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Verfahren zur Bestimmung von
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polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen Die Erfindung betrifft
ein neues Verfahren zur halbquantitativen Bestimmung von polycyclischen aromatischen
Kohlenwasserstoffen (nachstehend als "KW-Stoffe" bezeichnet) durch dünnschichtchromatographis.che
Trennung einer Lösung dieser KW-Stoffe an einem beschichteten Träger.
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Bestimmte KW-Stoffe, insbesondere 3,4-Benzpyren, wirken krebserregend
oder stehen im Verdacht, krebserregend zu wirken. Der Nachweis, die Auftrennung
und die Bestimmung dieser KW-Stoffe ist daher ein spezielles analytisches Trennproblem,
dem eine steigende Bedeutung zukommt.
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Beispielsweise können diese KW-Stoffe als Verunreinigung in Wässern
verschiedener Herkunft (z.B. Abwasser, Oberflächenwasser, Grundwasser, Trinkwasser)
enthalten sein.
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Es ist bekannt, diese Stoffe mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels
aus der fraglichen Wasserprobe zu extrahieren und nach einem Vorbehandlungsprozeß
dünnschichtchromatographisch zu trennen (vgl. z.B. Z. f. Wasser-und Abwasser-Forschung,
9, 35-38 (1976); 10, 99 - 104 (1977)). Diese Trennung erfolgte bisher zweidimensional
mit Hilfe einer Mischplatte aus Aluminiumoxid und acetylierter Cellulose.
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Dieses Trennungsverfahren ist jedoch relativ umständlich und zeitaufwendig;
es führt außerdem zu einer diffusen F leckbi ldung.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Bestimmung
der genannten KW-Stoffe aufzufinden, das die Nachteile des bekannten Verfahrens
nicht oder nur in geringerem Maße zeigt, das also weniger umständlich ist und in
seiner Durchführung weniger Zeit erfordert als dieses, und das scharfe, deutlich
getrennte Flecke liefert. Diese Aufgabe wurde durch die Bereitstellung des neuen
Verfahrens gelöst.
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Es wurde gefunden, daß man die genannten KW-Stoffe mit Vorteil dünnschichtchromatographisch
trennen kann, indem man einen Träger verwendet, der a) eine Konzentrierungszone
und b) eine Trennzone mit modifizierter Oberfläche enthält.
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Die Konzentrierungszone besteht im wesentlichen aus einem porösen
Siliciumdioxid, das synthetisch hergestellt wurde, ein mittleres Porenvolumen und
eine Porenweite von etwa 2 - 15 Sm besitzt. Die Trennzone besteht
im
wesentlichen aus einer Kieselgelschicht, deren Oberfläche durch Reaktion des beschichteten
Trägers mit einem Methylalkyldichlorsilan modifiziert- wurde; in dieser Verbindung
besitzt die Alkylgruppe 12 - 20 C-Atome. Im übrigen werden die KW-Stoffe in an sich
bekannter Weise mit einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch eluiert.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur halbquantitativen Bestimmung
von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen durch dünnschichtchromatographische
Trennung einer Lösung dieser Kohlenwasserstoffe an einem beschichteten Träger, dadurch
gekennzeichnet, daß man die zu untersuchende Probe auf einen beschichteten Träger
aufträgt, der eine im wesentlichen aus einem synthetisch hergestellten porösen Siliciumdioxid
mit mittlerem Porenvolumen und mit einer Porenweite von 2 bis 15 um bestehende Konzentrierungszone
und eine aus einer Kieselgelschicht mit einer durch Reaktion des beschichteten Trägers
mit einem Methylalkyldichlorsilan, worin die Alkylgruppe 12 bis 20 C-Atome besitzt,
modifizierten Oberfläche bestehende Trennzone enthält, und anschließend in an sich
bekannter Weise mit einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch eluiert.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines Trennmaterials,
im wesentlichen bestehend aus einem beschichteten Träger, der eine aus einem synthetisch
hergestellten porösen Siliciumdioxid mit mittlerem Porenvolumen und mit einer Porenweite
von 2 bis 15 pm bestehende Konzentrierungszone und eine aus einer Kieselgelschicht
mit einer durch Reaktion des beschichteten Trägers mit einem Methyl-alkyldichlorsilan,
worin die Alkyl-
gruppe 12 bis 20 C-Atome besitzt, modifizierten
Oberfläche bestehende Trennzone enthält, zur halbquantitativen Bestimmung von polycyclischen
aromatischen Kohlenwasserstoffen durch dünnschichtchromatographische Trennung einer
Lösung dieser Kohlenwasserstoffe.
