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Dioxinanalytik

Quantitative Bestimmung der Dioxine mit GC/MS

Um die Kongenere der Dioxine nach Probennahme und Probenvorbereitung mit ausreichender Empfindlichkeit und Selektivität bestimmen zu können, wird ein hochauflösender Gaschromatograph in Kopplung mit einem hochauflösenden Massenspektrometer benötigt. Während hochauflösende Gaschromatographie mit langen Kapillarsäulen zur Normalausstattung eines guten Labors gehört, ist ein hochauflösendes Massenspektrometer mit Auflösungen größer 10 000 finanziell und personell in nur wenigen Laboren möglich.

In der DIN-EN 1948-3 wird ein Verfahren beschrieben, das die Trennung, Detektion und Quantifizierung der Dioxine in Emissionsproben ermöglicht. Es basiert auf der Isotopenverdünnungstechnik. Die massenspektrometrischen Informationen dienen zur Identifikation und Quantifizierung der einzelnen Substanzen.

Erläuterung des Prinzips am Beispiel des Dioxins 2,3,7,8-TCDD (2,3,7,8-Tetraclordibenzodioxin; Seveso-Gift)

Abb.1

Die Probenbestandteile werden im Gaschromatographen getrennt und verlassen nacheinander die Säule. Die Detektion erfolgt im Massenspektrometer. Alle registrierten Massebruchstücke der Verbindungen sind im Chromatogramm als Peaks sichtbar.

Ausschnitt eines Chromatogramms mit dem Peak des 2,3,7,8-TCDD:

Abb.2

Hinter dem Peak verbirgt sich die Strukturinformation für die Verbindung in Form des Massenspektrums.

Massenspektrum des Stoffes 2,3,7,8-TCDD:

Abb.3

Es wird aber nicht das vollständige Spektrum zur Auswertung verwendet, sondern nur der Bereich um den Molpeak (= meist Molmasse). Die Identifikation erfolgt über die relative Häufigkeit der Isotopenverteilung des Chlors:

Tab.1
Isotopenverteilung bei 4 Cl-Atomen
PeakPeak-KürzelIntensität
MolpeakM78 %
Molpeak+2M+2100 %
Molpeak+4M+449 %
Molpeak+6M+611 %
Molpeak+8M+8< 5 %

Es wird immer ein interner Standard hinzugesetzt, der dieselbe Struktur hat, aber wo alle C-Atome durch C13 ersetzt sind. Er wird vor der Probenvorbereitung dazugegeben und durchläuft somit alle Schritte wie die Probenbestandteile auch (Extraktionsstandard). Es ergeben sich zur Originalmolmasse Erhöhungen um 12. Dadurch sind beide Verbindungen gut im Massenspektrum zu unterscheiden.

Abb.4

Vorgeschrieben ist, von jedem Dioxin 2 Bruchstücke im Massenspektrometer zu registrieren und ihre Massen zur Quantifizierung heranzuziehen:

Tab.2
Beispiel-KongenerM [ gmol-1 ]M+2 [ gmol-1 ]
nativ: 12C12-2,3,7,8-TCDD319,8965321,8936
markiert: 13C12-2,3,7,8-TCDD331,9366333,9336

Die Bruchstücke werden als integrale Peakflächen für die Kalibrierung genutzt. Das Verhältnis der Flächen A vom nativen TCDD zum C13-markierten TCDD und der dazugehörigen Konzentrationen werden zur Berechnung des Responsefaktors rf (Anstieg der Kalibriergeraden) verwendet.

Abb.5

Mit dem Responsefaktor kann dann aus einem gemessenen Flächenverhältnis A C 12 A C 13 eines Peaks der Probe die vorhandene Masse m errechnet werden. Die Masse wird dann durch die Einbeziehung des genutzten Abgasvolumens V in eine Volumenkonzentration c umgerechnet:

m C 12 = A C 12 A C 13   ·   rf m C 13 c = m C 12 V

Entsprechend den Toxizitätsäquivalenten wird die Konzentration in die Einheit "I-TEQ" umgerechnet und dann mit allen anderen gemessenen Dioxinkonzentrationen summiert. Ergebnis ist dann die Gesamt-I-TEQ-Konzentration der Probe.

Die Methode DIN-EN 1948-3 schreibt vor, dass die Wiederfindungsrate nach der umfangreichen Probenvorbereitung geprüft werden muss. Dazu werden die zur Berechnung der Probengehalte als Bezug verwendeten Extraktionsstandards mit den Spritzenstandards verglichen. Der Spritzenstandard wird erst unmittelbar vor der Injektion in die Messlösung gegeben, so dass er keinen Einflüssen durch die Probenvorbereitung unterliegt. Seine Signalfläche wird als 100%-Wert angesetzt. Die Fläche des Extraktionsstandards (korrigiert um den Unterschied im Detektorresponse rf s der beiden verglichenen Standards) soll dann nicht kleiner als 50 % und nicht größer als 130 % sein.

Wiederfindungsrate des Extraktionsstandards W ex :

W ex = A ex mspr A spr mex 1 rf s 100 % rf s : relativer Responsefaktor des Standards A ex ; mex : Fläche bzw. Masse des Extraktionsstandards A spr ; mspr : Fläche bzw. Masse des Spritzenstandards
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