen die hohen Adsorptionsenthalpien ( kj/mol) und die schlechte Nutzbarkeit für die Chromatographie, da die Adsorption reversibel sein muss. Bei der physikalischen Adsorption erfolgt die Anlagerung aufgrund von Vander-Waals Kräften. Sie sind deutlich schwächer (8-40 kj/mol) und reversibel. Der physikalisch-chemische Vorgang läuft bis zur Gleichgewichtseinstellung reversibel und ungehemmt. Er läßt sich also sehr gut zur Trennung von Stoffgemischen nutzen. Als Adsorbentien kommen Aluminiumoxid oder Kieselgel zum Einsatz. Bei ihnen kann die Adsorption von Stoffen auf Dipol-Dipol Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, charge-transfer- oder π-komplexen beruhen. Der Gleichgewichtszustand der Grenzflächenreaktion wird durch empirisch ermittelte Gleichungen (Adsorptionsisothermen) beschrieben. Aus diesen Isothermen lassen sich für zwei Stoffe A und B Aussagen über die Wirksamkeit der Trennung machen. 7

8 3.1.2 Verteilungschromatographie Bei der Flüssig-Flüssig-Chromatographie wie auch bei der Gaschromatographie wird die Verteilung als Trennmethode genutzt. Die Komponente, die nicht sehr gut adsorbiert ist jeweils zum größeren Anteil im Eluenten gelöst und wird vom Eluentenstrom leichter durch die Trennsäule gespült, so dass er schneller den Detektor erreicht. Werden bei einer Chromatographie die äußeren Bedingungen, wie die Temperatur T in der Säule, der Eluent, die Trennsäule oder die Strömungsgeschwindigkeit des Eluenten nicht verändert, so werden reproduzierbare charakteristische Werte erhalten. Die Zeit t 1, die nötig ist, bis eine Komponente des Stoffgemisches die Trennsäule durchlaufen hat, nennt man Gesamtretentionszeit t i. Die Gesamtretentionszeit t r ist die qualitative Aussage eines Chromatogramms. Des weiteren kann man eine Information aus den einzelnen Banden der Komponenten, welche Peaks genannt werden, gewinnen. Die Peakfläche A bzw. Peakhöhe h ist proportional zur Konzentration c i der jeweiligen Komponente i. Bei der Gaschromatographie besteht das System aus einer gasförmigen mobilen und einer flüssigen stationären Phase. Durch unterschiedliche Verteilung des gasförmigen Stoffes in den beiden Phasen erfolgt die Trennung. Für die Konzentration eines Gases in einer Flüssigkeit folgt nach dem HENRYschen Gesetz : Mit der Gleichgewichtskonstanten K. c = K p (1) Die Konzentration ist also proportional zum Partialdruck des Gases. K hängt von der Flüssigkeit und der Temperatur ab. Der Partialdruck eines Stoffes ist proportional zum Molenbruch (x) in einer gasförmigen Mischung. Es ergibt sich das RAOULTsche Gesetz: p = x p 0 (2) Mit p 0 als Dampfdruck der reinen Substanz in der Gasphase. 8

9 Im Fall der Flüssig-Flüssig-Chromatographie kann die Verteilung einer Substanz, welche sich in beiden Phasen löst, als Verteilungskoeffizient α dargestellt werden. Es gilt für die Konzentrationen c 1 und c 2 eines Stoffes, der in Phase 1 und Phase 2 gelöst ist: α = c 1 c 2 (3) Der Verteilungskoeffizient α eines Stoffes stellt die Gleichgewichtskonstante eines Verteilungsgleichgewichtes dar. Es hängt von den beiden flüssigen Phasen, der Temperatur und dem externen Druck ab. Zu Berechnung wird c 1 und c 2 durch die Quotienten m 1 V 1 bzw. m 2 V 2 Masse eines Stoffes und V i als Phasenvolumen, ersetzt:, mit m i als α = c 1 c 2 = m 1 V 2 m 2 V 1 = G V2 V 1 (4) Das Verhältnis aus m 1 m 2 wird als Verteilungszahl G bezeichnet. Statt eines Verteilungskoeffizienten werden häufig Prozentangaben als Maß der Verteilung angegeben Aufbau eines Gaschromatographen Figure 1: schematischer Aufbau eines GC[1] 9

