☠️ Dioxine und PCB (GC-HRMS)
Bestimmung von polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen (PCDD), Dibenzofuranen (PCDF) und dioxinähnlichen PCB mittels hochauflösender Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-HRMS). Eine der anspruchsvollsten Umweltanalysen.
Übersicht
Dioxine (PCDD/PCDF) und dioxinähnliche polychlorierte Biphenyle (dl-PCB) gehören zu den toxischsten anthropogenen Substanzen — persistente organische Schadstoffe (POPs), die dem Stockholmer Übereinkommen unterliegen. Ihre Bestimmung erfordert den Einsatz der höchsten Geräteklasse — Gaschromatographie gekoppelt mit hochauflösender Massenspektrometrie (HRGC/HRMS) mit einer Massenauflösung ≥ 10 000.
Die Norm PN-EN 1948 definiert Probenahme- und Analysemethoden für Emissionen aus stationären Quellen (Schornsteine, Verbrennungsanlagen), aber die GC-HRMS-Technik wird auch zur Analyse von Dioxinen in Lebensmitteln (Verordnung (EU) 2023/915), Futtermitteln, Boden, Klärschlamm und biologischen Proben eingesetzt. Die Ergebnisse werden in TEQ (Toxizitätsäquivalent) unter Verwendung der Toxizitätsäquivalenzfaktoren TEF nach WHO-2005 ausgedrückt.
Das analytische Verfahren ist äußerst komplex und kostspielig — es erfordert eine mehrstufige Extraktion, Aufreinigung auf Mehrschichtsäulen (Kieselgel, Aluminiumoxid, Aktivkohle), Analyse auf GC-HRMS mit SIM-Detektion (Selected Ion Monitoring) und quantitative Bestimmung nach der Isotopenverdünnungsmethode (unter Verwendung ¹³C-markierter interner Standards). Die Kosten einer einzelnen Analyse betragen 3 000–8 000 PLN.
In Polen führen nur wenige Laboratorien Dioxinanalysen durch, u.a. das Spurenanalyselabor (dioksyny.pl), J.S. Hamilton Poland, ALS Poland und das Institut für Umweltschutz. Die Akkreditierung nach ISO 17025 in diesem Bereich erfordert die Teilnahme an Ringversuchen (z.B. INTERCAL).
Prinzip der Methode
Die Methode basiert auf der Isotopenverdünnung — der Probe werden bekannte Mengen ¹³C-markierter interner Standards (17 PCDD/PCDF-Kongenere und 12 dl-PCB) zugesetzt. Nach der Extraktion und mehrstufigen Aufreinigung wird der Extrakt auf einem Gaschromatographen mit Kapillarsäule (DB-5ms oder DB-Dioxin) analysiert, der mit einem magnetischen Massenspektrometer mit einer Auflösung ≥ 10 000 R (10% Valley) gekoppelt ist. Detektion im SIM-Modus (Selected Ion Monitoring) — für jedes Kongener werden Molekular- und Fragmentionen überwacht. Quantifizierung auf Basis des Signalverhältnisses von Analyt zu ¹³C-Standard.
Anwendungen
- Emissionsüberwachung von Abfallverbrennungsanlagen
- Untersuchung von Lebensmitteln (Fleisch, Fisch, Milch, Eier) auf Einhaltung der EU-Grenzwerte
- Analyse von Futtermitteln auf Dioxinkontamination
- Überwachung von Böden und Klärschlämmen in Industriegebieten
- Untersuchung von Umweltproben (Luft, Wasser, Boden) in der Nähe von Emissionsquellen
- Expositionsbewertung der Bevölkerung — Analysen von Muttermilch, Blut, Fettgewebe
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Massenspektrometer-Auflösung | ≥ 10 000 R (10% Valley Definition) |
| Nachweisgrenze | 0,1–1 pg TEQ/g (Lebensmittel), 0,01 ng TEQ/Nm³ (Emission) |
| Anzahl der Kongenere | 17 PCDD/PCDF + 12 dl-PCB = 29 Analyten |
| TEF-Faktoren | WHO-2005 (2,3,7,8-TCDD = 1,0) |
| Grenzwert in Lebensmitteln (Fleisch) | 2,5 pg WHO-TEQ/g Fett (PCDD/F), 5,0 pg (Summe TEQ) |
| Analysenkosten | 3 000–8 000 PLN / Probe |
Norm
- Normnummer
- PN-EN 1948-1:2006 + PN-EN 1948-4:2013+A1:2014
- Titel (PL)
- Emisje ze źródeł stacjonarnych — Oznaczanie stężenia masowego PCDD/PCDF i dioksynopodobnych PCB
- Title (EN)
- Stationary source emissions — Determination of the mass concentration of PCDDs/PCDFs and dioxin-like PCBs
Schritt-für-Schritt-Verfahren
1. Zugabe interner Standards
Bekannte Mengen ¹³C-markierter interner Standards (PCDD/PCDF und dl-PCB) zur Probe (10–50 g) geben. Mischen.
