Dioxine und PCB – Analysenverfahren

Dioxine

Wie jedes quantitative Analysenverfahren der organischen Spurenanalytik beinhaltet auch die Analyse der Dioxine die folgenden Teilschritte:

  • Probenahme
  • Extraktion (Anreicherung aus der Probenmatrix)
  • Isolierung der zu untersuchenden Substanzen (Clean-up)
  • Identifizierung und Quantifizierung

Ziel des Clean-up ist die Abtrennung aller mitextrahierten organischen Substanzen, die bei der instrumentellen Analyse stören können, von den Dioxinen. Da Dioxine in den meisten Umweltmedien im Gegensatz zu anderen Spurenstoffen in extrem geringen Gehalten vorkommen, muss die Probelösung stark konzentriert werden (z.B. 0,5 L Rohextrakt auf 20 µl, d.h. 1 Tropfen). Dies stellt hohe Anforderungen an das Clean-up-Verfahren, da störende Substanzen, die in bis zu 1 Billion höherer Konzentration vorliegen (z.B. Fette und Wachse), praktisch vollständig abgetrennt werden müssen. Der Clean-up ist der bei weitem zeitaufwändigste Schritt in der Dioxinanalytik und besteht bei den meisten Probenmatrices aus einer Kombination von drei bis vier flüssigchromatografischen Schritten. Dabei müssen auch die strukturverwandten PCB vollständig von den Dioxinen abgetrennt werden, da sie bei der instrumentellen Analyse stören würden.

Flüssigchromatografische Reinigung von Probenextrakten für die Dioxin- und PCB-Analytik
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Flüssigchromatografische Reinigung von Probenextrakten für die Dioxin- und PCB-Analytik

Die instrumentelle Analyse der aufgearbeiteten Extrakte erfolgt durch Kopplung der Kapillargaschromatografie (GC) mit der hochauflösenden Massenspektrometrie (HRMS). Durch die GC werden die 210 verschiedenen Dioxinkongenere, die nahezu alle in Umweltproben vorkommen, weitgehend aufgetrennt, sodass eine quantitative Bestimmung der 17 toxischen Einzelkongenere möglich ist. Die Konzentration jedes Kongener wird mit seinem jeweiligen Toxizitätsäquivalenzfaktor multipliziert und die Einzelwerte zu einer Toxizitätsäquivalentkonzentration (TEQ) addiert. Grenz- und Richtwerte für Dioxine beziehen sich fast ausschließlich auf den TEQ-Wert.
Durch die Verwendung eines hochauflösenden Massenspektrometers (Kosten für ein Gerät: 450.000 €) können von einzelnen Dioxinen noch geringste Mengen von weniger als 1 Pikogramm (1 billionstel Gramm, 10-12 Gramm) in einer Probe sicher detektiert werden.

Gaschromatograf (links) gekoppelt mit hochauflösendem Massenspektrometer
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Gaschromatograf (links) gekoppelt mit hochauflösendem Massenspektrometer

Durch die Zugabe von isotopenmarkierten Analysenstandards vor der Extraktion ist die Quantifizierung in der Dioxinanalytik trotz sehr geringer Konzentrationen vergleichsweise sicher. Die Ergebnisunsicherheit der TEQ-Werte beträgt im Allgemeinen weniger als 25%.

Polychlorierte Biphenyle (PCB)

Für die Analytik der komplexen Stoffgruppe der PCB wurde vor etwa 20 Jahren in Deutschland festgelegt, dass sechs ausgewählte Leit- oder Indikatorkongenere quantitativ zu bestimmen sind: PCB 28, PCB 52, PCB 101, PCB 138, PCB 153, PCB 180. Diese Einzelsubstanzen sind in den technischen PCB-Gemischen und damit in der Umwelt in besonders hohen Anteilen vorhanden und können somit mit geringerem instrumentellem Aufwand analysiert werden als Dioxine und dioxinähnliche PCB. Die toxikologischen Eigenschaften spielten bei der Auswahl der PCB-Indikatorkongenere keine Rolle. Das Analysenverfahren der PCB ist ähnlich wie für die Dioxine. Aufgrund der höheren Gehalte in der Umwelt genügen kleinere Probenmengen und eine geringere Konzentrierung der Extrakte und somit ein einfacheres Clean-up-Verfahren. Die Analyse erfolgt mittels Gaschromatografie-Massenspektrometrie (GC-MS).

Dioxinähnliche PCB

Da von den zwölf zu bestimmenden dioxinähnlichen PCB die vier nicht-ortho-substituierten Kongenere in ähnlich niedrigen Konzentrationen vorkommen wie die Dioxine selbst, ist für die GC-MS-Analyse für die meisten Umweltproben ein hochauflösendes Massenspektrometer erforderlich.
Weiterhin ist im Clean-up-Verfahren in der Regel die Abtrennung der nicht-ortho-substituierten PCB von den übrigen PCB erforderlich.
Wenn in einer Umweltprobe Dioxine mit dem damit verbundenen hohen Aufwand analysiert werden, ist auch die Bestimmung der dioxinähnlichen PCB angebracht, zumal dioxinähnliche PCB z.T. eine höhere Umweltrelevanz zeigen als die Dioxine selbst.