Polychlorierte Biphenyle () 1
Polychlorierte Biphenyle () Physikalisch-chemische Eigenschaften Umweltproblematik Säulenschaltung Bestimmung in Umweltproben Gesamtgehalt Einzelkomponentenbestimmung Altöl Boden und Wasser Klärschlamm 2
Geschichte der s Daten nach EU-EPA 2001 3
209 Isomere verschiedene Halogenierungsgrade Nomenklatur 3-Chlorbiphenyl Cl 3,3 -Dichlorbiphenyl Cl Cl 2,2,4,5,6-Pentachlorbiphenyl Cl Cl Cl Cl Cl systematische Nummerierung der -Einzelkomponenten 4
Systematische Numerierung I Nr. Struktur Nr. Struktur Nr. Struktur Nr. Struktur Nr. Struktur Nr. Struktur Nr. Struktur Monochlor- 18 2,2,5 38 3,4,5 57 2,3,3,5 77 3,3,4,4 96 2,2,3,6,6 116 2,3,4,5,6 1 2 19 2,2,6 39 3,4,5 58 2,3,3,5 78 3,3,4,5 97 2,2,3,4,5 117 2,3,4,5,6 2 3 20 2,3,3 Tetrachlor- 59 2,3,3,6 79 3,3,4,5 98 2,2,3,4,6 118 2,3,4,4,5 3 4 21 2,3,4 40 2,2,3,3 60 2,3,4,4 80 3,3,5,5 99 2,2,4,4,5 119 2,3,4,4,6 Dichlor- 22 2,3,4 41 2,2,3,4 61 2,3,4,5 81 3,4,4,5 100 2,2,4,4,6 120 2,3,4,5,5 4 2,2 23 2,3,5 42 2,2,3,4 62 2,3,4,6 Pentachlor- 101 2,2,4,5,5 121 2,3,4,5,6 5 2,3 24 2,3,6 43 2,2,3,5 63 2,3,4,5 82 2,2,3,3,4 102 2,2,4,5,6 122 2,3,3,4,5 6 2,3 25 2,3,4 44 2,2,3,5 64 2,3,4,6 83 2,2,3,3,5 103 2,2,4,5,6 123 2,3,4,4,5 7 2,4 26 2,3,5 45 2,2,3,6 65 2,3,5,6 84 2,2,3,3,6 104 2,2,4,6,6 124 2,3,4,5,5 8 2,4 27 2,3,6 46 2,2,3,6 66 2,3,4,4 85 2,2,3,4,4 105 2,3,3,4,4 125 2,3,4,5,6 9 2,5 28 2,4,4 47 2,2,4,4 67 2,3,4,5 86 2,2,3,4,5 106 2,3,3,4,5 126 3,3,4,4,5 10 2,6 29 2,4,5 48 2,2,4,5 68 2,3,4,5 87 2,2,3,4,5 107 2,3,3,4,5 127 3,3,4,5,5 11 3,3 30 2,4,6 49 2,2,4,5 69 2,3,4,6 88 2,2,3,4,6 108 2,3,3,4,5 Hexachlor- 12 3,4 31 2,4,5 50 2,2,4,6 70 2,3,4 5 89 2,2,3,4,6 109 2,3,3,4,6 128 2,2,3,3,4,4 13 3,4 32 2,4,6 51 2,2,4,6 71 2,3,4,6 90 2,2,3,4,5 110 2,3,3,4,6 129 2,2,3,3,4,5 14 3,5 33 2,3,4 52 2,2,5,5 72 2,3,4,6 91 2,2,3,4,6 111 2,3,3,5,5 130 2,2,3,3,4,5 15 4,4 34 2,3,5 53 2,2,5,6 73 2,3 5,6 92 2,2,3,5,5 112 2,3,3,5,6 131 2,2,3,3,4,6 Trichlor- 35 3,3,4 54 2,2,6,6 74 2,4,4,5 93 2,2,3,5,6 113 2,3,3,5,6 132 2,2,3,3,4,6 16 2,2,3 36 3,3,5 55 2,3,3,4 75 2,4,4,5 94 2,2,3,5,6 114 2,3,4,4,5 133 2,2,3,3,5,5 17 2,2,4 37 3,4,4 56 2,3,3,4 76 2,3,4,5 95 2,2,3,5,6 115 2,3,4,4,6 134 2,2,3,3,5,6 5
