Die analytische Erfassung von Isocyanaten

Es wurde ein Trennsystem für die 7 gebräuchlichsten und mit Grenzwert belegten Diisocyanate HDI, IPDI, 2,4-TDI, 2,6-TDI, 2,4`-MDI, 4,4`-MDI und CHI, sowie für die 4 weiteren Diisocyanate 1,4-CHDI, 1,3-PDI, 1,4-PDI und XDI und das Monoisocyanat PI, die im Endprodukt nicht mehr nachweisbar sein dürfen, unter Verwendung des internen Standards NI entwickelt. Durch die Verwendung des MSD ist es nicht nur möglich eine selektive Absicherung der o.a. Isocyanate zu ermöglichen, sondern zusätzlich, durch eine Screening-Option auf die für Isocyanatderivate selektiven Fragmente, sowohl weitere nicht im Standard enthaltende monomere als auch oligomere Isocyanate detektieren zu können. Zudem ist es möglich durch Verwendung eines zweiten Derivatisierungsreagenzes, unbekannte Isocyanate hinsichtlich ihrer Anzahl an NCO-Gruppen zu charakterisieren und ggf. zu identifizieren.

Mit Ausnahme der Substanzen 2,4-TDI und 1,3-PDI konnte, in einer für die Routineanalytik vertretbaren Zeit, eine Basislinientrennung erreicht werden.

Bisher in der Analytik von Lebensmittelverpackungen beschriebene Methoden basieren alle auf einer Derivatisierung mit MAMA und anschließender Bestimmung mittels HPLC-FLD (DAMANT et al. 1995, LAU und WONG 2002, ELLENDT et al. 2003, DIN EN 13130-8, 2004b). Die Anzahl der identifizierbaren Isocyanate variiert von 6 bis 13. Lediglich ELLENDT et al. (2003) beschreiben ein Verfahren mittels GC-MSD, bei dem 14 Isocyanate identifiziert werden können.

Das Verfahren dient nur zur Absicherung der zuvor mittels HPLC-FLD gefundenen Isocyanate.

Die Methode mittels MAMA ist sehr zeit- und arbeitsintensiv. Eine direkte Kopplung des Verfahrens mit einem MSD ist nicht möglich. Zur Absicherung mittels GC-MSD muss eine zusätzliche Aufarbeitung erfolgen. Eine Screening-Option auf unbekannte monomere oder sogar oligomere Isocyanate besteht bei den bisher in der Analytik von Lebensmittelver-packungen angewandten Methoden nicht.

Der MSD kam für eine Quantifizierung und Validierung nicht in Betracht, da die während der Optimierung der Detektion beobachteten Schwankungen im Signal-Rausch-Verhältnis zu schlechteren Verfahrenskenndaten führten als dies bei Verwendung des FLD der Fall ist.

Zudem wird ein MSD in der Routineanalytik i. d. R. derzeitig nur eingesetzt, wo es keine Alternativen gibt, da er kosten- und personalintensiver ist als ein FLD.

Das entwickelte Trennsystem erwies sich als sehr robust im Hinblick auf Temperatur- und pH-Wert-Einflüsse. Ein Arbeiten unter Lichtausschluss, wie dies bei Verwendung von MAMA notwendig ist, entfällt. Der große Einfluss der Elutionsmittelzusammensetzung auf die Retenti-onszeiten, wie er auch in der DIN-Methode beschrieben ist, lässt sich durch Verwendung moderner Pumpen verhindern und durch den mitgeführten IS NI über die relativen Retenti-onszeiten kontrollieren.

NI bietet sich als IS an, da es nicht in Verpackungen zu erwarten ist und mittels FLD, UVD und MSD detektiert werden kann. Eine Quantifizierung über den IS, wie er in der Methode nach DIN praktiziert wird, ist jedoch Bei Verwendung von PP als Derivatisierungsreagenz, nicht als sinnvoll zu erachten, da NI ein nicht mit allen anderen untersuchten Isocyanaten identisches FL-Detektionsverhalten aufweist. TINNERBERG et al. (1997) verwenden NDI als IS, was bei der Analytik in Luft möglich, aber auf Grund des Vorkommens in Verpackungen hier nicht in Betracht gezogen wurde.

Durch die Option der direkten Kopplung der HPLC-FLD mit dem MSD ist zudem eine unabhängige Identifizierung der Analyte von der Retentionszeit, wie sie auch bei TINNERBERG et al. (1996) und KARLSSON et al. (1998a und 1998b) unter Verwendung einer HPLC-UVD/MSD-Kopplung beschrieben wurde, möglich. Die eindeutige Identifizierung erfolgt im Rahmen dieser Arbeit über die charakteristischen Fragmente des Reagenzes PP, des Harnstoffadduktes und bei Bedarf über substanzspezifische Qualifier.