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Es ist an sich bekannt, bei dünnschichtchromatographischen Trennungen
eine Konzentrierung vorzuschalten, die durch eine der Trennschicht (Chromatographieschicht)
vorgelagerte Schicht (Konzentrierungszone) erreicht wird. Der Konzentrierungseffekt
beruht auf dem Unterschied im Adsorptionsvermögen der beiden Schichtanteile. Mit
Hilfe des für die Konzentrierungszone,erfindungsgemäß verwendeten synthetisch hergestellten
porösen Siliciumdioxids mittleren Porenvolumens mit sehr hoher Porenweite wird eine
außerordentlich gute Ausbreitung der aufgetragenen Probe in der Konzen-.
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trierungszone erreicht, die sich sehr günstig auf die nachfolgende
Chromatographie auswirkt.
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Das für die Konzentrierungszone zu verwendende Siliciumdioxid wird
in bekannter Weise hergestellt. Man geht z.B. von den für Chromatographiezwecke
handelsüblichen, synthetisch hergestellten Kieselgelen aus.
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Hier können insbesondere eng- und mittelporige Typen eingesetzt werden.
Ein sehr häufig verwendetes Kieselgel (Kieselgel 60) hat z.B. Porenweiten von etwa
5 bis 7 nm. Die Teilchengröße des Ausgangsmaterials kann beliebig gewählt werden,
entspricht aber im allgemeinen ungefähr der Teilchengröße des z.B. für die Trennschicht
gewählten Kieselgels.
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Die für die erfindungsgemäße Verwendung erforderliche Aufweitung der
Poren erfolgt in bekannter Weise, z.B.
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durch Tränken der Kieselgele mit Salzlösung und anschließendes Glühen
("Salzaufweitur,g"). Nach dem Auswaschen werden die so erhaltenen weitporigen Siliciumdioxide
in üblicher Weise klassiert, wobei eine Korngrößenverteilung im Bereich zwischen
10 und 50 zum angestrebt wird. Für die Konzentrierungszone geeignete weitporige
Kieselgele sollten eng klassiert sein, ein mittleres Porenvolumen und eine extrem
hohe Porenweite sowie eine damit verbundene äußerst geringe spezifische Oberfläche
aufweisen.
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Besonders gut geeignet sind Siliciumdioxide mit den folgenden Kenndaten:
a) Porenweite Die Porenweite soll etwa 2 bis 15 Xm, vorzugsweise 2 bis 8 >im
betragen. Bevorzugt sind die Porenweiten über 4 ,um. Die Porenweiten werden in üb.licher
Weise bestimmt, vorzugsweise mit dem Quecksilber-Porosimeter.
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b) Spezifische Oberfläche Diese wird nach der bekannten BET-Methode
bestimmt.
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Die spezifische Oberfläche der erfindungsgemäß einzusetzenden Siliciumdioxide
sollte 1 m2/g sein, vorzugsweise 0,2 bis 0,8 m2/g.
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c) Porenvolumen Das Porenvolumen wird mit dem Quecksilber-Porosimeter
bestimmt. Das erfindungsgemäß einzusetzende Siliciumdioxid soll ein Porenvolumen
von 0,5 ml/g bis 1,5 ml/g, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 ml/g besitzen.
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Diese synthetisch hergestellten Siliciumdioxide weisen einen sehr
hohen Reinheitsgrad auf. Als Typanalyse für den Maximalgehalt an Verunreinigungen
gilt z.B. folgendes: Chlorid (Cl): 0,008 % Sulfat (SO,): 0,003 % Nitrat (N03): 0,005
% Blei (Pb): 0,0005 % Kupfer (Cu): 0,0005 % Eisen (Fe): 0,002 % Zink (Zn): 0,0005
% Ob ein weitporiges Siliciumdioxid zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignet ist,
läßt sich z.B. auch durch folgenden Test feststellen: Nach der im Herstellungsbeispiel
angegebenen Methode werden DC-Platten mit Konzentrierungszone hergestellt.
