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Eine schnelle Säule für die Umweltanalytik

Die neue Shim-C18-PAH Säule bietet exzellente und schnelle Ergebnisse für PAK-Analysen

Dr. Carola ThieringShimadzu Europa GmbH

Was haben Gummienten, Grillfleisch und Autoreifen gemeinsam? Alle gehören zu unserem Alltag und alle können polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) enthalten. Und das birgt Risiken. Denn PAK sind in der Umwelt kaum abbaubar und können zudem bei zu hoher Konzentration gesundheitsschädlich sein. Daher ist eine strikte Einhaltung von Grenzwerten besonders wichtig. Die neue Shim-C18-PAH Säule ermöglicht eine schnelle und präzise Analyse – und findet Rückstände von PAK selbst in kleiner Konzentration.

PAK sind ein Risiko für die menschliche Gesundheit. Viele von ihnen sind krebserregend, verändern das Erbgut und gefährden gar die Fortpflanzung. Außerdem sind sie in der Umwelt kaum abbaubar.[1] Die U.S. Environmental Protection Agency (EPA) hat insgesamt 16 PAK als „prioritäre Schadstoffe“ (Englisch: priority pollutants) eingestuft.[2] Daher sind PAK-Analysen von immenser Bedeutung.

Die Shim-C18-PAH Säule, spezialisiert auf die Messung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK, Englisch: polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)), ergänzt seit Kurzem das Shimadzu LC-Säulen-Portfolio.

Exposition unvermeidlich

Die gefährlichen PAK sind praktisch allgegenwärtig. Sie entstehen bei jeglichen Verbrennungsprozessen – hauptsächlich in der Industrie, doch auch bei offenen Feuern wie etwa Bränden, offenen Feuerstellen oder beim Rauchen – und können so durch die Atmung aufgenommen werden. Aber nicht nur das: Die PAK gelangen auch ins Wasser und in den Boden und verteilen sich dort weiter. Im Alltag nehmen wir sie über die Nahrung auf beim Verzehr von geräucherten und gegrillten Lebensmitteln. Darüber hinaus sind PAK oftmals in Produkten aus Gummi und Plastik oder Produkten aus der Raffinerie enthalten, wie z. B. Autoreifen, Dachpappe, Straßenbelägen und sogar in Kinderspielzeug wie Badeenten.[1] Da wir einer Exposition kaum entgehen können, ist die PAK-Analytik immens wichtig, um die Umweltbelastung durch PAK zu kontrollieren.

Sinnvoll für die Analyse: spezielle PAK-Säulen

Die Shim-C18-PAH Säule ist speziell für die anspruchsvolle PAK-Analyse konzipiert und bietet daher einige Vorteile im Vergleich zu den konventionellen C18-Säulen, wie der bisher empfohlenen Shim-pack GIS C18-P. Diese Säule liefert ebenfalls gute Ergebnisse, jedoch ist die GIS C18-P mit 500 bar nicht so druckstabil wie die Shim-C18-PAH (600 bar). Sie bietet somit weniger Möglichkeiten für die Analyse und die Analysenzeit für PAK ist zudem länger.

Shim-C18-PAH ermöglicht eine schnellere Analyse bei gleichzeitig sehr guter Auflösung – kurz: Sie spart Zeit. Ein wichtiger Faktor vor allem für Anwender, die PAK-Routine-Analysen durchführen.

Abbildung 1: Strukturen mit Namen und Peak-Nummerierung der untersuchten 18 PAK.

Die Kombination aus dem verwendeten UFLC-Nexera-X3-System und der hochwertigen Shim-C18-PAH zusammen mit den besten Detektionseigenschaften des Fluoreszenzdetektors bietet Shimadzu einen Wettbewerbsvorteil in diesem Segment und den Anwendern ein hochwertiges PAK-Komplettpaket. Unsere Lösung zur PAK-Analytik ermöglicht eine der schnellsten PAK-Analysen mit höchster Auflösung und Empfindlichkeit auf dem Markt.