Systematische Numerierung II Nr. Struktur Nr. Struktur Nr. Struktur Nr. Struktur Hexachlor- 154 2,2,4,4,5,6 173 2,2,3,3,4,5,6 193 2,3,3,4,5,5,6 135 2,2,3,3,5,6 155 2,2,4,4,6,6 174 2,2,3,3,4,5,6 Octachlorbiphenyl 136 2,2,3,3,6,6 156 2,3,3,4,4,5 175 2,2,3,3,4,5,6 194 2,2,3,3,4,4,5,5 137 2,2,3,4,4,5 157 2,3,3,4,4,5 176 2,2,3,3,4,6,6 195 2,2,3,3 4,4,5,6 138 2,2,3,4,4,5 158 2,3,3,4,4,6 177 2,2,3,3,4,5,6 196 2,2,3,3,4,4,5,6 139 2,2,3,4,4,6 159 2,3,3,4,5,5 178 2,2,3,3,5,5,6 197 2,2,3,3,4,4,6,6 140 2,2,3,4,4,6 160 2,3,3,4,5,6 179 2,2,3,3,5,6,6 198 2,2,3,3,4,5,5,6 141 2,2,3,4,5,5 161 2,3,3,4,5,6 180 2,2,3,4,4,5,5 199 2,2,3,3,4,5,6,6 142 2,2,3,4,5,6 162 2,3,3,4,5,5 181 2,2,3,4,4,5,6 200 2,2,3,3,4,5,6,6 143 2,2,3,4,5,6 163 2,3,3,4,5,6 182 2,2,3,4,4,5,6 201 2,2,3,3,4,5,5,6 144 2,2,3,4,5,6 164 2,3,3,4,5,6 183 2,2,3,4,4,5,6 202 2,2,3,3,5,5,6,6 145 2,2,3,4,6,6 Heptachlor- 184 2,2,3,4,4,6,6 203 2,2,3,4,4,5,5,6 146 2,2,3,4,5,5 165 2,3,3,5,5,6 185 2,2,3,4,5,5,6 204 2,2,3,4,4,5,6,6 147 2,2,3,4,5,6 166 2,3,4,4,5,6 186 2,2,3,4,5,6,6 205 2,3,3,4,4,5,5,6 148 2,2,3,4,5,6 167 2,3,4,4,5,5 187 2,2,3,4,5,5,6 Nonachlorbiphenyl 149 2,2,3,4,5,6 168 2,3,4,4,5,6 188 2,2,3,4,5,6,6 206 2,2,3,3,4,4,5,5,6 150 2,2,3,4,6,6 169 3,3 4,4,5,5 189 2,3,3,4,4,5,5 207 2,2,3,3,4,4,5,6,6 151 2,2,3,5,5,6 170 2,2,3,3,4,4,5 190 2,3,3,4,4,5,6 208 2,2,3,3,4,5,5,6,6 152 2,2,3,5,6,6 171 2,2,3,3,4,4,6 191 2,3,3,4,4,5,6 Decachlorbiphenyl 153 2,2,4,4,5,5 172 2,2,3,3,4,5,5 192 2,3,3,4,5,5,6 209 2,2,3,3,4,4,5,5 6,6 6
-Referenzsubstanzen nach Ballschmiter Die 6 Einzelkomponenten werden zur Bestimmung des Gesamtgehaltes der in Umweltproben herangezogen. Bei chromatographischen Trennungen ist darauf zu achten, dass die Peaks dieser 6 Einzelkomponenten sehr gut von den anderen s abgetrennt sind und auch keine Störungen durch die Matrix zu erwarten sind. Einzelkomponente (Nomenklatur nach Ballschmiter) Struktur A 30 Gew. -% A 60 Gew. -% 28 8,27-52 2,24 0,69 101 0,58 5,20 153-9,88 138-11,5 180-6,98 Summe Einzelkomponenten 11,09 34,25 7
Physikalische Eigenschaften der s Auf Grund des Unterschiedes im Chlorierungsgrad von 1 bis 10 Chloratomen überstreichen die physikalischen Eigenschaften der einen weiten Bereich. Löslichkeit der in Wasser Molekulargewicht : 188,65 498,66 Siedebereich: 275 450 C Dampfdruck: 20 C 10 3 10-2 Pa 200 C 10 4 10 2 Pa Chlor / Molekül Löslichkeit [µg/l] Dampfdruck bei 25 C [Pa] Monochlor- B/(1) 1 1300-7000 2,2 10 3 9,2 10 2 Dichlor- B/(2) 2 56-790 3,7 10 2 7,5 10 Trichlor- B/(3) 3 15-640 1,1 10 2 1,3 10 Tetrachlor- B/(4) 4 19-170 1,8 10 4,4 Pentachlor- B/(5) 5 4,5-12 5,3 8,8 10-1 Hexachlor- B/(6) 6 0,44 0,91 1,9 2,0 10-1 Heptachlor- B/(7) 7 0,47 5,3 10-1 4,8 10-2 Octachlor- B/(8) 8 0,18-0,27 7,82 10-2 9,0 10-3 Nonachlor- B/(9) 9 0,11 3,2 10-2 1,1 10-2 Decachlor- B/(10) 10 0,016 5,6 10-3 8