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10>11 der Lösung der Farbstoffe Ceresviolett BRN rein, Ceresgrün
BB und Blau 18.90 Sandoz, je 0.01 % (G/V) in Toluol, werden mit Hilfe einer geeichten
Mikrometer-Spritzen-Kombination innerhalb von 10 Sekunden auf die .in horizontaler
Position befindliche Konzentrierungszone aufgegeben, wobei sich die Lösung kreisförmig
ausbreitet. Nach Ablauf von weiteren 10 Sekunden wird das Lösungsmittel mit einem
kalten Luftstrahl abgetrocknet.
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Es hat sich eine Kreisfläche ausgebildet, deren äußerster schmaler
Rand in der Intensität verstärkt ist. Die Kreisfläche soll. einen Durchmesser von
mindestens 16 mm aufweisen.
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Die Verarbeitung dieser Siliciumdioxide zu der an sich bekannten Konzentrierungszone
von DC-Platten oder -Folien erfolgt in üblicher Weise. Als Träger können alle üblichen
Materialien verwendet werden, wobei Glasplatten bevorzugt sind. Gebräuchlich.sind
jedoch auch Folien, z.B. aus Aluminium oder auch Kunststofffolien.- Die Sorptionsmittel
werden in streichfähigen, meist wässrigen Suspensionen angeschlämmt und nach intensivem
Vermischen und gegebenenfalls Entgasen mit üblichen Streichgeräten bzw. an Beschichtungsanlagen
auf die Trägermaterialien aufgebracht. Für die Trennschicht können alle auch sonst
üblicherweise verwendeten Kieselgele eingesetzt werden, z.B. solche mit Porenweiten
zwischen 4 und 10 nm. Vorzugsweise verwendet man Kieselgele mit einem für Hochleistungsmaterialien
geeigneten mittleren Korndurchmesser und entsprechender Korngrößenverteilung (vgl.
z.B. DE-OS 25 24 065). Es können den Kieselgelen noch Bindemittel, die die Haft-und
Abriebfestigkeit erhöhen, und/oder Indikatoren zugesetzt werden. Als Bindemittel
sind bevorzugt die in der deutschen Patentschrift 1 442 446 oder die in der DAS
1 517 929 genannten organischen Bindemittel. Die zuzusetzenden Indikatoren, vorzugsweise
Fluoreszenzindikatoren, müssen säurestabil sein. Die Bindemittel werden in der Regel
in Mengen von 0,1 bis etwa 10 % zugesetzt, die Indikatoren in Mengen von etwa 0,5
bis 5 Gew.%, jeweils bezogen auf die fertige Schicht.
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Die Streichgeräte bzw. Beschichtungsanlagen sind so eingerichtet,
daß die Trennschicht direkt an die schmalere Schicht der Konzentrierungszone angrenzt.
Bei einer Beschichtung von z.B. Glasplatten des Formats 10 x 20 cm kann z.B. die
Trennschicht eine Breite von 75 mm besitzen, während für die Konzentrierungszone
eine Breite von 25 mm vorgesehen wird.
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Die Schichtdicke der Trennschicht liegt normalerweise in einer Größenordnung
von 100 bis 300 ym, die der Konzentrierungszone etwa zwischen 100 und 200, vorzugsweise
bei etwa 150 Xm. Es kann z.B. in einer bevorzugten Ausführungsform die Trennschicht
etwa 250,um, die Konzentrierungszone etwa 150pIm dick sein.
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Nach'der Beschichtung werden die Träger in üblicher Weise getrocknet.
Die Beschichtungsanlagen sind in der Regel so'eingestellt, daß die nach dem Trocknen
erhaltenen Schichtdicken zwischen 100 und 300 P liegen. Die Trocknung erfolgt meist
in Trockenkanälen bei Temperaturen von etwa 120 bis 150°C.
