Analytische Methoden zur Bestimmung toxikologisch relevanter Bestandteile

Substanzen entwickelt, mit dem es möglich ist, für Chemikalien eine Einstufung nach ihrem toxikologischen Schwellenwert durchzuführen. Er klassifiziert toxikologisch relevante Substanzen in 3 Klassen:

• Klasse 1 enthält Substanzen mit einer einfachen chemischen Struktur mit bekanntem Metabolismus und unschädlichen Endprodukten, die auf eine geringe orale Toxizität schließen lassen.

• Klasse 2 enthält Substanzen, die eine Zwischenposition einnehmen. Sie besitzen Strukturmerkmale, die weniger unschädlich sind als die der Klasse 1, jedoch

besitzen sie keine Strukturmerkmale die eine Toxizität wie die der Klasse 3 erwarten lassen.

• Klasse 3 enthält die Substanzen, die aufgrund ihrer chemischen Struktur nicht erwarten lassen, dass sie sicher sind und auf eine signifikante Toxizität schließen lassen.

Das EUROPEAN CHEMICALS BUREAU (ECB 2006) stellt die Software ToxTree zur Verfügung, die auf der Cramer-Klassifizierung beruht und mit der chemische Substanzen den einzelnen Klassen zugeordnet werden können.

In Verpackungsmaterialien sind vor allem PAA, BADGE und seine Derivate sowie Isocyanate als Substanzen der Klasse 3 toxikologisch von Bedeutung.

Epoxidharze, die auf BADGE basieren, haben eine niedrige akute Toxizität, obwohl BADGE in vitro mutagene Effekte zeigte, die jedoch in vivo nicht bestätigt werden konnten. Dies ist darin begründet, dass BADGE durch die in der Leber vorkommenden Epoxyhydrolasen zu BADGE•2H2O hydrolysiert und somit „entgiftet“ wird (BUNDESAMT FÜR GESUNDHEIT, 1997).

BADGE•2H2O wurde in einer Toxizitätsstudie an Ratten untersucht und erwies sich als kaum toxisch und im Ames-Test als nicht mutagen. Bestätigt wurde dieses Experiment in vitro durch Zugabe eines S19-Leberenzymmixes. In Anwesenheit des Enzyms wurde BADGE innerhalb weniger Minuten vollständig zu BADGE-Diol hydrolysiert (PETERSEN, 2002). Ob die beschriebene Entgiftung auch für die BADGE-Oligomere zutrifft, ist nicht zwangsläufig zu erwarten, da höhermolekulare Anteile mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr als Substrat für Epoxyhydrolasen in Betracht kommen. Isocyanate und PAA hingegen werden als krebserregend eingestuft (NIOSH 2005a und NIOSH 2005b, s. auch 2.3.1) und sind erwiesenermaßen auch in vivo toxisch.

3.2.1 Primäre aromatische Amine

Zur Bestimmung der PAA steht mit der Methode L 00.00-6 LMBG ein photometrisches Verfahren aus der Sammlung der §35 Methoden des LMBG zur Verfügung. Die PAA werden mit Natriumnitrit diazotiert und mittels N-(1-Naphthyl)-ethylendiaminhydrochlorid zu einem violetten Azofarbstoff umgesetzt und anschließend photometrisch bestimmt (AM 8, s. 10.3). Es handelt sich hierbei um ein Verfahren zur Erfassung der Summe an PAA’s.

3.2.2 BADGE und Derivate

Zur Analytik von BADGE und seinen verwandten Verbindungen werden, neben dem in dieser Arbeit verwendeten Verfahren von SCHÄFER et al. (2004a), eine Vielzahl von chromatographischen Verfahren verwendet (s. 1).

3.2.3 Isocyanate

Verschiedene Forschungsprojekte zur Analytik von Isocyanaten wurden seit den achtziger Jahren weltweit durchgeführt. Die meisten Methoden zur Analytik von Isocyanaten dienen der Messung der Luftbelastung. Im Gegensatz dazu beschäftigen sich nur wenige Methoden mit der Bestimmung von Isocyanaten in Verpackungsmaterialien für Lebensmittel. Diese Matrix erfordert jedoch mit einer Extraktion der Bedarfsgegenstände eine andere Probenaufarbeitung als bei Überprüfung der Luftkontamination. Isocyanate lassen sich nur nach Derivatisierung bestimmen. Zur Derivatisierung sind unterschiedliche Reagenzien etabliert, die unabhängig von der isocyanathaltigen Matrix eingesetzt werden können.

