Abwiegen einer 50-mg-Probe Polyvinylchlorid
(PVC) in ein verschließbares Glasgefäß.
Hinzufügen von 5 mL THF zu der Probe.
Schütteln, Rühren oder Vermischen der Probe
für mindestens 30 Minuten, um die vollständige
Auflösung zu erzielen. Ultraschall und/oder sanftes Heizen können zur Beschleunigung der Auflösung verwendet werden. Falls das Material noch nicht vollständig aufgelöst ist, sollte die Mischdauer um weitere 2 Stunden verlängert werden, bevor die Prozedur weitergeführt wird.
Ausfällung der PVC-Polymere mit 10 mL Hexan pro 5 mL THF, die während der Auflösung verwendet wurden.
Schütteln, dann mindestens 5 Minuten warten, um die Polymere sich absetzen zu lassen.
Filtern der THF/Hexan-Lösung durch einen 0,45-mm-PTFE-Filter und Abnahme einiger mL der gefilterten Lösung in ein separates Gefäß.
Kombinieren von 0,3 mL der THF-Hexan-Lösung mit 0,2 mL des internen Standards (sofern verwendet) und Verdünnung auf 1,5 mL mit Cyclohexan.
Injektion von 1 μL der Lösung für die GC/MS-Analyse.
Probenvorbereitung

Methodenparameter
  KAS: Liner mit Verwirbelungseinstichen
Split (20:1) oder Splitless
50 °C–12 °C/s – 280 °C (3min)
  Säule: 30 m HP-5MS (Agilent Technologies)
di = 0,25 mm, df = 0,25 μm
  Pneumatik: He, konstanter Fluss = 1,0 mL/min
  Ofen: 50 °C (1 min) – 20 °C/min –
310 °C (5 min)
  MSD: Full scan, 40-350 amu
  SIM Parameter (Masse [m/z], Verweilzeit [ms])
  Gruppe 1: ab 5 min
(91, 10), (105, 10), (149, 10), (167, 10), (194, 10), (205, 10), (212, 10), (223, 10)
  Gruppe 2: ab 11,7 min
(91, 10), (149, 10), (167, 10), (206, 10), (279, 10)
  Gruppe 3: ab 13,7 min
(149, 10), (167, 10), (261, 10), (279, 10), (293, 10), (307, 10)
Ansicht der Chromatogramme der automatisierten Probenvorbereitung mit 50 mg Probe (A), mit 25 mg Probe (B) sowie der manuellen Probenvorbereitung mit 25 mg Probe (C). Resultat: Die Chromatogramme sind äquivalent.
Vollscan-Chromatogramm einer Spielzeugentenprobe. Das Chromatogramm verdeutlicht den Vorteil des SIM/Scan-Modus, da verschiedene andere Weichmacher, die nicht als Zielanalyte ausgewählt waren, im Chromatogramm erscheinen. Dazu gehören unter anderem Diethylphthalat, Acetyl-tri-n-butylcitrat und Diisononyladipat.
Vollscan-Chromatogramm für Probe CPSC-2. Abbildung B zeigt extrahierte Ionenchromatogramme der SIM-Daten. Die Zielanalyte sind im SIM-Chromatogram identifiziert.
(Verbindungen:
→   Interner Standard: Benzylbenzoat (IS);
→   Di-n-butylphthalat (1);
→   Butylbenzylphthalat (2);
→   Diethylhexylphthalat (3);
→   Diisononylcyclohexan-1,2-dicarboxylat (4);
→   Di-n-octylphthalat (5);
→   Diisononylphthalat (6);
→   Diisodecylphthalat (7))
Das Vollscan-Chromatogramm zeigt das Vorhandensein einer weiteren Verbindung: Diisononylcyclohexan-1,2-dicarboxylat.

Phthalate

Achtung, Weichmacher!

Das Prüfverfahren CPSC-CH-C1001-09.3 der US-amerikanischen Consumer Product Safety Commission (CPSC) fordert die Kontrolle von Kinderspielzeug und Babyartikeln auf das Vorhandensein von Weichmachern. Das Verfahren umfasst die GC/MS-Bestimmung kritischer Phthalate nach einer in der Regel aufwendigen, oft manuell ausgeführten Probenvorbereitung, dabei lässt sich die Analyse intelligent automatisieren.

