Die Polychlorbiphenyle (PCB) und polyaromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) sind zwei der am häufigsten analysierten Verbindungsklassen in der Umweltanalytik. In diesem Artikel wird aufgezeigt, wie für die GC-MS/MS-Analyse dieser Verbindungen Wasserstoff als Trägergas anstelle von Helium verwendet werden kann. 

Die Analyse von polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) erfolgt in der Regel mithilfe von HPLC mit UV- und Fluoreszenz-Detektion. Polychlorierte Biphenyle (PCB) werden normalerweise mithilfe von GC-ECD (Elektrodeneinfangdetektion) analysiert. Die Analyse-Laufzeiten betragen üblicherweise 30 Minuten für HPLC- und 60 Minuten für GC-Verfahren. Umweltschadstoffe wie PCB und PAH sind in einer Vielzahl von Matrizen präsent. Diese Verbindungen sind normalerweise industriellen Ursprungs und werden üblicherweise im Boden, Klärschlamm und Abwasser überwacht. 

Gemäß den Bestimmungen für Abfallentsorgung dürfen Abfälle der Klasse 0 (ungefährliche Abfälle, mineralische Abfälle) mithilfe von GC-MS nach DIN 18287 analysiert werden. In der DIN EN 15308 wird empfohlen, PCB-Analysen mithilfe von GC-ECD oder GC-MS durchzuführen. Die Bestimmungen zur Schlammentsorgung schreiben vor, dass keine Interferenzen zwischen PCB 101 und o,p’-DDE oder ά-Endosulfan sowie PCB 138 und p,p’-DDT vorhanden sein sollten. Die Trennung von PCB 28 und PCB 31 ist eine der kritischen Trennungen im Rahmen dieser Analyse. Es besteht ansonsten kein Grund, warum nicht beide Verbindungsklassen mit nur einer GC-Analyse analysiert werden können. Dies wäre vorteilhaft, da beide Analysen kombiniert zu einer wesentlich kürzeren Analysezeit und somit zu geringeren Kosten für den Laborbenutzer führen würden als zwei getrennte Analysen. Darüber hinaus kann Wasserstoff als Trägergas anstelle von Helium verwendet werden, was zu einer weiteren Zeit- und Kostenersparnis führt. Die Migration aller Analysen zu GC-MS bedarf offensichtlich einer Optimierung und Validierung des Verfahrens.

Wir präsentieren hier einen Vergleich der Ergebnisse einzelner PCB- und PAH-Analysen aus Bodenproben mit Single-Quadrupol-GC-MS und einer Triple-Quadrupol-GC-MS (TQ-GCMS). Die Verwendung von Wasserstoff als Trägergasbefindet sich jedoch hinsichtlich der Optimierung des sogenannten Multiple Reaction Monitoring (MRM) für TW-GCMS noch in der Entwicklungsphase.

Probenvorbereitung

Die Bodenproben wurden einer getrennten Extraktion von PCB und PAH unterzogen und vor der Analyse im Verhältnis 1:1 gemischt. Die Verdünnungen für die Kalibrierung wurden mit Cyclohexan vorbereitet. Die PAH-Proben wurden dem LUA-Merkblatt Nr.1 des Bundesumweltamts entsprechend vorbereitet. Die PCB-Analyse erfolgte unter Beachtung der in DIN 38 414-20 beschriebenen Verfahren. Für die GC-MS/MS-Analysen wurden die Proben in Cyclohexan im Verhältnis 1:100 gelöst.

Analyse des PCB-PAH-Gemisches

18 polyzyklische Aromate wurden im Verhältnis 1:1 gemischt. In Abbildung 1 ist ein Full-Scan-Chromatogramm des Standardgemisches dargestellt. Die Trennungsanforderungen für PCB 28 und PCB 31 (Spitzen 10 und 11 in den Abbildungen 1 und 2) wurden mit einer Auflösung größer 0,9 erzielt.

Abbildung 1. Gas-Chromatogramm eines PCB- und PAH-Standard-Gemisches bei einer Konzentration von 5 ng/µl pro Komponente. Die vollständige Liste der Verbindungen ist rechts abgebildet.