STEVENSON und McDONALD (1986) verwendeten 1-(2-Methoxyphenyl)-piperazin (MOPP, s.

Elektroneneinfang/UV-Detektor zur Analytik von MDI in Luft. Diese Methode wurde von BRORSON et al. (1990) für TDI, WU et al. (1991) für PI, NIOSH (1994) für HDI, TDI, MDI und Naphthylisocyanat (NI) und RUDZINSKI et al. (1997) für HDI-Monomere und –Oligomere verwendet. Teilweise erfolgt ein Vergleich mit anderen Derivatisierungsreagenzien und Analysenverfahren. So verwenden WU et al. (1999) erstmalig 1-(2-Pyridyl)-piperazin (PP, s. 4.2 Abb. 8) in der Analytik von Isocyanaten. Ein Verfahren unter Nutzung der RP-HPLC-FLD beschreiben WU et al. (1990) mit Tryptamin (Tra) als Derivatisierungsreagenz für Methylisocyanat (MIC), HDI, TDI und Polymethylenpolyphenylisocyanat (PMPPI) in der Matrix Luft und erzielen damit eine hohe Selektivität und Empfindlichkeit. SPANNE et al. (1996) führen Dibutylamin (DBA, s. 4.2 Abb. 8) in Kombination mit der RP-HPLC und UV-Detektion für die Analytik von TDI und MDI ein und machen sich die hohe Reaktivität von DBA zur Bestimmung komplexer Isocyanate zu Nutze. Das Verfahren ist jedoch für aliphatische Isocyanate nicht geeignet, da den Derivaten ein geeigneter Chromophor fehlt. Die Verwendung der RP-HPLC mit MSD und DBA erfolgt erstmals von TINNERBERG et al. (1996) für TDI und verwandte Verbindungen. TINNERBERG et al. (1997) beschreiben für Dipropylamin (DPA, s. 4.2 Abb. 8) und Diethylamin (DEA, s. 4.2 Abb. 8) eine signifikante Verkürzung der Retentionszeiten gegenüber DBA als Derivatisierungsreagenz. Die Anwendung von DBA als Derivatisierungsreagenz für ein RP-HPLC-MSD-Verfahren für aliphatische Isocyanate erfolgt von KARLSSON et al. (1998) für HDI, IPDI sowie die auf HDI basierende Biuret- und Isocyanuratverbindung. Bei diesem Verfahren wird der Reagenzüberschuss des flüchtigen DBA entfernt und ein Qualifier für das Derivatisierungsreagenz und Harnstoffaddukt beschrieben.

KUCK et al. (1999) verwenden ein RP-HPLC-Verfahren mit UVD und vergleichen anhand von HDI, TDI und PI aus Luft u.a. die Derivatisierungsreagenzien PP, DBA, MOPP und Nitroreagenz C (1-(4-Nitrophenyl)-piperazin, Nitro-C).

Eine direkte Übertragung der Verfahren, die teilweise erfolgreich zur Bestimmung von Isocyanaten aus Luft beschrieben werden, auf Lebensmittelverpackungen ist nicht möglich, da die Verfahren zur Anreicherung bei Lebensmitteln begrenzt sind und es zur Mitextraktion einer großen Anzahl weiterer Verpackungsbestandteile kommt. Dies hat sowohl Auswirkungen auf die Empfindlichkeit als auch die Selektivität der eingesetzten Verfahren.

Ein geeignetes Verfahren für die Analytik der monomeren Isocyanate MDI, HDI, CHI, PI, IPDI, TDI, TDI-Dimer, NDI aus Lebensmittelverpackungen wird von DAMANT et al. (1995) unter Verwendung der RP-HPLC-FLD und 9-(Methylaminomethyl)anthracen (MAMA) als Derivatisierungsreagenz sowie NI als internem Standard (IS) beschrieben. Dieses Verfahren wurde auch von LAU und WONG (2000) verwendet und ist die Grundlage für die Methode nach DIN EN 13130-8 (2004), welche bisher als einzige routinemäßige Methode in der Praxis der Analytik von Lebensmittelverpackungen zur Anwendung kommt.