10 Abbildung 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Gaschromatographen. Über einen Trägergasstrom (inertes Gas - Helium, Argon, N 2 ) wird die verdampfte Probe aus dem Injektorblock in die Säule (Column) überführt. Nach der Retentionszeit werden die getrennten Substanzen detektiert und als Chromatogramm ausgegeben. Abbildung 2 zeigt den Aufbau eines Injektors. Durch ihn kann ein Substanzgemisch auf die Säule gegeben werden. Eine Mikroliterspritze wird dazu mit der Analyselösung aufgezogen und durch das Gummiseptum in den Injektor gestochen. Dort wir die Lösung eingespritzt, wo sie sofort verdampft und im Trägergasstrom in die Säule transportiert wird. Figure 2: Injektor[2] Ein Splitausgang im Injektor kann kurzzeitig geöffnet werden. Dadurch wird der Gasraum im Injektor teilweise abgezogen und das verdampfte Substanzgemisch je nach Öffnungszeit in einem einstellbaren Verhältnis zerteilt (split). Aus dem Aufbau der Apparatur ergeben sich bestimmte Anforderungen an den Analyt. Da bei Temperaturen von bis zu 300 C im Injektorblock und in der Säule gearbeitet wird, muss die Substanz chemisch inert sein. Chemische Reaktionen 10

11 innerhalb des Injektors oder der Säule würden keine klaren Ergebnisse liefern. Weiterhin muss die Substanzmischung leicht verdampfbar sein. Eine polymere oder hochmolekulare Substanz kann nicht detektiert werden, wenn sie nicht verdampft. Weiterhin muss die Retentionszeit des Analyten über der des verwendeten Lösungsmittels liegen, da in der Detektion und anschließenden Integration das Lösungsmittel wegen seines großen Überschusses unberücksichtigt bleibt Headspace-Gaschromatographie Bei der Headspace-GC handelt es sich um eine Methode bei der der Gasraum über einer Probe (engl. headspace) injiziert wird. Dies kann nötig sein wenn toxikologische Untersuchen erfolgen sollen, die Probenmatrix Schäden auf der Trennsäule verursacht (z.b. Wasser) oder schwer verdampfbar ist. Zweckmäßig ist ein deutlich größeres Injektionsvolumen als bei einer herkömmlichen Injektion, da die Konzentrationen im Gasraum sehr viel geringer sind. Im konkreten Fall wurde mit einem Injektionsvolumen von 100 µl gearbeitet (bei Flüssiginjektionen werden ca. 1-5 µl injiziert). Den Stellenwert des Lösungsmittels nimmt bei der Headspace-Analyse die Luft ein. 3.2 Massenspektrometrie Detektion in der Gaschromatographie Figure 3: Schema eines Massenspektrometers[3] 11

12 Als Detektionssystem in der Gaschromatographie kommen verschiedene Instrumente in Frage. In unserem Versuch war an das Ende der Chromatographiesäule ein Massenspektrometer angeschlossen. In ihm werden die getrennten Substanzen mit einem orthogonal verlaufenden Elektronenstrahl (70 ev) aus einer Kathodenstrahlröhre in positiv geladene Fragmente zerschlagen. Die geladenen Fragmente werden im Hochvakuum durch das elektrische Feld eines Quadrupols beschleunigt und aufgetrennt nach ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis in einem Elektronenmultiplier detektiert. Dabei liefert jede Substanz ein charakteristisches Fragmentspektrum, anhand dessen es charakterisiert werden kann. Diese Spektren können in Datenbanken gespeichert und bei späteren Messungen mit den erhaltenen verglichen werden. So können Substanzen zusätzlich zu ihrer Retentionszeit identifiziert werden. Es ergibt sich also für den gesamten Aufbau folgendes Schema: Figure 4: Aufbauschema GC-MS[1] Genauso wie es viele Möglichkeiten in der Detektion der Signale am Gaschromatographen gibt, so gibt es auch viele Möglichkeiten bei der Kostruktion eines Massendetektors. Das Quadrupolmassenspektrometer ist der verbreitetste Selektor in der Massenspektrometrie. Er ist kostengünstig bei kleiner Bauart. Diese Vorteile gehen allerdings zu Lasten seines Auflösungsvermögens, welches eher mäßig ist. 12