Verwendung von s s entstehen durch unkontrollierte Chlorierung von Biphenyl. Die technischen Produkte bilden ein Sortiment von Einzelkomponenten, das je nach Zusammensetzung die Konsistenz eines dünnflüssigen Öls, von Wachs oder die Zähigkeit von Harz haben kann. Verwendung (früher): Getriebeöl, Schraubfette, Hydraulikanlagen Kühl- und Isolierflüssigkeit in Transformatoren Trägersubstanz für Pestizide Weichmacher für Lacke und Klebstoffe Flammschutzmittel Seit 1992 Verwendung in der BRD auf geschlossene Systeme (Hydraulikanlagen im Bergbau) beschränkt. Die Herstellung wurde 1980 in der BRD eingestellt. 9
Umweltverhalten Die s werden trotz ihrer Schwerflüchtigkeit und geringen Wasserlöslichkeit und trotz der Tatsache, dass sie nie bewusst direkt in die Umwelt bei ihren Anwendungen abgegeben werden, in allen Umweltbereichen nachgewiesen. s sind außerordentlich stabil, sowohl gegen biologischen Abbau als auch gegen Umwelteinflüsse. Sie besitzen eine hohe Bio- und Geoakkumulationstendenz. Sie reichern sich in der Nahrungskette an (Fische und Milchprodukte). Schadwirkung Chlorakne kann durch s hervorgerufen werden. 1968: -verunreinigtes Reisöl führt zu 1600 Vergiftungen. Die Akkumulation erfolgt in lipidreichen Organstrukturen. Aufnahme erfolgt meist über die Haut. Karzinogene Wirkung im Tierexperiment. 10
Technische Gemische I Für technische Anwendungen wurden die chlorierten Biphenyle als definierte Gemische, sogenannte -Typen, oder in Gemischen verschiedener - Typen eingesetzt. Handelsnamen und Chlorierungsgrade polychlorierter Biphenyle () Handelsname % Chlor Chlor / Molekül Arochlor 1016 40 / 41 3,0 Arochlor 1242 Clophen A 30 42 / 43 3,10 Arochlor 1248 Clophen A 40 48 / 49 4,0 Arochlor 1254 Clophen A 50 54 / 55 4,96 Arochlor 1260 Clophen A 60 59 / 60 6,30 Arochlor 1268-68 8,70 11
Technische Gemische II Zusammensetzung der Clophen-A-Typen in Vol.-% Clophen Typ A 30 A 40 A 50 A 60 Monochlorbiphenyl 2 <1 - - Dichlorbiphenyl 20 2 1 0,01 Trichlorbiphenyl 56 23 9 2 Tetrachlorbiphenyl 20 50 28 3 Pentachlorbiphenyl 2 19 44 20 Hexachlorbiphenyl <1 4 16 43 Heptachlorbiphenyl <0,01 1 2 25 Octachlorbiphenyl <0,01 1 <1 5 Nonachlorbiphenyl - <0,01 <0,01 <0,1 Decachlorbiphenyl - - - <0,01 12
Technische Gemische III Vergleich von GC-Chromatogrammen zweier technischer Gemische (Clophen A 30 und Clophen A 60) 13
Auswahl analytischer Verfahren auf Grund der Eigenschaften Spurengehalte in der Umwelt Luft 0.1 10 ng/m 3 unbelastete Ozeane 0.01 0.5 ng/l Fischleber 0.1 10 µg/kg Klärschlamm Humanfett 1-10 µg/kg Humanmilch 1-2 µg/kg Anreicherung durch Festphasenextraktion Extraktion aus festen Proben 209 Isomere mit relativ hohem Dampfdruck Chromatographie mit hoher Trennleistung GC Detektion ECD (Chlor) MS (Isotope) 14