Die Proben wurden mit einem Shimadzu GC-MS/MS Triple Quadrupol analysiert. Das Instrument wurde als Single-Quadrupol MS zur SIM-Detektion und als Triple-Quadrupol MS für die MRM-Analysen eingesetzt, mit Argon als Kollisionsgas. Ein Wasserstoffgenerator von Peak Scientific slieferte das hochreine Trägergas. Als Säule wurde ein Restek Rxi-XLB (20 m x 0,18 mm x 0,18 µm) eingesetzt. Die Proben wurden mithilfe der Pulsed-/Splitless-Injektion bei 150 kPa während 0,5 Minuten in einen Split-/Splitless-Einlauf (280 °C) injiziert. Das Trägergas strömte bei einer konstanten linearen Geschwindigkeit von 80 cm/s. Die Rampe der Ofentemperatur wurde so eingestellt, dass die Probe in etwa 11 Minuten getrennt werden konnte.

Abbildung 2. Erzielte kritische Trennung von PCB 28 und PCB 31 mit MRM. Die Konzentration der Verbindung in der Säule betrug 5 pg. Die chromatografische Auflösung zwischen Spitzen betrug R> 0,94 min.

Abbildung 3. MRM-Signal für Fluoranthen. Der Pseudo-Übergang 202,1>202,1 (Rot) zeigt eine bessere Empfindlichkeit als der SRM-Übergang 202,1>199,9 (schwarz).

Optimierung der Multiple Reaction Monitoring-Übergänge

Die Kalibrierkurven wurde im Bereich 0,5 – 50 pg/µL für PCB und 5 – 500 pg/µL für PAH festgelegt. Die Multiple Reaction Monitoring-Übergänge für PCB-Kongenere sind wegen ihrer Fragmentstabilität leicht zu optimieren und bieten eine hohe Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit von PAH mit Triple-Quadrupol-MS-Detektoren ist infolge der hohen Molekülstabilität nur geringfügig höher als bei Geräten mit SIM-Detektion.

Die Pseudo-Übergänge haben sich als vorteilhaft bei der PAH-Analyse erwiesen. Dadurch werden die Massen der Mutter- und Tochter-Ionen in Quadrupol 1 und Quadrupol 3 auf den gleichen Wert gesetzt. Dies führt zu einer doppelten Filterung der interferierenden Ionen. Diese doppelte Filterung erhöht die Empfindlichkeit bei einer Kollisionsenergie, bei der die Zielanalyten unversehrt bleiben, während das Matrizenrauschen eliminiert wird. Die Optimierung der Kollisionsenergie für Pseudo-MRM ergab unterschiedliche Werte für Standards und Proben. Während 5 V die optimale Energie für Standardproben war, erwiesen sich 10 V als optimal bei Bodenproben. Dieses Phänomen lässt sich nur dadurch erklären, dass die höhere Energie die Matrixkomponenten stärker fragmentiert, ohne das Detektorsignal zu schwächen. Eine Erhöhung der Kollisionsenergie über diesen Wert führt zu einer Schwächung der Signalstärke der Pseudo-Übergänge für Fluoranthen.

Vergleich von realen Bodenproben

Eine präparierte Bodenprobe wurde mithilfe der traditionellen Verfahren HPLC-UV/Fluoreszenz und GCECD analysiert. Die HPLC-Analyse ergab eine Gesamtgehalt von PAH in der Probe von 7,71 mg/kg. Die PAH-Analyse mit GC-MS im SIM-Modus ergab einen Wert von 7,03 mg/kg, während die Analyse im MRM-Modus zu 8,08 mg/kg berechnet wurde. Mit GCMS konnte gleichzeitig der komplette PCB-Gehalt in den Proben ermittelt werden. Die Ergebnisse zeigten einen Gehalt von 31 µg/kg im SIM-Modus und 45 µg/kg im MRM-Modus.

Bei PCB-Komponenten erzielte das GCMS Triple Quadrupol eine bessere Präzision und war sogar in der Lage, PCB 28 und PCB 52 festzustellen, die mit GC-EXD nicht erkannt wurden. Die Ergebnisse der quantitativen Analyse bewegten sich in der gleichen Größenordnung. Allerdings lieferte die TQ-GC-MS-Erkennung genauere Ergebnisse als die GC-ECD-Detektion und es konnten Verbindungen festgestellt werden, die sich bislang unterhalb der Detektionsgrenze bei Verwendung von TQ-GC-MS befanden. Bei einer Gesamtlaufzeit von 11 Minuten erfolgt die kombinierte Analyse mindestens doppelt so schnell als die klassischen Analysen. Wasserstoff als Trägergas ermöglicht eine bessere chromatografische Trennung bei höheren linearen Geschwindigkeiten

Referenzen:

1. Lin, Y.P. Talanta 9/2013, 113:41-48