Es gibt Stoffe, denen der Makel eines notwendigen Übels anhaftet. Hierzu zählen die Phthalsäureester, kurz Phthalate genannt, die vorwiegend als Weichmacher in der Kunststoffherstellung eingesetzt werden, aber auch Bestandteil von Konsumgütern und pharmazeutischen Produkten sind. Phthalate beeinflussen die physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen in besonderer Weise. Sie sorgen dafür, dass etwa Polyvinylchlorid (PVC) die Flexibilität und Formbarkeit erhält, die den Werkstoff auszeichnet und interessant macht für seine Anwendung als Bodenbelag, Kunstleder, Duschvorhang, in Babyartikeln, Kinderspielzeugen, Verpackungen, Schuhen, Sport- und Freizeitartikeln, medizinischen Produkten wie Blutbeuteln und Schläuchen, in Kabeln, Dachdichtungen, Lkw-Planen oder als Unterbodenschutz.
Allerdings gibt es eine Kehrseite der Medaille. Einige Phthalate, namentlich vor allem das Di(2-ethylhexyl)phthalat [DEHP] sowie das Dibutylphthalat [DBP] und das Benzylbutylphthalat [BBP], gelten als gesundheitsschädlich und sind in der Europäischen Union (EU) für eine Reihe von Anwendungen tabu; laut EU-Richtlinie gilt DEHP als fortpflanzungsgefährdend.
Um im Polymer den gewünschten Materialeffekt zu erzielen, setzt die chemische Industrie alternativ auf Additive, die als nicht oder nur gering toxisch eingestuft sind wie das Diisodecylphthalat [DIDP] oder das Diisononylphthalat [DINP]. Jedoch hat die EU den Einsatz genannter Verbindungen, also DEHP, DBP, BBP, DINP, DIDP und auch Di-n-octylphthalat (DnOP), stark reglementiert. Gemäß EU-Beschluss dürfen sie „nicht als Stoffe oder als Bestandteile von Zubereitungen in Konzentrationen von mehr als 0,1 Masse-% des weichmacherhaltigen Materials in Spielzeug und Babyartikeln verwendet werden, die von Kindern in den Mund genommen werden können. Spielzeug und Babyartikel, die diese Phthalate in Konzentrationen enthalten, die über dem vorstehenden Grenzwert liegen, dürfen nicht in Verkehr gebracht werden“.
Das Risiko eines Übergangs des Additivs vom Spielzeug über die Schleimhaut in den heranwachsenden Organismus sowie daraus resultierender negativer Folgen für die Gesundheit ist bei Kleinkindern besonders groß. Geschuldet ist die Möglichkeit des diffusiven Stofftransports der Tatsache, dass Phthalate nicht chemisch in der Polymermatrix gebunden sind. Phthalate können aus dem Produkt ausdünsten oder ausgeschwemmt werden und in die Umwelt oder den Organismus gelangen. In den USA sieht man die Dinge ähnlich. Um die Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben zu überwachen, werden infrage kommende Spielzeuge und Babyartikel auf die genannten Verbindungen hin untersucht. Die Basis bildet das Prüfverfahren CPSC-CHC1001- 09.3 der US-amerikanischen Consumer Product Safety Commission (CPSC).

Auf die Probenvorbereitung kommt es an

Die Probenvorbereitung spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung von Phthalaten in polymeren Matrices gemäß des Prüfverfahrens CPSC-CH-C1001- 09.3. Sie umfasst die vollständige Auflösung der Probe in Tetrahydrofuran (THF), die Ausfällung des Polymers durch Hexan, die Filtration, die Verdünnung der Lösung mit Cyclohexan und schließlich die Analyse mittels Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS). Das Prüfverfahren beinhaltet die rechts aufgeführten Schritte.
Wie sich zeigt, bilden vor allem die Extraktionsschritte den Flaschenhals der Untersuchung, beeinflussen damit wesentlich die Gesamtdauer der Analyse. Sie zu automatisieren und damit effizienter zu gestalten, idealerweise zeitlich zu verkürzen, war das Ziel, das Edward Pfannkoch und Kollegen von der in Baltimore/USA ansässigen GERSTEL, Inc. im Kundenauftrag zu erreichen suchten. „Darüber hinaus legten wir es darauf an“, erklärt Pfannkoch, „die manuellen Arbeitsschritte möglichst eins zu eins auf den Autosampler zu übertragen und die Probenvorbereitungsschritte mit der GC/MS-Messung zeitlich zu verschachteln.“
Die Applikationsspezialisten verwendeten einen XYZ-Autosampler (GERSTEL-MultiPurposeSampler, MPS) ausgestattet mit zwei Türmen (Dual-Head- Variante), um die Probenvorbereitung einschließlich des Einsatzes größerer Flüssigkeitsmengen (2,5-mLSpritze) zu handhaben sowie eine Mikroliterspritze (10 μL) für die Flüssiginjektion der Probe in das angeschlossene GC/MS-System (Agilent GC7890/ MS5975); bei dem PTV-Injektor des GC handelte es sich um ein GERSTEL-KaltAufgabeSystem (KAS). Ausgestattet war der MPS mit einem geheizten Agitator, einem automatischen GC-Liner-Wechsler (GERSTEL-Automated-Liner-EXchange, ALEX) sowie einer Filter-Option (GERSTEL-Syringe-Filtration-Option). Die Programmierung und Ansteuerung der verschiedenen Probenvorbereitungsschritte und Sequenzen erfolgte mit der GERSTEL-MAESTRO-Software, die vollständig in die ChemStation-Software von Agilent Technologies eingebunden ist.