Spezifikationen der Shim-C18-PAH

Der US Pharmacopeia (USP) Code 118 steht für „wässrig polymerisierte C₁₈-Gruppen auf Kieselgelpartikeln, 1,2 bis 5 µm Durchmesser“. Dadurch, dass die C18-Gruppen polymerisiert sind, liegen die einzelnen C18-Ketten näher beieinander. Dadurch können planare und nicht planare Strukturen besser voneinander getrennt werden. Die Säule zeichnet sich also durch eine erhöhte sterische Selektivität aus. Dies ist von Vorteil bei der PAK-Analytik, da die Substanzen Unterschiede in der Planarität aufweisen.

Phase	C18, Octadecylsilan (ODS), modifiziert
USP-Code	L 118
Partikelgröße	3 µm
Empfohlene Applikationen	PAHs (EPA) und EU-Regulation (EC) No 1881/2006
Gebundene Phase	C18 (modifiziert)
Oberfläche	340 m²/g
Kohlenstoffgehalt	proprietär
Endcapping	ja
pH-Bereich	2,0–8,0
Porengröße	11 nm
Max. Temperatur	60 °C (Phosphatpuffer: 40 °C)
Max. Druck	600 bar

Tabelle 1: Spezifikationen und Charakteristika der Shim-C18-PAH

Shim-C18-PAH im Qualitätstest

Um die Trennungsqualitäten der Shim-C18-PAH zu demonstrieren, wurde eine PAK-Standardmischung aus den 16 als „primäre Schadstoffe“ eingestuften PAK und 2 zusätzlichen, kritischen PAK ausgewählt (Abb. 1). Die Analyse dieser 18 PAK auf der Shim-C18-PAH erfolgte mit zwei verschiedenen Säulendimensionen mittels eines Shimadzu LC-40-X3-Systems.

Die Konzentration aller PAK in den Proben, detektiert mit der Photodiodenzeile (PDA-Detektor), beträgt 2 µg/ml und die der PAK in der Probe für die Fluoreszenzdetektion 10 µg/l. Die analytischen Bedingungen, Systemparameter und der Gradient für die Analysen mit der PDA sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 4 zeigt den Gradienten und die Parameter für die Messungen mit dem Fluoreszenzdetektor (Ex: Anregungswellenlänge, Em: Emissionswellenlänge).

P/N	Beschreibung	Partikelgröße	Länge	I.D.
961-18002	Shim-C18-PAH	3 µm	100 mm	4,0 mm
961-18001	Shim-C18-PAH	3 µm	150 mm	2,0 mm

Tabelle 2: Das Portfolio der Shim-C18-PAH umfasst zwei Säulendimensionen

Abbildung 2: Shim-C18-PAH P/N 961-18002; 3 µm; 100 x 4,0 mm ID.

Messparameter und Methoden

Säulen:	Shim-C18-PAH (3 µm; 150 mm x 2,0 mm I.D.) Shim-C18-PAH (3 µm; 100 mm x 4.0 mm I.D.)
Mobile Phase:	Water and Acetonitrile (ACN)
Ofentemperatur:	40 °C
Injektionsvolumen:	1 µL
Detektion:	PDA (254 nm) und Fluoreszenz

Shim-C18-PAH 100 mm x 4,0 mm I.D., 3 µm; P/N 961-18002		Shim-C18-PAH 150 mm x 2,0 mm I.D., 3 µm; P/N 961-18001
Flussrate: 2,0 mL/min		Flussrate: 0,8 ml/min
Gradient (für die PDA-Analyse):		Gradient (für die Fluoreszenzanalyse):
Zeit [min]	% ACN	Zeit [min]	% ACN
0	50	0	40
5	70	1	40
9,5	100	7	55
9,9	100	9,5	100
10,9	50	11	100
		12	40