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Erfindungsgemäß wird die Oberfläche des Kieselgels in der Trennschicht
durch Reaktion mit einem Methyl-alkyl-dichlorsilan modifiziert. In diesem besitzt
die Alkylgruppe 12 -20 C-Atome. Vorzugsweise verwendet man Methyl-octadecyldichlorsilan,
aber auch z.B. Methyl-dodecyl-, -tetradecyl-, -hexadecyl- oder -eicosyldichlorsilan.
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Das Verfahren verläuft dabei so, daß das Kieselgel bzw.
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der damit beschichtete Träger mit einer Lösung des Methyl-alkyl-dichlorsilans
(Silanisierungsmittels) imprägniert beziehungsweise getränkt wird. Dies kann zum
Beispiel dadurch geschehen, daß das Kieselgel bzw.
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der damit beschichtete Träger in die Lösung des Silanisierungsmittels
eingetaucht wird oder aber mit einer solchen Lösung besprüht wird. Als Lösungsmittel
wird ein übliches, gegenüber dem verwendeten Silanisierungsmittel inertes Lösungsmittel
verwendet. Vorzugsweise verwendet man organische Lösungsmittel mit Siedepunkten
zwischen 30 und 1800C, zum Beispiel chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Di- und Trichlormethan
und/oder Di-und Trichloräthan oder aromatische oder aliphatische Kohlenwasserstoffe.,
Die
Menge des verwendeten Silanisierungsmittels richtet sich vor allem nach der Dicke
der Kieselgelschicht und der spezifischen Oberfläche des zur Beschichtung verwendeten
Kiesel'gels. Um eine vollständige Abdeckung der Hydroxy-Gruppen des unbehandelten
Kieselgels zu erhalten, sollte das Silanisierungsmittel in einer Menge 2 von mindestens
1OMol/m Oberfläche des Kieselgels eingesetzt werden. Vorzugsweise wird man jedoch
einen Überschuß des Silanisierungsmitte'ls verwenden, zum Beispiel 0,1 bis 1 m Mol/m².
Auch ein größerer Überschuß kann in bestimmten Fällen von Vorteil sein.
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Die spezifische Oberfläche des Kieselgels liegt zwischen etwa 200
und 800 m2/g.
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bei der Imprägnierung reagiert die Konzentrierungszoneinfolge ihrer
sehr niedrigen spezifischen Oberfläche und der damit verbundenen geringen Zahl an
Hydroxygruppen nicht merklich mit dem Silanisierungsmittel.
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Nach der Imprägnierung mit der Silanisierungsmittellösung wird der
beschichtete Träger zweckmäßig an der Luft getrocknet. Es kann dabei ausdrücklich
auf eine Schutzgasatmosphäre verzichtet werden, so daß vor allem die in der Luft
enthaltene Feuchtigkeit ungehindert Zugang zu der Trennschicht besitzt.
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Der so-behandelte Träger wird zweckmäßig zur Reinigung und Entfernung
von überschüssigem Silanisierungsmittel ein- oder mehrmals durch ein Reinigungsbad
geführt. Das Reinigungsbad besteht dabei lediglich aus einem aprotischen Lösungsmittel
beziehungsweise Lösungsmittelgemisch, wie zum Beispiel einer Mischung aus Methylenchlorid
und Benzol oder Toluol. Zweckmäßig wird anschließend erneut getrocknet, vorzugsweise
einfach durch Stehenlassen an der Luft.
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Anschließend wird der Träger zweckmäßig dann noch durch ein zweites
Reinigungsbad geführt, in dem sich ein protisches Lösungsmittel beziehungsweise
Lösungsmittelgemisch, vorzugsweise ein Alkohol/Wasser-Gemisch, befindet. Die dabei
verwendeten Alkohole.sind vorzugsweise aliphatische Alkohole mit 1 - 4 C-Atomen.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäß verwendeten Trägers besteht darin,
daß aufgrund der Hydrophobie der Trennschicht kaum eine Neigung zur Wasseraufnahme
an der Luft besteht, so daß auf eine Aktivierung der Trennmaterialien vor der Benutzung
verzichtet werden kann.
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Dies hat den weiteren Vorteil, daß nach dem neuen Verfahren auch bei
nachlässiger Arbeitsweise reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden können.