Ernies Quietscheente lässt grüßen

Als Untersuchungsobjekt versuchten sich Pfannkoch und Kollegen an gewöhnlichen Gummienten für die Badewanne sowie Proben von kommerziell erhältlichem Kinderspielzeug aus Polyvinylchlorid. Weitere drei Proben stammten von der lokalen CPSC-Prüfstation (CPSC-1, CPSC-2, CPSC-3). Alle zu extrahierenden Polyvinylchloridproben wurden zunächst in kleine Stücke von nicht mehr als 2 mm Partikelgröße geschnitten, anschließend in gläserne 10-mL-Röhrchen mit Schraubverschluss eingewogen und dann auf dem vorgesehenen Probenteller des MPS platziert. Pfannkoch und Kollegen legten klare Analysenparameter fest.
Kalibriert wurde die Methode mithilfe von Standardlösungen jeweils getrennt im Niedrigkonzentrationsbereich von 50-1000 ng/mL und im Hochkonzentrationsbereich von 5-100 μg/mL.

Nur Versuch macht „kluch“

„Zunächst überprüften wir“, berichtet Edward Pfannkoch, „ob die während der Extraktion verwendeten Lösemittel frei von Phthalaten waren, indem wir die gesamte Extraktionsprozedur mit einem leeren Gläschen, also ohne Zugabe einer Polymerprobe, durchlaufen ließen.“ Im resultierenden Extrakt konnten keine Phthalate nachgewiesen werden. Ebenso wurde im Anschluss daran mit den zertifizierten Referenzmaterialproben verfahren, wobei die Proben sowohl manuell als auch automatisiert extrahiert und die jeweiligen Resultate miteinander verglichen wurden. Edward Pfannkoch: „Die Gegenüberstellung der Chromatogramme ergab eine Übereinstimmung beider Herangehensweisen. Die automatisierte Probenvorbereitung und die anschließende GC/MS-Analyse der Probenextrakte funktioniert und liefert zuverlässige Resultate.“ Um den Gesamtdurchsatz des Systems zu erhöhen und den übermäßigen Gebrauch gefährlicher Chemikalien zu vermeiden, verringerten Pfannkoch und Kollegen die Proben- und Lösemittelmengen proportional um die Hälfte, was keinen Einfluss auf das Messergebnis hatte.
Schließlich durchliefen die Gummienten- und CPSC-Proben die automatisierte Extraktionsprozedur. Die Extrakte wurden per GC/MS mit Split(20:1)- und Splitlos-Injektion analysiert. Der MSD wurde im SIM/Scan-Modus betrieben. Die Kalibrierung im Niedrigkonzentrationsbereich erfolgte im Splitlos-Modus, die im Hochkonzentrationsbereich im Split-Modus. Identifiziert wurden die Analyten anhand von Retentionszeit und Massenspektren. Quantifiziert wurde mithilfe der Kalibrierkurven.

„Ente“ gut, alles gut

Am Ende jeder Methodenentwicklung muss sich der Anwender die Frage stellen: Vorhaben erfolgreich umgesetzt? Edward Pfannkoch ist zufrieden: „Unser vorrangiges Ziel, eine manuelle Extraktion auf den MPS-Autosampler zu übertragen und vollständig zu automatisieren, haben wir erreicht.“ Die automatisierte Untersuchung der zertifizierten Referenzmaterialien und Proben habe angemessene Resultate ergeben. Das automatisierte GC/MS-Verfahren zur Analyse von DEHP, DBP, BBP, DINP, DIDP und DnOP erwies sich mit einer relativen Standardabweichung (RSD) von 1,9-5,5 Prozent für alle untersuchten Phthalate als präzise. Kurz gesagt, bringt es Edward Pfannkoch auf den Punkt, funktioniere ihre automatisierte GC/MS-Analyse von ausgewählten Phthalaten gemäß Prüfverfahren CPSC-CH-C1001-09.3 einwandfrei. Die damit erreichten Resultate seien überaus zufriedenstellend – auch im Fall von realen Proben. Edward Pfannkoch: „In den Proben CPSC-1 und -2 fanden wir alle sechs Zielanalyten. Probe CPSC-3 wiederum wies eine hohe Konzentrationen von DEHP auf.“

 

Literatur

[1] Fredrick D. Foster, John R. Stuff, Jacqueline A. Whitecavage, Edward A. Pfannkoch: Automated Extraction and GC/MS Determination of Phthalates in Consumer Products, GERSTEL AppNote 4/2013
[2] United States Consumer Product Safety Commission, Test Method: CPSC-CH-C1001-09.3 Standard Operating Procedure for Determination of Phthalates, April 1st, 2010.
[3] Umweltbundesamt: Phthalate – Die nützlichen Weichmacher mit den unerwünschten Eigenschaften, 02/2007; www.umweltdaten.de/sites/default/files/medien/publikation/long/3540.pdf
[4] Richtlinie 2005/90/EG