2. Extraktion
Toluol-Aceton-Extraktion durchführen (Soxhlet 16h oder ASE). Für flüssige Proben — Flüssig-Flüssig-Extraktion.
3. Aufreinigung — Saure Säule
Extrakt über Mehrschicht-Kieselgelsäule (saure H₂SO₄-Schicht, basische KOH-Schicht, neutrale Schicht) leiten. Elution mit Hexan.
4. Aufreinigung — Aluminiumoxidsäule
Über Aluminiumoxidsäule leiten. Elution: Fraktion 1 (Hexan — verwerfen), Fraktion 2 (DCM/Hexan — auffangen).
5. Aufreinigung — Kohlesäule
Über Aktivkohlesäule (AX-21 auf Celite) leiten. Trennung der Mono-ortho-PCB von PCDD/PCDF und Non-ortho-PCB.
6. Einengen
Eluate unter Stickstoffstrom auf ~50 µL einengen. Wiederfindungsstandards (Recovery Standards) hinzufügen. In GC-Vial überführen.
7. GC-HRMS-Analyse
Analyse auf DB-5ms-Säule (60 m). Temperaturprogramm: 120°C→200°C (20°C/min)→280°C (3°C/min)→310°C (10 min). SIM-Modus, Auflösung ≥ 10 000.
8. Identifizierung und Quantifizierung
Kongenere anhand der Retentionszeit und des Isotopenverhältnisses (±15% des theoretischen Werts) identifizieren. Konzentrationen nach der Isotopenverdünnungsmethode berechnen.
9. TEQ-Berechnung
Konzentration jedes Kongeners mit dem entsprechenden TEF (WHO-2005) multiplizieren. TEQ für PCDD/PCDF und dl-PCB getrennt sowie insgesamt summieren.
10. Qualitätskontrolle
Wiederfindungsraten der internen Standards prüfen (25–150%). Blindprobe, Duplikat und CRM in jeder Serie analysieren.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| GC-HRMS (Magnetsektor) | Thermo DFS, Waters AutoSpec Ultima, JEOL JMS-800D | 1 500 000–3 000 000 PLN |
| Automatisches Extraktionssystem (ASE) | Thermo Dionex ASE 350, Büchi SpeedExtractor E-916 | 100 000–200 000 PLN |
| Automatisches Aufreinigungssystem | FMS PowerPrep, Fluid Management Systems | 200 000–400 000 PLN |
| Konzentrator (Verdampfer) | Zymark TurboVap II, Büchi Syncore | 30 000–60 000 PLN |
| Aufreinigungssäulen (Mehrschicht) | Kieselgelsäulen (sauer/basisch), Aluminiumoxid, Aktivkohle AX-21 | 500–2 000 PLN / Einweg-Set |
| GC-Kapillarsäule | Agilent DB-5ms (60 m × 0,25 mm × 0,25 µm), Restek Rtx-Dioxin2 | 2 000–4 000 PLN |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| ¹³C PCDD/PCDF interne Standards | Mischung | Wellington Labs EPA-1613 LCS — 16 ¹³C-markierte PCDD/PCDF-Kongenere, ~8 000 PLN / Ampulle |
| ¹³C dl-PCB interne Standards | — | Wellington Labs WP-LCS — 12 ¹³C-markierte dl-PCB, ~5 000 PLN / Ampulle |
| Native Standards (Kalibrierung) | — | Wellington Labs EPA-1613 CS1–CS5 — Satz von 5 Konzentrationen für die Kalibrierkurve |
| Toluol (Pestizidqualität) | 108-88-3 | Reinheit ≥ 99,9%, Merck Suprasolv, für Extraktion und GC-Analyse |
| Hexan (Pestizidqualität) | 110-54-3 | Reinheit ≥ 99%, zur Aufreinigung auf Kieselgelsäulen |
| Dichlormethan (Pestizidqualität) | 75-09-2 | Reinheit ≥ 99,9%, zur Extraktion und Elution von Aufreinigungssäulen |
| Konzentrierte Schwefelsäure | 7664-93-9 | Zur Herstellung der sauren Kieselgelschicht (44% H₂SO₄ auf Kieselgel) |
| Aktivkohle AX-21 | — | Zur Trennung der planaren PCB-Fraktion von PCDD/PCDF auf der Kohlesäule |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Toluol, Hexan, DCM — toxisch, leichtentzündlich — ausschließlich unter dem Abzug arbeiten
- Konzentrierte Schwefelsäure — stark ätzend, exotherme Reaktion mit Wasser — Schutzbrille, säurebeständige Handschuhe
- Dioxinstandards — extrem toxische Substanzen, Arbeit in ausgewiesenem Bereich mit vollständiger PSA
- Dioxinhaltige Abfälle — Entsorgung durch Verbrennung bei > 1200°C
- GC-HRMS mit Magnetsektor — starkes Magnetfeld, Verbot für Personen mit Herzschrittmacher