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Ein besonderer Vorteil des neuen Verfahrens besteht auch darin, daß
mit Hilfe des beschriebenen Trägers sehr gute Durchlaufgeschwindigkeiten erzielt
werden können. Die beiden Schichtanteile grenzen scharf aneinander, gehen aber trotzdem
ineinander über, so daß das Elutionsmittel beim Durchlaufen der Grenzlinie keinen
Widerstand erfährt. Auch die Ubereinstimmtmg der Schichten hinsichtlich Zusätzen
wie Bindemittel und Indikatoren ist ein erheblicher Vorteil.
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Nach punkt- bzw. kreisflächenförmigem Auftragen der Proben erfolgt
während des Entwicklungsvorgangs automatisch ein Konzentrieren zu einer schmalen
Startlinie, von der aus die eigentliche Chromatographie ohne Unterbrechung beginnt.
Dank dieser günstigeren Ausgangsposition bei Beginn der eigentlichen Chromatographie
sind die Trennleistungen signifikant verbessert. Dies macht sich besonders bei größeren
Auftragemengen, aber auch bei sehr verdünnten Lösungen bemerkbar. In jedem Fall
erscheinen
die getrennten Substanzen nach der Konzentrierung zu
einer schmalen Linie mit identischen Rf-Werten in der Chromatographieschicht. Das
Auftragen kann ohne besondere Sorgfalt hinsichtlich Geometrie und Ausdehnung des
Auftragefleckens vorgenommen werden. Mithin bringen die Träger mit Konzentrierungszone
eine erhebliche Zeitersparnis mit sich. Die Berührung mit dem eigentlichen Sorptionsmittel
erfolgt erst nach Durchlaufen der Konzentrierungszone dort nur in gelöstem Zustand.
In diesem Sinne liegt hier praktisch eine Naßdosierung wiein der HPLC vor. Die Möglichkeit
des Auftragens durch Tauchen kann ein strichförmiges Auftragen mit einem Auftragegerät
ersetzen. Mit einem automatischen Auftragegerät kann ein besserer strichförmiger
Auftrag nicht erzielt werden. Dei Verwendung einer stark verdünnten Lösung müßte
man unter jeweiligem Zwischentrocknen mehrmals strichförmig auftragen, um die gleiche
Substanzmenge zur chromatographischen Entwicklung zu bringen.
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Die so erhaltenen Träger können erfindungsgemäß zur Trennung, zum
Nachweis und zur halbquantitativen Bestimmung der oben definierten KW-Stoffe verwendet
werden. Die KW-Stoffe fallen z.B. als stark verdünnte Gemische in relativ großen
Volumina bei der Extraktion aus Wasserproben mit z.B. Cyclohexan oder Benzol an.
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Als KW-Stoffe kommen insbesondere Fluoranthen (I), 3,4-Benzfluoranthen
(II), 11,12-Benzfluoranthen (III), 3,4-Benzpyren (Iv), 1,12-Benzperylen (V) und
Indeno-(1,2,3-cd)-pyren (VI) in Betracht. II und III lassen sich erfindungsgemäß
weniger gut trennen; in der Regel liefern sie einen einzigen Fleck und können so
gemeinsam bestimmt werden. Ähnliches gilt für V und VI.
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Herstellungsbeispiel a) In 44 1 entsalztes Wasser werden 450 g Natriumpolyacrylat
eingerührt. Dazu werden unter Rühren 19,55 kg eines sorptionsaktiven, mittelporigen
Kieselgels mit einer mittleren Porenweite von 6 nm und einer mittleren Korngröße
von 5 Xm zugegeben. Die Suspension wird mit Natronlauge auf einen pH-Wert von etwa
6,3 eingestellt und dann mit entsalztem Wasser unter Rühren bis zu einem Gesamtgewicht
von 68 kg aufgefüllt.
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b) In 7,7 1 entsalztes Wasser werden 60 g Natriumpolyacrylat eingerührt.
Dazu werden unter Rühren 2,94 kg eines porösen, inaktiven Siliciumdioxids mit einer
mittleren Porenweite von ca. 5 pm, einer spezifischen 2 Oberfläche von ca. 0,5 m
/g und einer mittleren Korngröße von ca. 15 >am zugegeben. Die Suspension wird
mit Natronlauge auf einen pH-Wert von etwa 6,3 bis zu einem Gesamtgewicht von 11
kg aufgefüllt.
