Biolabor Trauen
Working group cwa analysis
Hazard Control GmbH, Versuchsfeld Trauen, D-29328 Faßberg
Dipl. Ing. Alfred Krippendorf, email: Hazard.Control.GmbH@t-online.de
Büro für Altlastenerkundung und Umweltforschung, Stadtwaldstr. 45a,
D-35037 Marburg
Dr. Rainer Haas, email: haasr@gmx.net
Bestimmung von chemischen Kampfstoffen mit GC/MS, GC/ECD und Hochtemperatur-Ionenbeweglichkeitsspektrometrie (HT-IMS)
Dipl. Ing. Alfred Krippendorf1, Dr. Rainer Haas2
Arbeitsgemeinschaft Kampfstoffanalytik
1: Hazard Control GmbH, Versuchsfeld Trauen, D-29328 Faßberg
2: Büro für Altlastenerkundung und Umweltforschung, Stadtwaldstr. 45a, D-35037 Marburg
1 Einleitung
Die zuverlässige analytische Bestimmung von chemischen Kampfstoffen und ihren Umwandlungsprodukten im Wasser, im Boden und in Materialproben gewinnt sowohl im Rahmen der Umsetzung des Chemiewaffenübereinkommens als auch bei der Abschätzung des Gefährdungspotentials von Rüstungs- und militärischen Altlasten zunehmend an Bedeutung.
Viele chemische Kampfstoffe unterliegen in der Umwelt verschiedenen Umwandlungsreaktionen, u.a. durch Hydrolyse, Oxidation und Reaktion mit verschiedenen Matrixbestandteilen wie z.B. Sulfiden und Huminsäuren. Neben den Ausgangssubstanzen müssen auch relevante Umwandlungsprodukte sowie Produktionsnebenprodukte und Zuschlagsstoffe analytisch erfaßt werden. Der Gaschromatographie als analytische Spurenmethode kommt hierbei eine zentrale Bedeutung zu.
Drei Gruppen chemischer Kampfstoffe sind sowohl aufgrund der produzierten Mengen als auch aufgrund ihrer hohen Toxizität von besonderer Bedeutung:
Arsenkampfstoffe und ihre Umwandlungsprodukte
Loste und ihre Umwandlungsprodukte sowie
Phosphor- und Phosphonsäureester.
Verschiedene Methoden zur quantitativen Bestimmung der o.g. Stoffgruppen mit gekoppelter Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) und Gaschromatographie mit Elektroneneinfangdetektor (GC/ECD) sowie Ionenbeweglichkeitsspektrometrie werden anhand von ausgewählten Beispielen vorgestellt.
2 Analytik von Arsenkampfstoffen
Die arsenorganischen Kampfstoffe Phenylarsindichlorid (PFIFFIKUS), Diphenylarsinchlorid (CLARK I), Ethylarsindichlorid (DICK), Dichlordivinylarsinchlorid (LEWISIT II) und Trichlortrivinylarsin (LEWISIT III) können mit GC/ECD als Originalsubstanzen direkt quantitativ bestimmt werden. Hydrolyse- und Oxidationsprodukte sowie weitere, chromatographisch mit anderen Methoden nicht erfaßbare, maskierte Metabolite dieser Arsenkampfstoffe können nach Derivatisierung mit Thiolen bzw. Dithiolen quantitativ mit GC/ECD bestimmt werden. Die Nachweisgrenzen liegen für alle Verbindungen unter einem ng absolut [1-9].
Die Untersuchungen werden gaschromatographisch unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
Säule: DB 5, Länge 30 m, Durchmesser 0,25 mm, Filmdicke: 0,25 µm
Trägergas: Stickstoff
Injektortemperatur: 250°C
Detektortemperatur: 300°C
Detektor: ECD
Säulentemperaturprogramm: Ausgangstemperatur: 100°C (1 min), 10°C pro min bis 230°C, 230°C (6 min).
Abbildung 1 zeigt die Trennung eines Gemisches von Arsenkampfstoffen, in Tabelle 1 sind die Retentionszeiten und Bestimmungsgrenzen dargestellt.
Abb. 1: Trennung eines Gemisches der Arsenkampfstoffe
1: Ethylarsindichlorid (68 ng)
2: 2,2'-Dichlordivinylarsinchlorid (85 ng)
3: Phenylarsindichlorid (300 ng)
4: 1,1',1''-Trichlortrivinylarsin (16 ng)
5: Diphenylarsinchlorid (250 ng).
Oxidations-, Hydrolyse- und weitere Umwandlungsprodukte, sowie der wichtige chemische Kampfstoff 2-Chlorvinylarsindichlorid (Lewisit I), werden nicht erfaßt. Zur quantitativen Bestimmung dieser Substanzen ist eine Derivatisierung mit Thiolen bzw. Dithiolen notwendig.