13 Ein Quadrupol besteht aus vier konzentrischen, parallel angeordneten runden Cobaltstabelektroden. An jedes gegenüberliegende Elektrodenpaar wird eine Gleichspannung U angelegt, welche mit einer Wechselspannung überlagert ist (vgl. Abbildung 5). Figure 5: Schema eines Quadrupols[3] Der in das Innere des Quadrupols geleitete Ionenstrahl wird durch das hochfrequente Feld zur Schwingung angeregt. Die Amplitude der Schwingung ist abhängig von der Masse und der Ladung des durchtretenden Ions. Nur Ionen eines bestimmten Masse-/Ladungverhältnisses können aufgrund einer genügend kleinen Amplitude das System passieren und zum Auffänger (Elektronenmultiplier) gelangen. Die anderen Ionen treffen auf die Stäbe und werden nach Entladung aus dem Hochvakuum abgesaugt (vgl. Abbildung 4). Änderungen im elektrischen Wechselfeld ermöglichen das Spektrum an Masse- /Ladungverhältnis zu durchfahren und so alle Ionen zeitgleich nach ihrer Masse und Häufigkeit zu detektieren. 13

14 4 Durchführung 4.1 Lösungsvorschlag Um halogenierte Kohlenwasserstoffe in Wasserproben zu bestimmen wurde zunächst in hochreinem Wasser ein Standard aus zehn Halogenkohlenwasserstoffen (vgl. Tabelle 1 und 2) mit einer Konzentration von 10 ppm hergestellt. Vor der Messung wurden 10 ml des Standards mit 1,5 g MgSO 4 in einem mit Teflondichtung geschlossenen Probegläschen ca. 45 Minuten bei 75 C im Trockenschrank erwärmt. Von der Gasphase wurden anschließend 100 µl per GC- MS gemessen. 4.2 Instrumentelle Parameter Zur Messung wurde der Gaschromatograph 5890 von Hewlett-Packard (HP) verwendet. Als Detektor fand der ebenfalls von Hewlett-Packard hergestellte massenselektive Detektor 5971A Verwendung. Messparameter: Parameter GC: Säule: zwei 25 m x 0,2 mm HP-5 mit 0,11 bzw. 0,33 µm Film (fused silica, crosslinked, 5 % Diphenyl- und 95 % Dimethylpolysiloxan) Temperaturen: Injektor 150 C, Detektor 280 C Temperaturprogramm: Tabelle 1: Temperaturprogramm Endtemperatur Rate / C/min Haltezeit / min Start 35-6 Level Level Level

15 Trägergas: Helium (120 kpa) Injektor: split/splitless-injektor (Messung im Split, Splitventil mit 100 ml Helium in 60 s) Parameter MS: hyperbolischer Quadrupol-Massenfilter Elektroneneinschlagionisation (EI) 2259 EMV Elektronenmultiplierdetektor (gewählter Massenbereich: ab 500 Hits) 4.3 verwendeter Standard Zur Herstellung des Standards wurden jeweils 5 µl des Halogenkohlenwasserstoffs in 500 ml hochreines Wasser gegeben und anschließend 15 Minuten gerührt. Alle Substanzen lösten sich im Wasser. Der Standard wurde zu Beginn des Projekts erstellt und die gesamte Zeit über im Kühlschrank bei 4 C aufbewahrt. Folgende Halogenkohlenwasserstoffe sind im Standard enthalten: Tabelle 2: Halogenkohlenwasserstoffe im Standard Nr. Verbindung Dichte / g/m 3 Dampfdruck / hpa (20 C) Siedepunkt / C 1 Chloroform 1, ,5 2 Bromoform 2,87 7,5 149,5 3 1,2 Dichlorethan 1, ,5 4 1,3 Dichlor-2-propanol 1,36 0,72 174,3 5 1,1,1 Trichlorethan 1, ,2 Dibromethan 2,18 14, ,1,2,2 Tetrachlorethan 1,7 6, cis 1,2 Dichlorethylen 1, ,2 9 Chlorethanol 1,20 6, ,2 Dichlorpropan 1,