Schnelltests -Gehalte von Transformatorenöl 20 500 ppm Negativergebnisse 50 ppm (kein GC-Nachweis mehr erforderlich). Bodenproben 50 ppm Akute Bodenbelastung durch (Transformatoren-) Öl. Neben den s auch anorganisches Chlorid. Sehr aufwändige Messungen, die nur von Fachpersonal durchgeführt werden sollten. 15
GC-Detektion von Selektivität ECD Halogenanteil MS Ausblendung von anderen Analyten und Matrixpeaks Überprüfung Peakreinheit Fragmentierung des Analyten Isotopenmuster Nachteil Fragmentierung 16
Tandem- und Quadrupol-MS Quadrupol-MS (schematisch): Nur bestimmte Ionen können das System passieren, die anderen werden abgelenkt. Genauigkeit von 0.5 bis 1.0 Masseneinheiten (amu). Prinzip der Tandem-MS: Kopplung von 2 MS-Systemen. Überführung des Ionenbündels in eine Reaktionszone, in der eine weitere Fragmentierung des Ions erfolgt. 17
Massenspektren N-Propylbenzol Propyldiethylamin 18
Peakreinheit 19
Isotop Atommasse [u] Natürliche Häufigkeit [%] 1 H 1,007825 99,985 2 H 2,014102 0,015 12 C 12,000000 98,9 Isotopenmuster chlor- und bromhaltiger Ionen 13 C 13,003354 1,1 14 N 14,003074 99,64 15 N 15,000108 0,36 16 O 15,994915 99,8 17 O 16,999133 0,04 18 O 17,999160 0,2 19 F 18,998405 100 35 Cl 34,968855 75,8 37 Cl 36,965896 24,2 79 Br 78,918348 50,5 81 Br 80,916344 49,5 127 I 126,904352 100 20
-Trennung Keine Trennung aller 209 Isomere trotz Kapillarsäulen möglich! 52 180 Ausschnitte von GC-Chromatogrammen mit verschiedenen Säulen 21
Vergleich ECD MS am Beispiel Arochlor 1242 (I) Trägergas: H 2 Temperaturprogramm: 90 C 260 C Injektionsvolumen: 1 µl Detektion: ECD 22
Vergleich ECD MS am Beispiel Arochlor 1242 (II) 23
Verbesserung der Trennung durch Säulenschaltung Zweidimensionale GC Technik der 70er Jahre Press-fit Verbindungen seit 2000 selektiver Transfer auf 2. Säule mit anderer Selektivität Vorteile der GC x GC verbesserte Trennleistung erhöhte Empfindlichkeit kann Identifizierung von GC-MS ersetzen Anwendung chirale Trennung problematische Stoffgemische 24
Säulenschaltung GC x GC I Schema GC-GC-Kopplung Cryojet-Modulation 25
Säulenschaltung GC x GC II Bestimmung von Furfural in Kerosin Injektor: Splitless (1 µl) Detektor: FID Isotherm: 70 C Trägergas: Helium Vorsäule: 10 m x 0,53 mm CP-Sil 5 CB (5.0 µm) Analytische Säule: 25 m x 0.25 mm CP-WAX 52 CB (0.2 µm) Peakzuordnung: 1 = 5 ppm Furfural 26
Säulenschaltung GC x GC III Bestimmung von Arochlor 1242 FID ohne Säulenschaltung Cut A Cut B Cut C 27