Oxidationsprodukte [As(V)-Verbindungen] werden im ersten Schritt zu As(III)-Verbindungen reduziert, die Thiole werden zu Disulfiden oxidiert.
Arsenkampfstoffe und Umwandlungsprodukte der Struktur R-As-X2 reagieren mit Dithiolen [HS(CH2)nSH] zu stabilen cyclischen Derivaten der Struktur R-As-S2(CH2)n.
Arsenkampfstoffe und Umwandlungsprodukte der Struktur R2-As-X reagieren mit Monothiolen [(CH2)nSH] zu stabilen Derivaten der Struktur R2-As-S(CH2)n.
Die Derivatisierungen werden in acetonischer Lösung mit 5 µl Thiol pro ml Lösung durchgeführt. Die Arsenverbindungen sind bei Raumtemperatur nach 15 min in ihre Thiol-Derivate überführt.
Mono- und Dithiolderivate der Arsenkampfstoffe sind gaschromatographisch im Spurenbereich bestimmbar.
In Tabelle 1 sind die Retentionszeiten und Nachweisgrenzen der Arsenkampfstoffe und ihrer Thiol- und Dithiol-Derivate dargestellt.
Tabelle 1: Retentionszeiten (Rt) und Bestimmungsgrenzen (BG) der Arsenkampfstoffe und ihrer Thiol-Derivate
Um die praktische Anwendbarkeit der Methode zu belegen, wurden verschiedene Material- und Bodenproben, die mit den Arsenkampfstoffen Diphenylarsinchlorid (CLARK I) und Phenylarsindichlorid (PFIFFIKUS) und ihren Umwandlungsprodukten belastet waren, underivatisiert und derivatisiert untersucht [10].
Hierbei zeigte sich, daß nach Derivatisierung die Menge der Arsenkampfstoffe inklusive Umwandlungsprodukte z.T. bei dem dreifachen der für die chemischen Kampfstoffe ermittelten Gehalte lagen, d.h. bis zu 70% des ursprünglich vorhandenen Kampfstoffes war bereits umgewandelt und nicht mehr detektierbar.
Eine auf die Ausgangssubstanzen beschränkte Untersuchung hätte somit erhebliche Minderbefunde ergeben. In Tabelle 2 sind die normierten Konzentrationen von CLARK I und PFIFFIKUS sowie ihrer Thiol- und Dithiol-Derivate dargestellt.
Tabelle 2: Normierte Konzentrationen von Clark I und Pfiffikus in Boden (S1 und S2) und Materialproben (M1 bis M3)
3 Analytik von Losten
Die chemischen Verbindungen 2,2´-Dichlordiethylsulfid (S-Lost, H, HD), 1,2-Bis-(2-chlorethylthio)ethan (Sesqui-Lost, Q), 2,2´-Bis-(2-chlorethylthio)diethylether (Sauerstoff-Lost, HT) und auch Tris-(2-chlorethyl)amin (N-Lost, HN-3), N-Ethyl-(bis-(2-chlorethy)amin (HN-1) und N-Methyl-bis-(2-chlorethyl)amin (HN-2) können direkt und sehr empfindlich nach Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel mittels GC/MS bestimmt werden. (Abbildung 2) Alle diese Verbindungen und auch ihre wichtigen Abbau- und Zersetzungsprodukte sind hinreichend thermisch stabil und besitzen einen genügend großen Dampfdruck. Die Nachweisgrenzen liegen unter einem ng absolut.
Um die Leistungsfähigkeit des analytischen Systems jederzeit überprüfen zu können hat es sich bewährt, ein Gemisch aus verschiedenen Substanzen mit unterschiedlichen Dampfdrücken und Polaritäten als Testgemisch einzusetzen. Für eigene Analysen wird eine Lösung folgender Standardsubstanzen in Dichlormethan in einer Konzentration von je 10 mg/l eingesetzt:
Abb. 2: Gaschromatogramm Standardsubstanzen der Lost-Testmischung
Verwendung findet dabei folgendes System:
GC HP 6890 mit Autosampler HP 6890, splitt/splittless Injektor 230 °C, solvent delay 3 min, const. Flow 1ml/min, Säule HP 5 MS, 30 m x 0,25 mm, Filmdicke 0,25 µm, Temperatur 50 °C (2 min) - 10 °C/min - 120 °C - 20 °C/min - 280 °C (8 min.)