16 5 Auswertung 5.1 Allgemeines Probenvorbereitung Für die Messung wurden 10 ml der zu analysierenden Flüssigkeit in ein Glasgefäß mit Teflondichtgewinde gegeben. Das Gewinde wurde mit einem teflonbeschichteten Butylgummiseptum verschlossen und bei 75 C für Minuten im Trockenschrank erwärmt. Die Entnahme der Probe aus dem Gefäß erfolgte durch Einstechen des Septums mittels einer gasdichten GC-Spritze mit 100 µl Volumen. Die Spritze wurde im Trockenschrank auf 75 C erwärmt, um eine Kondensation der Probe vor der Injektion zu vermeiden Erhöhung der Ionenstärke Eine Zugabe von MgSO 4 in alle Proben zur Erhöhung der Ionenstärke hat sich als sinnvoll gezeigt. Durch das Lösen des Salzes erhöht sich die Polarität der Lösung, was unpolare Halogenkohlenwasserstoffe stärker in die Gasphase wechseln läßt. Versuche wurden mit Na 2 SO 4, NaCl, MgCl 2 und MgSO 4 durchgeführt. MgSO 4 zeigte hier mit 1,5 g Salz in 10 ml Probe (bei 75 C) das beste Lösungsverhalten und durch seine zweiwertigen Ionen wird die Ionenstärke gegenüber einwertigen Ionen zusätzlich vergrößert. Die Auswertung der Chromatogramm aus Messungen des Standards bestätigten durch eine größere Ionenzählrate die Vermutung. MgSO 4 wurde, wenn nicht gesondert erwähnt, allen weiteren Proben zugegeben. Der Unterschied zwischen einer Messung von 10 ppm Standard ohne und mit Zusatz von MgSO 4 wird durch den Vergleich der Intensitäten in Abbildung 6 und 10 deutlich. 5.2 Standard Abbildung 6 zeigt das Chromatogramm für die Messung der Standards bei den oben angegebenen Parametern. Durch die Messung des Headspace zeigt sich statt eines Lösungsmittelpeaks ein Luftpeak bei einer Retentionszeit von ca. 5 Minu- 16

17 Tabelle 3: Retentionszeiten der Halogenkohlenwasserstoffe Verbindung Hauptfragmente / m/z Retentionszeit / min Dichlorethylen 61, 50, 47 6,6 Chloroform 47, 83, 85 6,8 1,2 Dichlorethan 62, 49, 83 7,4 1,2 Dichlorpropan 62, 76, 49 9,0 evtl. Trichlorethen 60, 95, 130, 132 9,3 unbekannt 1 91, 63, 51 13,1 1,2 Dibromethan 79, 93, 107, ,3 Bromoform 79, 93, ,2 1,1,2,2 Tetrachlorethan 83, 60, 95, ,2 unbekannt 2 73, ,8 ten. Anhand der Massenspektren konnten folgende Kohlenwasserstoffe zugeordnet werden: Auf den ersten Blick lassen sich deutlich verbreiterte Peaks erkennen, was bei einer Säulenlänge von 50 m jedoch nicht ungewöhlich ist. Eine Variation des Temperaturprogramms, der Injektortemperatur und des Heliumdruckes auf der Säule zeigten keine Verbesserung. Es konnten anhand der Massenspektren (vgl. Beispiel für Chloroform in Abb. 7) sieben der zehn Standardsubstanzen aus Tabelle 2 in 100 µl Headspace-Volumen des 10 ppm Standard detektiert werden. Der Nachweis von Trichlorethen bei 9,3 Minuten läßt sich mit einer Artefaktbildung durch Fragmentierung (Eliminierung von HCl) aus Tetrachlorethan erklären. Folgende Standardsubstanzen waren nicht nachweisbar: 1,3 Dichlor-2-propanol 1,1,1 Trichlorethan Chlorethanol Bei der zweiten unbekannten Verbindung könnte es sich aufgrund der hohen Massenfragmente um Silikonderivate aus dem Septum des Injektors handeln. 17