Auswertung der -Gehalte Gesamtgehalt an Bestimmung über Decachlorbiphenyl Bestimmung über Biphenyl 6 Ballschmiter-Standards Voraussetzung gute Trennung Bestimmung in Altöl Eichung mit technischen Gemischen Bestimmung in Umweltproben Eichstandards 28
Bestimmung nach DIN über Ballschmiter Standards in Altöl Die nach DIN-Vorschrift zu kennzeichenden Peaks im Ballschmiter--Mix und in einer Altöl-Probe 29
-Bestimmung über technische Produkte SPB-5 fused silica capillary column, 30m x 0.32mm ID, 0.25 µm film, Col. Temp.: 40 C for 4 min., then to 300 C at 10 C/min. and hold 5 min., Linear velocity: 36.3cm/sec., N 2, Det.: ECD (16 x 10-11 AFS), Sample: 1 µl of extract or standard, splitless injection (30 second delay, 50:1 split ratio). 30
Clean-Up von s an Doppelsäulen zur Bestimmung in Ölproben Es werden 2 Festphasensäulen hintereinander geschaltet, wobei die erste Benzolsulfonsäure und eine dünne, obere Schicht aus Silikagel mit anhaftender Schwefelsäure enthält, während die zweite mit reinem SiO 2 gefüllt ist. Probe 1. Säule (SiO 2 / H 2 SO 4 ) (C 6 H 5 SO 3 H) 2. Säule SiO 2 Eluat () Elution mit n-hexan Entfernung von polaren, basischen und unlöslichen Feststoffen durch Adsorption an 1. Säule Elution mit n-hexan Entfernung schwach polarer organischer Verbindungen durch Adsorption an 2. Säule Einengung GC / ECD 31
Vergleich zwischen -Bestimmung mit und ohne Matrixabtrennung GC/ECD-Chromatogramm einer Ölprobe vor Matrixabtrennung (Ringversuch) GC/ECD-Chromatogramm eines Öles nach Matrixabtrennung durch Flash-Chromatographie (Ringversuch) 32
Fließschema zur Bestimmung von s in Umweltproben 500 ml Wasserprobe Extraktion 2 x 10 ml Pentan 20 30 g Boden Einengung im N 2 -Strom Soxhlet-Extraktion Hexan / Aceton ( 1:1) Aufnehmen in Cyclohexan SPE an C 18 SPE oder Flash-Chromatographie GC 33
-Bestimmung in Klärschlamm Klärschlammverordnung vom 15. April 1992 ( Anhang 1, Nr. 1.3.3.1 AbfKlärV) DIN 51527 Teil 1 (Ballschmiter Standards: -28; -52; -101; -138; -153; -180) DIN 38414 Teil 20 Zulässige Höchstwerte (28, 52, 101, 138, 153, 180) Höchstwerte Max. Überschreitung Methode nach AbfKlärV je 0.2 mg/kg 25% Anhang I Ab. 1.3.3.1 PCDD, PCDF 100 ng TE*/kg 25% Anhang I Ab. 1.3.3.2 Messprinzip GC/ECD GC/MS * TE = 2,3,7,8-TCDD Toxizitätsäquivalent nach NATO/CCMS 34
