In den letzten Jahren wurde der Entwicklung und Anwendung schneller, effektiver und günstiger Analysenmethoden für organische Schadstoffe viel Aufmerksamkeit geschenkt. Dabei ist besonders auch für den Schutz der Menschen und der Umwelt die Erfassung derartiger Chemikalien in Grund- und Oberflächenwasser von fundamentaler Bedeutung. Von besonderer Relevanz ist die Analyse persistenter organischer Schadstoffen (POPs), da sie ein hohes toxisches Potential haben, schlecht abbaubar sind und sich daher gut in biologischen Organismen anreichern können. Dabei konnte mit konventionellen Methoden meist nur der Gesamtgehalt von Schadstoffen in der Matrix analysiert werden. Auch die extreme Spurenanalyse von Substanzen war bei herkömmlichen Verfahren oft problematisch. Der Fokus bei diesen Analysemethoden, die hauptsächlich auf einer Extraktion mittels polysiloxanmodifizierter Festphasen basieren, ist vor allem seit einigen Jahren auf einen reduzierten Lösungsmittelverbrauch und auf möglichst weit reichende Automatisierung gerichtet. Dabei wird als Extraktionsmaterial am häufigsten Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet. Die chemischen Vorgänge dieser Analysen verlaufen über eine Absorption der Analyten in das Polymermaterial. Im Gegensatz zu den Adsorptionsprozessen, wie bei einer Festphasenextraktion (SPE), ist der Absorptionsprozess schwächer. Daher sind die Bedingungen der Rückextraktion bzw. der Desorption der Analyten milder. Zur anschließenden Analyse der Schadstoffe stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Hier sei vor allem die Gaschromatographie (GC) genannt, die, gekoppelt mit einem leistungsfähigen Detektor wie dem Massenspektrometer (MS), zu den empfindlichsten und gleichzeitig selektivsten Analysenverfahren zählt. Für die Anwendung eines GC/MS – Systems müssen sich die zu analysierenden Verbindungen unzersetzt oder reproduzierbar zersetzt im Injektor des GC verdampfen lassen. Die Proben können mit unterschiedlichen Methoden für die instrumentelle GC/MS – Bestimmung vorbereitet werden. Bei der Thermodesorption werden die mit dem Analyten beladenen Silikonstäbe in ein leeres Thermodesorptionsröhrchen transferiert und die Analyten durch hohe Temperaturen ausgetrieben. Dies ist eine komplett lösungsmittelfreie Anreicherungstechnik. Bei der anderen Variante wird eine Rückextraktion mit kleinen Lösungsmittelmengen (ca. 100 µL – 500 µL) durchgeführt. Für beide aufgeführten Methoden ist die GC/MS als Analyseverfahren ideal.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Aufgabenstellung
3. Theoretische Grundlagen
3.1. Polychlorierte Biphenyle (PCB)
3.1.1. Physikalische und chemische Eigenschaften
3.1.2. Vorkommen und Verwendung
3.1.3. Analysenmethoden in Umweltproben
3.2. GC/MS – Methode
3.2.1. Apparative Grundlagen der GC/MS
3.2.2. Auflösungsvermögen
3.2.3. Ionisierungsmethoden
3.2.4. Scan – Techniken
3.2.5. Injektionsmethoden
4. Experimentelles
4.1. Parameter
4.1.1. Geräte
4.1.2. Chemikalien
4.2. Extraktion
4.3. GC/MS – Methoden
4.3.1. Splitless – Injektion
4.3.2. Large Volume Injection
4.3.3. Full Scan – und SIM – Methode
5. Ergebnisse und Auswertung
5.1. Optimierung der Parameter
5.1.1. EI vs. NCI
5.1.2. Vent – Time
5.1.3. Schlaucharten
5.2. Beurteilung der Methode
5.2.1. Mehrpunkt – Kalibration (Externer Standard)
5.2.2. Bestimmung der Nachweis- und Bestimmungsgrenze
6. Zusammenfassung
7. Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Bachelorarbeit zielt auf die Entwicklung einer kosteneffizienten und lösungsmittelreduzierten Methode zur Extraktion und Analyse von polychlorierten Biphenylen (PCB) aus wässrigen Matrices mittels Polysiloxanschläuchen und Large Volume Injection (LVI)–GC/MS ab.
- Entwicklung einer preisgünstigen Alternative zu kostenintensiven Extraktionsverfahren wie der Stir-Bar-Sorptiven Extraktion (SBSE).
- Optimierung der GC/MS-Parameter unter Verwendung der Large Volume Injection (LVI) und Vergleich verschiedener Ionisierungsmodi (EI vs. NCI).
- Untersuchung verschiedener Schlauchmaterialien zur Optimierung der Extraktionseffizienz.
- Validierung der Methode mittels Mehrpunkt-Kalibration zur Bestimmung der Nachweis- und Bestimmungsgrenzen im Spurenbereich.
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Vorkommen und Verwendung
Organische Umweltchemikalien wie die PCB gelangen auf vielfältigen Wegen in die Umwelt und sind inzwischen weit verbreitet. Zum Zeitpunkt ihrer Emission in die Umgebung ist meistens nur ein Umweltkompartiment betroffen. Aufgrund der Stoffeigenschaften und der verschiedenen Transportprozesse wird sich die Chemikalie jedoch nachfolgend in unterschiedlichen Konzentrationen und Kompartimenten (z.B. Nahrungskette, Wasser, Boden und Luft) verteilen. Als typische Vertreter der Gruppe der POPs reichern sich die PCB aufgrund ihrer hohen Lipophilie bevorzugt in der Nahrungskette an. So werden sie auch im Organismus des Menschen hauptsächlich im Fettgewebe, in der Leber und in der Haut gespeichert [7].