18 Zur Bestimmung der Nachweisgrenze wurde der Standard 1:2 (5 ppm), 1:10 (1 ppm), 1:20 (0,5 ppm) und 1:100 (0,1 ppm) verdünnt. Am Beispiel der Verdünnung 1:10 soll die Vorgehensweise gezeigt werden. Die Verdünnung wurde durch mischen von 100 µl des 1 ppm Standard in 900 µl hochreinem Wasser erzeugt. Die Abbildungen 8 und 9 zeigen die Chromatogramme bei einer Konzentration von 1 ppm und 0,1 ppm. Bei den Konzentrationsangaben muss berücksichtigt werden, das es sich um die Konzentration des Kohlenwasserstoffes in Wasser handelt. Eine Aussage welche Konzentration im Luftraum vorliegt kann nicht getroffen werden. Es ist jedoch davon auszugehen das sie im Gasraum geringer ist. Die Messungen zeigen das die Standardsubstanzen noch bei Konzentrationen von 1 ppm im Wasser im Luftraum nachweisbar sind. Eine Quantifizierung der Standards ist nicht möglich. Abbildung 10 zeigt das Chormatogramm der Messung von 10 ml des 10 ppm Standard mit 1,5 g MgSO Variationen Zur Ermittelung der optimalen Parameter wurden die Säulentemperatur, Injektortemperatur, Detektortemperatur, Filamentspannung zur Ionenerzeugung, Gasfluß auf der Säule, das Temperaturprogramm und die Verweilzeit der Probe im Trockenschrank variiert. Zu Beginn des Projektes wurde in die Ionisierungseinheit des Massenspektrometers ein neues Filament eingesetzt. Dadurch ließ sich die Ionisierungsausbeute und somit die Empfindlichkeit steigern. Die Variationen der einzelnen Temperaturen führten zu einer schlechteren Auflösung oder zu einer deutlich verlängerten Laufzeit bei gleicher oder sogar schlechterer Auflösung. Insbesondere am schwachen Peak des Dichlorethylen welcher bei einer Variation der Säulentemperatur oder der Injektortemperatur vom Chloroform überlagert wird, ließ sich eine gute Einstellung der Temperaturen schnell erkennen. Insgesamt sind die erreichten Peakformen noch unbefriedigend. Das Tailing macht eine eindeutige Auswertung der zugehörigen Massenspektren schwierig und eine Quantifizierung per Gaschromatogramm unmöglich. Der Wechsel auf 18

19 ein andere Säule kann hier Verbesserungen bringen. 5.4 Tränkwasserproben Für die Tränkwasserproben der Putenzucht ist keine Probenvorbereitung notwenig. Die Zugabe des MgSO 4 in 10 ml Probe und das anschließende Erwärmen im Trockenschrank reichen aus. Die Lösungen wurde für Minuten, analog zum Verfahren des Standards, im Trockenschrank erwärmt. 100 µl des Gasraumes wurden gemessen. Zusammenfassend wurde festgestellt, das in keiner der erhaltenen Trinkwasserproben des Instituts für Tierernährung halogenierte Kohlenwaserstoffe im Rahmen der angesprochenen Nachweisgrenze nachweisbar waren. Zum Vergleich befinden sich 4 Chromatogramm der 16 Proben im Anhang (Abbildungen 11, 12, 13 und 14). 6 Zusammenfassung und Ausblick Es konnte gezeigt werden wie mittels Headspace GC-MS Halogenkohlenwasserstoffe in wässrigen Proben qualifiziert werden. In den erhaltenen Proben der Instituts für Tierernährung konnten keine flüchtigen halogenierten Verbindungen nachgewiesen werden. Im folgende möchte ich kurz auf mögliche Verbesserungen und schwer messbare Parameter eingehen. In der Literatur[4] beschriebene Säulen (z.b. Rtx-624) zur Analyse von Halogenkohlenwasserstoffen enthalten bei einer Länge von 60 bis 70 m meist 6 % Cyanopropylgruppen statt der hier verwendeten Diphenylgruppen. Durch einen Wechsel der Säulen könnte also eine bessere Trennung bzw. Peakform möglich sein. Für eine genauere quantitative Bestimmung eignet sich ein Electron Capture Detector (ECD) gut. Er liesse sich mit einem Massenspektrometer koppeln, da der ECD zerstörungsfrei arbeitet. Als problematisch haben sich die teflonbeschichteten Butylgummisepten herausgestellt. Da Teflon gegen mechanische Beanspruchung nicht stabil ist, setzten sich die herkömmlichen Kanülen der gasdichten GC-Spritzen schnell zu. Eine 19