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c) Die beiden nach a) und b) erhaltenen Suspensionen werden entgast.
Dann werden in einer Beschichtungsanlage Glasplatten (10 x 20 cm) dergestalt mit
den Suspensionen beschichtet, daß die aus der Suspension a) resultierende Schicht
mit einer Breite von 75 mm und einer Schichtdicke nach dem Trocknen von ca. 250>im
unmittelbar an die aus der Suspension b) erhaltene Schicht von 25 mm Breite und
einer Schichtdicke nach dem Trocknen von ca. 150 P angrenzt. Die Platten werden
im Trockenkanal für etwa 10 min bei 1500C getrocknet.
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d) Die nach c) erhaltenen beschichteten Glasplatten werden in Plattengestelle
eingebracht, dann in eine Wanne, die 20 l einer 10 %igen Lösung von Methyloctadecyldichlorsilan
in Dichlormethan enthält, für 30 min getaucht und anschließend 12 h an der Luft
getrocknet. Die getrockneten Platten werden dreimal für je 30 min in eine Mischung
aus Dichlormethan und Toluol im Volumenverhältnis 1:1 getaucht, dann 12 h an der
Luft getrocknet, 30 min in eine Mischung aus Methanol und Wasser im Volumenverhältnis
1:1 getaucht, dann an der Luft getrocknet.
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Anwendungsbeispiele Beispiel A Auf die Konzentrierungszone der nach
dem Herstellungsbeispiel erhaltenen Platten werden je 100 nl von 0,05 %igen Lösungen
der KW-Stoffe I bis VI in Chloroform/Methanol (1:1, v/v) aufgetragen: ( = je 50
ng).
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Zusätzlich werden 100 nl eines Gemisches der KW-Stoffe I bis V aufgegeben.
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Die Entwicklung erfolgt in einer Normalkammer ohne Kammersättigung
mit Acetonitril bis zu einer Laufhöhe von 7 cm oberhalb der Grenzlinie der Konzentrierungszone.
Nach der Entwicklung weisen die KW-Stoffe folgende hRf-Werte auf:
| Einzelsubstanz hRf |
| I 49,6 |
| II 34,6 |
| III 34,1 |
| IV 29,6 |
| V 21,3 |
| VI 22,9 |
| Substanz im Gemisch hRf |
| I 49,9 |
| II + III 33,4 |
| IV 28,6 |
| -V 21,1 |
Beispiel B Man arbeitet analog Beispiel A, verwendet jedoch Äthanol an Stelle von
Acetonitril als Fließmittel. Nach der Entwicklung weisen die KW-Stoffe folgende
hRf-Werte auf:
| Einzelsubstanz hR£ |
| I 56,9 |
| II 44,3 |
| III 44,1 |
| IV 40,6 |
| -V 34,4 |
| VI F 35,1 |
| Substanz im Gemisch hRf |
| - I 54,-7 |
| II + III 44,3 |
| IV 41,3 |
| V 34,1 |
Beispiel C Man arbeitet analog Beispiel A, verwendet jedoch Methanol als Fließmittel.
Nach der Entwicklung weisen die KW-Stoffe folgende hRf-Werte auf:
| Einzelsubstanz hRf |
| I 33,3 |
| II 24,6 |
| III 24,3 |
| IV 21,4 |
| V 15,7 |
| VI 16,6 |
| Substanz im Gemisch hRf |
| I 32,9 |
| II + III 25,7 |
| IV 21,9 |
| V 16,0 |
Beispiel D Man arbeitet analog Beispiel A, verwendet jedoch als Fließmittel ein
Fropanol-(2)-Wasser-Gemisch (Volumenverhaltnis 1:1). Nach der Entwiclung weisen
die KW-Stoffe folgende hRf-Werte auf:
| Einzelsubstanz hRf |
| I 38,6 |
| II - 25,4 |
| III 25,0- |
| IV 22,9 |
| V 17,4 |
| VI 17,1 |
| Substanz im Bemisch hRf |
| I 38,6 |
| II + III 23,1 |
| IV 22,0 |
| V 15,7 |