MS HP 5973 Scan-Bereich 45 - 350 amu, differentiell beheizt, Source 230 °C, Quelle 150 °C
4 Analytik von Phosphor- und Phosphonsäureestern
Die zu den Phosphor- bzw. Phosphonsäureestern gehörenden Verbindungen
O-iso-Propyl-methylfluorphosphonat
(Sarin, GB)
O-Pinakolyl-methylfluorphosphonat
(Soman, GD)
Dimethylamino-ethylcyanophosphat
(Tabun, GA)
O-Ethyl-S-(N,N-diisopropylaminoethyl)-methylthiolphosphonat
(VX)
sind gaschromatographisch leicht zu trennen und mittels Massenspektrometrie identifizierbar.
Abb. 3: Gaschromatographische Trennung Sarin, Soman, Tabun, VX, je 10 ng
Für diese Trennungen wird das unter Kapitel 3 beschriebene System verwendet.
5 Ionenbeweglichkeitsspektrometrie
Ionenbeweglichkeitsspektrometer (IMS) stellen ein relativ neues analytisches Instrumentarium dar, das derzeitig noch nicht den Weg in die allgemeine Ausrüstung von analytischen Laboratorien gefunden hat. Zum einen sind erst seit relativ kurzer Zeit langzeitstabile und finanziell attraktive Systeme verfügbar, zum anderen sind nicht alle Substanzen mit dieser Methode erfaßbar. Außerdem stehen zur Zeit noch keine ausreichenden und systemübergreifenden Substanzbibliotheken zur allgemeinen Verfügung, wie sie aus der Massenspektrometrie bekannt sind. Die Auswertung der erhaltenen Ionenbeweglichkeitsspektren bedarf deshalb in vielen Fällen einer umfassenden Kenntnis der jeweiligen Reaktionsmechanismen. Notwendig ist deshalb eine substanzgruppenspezifische Anpassung des Systems an die jeweilige Meßaufgabe und die Erstellung der zugehörigen Bibliotheken.
Andererseits wird mit dieser analytischen Methode ein Verfahren zum schnellen, sicheren und identifizierenden Nachweis ausgewählter Substanzen zur Verfügung gestellt, das sich insbesondere für vor-Ort-Messungen und arbeitsschutztechnische Überwachungen eignet.
Für die durchgeführten Untersuchungen kam der Prototyp eines Hochtemperatur-Ionenbeweglichkeitsspektrometers der Firma BRUKER-SAXONIA Analytik GmbH, Leipzig, zum Einsatz. Dieses System ist mit einem Direkteinlaß zur Aufnahme und Desorption von SPME-Fasern versehen (SPME-IMS).
5.1 Grundlagen
Durch das Einlaßsystem gelangen dabei Luftbestandteile und organische Substanzen in einen Reaktionsraum. Durch Bestrahlung mit einer niedrigenergetischen ß--Strahlung entstehen aus Luftbestandteilen sogenannte Reaktantionen der Struktur (H2O)nH+ und (H2O)nO2- . (Abbildung 4 und 5)
Abb. 4: Reaktantionen Positivmeßbetrieb
Abb. 5: Reaktantionen Negativmeßbetrieb
Die nachzuweisenden Substanzen werden durch Ionen-Molekül-Reaktionen mit diesen Wasserclustern in positive oder negative Ionen (Produktionen) überführt. Dabei kommt es zur Bildung von sogenannten Produktionen der Struktur [M(H2O)mH]+ bzw. [M2H]+ und [M]- bzw. [M02]-. Die gebildeten Ionen gelangen anschließend durch ein periodisch öffnendes Ionenschaltgitter in einen Driftraum. Dort wandern sie in einem konstanten elektrischen Feld gegen einen Gasstrom zum Empfänger. Unter Einwirkung des elektrischen Feldes werden die Ionen getrennt. Diese Trennung ist im wesentlichen vom Molekulargewicht und der Struktur der Ionen abhängig. Die für die jeweiligen Substanzen bzw. Ionen ermittelten Ionenmobilitätskonstanten (K0-Werte) sind stoffspezifische Größen.
Die Abbildungen 6 und 7 zeigen typische Ionenbeweglichkeitsspektren im Positiv- und Negativmeßbetrieb.
Mit Ionenbeweglichkeitsspektrometern sind Substanzen mit extrem hoher Empfindlichkeit in äußerst kurzer Zeit analytisch erfaßbar.
Im Normalfall handelt es sich bei Ionenbeweglichkeitsspektrometern um Gasphasenmeßgeräte, d.h. die nachzuweisenden Substanzen müssen in der Gasphase vorliegen oder in diese überführt werden. Da derartige Geräte normalerweise bei Raumtemperatur arbeiten, ist das zu erfassende Substanzspektrum u.a. durch den Dampfdruck der jeweiligen Verbindungen eingeschränkt. Zum anderen handelt es sich auch meistens um Monitoringsysteme, d.h. die nachzuweisenden Substanzen müssen sich bereits in hinreichend großen Konzentrationen in der Luft befinden. Normalerweise sind diese Geräte gegen die Außenluft mit einer Membran verschlossen (Membran-Einlaß). Um diese Nachteile zu umgehen, wurde eine spezielle Probenahmetechnik mit einem Hochtemperatur-IMS gekoppelt.