20 spezielle Headspace-Spritze bzw. Kanüle mit einer Öffnung an der Kanülenseite behebt dieses Problem. Der Umstand das dieses Projekt direkt einen Beitrag zur Aufrechterhaltung von Tiermast- bzw. Tierzuchbetrieben leistet, ist aus ethischer Sicht diskutabel. Aus wissenschaftlicher Sicht soll die Bearbeitung des Projektes die Gefahrlosigkeit der Desinfektionsmethode gegenüber der Masttiere im Bezug auf die Entstehung leichtflüchtiger Halogenkohlenwasserstoffen sicherstellen. Literatur [1] Gas_chromatograph.png :00 Uhr [2] :00 Uhr [3] :00 Uhr [4] L. Wolska, C. Olszewska, Chemosphere, 1998, Vol. 37, S

21 7 Anhang File : C:\HPCHEM\1\DATA\2501_01.D Operator : KM Acquired : 25 Jan :05 am using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: K10 nach 30 Min Misc Info : 2501_01 Vial Number: 1 Abundance TIC: 2501_01.D (+,-) Time--> Abbildung 6: Gaschromatogramm der Standards 21

22 22

23 File : C:\HPCHEM\1\DATA\2501_01.D Operator : KM Acquired : 25 Jan :05 am using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: K10 nach 30 Min Misc Info : 2501_01 Vial Number: 1 Abundance Scan 1404 (6.882 min): 2501_01.D m/z--> Abbildung 7: Massenspektrum Chloroform 23

24 File : C:\HPCHEM\1\DATA\1502_06.D Operator : KM Acquired : 15 Feb 107 2:01 pm using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: 1 ppm ohne Salz Misc Info : 1502_06 Vial Number: 1 Abundance TIC: 1502_06.D (+,-) Time--> Abbildung 8: Standard (1 ppm) 24

25 File : C:\HPCHEM\1\DATA\1502_03.D Operator : KM Acquired : 15 Feb :34 pm using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: 0,1 ppm ohne Salz Misc Info : 1502_03 Vial Number: 1 Abundance TIC: 1502_03.D (+,-) Time--> Abbildung 9: Standard (0,1 ppm) 25

26 File : C:\HPCHEM\1\DATA\1901_04.D Operator : KM Acquired : 19 Jan 107 1:48 pm using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: K10 nach 2h bei 76 C Misc Info : 1901_04 Vial Number: 1 Abundance TIC: 1901_04.D (+,-) Time--> Abbildung 10: Standard mit MgSO 4 26

27 File : C:\HPCHEM\1\DATA\1502_05.D Operator : KM Acquired : 15 Feb 107 2:33 pm using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: 7321/06 Misc Info : 1502_05 Vial Number: 1 Abundance TIC: 1502_05.D (+,-) Time--> Abbildung 11: Probe 7321/06 27

28 File : C:\HPCHEM\1\DATA\1302_05.D Operator : KM Acquired : 13 Feb 107 3:14 pm using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: 7986/06 Misc Info : 1302_05 Vial Number: 1 Abundance TIC: 1302_05.D (+,-) Time--> Abbildung 12: Probe 7986/06 28

29 File : C:\HPCHEM\1\DATA\1502_02.D Operator : KM Acquired : 15 Feb :58 am using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: 7988/06 Misc Info : 1502_02 Vial Number: 1 Abundance TIC: 1502_02.D (+,-) Time--> Abbildung 13: Probe 7988/06 29

30 File : C:\HPCHEM\1\DATA\1502_04.D Operator : KM Acquired : 15 Feb 107 1:06 pm using AcqMethod KASISCAN Instrument : In Sample Name: 7992/06 Misc Info : 1502_04 Vial Number: 1 Abundance TIC: 1502_04.D (+,-) Time--> Abbildung 14: Probe 7992/06 30