Bis 1983 wurden PCB in der Bundesrepublik in großtechnischem Maßstab hergestellt. Sie dienten unter anderem als Hydraulikflüssigkeit, Schmiermittel, organische Lösungsmittel, Verdünner, Weichmacher in Kunststoffen (Deckenverkleidungen, Kabelummantelungen, etc), Klebstoff, Wärmeleitflüssigkeit, Flammschutzmittel in Wandfarben oder als dielektrische Flüssigkeit in Kondensatoren und Transformatoren. Seit 1989 sind die Herstellung, das Inverkehrbringen und die Verwendung von PCB nach Erkenntnissen aus Toxizitätsstudien von Labortieren und den PCB – Kontaminationen (Yusho, Japan 1968 und Yu Cheng, Taiwan 1979) bis auf wenige Ausnahmen verboten. Neben chronischen toxischen Wirkungen (Chlorakne, Haarausfall und Hyperpigmentierungen) werden den PCB heute fetale Missbildungen, mentale Entwicklungsverzögerung, schwere Organschäden sowie Feminisierungen männlicher Tiere mit der Folge geringerer Fertilität zugeschrieben. Des Weiteren wirken sie mutagen sowie kanzerogen [8].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Relevanz der Analyse persistenter organischer Schadstoffe (POPs) und erläutert die Notwendigkeit kosteneffizienter, automatisierter Verfahren zur Spurenanalyse.
2. Aufgabenstellung: Definiert das Ziel, eine preisgünstige PCB-Extraktionsmethode mittels Polysiloxanschläuchen in Kombination mit LVI-GC/MS als Alternative zu teuren Verfahren zu entwickeln.
3. Theoretische Grundlagen: Erläutert die Eigenschaften von PCB, die Funktionsweise der GC/MS-Kopplung, Ionisierungsmodi sowie verschiedene Injektions- und Aufkonzentrierungstechniken.
4. Experimentelles: Dokumentiert die verwendeten Geräte, Chemikalien, das Probenvorbereitungsverfahren sowie die spezifischen GC/MS-Methodeneinstellungen für die durchgeführten Versuche.
5. Ergebnisse und Auswertung: Präsentiert die Optimierung der Analysenparameter (Ionisierung, Vent-Time, Schlauchmaterial) und die Validierung der Methode mittels Kalibrationskurven und Grenzwertbestimmung.
6. Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet die entwickelte Methode hinsichtlich ihrer Effizienz, Kostengünstigkeit und Praxistauglichkeit.
7. Ausblick: Identifiziert Potenziale für weitere Optimierungen, insbesondere durch Untersuchung weiterer Parameter und Anwendung auf Realproben.
Schlüsselwörter
PCB, Spurenanalyse, Gaschromatographie, Massenspektrometrie, Large Volume Injection, LVI, Polydimethylsiloxan, PDMS, Extraktion, Rückextraktion, Ionisierung, NCI, EI, Kalibration, Umweltanalytik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer effizienten und kostengünstigen Methode zur Spurenanreicherung und quantitativen Bestimmung von polychlorierten Biphenylen (PCB) in wässrigen Matrices.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Themen sind die Extraktion mittels Silikonschläuchen als günstige Alternative, die Optimierung der Probeninjektion (LVI) und die Verbesserung der Analyt-Detektion mittels GC/MS.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist die Etablierung eines preiswerten, lösungsmittelreduzierten Extraktions- und Analyseverfahrens für hochsubstituierte PCB, das ohne teure Spezialausrüstung auskommt.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird die Polysiloxan-basierte Extraktion angewandt, gefolgt von einer analytischen Bestimmung durch Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (GC/MS), wobei insbesondere die Large Volume Injection und die Negative Chemische Ionisation (NCI) optimiert wurden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die experimentelle Optimierung der methodischen Parameter wie Injektions- und Abblaszeiten, den Vergleich verschiedener Schlauchmaterialien zur Extraktion sowie die Validierung durch Mehrpunkt-Kalibration.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie PCB, Spurenanalyse, GC/MS, LVI, Polydimethylsiloxan und Extraktion charakterisiert.
Warum wurde die Ionisierungsmethode von EI auf NCI umgestellt?
Die EI-Ionisierung erwies sich als zu anfällig für Störungen durch Matrixbestandteile. Die NCI-Ionisierung bietet bei hoch chlorierten PCB eine deutlich höhere Empfindlichkeit und Selektivität, was die Quantifizierung im Spurenbereich verbessert.
Welches Ergebnis ergab der Vergleich der verschiedenen Schlaucharten?
Der Analysenschlauch der Firma Reichelt erwies sich als am besten geeignet, da er im Vergleich zu anderen Produkten den geringsten Untergrund im Chromatogramm erzeugte und somit eine zuverlässigere qualitative und quantitative Bestimmung ermöglichte.
- Quote paper
- MSc Joana Diekmann (Author), 2007, Spurenanreicherung von PCB aus wässriger Matrix durch Polysiloxan–basierte Extraktion und Large Volume Injection – GC/MS–Analyse, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/170240