Tabelle 3: Analytische Bedingungen: Systemparameter und Gradient für PDA

Shim-C18-PAH; 100 x 4,0 mm, 3 µm		Shim-C18-PAH; 150 x 2,0 mm, 3 µm
Zeit [min]	% ACN	Zeit [min]	% ACN
0	40	0	40
5	60	1	40
9,5	100	6	55
9,9	100	9	90
10,9	40	12	100
		13	100
		13,01	40
Zeit [min]	Wellenlänge [nm]	Zeit [min]	Wellenlänge [nm]
0,01	Ex: 260 Em: 350	0,01	Ex: 260 Em: 350
5,5	Ex: 260 Em: 420	7,07	Ex: 260 Em: 420
5,9	Ex: 285 Em: 440	7,62	Ex: 285 Em: 440
6,3	Ex: 260 Em: 420	7,84	Ex: 260 Em: 420
9,4	Ex: 305 Em: 495	10,92	Ex: 305 Em: 495

Tabelle 4: Analytische Bedingungen: Gradient für die Messungen mit Fluoreszenzdetektion

Kurze Analysezeiten

Die Ergebnisse mittels PDA-Detektion für beide Säulendimensionen sind in den Abbildungen 3 bis 4 dargestellt. Das Chromatogramm mit der Säulendimension 3 µm; 100 x 4,0 mm zeigt eine Analysezeit von etwa 10 Minuten (Abb. 3). Alle Peaks sind mit guter Auflösung voneinander getrennt. Die Analysezeit für die Säulengröße 3 µm; 150 x 2,0 mm (Abb. 4) ist mit etwa 12 Minuten ebenfalls kurz.

Abbildung 3: Säule: Ergebnisse der PDA-Detektion mit Shim-C18-PAH; 3 µm; 100 x 4,0.

Abbildung 4: Säule: Ergebnisse der PDA-Detektion mit Shim-C18-PAH; 3 µm; 150 x 2,0.

Die PAK wurden auch mittels Fluoreszenzdetektion gemessen, da diese wesentlich sensitiver als die Detektion mit der PDA ist. Die dafür verwendeten Proben hatten eine Konzentration von 10 ppb. Diese geringe Konzentration ist für viele Richtlinien und Vorschriften zur PAK-Analyse wichtig. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 und 6 dargestellt, der Gradient sowie die wechselnden Anregungs- und Emissionswellenlängen sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Abbildung 5: Säule: Ergebnisse der Fluoreszenzdetektion mit Shim-C18-PAH; 3 µm; 100 x 4,0.

Abbildung 6: Säule: Ergebnisse der Fluoreszenzdetektion mit Shim-C18-PAH; 3 µm; 150 x 2,0.

Die Analyse mit der 100 x 4,0 mm ID-Säule (Abbildung 5) endet nach ca. 10 Minuten und die Analyse mit der 150 x 2,0 mm ID-Säule hat eine Analysenzeit von ca. 12 Minuten (Abbildung 6). Beide Chromatogramme mit Fluoreszenzdetektion zeigen für die 10-ppb-Probe gut getrennte Peaks mit einer sehr hohen Intensität, insbesondere im Vergleich zu den PDA-Ergebnissen. Die in Tabelle 4 angegebenen Wellenlängen wurden an die PAK angepasst, um eine bessere Empfindlichkeit für die Fluoreszenzdetektion zu erhalten. Acenaphthylen (Peak 2) ist nicht fluoreszierend und daher in den Ergebnissen mit Fluoreszenzdetektion nicht sichtbar.

Zusammenfassung

Die Shim-C18-PAH Säulen zeigen eine hervorragende Leistung für die PAK-Analyse mit PDA- und Fluoreszenzdetektion bei der Verwendung von verschiedenen Säulendimensionen. Die Analysezeiten sind kurz und alle 18 PAK werden gut voneinander getrennt. Mit der Fluoreszenzdetektion wurde eine hohe Empfindlichkeit erreicht, da alle PAK in einem Konzentrationsbereich von 10 ppb analysiert werden konnten.

Referenzen

Umweltbundesamt: PAH – Harmful to the environment! Toxic! Inevitable? January 2016
Appendix A to 40 CFR, Part 423-126: Priority Pollutant List 2014 (EPA)
EU commission regulation No 1881/2006; last addition: commission regulation No 2020/1255