Fließschema zur -Bestimmung in Klärschlamm Probe ggf. zentrifugieren Gefriertrocknen Hygienisieren Mahlen < 0,1 mm 2 g Einwaage in Extraktionshülse + 500 ng Decachlorbiphenyl Extrahieren mit ca. 70 ml n-hexan 80 100 Zyklen im Soxhlet Einengen auf ca. 5 ml Auffüllen mit n-hexan auf 10 ml Schütteln mit TBA-Sulfit-Reagenz Waschen mit n-hexan Trocknen mit Na 2 SO 4 Einengen auf 1 ml Al 2 O 3 -Trennsäule Elution mit ca. 5 ml n-hexan AgNO 3 /Kieselgel-Trennsäule Elution mit ca. 40 ml n-hexan Einengen auf ca. 3 ml Auffüllen mit n-hexan auf 5 ml Einengen auf ca. 3 ml Auffüllen mit n-hexan auf 5 ml Injektion z. B. 2 µl Kapillarsäule GC/ECD 35
Soxhlet-Extraktionsapparat 36
Vergleich verschiedener Probenvorbereitung für die -Bestimmung im Blut Flüssig-flüssig-Extraktion (LLE) Verteilung zwischen 2 Phasen Schütteln mit organischen Lösungsmitteln Festphasenextraktion (SPE) Mikrowellenextraktion (MAE) flüssig-flüssig-extraktion Erwärmung der Probe Verschiebung des Verteilungsgleichgewichtes Druckextraktion (ASE) 37
ASE (Accelerated Solvent Extraction) Vorteile: schnell geringes Lösungsmittelvolumen Automatisierung vielfältige Anwendungen Umweltanalytik: Pesticide Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe S Dioxine und Furane Adsorptionsmaterialien aus der Luftanalytik 38
Vor- und Nachteile der Extraktionsmethoden LLE SPE MAE ASE Extraktionsmechanismus physikalisch chemische Affinität (Adsorption) Temperatur, Druck, Mikrowellen Temperatur, Druck Reproduzierbarkeit gering mittel hoch hoch Automation gering hoch (on-line) mittel org. Lösungsmittel hoch Probenvolumen < 10 ml < 2 ml < 6 ml < 5 ml Lösungsmittelvolumen für diesen Vergleich 30 ml 12 ml 39 ml 40 ml 39
Fließschema des Vergleichs LLE SPE MAE ASE 10 g Serum + IS 50 ml 2 g Serum + IS + 12 ml Aceton 2 h warten 5 g Serum + IS 5 g Serum + IS + 10 ml HCOOH + 20 ml MTBE- Hexan (1:1) + 2 ml H 2 O + 2 ml HCOOH Ultraschall + 2 ml HCOOH + 3 ml DCM: Hexan (1:4) Mischen mit Diatomenerde Schütteln (2 min) 1-5 h Phasentrennung Zentrifugieren Org. Extrakt separieren SPE Oasis HLB Waschen: 1.5 ml HCl (0.1 M) 5% methan. H 2 O Elution: 12 ml DCM Mikrowelle: 90 C; 1.72 MPa, 3 min Zentrifugieren Org. Extrakt separieren ASE 3 Cyclen mit DCM 100 C; 13.8 MPa 5 10 min Org. Extrakt SPE saures Silikagel GC-MS 40
Wiederfindungsraten der verschiedenen s LLE SPE MAE ASE MW RSD MW RSD MW RSD MW RSD 13 C- 28 97,5 22,4 46,9 15,0 84,4 12,6 75,6 43,7 13 C- 52 90,4 16,9 51,0 14,5 84,5 10,8 65,8 43,1 13 C- 118 62,3 15,1 59,2 13,2 68,7 15,2 59,9 22,7 13 C- 153 56,4 15,7 58,8 13,2 66,3 17,0 57,4 10,4 13 C- 180 44,4 23,5 55,8 14,4 55,6 33,4 44,2 26,1 13 C- 194 34,3 34,8 49,2 17,7 47,2 41,7 36,6 30,3 13 C- 206 31,0 37,6 45,2 18,4 44,0 46,2 33,9 35,7 MW: Mittelwert RSD: relative Standardabweichung 41