5.2 Aufbau und Funktionsweise SPME-IMS
Der prinzipielle Aufbau des SPME-IMS ist in Abbildung 8 dargestellt.
Abb. 8: Aufbau SPME-IMS
SPME Solid Phase Microextraction
Von der Firma SUPELCO wurde ein Probenahmeverfahren zur Spurenanalytik organischer Verbindungen entwickelt. Dabei kommt eine speziell beschichtete Mikrofaser zum Einsatz. Die nachzuweisenden Substanzen werden an der Faserbeschichtung aus Gas- oder Flüssigphasen adsorbiert und können anschließend thermisch oder durch Elution in geeigneten Vorrichtungen (bspw. modifizierter GC- oder HPLC-Einlaß) desorbiert bzw. eluiert werden.
Abb. 9: SPME-Faser
Derzeitig stehen verschiedene Faserbeschichtungen zu Auswahl, dadurch kann eine Optimierung hinsichtlich der zu bestimmenden Substanzen erfolgen.
Um diese Probenahmetechnik in Verbindung mit einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer nutzen zu können, waren umfangreiche konstruktive Veränderungen im Vergleich zu bisher verfügbaren Geräten notwendig. Insbesondere mußte ein bei hoher Temperatur arbeitendes System entwickelt werden, einerseits um von den verwendeten SPME-Fasern direkt im Reaktionsraum zu desorbieren, andererseits um Kondensationen der nachzuweisenden Substanzen im System zu verhindern. Das Einlaßsystem ist wie in der Abbildung 10 beschrieben aufgebaut:
Abb. 10: Einlaßsystem und Driftröhre SPME-IMS
Als membranloses Einlaßsystem wird ein sogenanntes Jade-Ventil der Firma SKC verwendet:
Abb. 11: Membranloses Einlaßsystem
Dieses Einlaßsystem garantiert eine absolute Gasdichtheit des Systems, auch bei eingesetzter SPME-Faser, und somit eine konstante Luftfeuchtigkeit im IMS. Insgesamt ist das Hochtemperatur-SPME-IMS sehr kompakt gestaltet:
Abb. 12: Innenansicht SPME-IMS
5.3 Ergebnisse
Chemische Kampfstoffe sind mittels HT-IMS hochempfindlich in der Gasphase und in Lösungen bestimmbar. Auch Verbindungen, die mittels herkömmlichen Geräten (Membraneinlaß) nicht oder nur sehr unempfindlich erfaßbar sind, können mit der hier vorgestellten Analysenmethode sehr empfindlich bestimmt werden. In den nachfolgenden Abbildungen 13 bis 16 sind die Ionenbeweglichkeitsspektren von S-Lost und CLARK I dargestellt:
Abb. 13: IMS-Spektrum S-Lost, negativ
Abb. 14: IMS-Spektrum S-Lost, positiv
Abb. 15: Gasphasenmessung
CLARK I, negativ
Abb. 16: IMS-Spektrum CLARK
I, negativ
6 Zusammenfassung
Arsenorganische Verbindungen sind nur teilweise direkt mit GC/MS bestimmbar. Durch Derivatisierung mit Thiolen bzw. Dithiolen können gaschromatographisch trennbare Derivate erzeugt und mittels Massenspektrometrie eindeutig identifiziert werden.
Schwefel- und Sauerstoffloste und ihre Metaboliten sowie die Nervenkampfstoffe Tabun, Sarin, Soman und VX können mit gekoppelter Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) quantitativ bestimmt werden.
Die Bestimmungsgrenzen liegen im Bereich von einem ng absolut bzw. darunter.
Durch Kombination von GC/ECD und GC/MS-Untersuchung kann somit nahezu die gesamte Palette der chemischen Kampfstoffe sowie ihrer Umwandlungs- und Begleitprodukte quantitativ erfaßt werden.
Die Anwendung neuer und hoch sensitiver Analysenmethoden, wie sie die Ionenbeweglichkeitsspektrometrie darstellt, gestattet die schnelle Analytik chemischer Kampfstoffe im Spurenbereich auch in einer komplexen Matrix.
Da viele Kampfstoffe mit zwei der vorgestellten Methoden bestimmt werden können, ist eine laborinterne analytische Qualitätssicherung gewährleistet. Die Untersuchungen werden mit zertifizierten Referenzsubstanzen durchgeführt.
Literatur
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In diesem Beitrag sind keine Abbildungen und Tabellen enthalten.