🧪 PAK im Wasser
Bestimmung von 15 polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen im Wasser mittels HPLC mit Fluoreszenzdetektion nach Flüssig-Flüssig-Extraktion. Empfindlichkeit > 0,005 µg/L.
Übersicht
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind eine Gruppe von über 100 organischen Verbindungen, die aus zwei oder mehr kondensierten aromatischen Ringen bestehen. Viele davon sind krebserregend — Benzo(a)pyren ist IARC-Gruppe-1-Karzinogen, und über ein Dutzend andere sind als wahrscheinliche oder mögliche Karzinogene klassifiziert.
PN-EN ISO 17993:2005 legt die Methode zur Bestimmung von 15 ausgewählten PAK in Trink-, Grund- und Oberflächenwasser fest: Naphthalin, Acenaphthylen (nur UV), Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren, Anthracen, Fluoranthen, Pyren, Benzo(a)anthracen, Chrysen, Benzo(b)fluoranthen, Benzo(k)fluoranthen, Benzo(a)pyren, Dibenzo(a,h)anthracen, Benzo(ghi)perylen, Indeno(1,2,3-cd)pyren.
Zulässige Konzentrationen in Trinkwasser (Gesetzblatt 2017, Pos. 2294): Benzo(a)pyren ≤ 0,01 µg/L, Summe PAK (4 Verbindungen) ≤ 0,1 µg/L. Diese Standards sind sehr restriktiv und erfordern Techniken mit extremer Empfindlichkeit, daher die Notwendigkeit der Fluoreszenzdetektion.
Prinzip der Methode
Die Methode besteht aus drei Stufen: (1) Flüssig-Flüssig-Extraktion, (2) HPLC-chromatographische Trennung, (3) Fluoreszenzdetektion.
1. Extraktion: PAK aus wässriger Probe werden in Cyclohexan oder Dichlormethan in einem Scheidetrichter extrahiert. Extrakt wird eingedampft und in Acetonitril (HPLC-Lösungsmittel) rekonstituiert.
2. HPLC-Chromatographie: Trennung von 15 PAK auf C18-Säule (Umkehrphase) mit Gradientenelution Wasser/Acetonitril. Analysezeit 30–60 min. Jedes PAK eluiert zu unterschiedlicher Retentionszeit.
3. Fluoreszenzdetektion (FLD): PAK zeigen starke native Fluoreszenz — sie absorbieren UV-Strahlung und emittieren im sichtbaren Bereich. Fluoreszenzdetektor misst Emission bei programmierten Wellenlängen (verschiedene Ex/Em-Paare für verschiedene PAK-Gruppen), was extreme Empfindlichkeit (LOD ~ 0,001 µg/L) und Selektivität gewährleistet.
Naphthalin und Acenaphthylen — schwach fluoreszierend — werden alternativ mit UV-DAD-Detektor bestimmt.
Anwendungen
- Trinkwasserqualitätskontrolle (Benzo(a)pyren ≤ 0,01 µg/L, Summe PAK ≤ 0,1 µg/L)
- Überwachung von Oberflächenwässern — prioritäre Stoffe (Richtlinie 2013/39/EU)
- Analyse von Grundwasser (Kontamination aus alten Gaswerken, Kokereien)
- Überwachung von Regenwasser (Abgasemissionen, PM2.5-Staub)
- Kontrolle von Industrieabwässern (Raffinerien, Kokereien)
- Umweltstudien auf Industriebrachen (Brownfields)
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Anzahl bestimmter PAK | 15 (EPA/ISO-Liste) |
| Bestimmungsgrenze (FLD) | 0,005 µg/L (Trink- und Grundwasser) |
| Bestimmungsgrenze (FLD, Oberflächenwasser) | 0,01 µg/L |
| Detektionsmethode | Fluoreszenz (FLD) + UV-DAD (Naphthalin, Acenaphthylen) |
| HPLC-Säule | C18 Umkehrphase, 250 × 4,6 mm, 5 µm |
| Analysezeit | 30–60 min/Probe (Gradient) |
Norm
- Normnummer
- PN-EN ISO 17993:2005
- Titel (PL)
- Jakość wody — Oznaczanie 15 wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) w wodzie metodą HPLC z detekcją fluorescencyjną po ekstrakcji ciecz-ciecz
- Title (EN)
- Water quality — Determination of 15 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in water by HPLC with fluorescence detection after liquid-liquid extraction
Schritt-für-Schritt-Verfahren
1. Probenahme
In dunkle Glasflaschen sammeln (Schutz vor PAK-Photodegradation). Ohne Kopfraum füllen. Im Dunkeln transportieren, 4°C. Analyse innerhalb 7 Tagen.
