🌿 PAK im Boden (GC-MS)
Bestimmung von 16 EPA-polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) im Boden mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie. Wichtigste Untersuchung zur Bodenkontamination.
Übersicht
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind eine Gruppe von über 100 organischen Verbindungen, die bei der unvollständigen Verbrennung organischer Substanzen entstehen. 16 PAK aus der EPA-Liste (Naphthalin, Acenaphthylen, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren, Anthracen, Fluoranthen, Pyren, Benzo[a]anthracen, Chrysen, Benzo[b]fluoranthen, Benzo[k]fluoranthen, Benzo[a]pyren, Dibenzo[a,h]anthracen, Benzo[g,h,i]perylen, Indeno[1,2,3-cd]pyren) stellen einen Indikator für Umweltverschmutzung dar.
PAK im Boden stammen aus der Industrie (Kokereien, Gaswerke, Raffinerien), Verkehr, Müllverbrennung und natürlichen Prozessen. Benzo[a]pyren ist ein IARC-Gruppe-1-Karzinogenitätsmarker. Die polnische Verordnung von 2016 legt zulässige PAK-Konzentrationen im Boden fest: 1 mg/kg für Böden der Gruppe I (Wohngebiete) und 20 mg/kg für Gruppe IV (Industriegebiete).
Die ISO 18287-Methode umfasst Lösungsmittelextraktion (Soxhlet, ASE oder Ultraschall), Extraktreinigung an SPE-Säulen (Kieselgel, Florisil) und GC-MS-Analyse im SIM-Modus. Sie ermöglicht die Identifizierung und Quantifizierung einzelner PAK mit Nachweisgrenzen von 0,01–0,1 mg/kg Trockenmasse.
Prinzip der Methode
Die getrocknete und homogenisierte Bodenprobe wird mit organischem Lösungsmittel (Dichlormethan, Aceton/Hexan oder Toluol) extrahiert. Der Extrakt wird an einer SPE-Säule mit Kieselgel gereinigt, um störende Substanzen (Fette, Huminstoffe) zu entfernen. Der gereinigte Extrakt wird mittels Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Detektion (GC-MS) im Selected-Ion-Monitoring-Modus (SIM) analysiert. Die PAK-Identifizierung basiert auf Retentionszeiten und Massenspektren, die Quantifizierung erfolgt mittels interner Standardmethode (deuterierte PAK).
Anwendungen
- Bewertung der Bodenkontamination auf Altlastenstandorten
- Bodenuntersuchungen für Immobilientransaktionen (Due Diligence)
- Umweltüberwachung um Kokereien, Stahlwerke und Raffinerien
- Bodensanierung — Fortschrittskontrolle der Reinigung
- Bewertung der landwirtschaftlichen Bodenqualität (polnische Verordnung 2016)
- Bodenuntersuchungen für Bauprojekte
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Anzahl der Analyten | 16 EPA-PAK |
| Nachweisgrenze | 0,01–0,1 mg/kg TM |
| Messbereich | 0,01–1000 mg/kg |
| B[a]P-Grenzwert (Gruppe I) | 1 mg/kg TM |
| Präzision (CV) | 10–20% |
Norm
- Normnummer
- PN-EN ISO 18287:2008
- Titel (PL)
- Jakość gleby — Oznaczanie wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) — Metoda chromatografii gazowej z detekcją spektrometryczną (GC-MS)
- Title (EN)
- Soil quality — Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) — Gas chromatographic method with mass spectrometric detection (GC-MS)
Schritt-für-Schritt-Verfahren
1. Probenvorbereitung
Bodenprobe bei Raumtemperatur trocknen (nicht >40°C). Durch 2-mm-Sieb sieben. Homogenisieren. 10–20 g in ASE-Zelle oder Soxhlet-Hülse einwiegen.
2. Zugabe des internen Standards
Deuterierte PAK (Spike) vor der Extraktion zur Probe geben. Konzentration 100–500 µg/kg.
3. Extraktion
ASE: Aceton/Hexan 1:1, 100°C, 100 bar, 3 Zyklen × 5 min. Soxhlet: DCM, 6–8 h (min. 20 Zyklen).
4. Extraktkonzentrierung
Lösungsmittel am Rotationsverdampfer auf ~2 mL eindampfen. Nicht zur Trockne eindampfen!
5. SPE-Reinigung
Extrakt durch SPE-Säule mit Kieselgel leiten. Mit 20 mL DCM/Hexan 1:1 eluieren. Eluat sammeln.
6. Endkonzentrierung
Unter Stickstoffstrom auf ~1 mL eindampfen. 100 µL chromatographischen Standard zugeben.
7. GC-MS-Analyse
Temperaturprogramm: 60°C (2 min) → 8°C/min → 300°C (10 min). Säule: HP-5ms 30 m. SIM-Modus — Qualifier-Ionen für jedes PAK.
8. Berechnungen und Berichterstattung
Konzentrationen mittels interner Standardmethode berechnen. Auf Trockenmasse umrechnen. Wiederfindung des internen Standards prüfen (40–120%).
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| Gaschromatograph GC-MS | Agilent 7890B/5977B, Shimadzu GCMS-QP2020 NX, Thermo ISQ 7610 | 400.000–800.000 PLN |
| ASE-System (beschleunigte Lösungsmittelextraktion) | Thermo Dionex ASE 350, Büchi E-916 | 150.000–250.000 PLN |
| Soxhlet-Apparat | BÜCHI E-812/E-816, VELP SER 148/6 | 20.000–50.000 PLN |
| SPE-Säulen (Kieselgel/Florisil) | Supelco LC-Si, Macherey-Nagel Chromabond | 20–50 PLN/Stk. |
| Analysenwaage | Mettler Toledo ME204, Genauigkeit 0,1 mg | 5.000–15.000 PLN |
| Rotationsverdampfer | Büchi R-300, Heidolph Hei-VAP | 15.000–35.000 PLN |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Dichlormethan (DCM) | 75-09-2 | Pestizidanalysequalität, Extraktionslösungsmittel |
| Aceton | 67-64-1 | Pestizidanalysequalität, für Extraktionsgemische |
| n-Hexan | 110-54-3 | Pestizidanalysequalität, Lösungsmittel zur Reinigung |
| 16 EPA-PAK-Standard | Mix | 200 µg/mL Lösung in Dichlormethan, zertifiziertes CRM (Supelco EPA 610) |
| Interner Standard (deuterierte PAK) | — | Naphthalin-d8, Acenaphthen-d10, Phenanthren-d10, Chrysen-d12, Perylen-d12 |
| Aktiviertes Kieselgel | 112926-00-8 | Für SPE-Säulen, Aktivierung 400°C/4h |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Dichlormethan — Verdacht auf Karzinogenität (Kat. 2), unter Abzug arbeiten
- n-Hexan — neurotoxisch bei chronischer Exposition, Dampf brennbar
- Bodenproben können toxische Substanzen enthalten — Nitrilhandschuhe obligatorisch
- GC-MS — Helium unter Druck, Leitungen nicht beschädigen
- Lösungsmittelabfälle in Behältern für gefährliche Abfälle sammeln