In einigen Verfahren werden Isocyanate in Form ihrer korrespondierenden Amine bestimmt, in die sie durch Reduktion überführt werden (BRORSON et al., 1990, LAWSON et al., 1996). Die mittels GC getrennten Isocyanate werden nach Derivatisierung mittels MSD erfasst.

Hauptsächlich erfolgt in diesen Methoden die Bestimmung spezifischer Isocyanate aus Luft (BRORSON et al., 1990, TINNERBERG et al. 1996, KARLSSON, 1998b). BRAUER und FUNKE (2002) verwenden zur qualitativen Absicherung von Isocyanaten aus Verpackungen ein gaschromatographisches Verfahren bei dem die Isocyanate mit MAMA derivatisiert werden und mittels GC-MSD und Einzelionenüberwachung (Single Ion Monitoring, SIM) analysiert werden.

Das von ELLENDT et al. (2003) beschriebene Verfahren zur Bestimmung von Isocyanaten mittels GC-MSD erfolgt hingegen ohne Derivatisierung der Isocyanate und dient zur Absicherung der zuvor mittels einer auf 13 Isocyanate erweiterten Methode nach DIN EN 13130-8 (2004b) bestimmten Isocyanate. Das als Referenzverfahren für die Bestimmung von Isocyanaten in Luft verwendete Verfahren wurde von LIND et al. (1996) für die Bestimmung in Urin und Plasma eingesetzt. Von großer Bedeutung ist aufgrund der toxikologischen Relevanz die Gesamtisocyanatbestimmung, die in einigen Methoden erprobt und teilweise als erfolgreich dargestellt wird (ROH et al., 2000). Bisher wurde sie jedoch nur bei der Matrix Luft eingesetzt.

Die Identifizierung von Isocyanaten mit unbekannter Struktur wird dagegen in keiner der Methoden erwähnt, eine Voraussetzung zu dieser Art von Identifizierung ist eine Untersuchung mittels HPLC-ESI-MSD.

Die Methode nach DIN EN 13130-8 (2004) zur Bestimmung von Isocyanaten in Kunststoffen verwendet MAMA als Derivatisierungsreagenz. Es handelt sich um ein HPLC-Verfahren mit FLD. Die Methode ist durch ihren 3-stufigen Aufbau sehr aufwendig. Nach einer Lösemittelextraktion mit Dichlormethan und gleichzeitiger Derivatisierung mit MAMA und NI zur Kontrolle einer erfolgreichen Derivatisierung, wird in einer ersten Stufe auf Isocyanate gescreent. Bei positiven Isocyanatnachweis erfolgt in einer zweiten Stufe die Quantifizierung mittels Standardaddition. Die Bestätigung muss in einer dritten Stufe auf einer HPLC-Säule mit unterschiedlicher Polarität erfolgen.

Diese Methode ist nicht geeignet für oligomere Isocyanate oder Isocyanate mit unbekannter Struktur, da sie nur einen FLD verwendet und das Vorhandensein von Standardsubstanzen für eine Quantifizierung im Rahmen des Standardadditionsverfahrens voraussetzt. Ferner können oligomere Isocyanate, die einen Hauptteil von handelsüblichen Verpackungen ausmachen, sowie andere Verpackungsbestandteile, die mit MAMA reagieren, die Bestimmung stören. Eine Absicherung mittels MSD ist bei der Methode nach DIN EN 13130-8 (2004) nicht möglich, da der verwendete Triethylammoniumphosphatpuffer das ESI-Interface des MSD kontaminiert.

Um die Nachteile dieses Verfahrens zu umgehen musste eine geeignete Methode für ein Screening, welches auch für oligomere Isocyanate geeignet ist, bei gleichzeitiger Möglichkeit

Für die Bestimmung des Gesamtisocyanatgehalts steht die Methode nach DIN EN ISO 11909 (1998, s. 10.3 AM 9) zur Verfügung. Die Isocyanate werden hierbei mit einem Überschuss an Dibutylamin im wasserfreien Medium (Toluol) versetzt und der Überschuss an Dibutylamin mit Salzsäure gegen einen Farbindikator zurücktitriert.

3.3 Biologische Verfahren zur Beurteilung der Toxikologie von