2. Flüssig-Flüssig-Extraktion
1 L Probe in 2 L Scheidetrichter überführen. 50 mL Cyclohexan zugeben. 10 min schütteln. Phasen trennen. 2× mit 25 mL wiederholen. Extrakte vereinen.
3. Trocknung und Konzentrierung
Extrakt durch wasserfreies Na₂SO₄ filtrieren. Auf Rotationsverdampfer auf ~1 mL eindampfen (Badtemp. < 40°C, Vakuum). Lösungsmittel zu ACN wechseln.
4. Rekonstitution
Rückstand in 1 mL Acetonitril (ACN) lösen. In HPLC-Vial mit Einsatz überführen. 5 min/10000 U/min zentrifugieren (optional 0,22 µm PTFE-Filter).
5. HPLC-Analyse
10–50 µL auf C18 PAK-Säule injizieren. Gradient ACN/H₂O: 50% → 100% ACN in 30–50 min. FLD-Detektion mit Ex/Em-Umschaltung. UV-DAD für Naphthalin/Acenaphthylen.
6. Identifikation und Berechnungen
Identifikation basierend auf Retentionszeit (±2%). Quantifizierung von Kalibrierkurve (5–7 Punkte). Extraktionswiederfindung berücksichtigen (Surrogate zugesetzt).
7. Qualitätskontrolle
Blindprobe (HPLC-Wasser durch Extraktion). Fortifizierte Probe (Spike). CRM (PAK-zertifiziertes Wasser). Wiederfindung 60–120%.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| HPLC-System mit FLD-Detektor | Agilent 1260/1290 Infinity + FLD, Waters Alliance + FLD 2475, Shimadzu Nexera + RF-20A | 200 000–500 000 PLN |
| UV-DAD-Detektor (zusätzlich) | Zur Bestimmung von Naphthalin und Acenaphthylen | 50 000–120 000 PLN |
| HPLC C18-Säule für PAK | Waters PAH C18, Agilent ZORBAX Eclipse PAH, Supelcosil LC-PAH | 1 500–3 500 PLN |
| Flüssig-Flüssig-Extraktionssystem | 1–2 L Scheidetrichter, Rotationsverdampfer (Buchi R-300) | 15 000–40 000 PLN (Verdampfer) |
| Autosampler | Agilent G7167B, Waters 2707 | im Lieferumfang von HPLC enthalten |
| Entgaser und Gradientenpumpe | Quaternäres Gradientenpumpensystem — Standard bei HPLC | im Lieferumfang von HPLC enthalten |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Acetonitril (ACN) HPLC grade | 75-05-8 | HPLC gradient grade Reinheit (Merck LiChrosolv), mobile Phase |
| Wasser HPLC grade | — | Ultrareinwasser, entgast, Typ I (18,2 MΩ·cm) |
| Cyclohexan | 110-82-7 | Reinheit für Pestizid-/PAK-Analyse. Extraktionslösungsmittel |
| 15/16 PAK-Mischungsstandard | — | Zertifizierte EPA 610 PAH Mix-Lösung (Supelco), 10–2000 µg/mL in ACN |
| Wasserfreies Na₂SO₄ | 7757-82-6 | Kalziniert (400°C, 4h), zum Trocknen der organischen Phase |
| Dichlormethan (DCM) | 75-09-2 | Alternatives Extraktionslösungsmittel, pesticides grade Reinheit |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- PAK (Benzo(a)pyren) — krebserregend! Hautkontakt vermeiden. Doppelte Nitrilhandschuhe
- Cyclohexan — brennbar, reizend. Im Abzug arbeiten, von Zündquellen fernhalten
- Acetonitril — giftig, brennbar. Wird zu HCN metabolisiert. Im Abzug arbeiten
- Dichlormethan — mögliches Karzinogen. Dämpfe schwerer als Luft. Abzug obligatorisch
- PAK-Standardlösungen — verdünnt, enthalten aber Karzinogene. Handschuhe, Verschütten vermeiden
- Organischer Abfall — separat sammeln (halogeniert und nicht-halogeniert)