Verschiedene Forschungsgruppen hatten sich bereits mit den für Isocyanate geeigneten Derivatisierungsreagenzien und deren Reaktivität beschäftigt. Obwohl die meisten Verfahren für isocyanathaltige Luft als Probenmatrix entwickelt wurden, konnten einzelne Parameter der verschiedenen Methoden übertragen werden. Hierzu zählte vor allem die Auswahl eines geeigneten Derivatisierungsreagenzes. Bei der Untersuchung der unterschiedlich derivatisierten Isocyanate waren neben der Reaktivität jedoch auch andere Eigenschaften bezüglich der chromatographischen Trennung der Derivate und der Möglichkeit ihrer Detektion entscheidende Faktoren. Hierbei handelte es sich um spezifische MS-Fragmente, die MS-Response, das Elutionsverhalten der Derivate, sowie die Möglichkeit oligomere Isocyanate in die Analytik integrieren zu können.

Die MS-Detektion der Derivate zeigte die charakteristischen Fragmente für die Derivatisierungsreagenzien PP und DEA und einige andere Reagenzien sowie für das jeweilige Harnstoffaddukt. Diese waren für das NCO-spezifische Screening notwendig und bereits von KARLSSON et al. (1998a und 1998b) für die Isocyanat-DBA-Derivate untersucht worden. Es ergab sich hierbei eine gute Übereinstimmung mit den von KARLSSON et al. (1998b) dargestellten Detektionsmustern. So zeigten sich für alle untersuchten Diisocyanate die charakteristischen Molekülionen bzw. Molekülcluster, die substanzspezifischen und harnstoff-spezifischen Fragmente, sowie die reagenzharnstoff-spezifischen Qualifier, die ebenfalls bei KARLSSON et al. (1998b) für Isocyanat-DBA-Derivate beschrieben sind. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit noch ein weiteres reagenzspezifisches Fragment für PP (m/z 121) sowie ein weiteres, für jedes einzelne Diisocyanat-PP-Derivat spezifisches Molekülion (M+2H+/2) gefunden. Die übrigen untersuchten Derivatisierungsreagenzien erwiesen sich als wenig geeignet, da ihnen entweder, wie bei Nitro-C, MAMA, MOPP und Tra die notwendigen Qualifier für eine MS-Detektion fehlten

Retentionszeit zu lang wurde, wie bei Nitro-C, DBA, DPA und MAMA. Einer Verlängerung der Retentionszeit konnte nur bedingt durch eine Erhöhung des Anteils an Acetonitril entgegengewirkt werden, da dadurch die Gefahr einer Koelution mit lipophilen Substanzen aus der Verpackung stieg. Dieses Problem bestand bei SPANNE et al. (1996) nicht, die bereits die Bestimmung komplexer Isocyanate aus Luft mit DBA beschreiben.

Das Molekulargewicht des Derivatisierungsreagenzes musste möglichst gering sein, um höhermolekulare Isocyanate noch detektieren zu können. PP ist mit seinem Molekulargewicht von 163 g/mol noch gerade geeignet, während MAMA mit einem Molekulargewicht von 221 Da für die Detektion der höhermolekularen Isocyanate nicht mehr in Betracht kam. Für DEA als zweites Derivatisierungsreagenz beschreiben bereits TINNERBERG et al. (1997) die Möglichkeit, MDI-Isomere mit bis zu 6 Phenylringen detektieren zu können, während bei Verwendung von DBA nur MDI-Isomere mit 4 Phenylringen detektiert werden konnten.

Während bei der Analytik der Isocyanate aus Luft Angaben zur Selektivität gegenüber Aminen, Ethanol, Phenol, Anilin und Wasser existieren (SPANNE et al., 1996, TINNERBERG et al., 1996), wurden in dieser Arbeit erstmalig Angaben zur Selektivität gegenüber Substanzen, die in Lebensmittelverpackungen vorkommen, gemacht. Das Epoxid BADGE·1H2O, welches identisch wie die Isocyanate aufgearbeitet und untersucht wurde, reagierte analog zu den Isocyanaten mit den Derivatisierungsreagenzien und zeigte sowohl fluoreszierende Eigen-schaften, als auch die spezifischen Qualifier für das jeweilige Derivatisierungsreagenz. Der charakteristische Qualifier für das Harnstoffaddukt fehlte jedoch, so dass dieses Verfahren bezüglich epoxidhaltiger Verpackungen hinreichend selektiv ist.

Das Extraktionsmittel Dichlormethan und der Lösungsvermittler DMF, die sich bereits bei DAMANT et al. (1995) bewährt hatten, zeigten sich im Vergleich mit möglichen Alternativen als optimale Substanzen.

Der Summengrenzwert für Isocyanate von 1 mg/kg Verpackungsmaterial wird aus der Summe der einzelnen zugelassenen Isocyanate ermittelt. Will man jedoch den Gesamtisocyanatgehalt unter Einbeziehung der höhermolekularen und unbekannten Isocyanate ermitteln, ist für die Quantifizierung die Proportionalität der Fluoreszenzintensität zur Anzahl der NCO-Gruppen von großer Bedeutung. Im Gegensatz zu WU et al. (1990), die ein Verfahren mittels FLD und amperometrischer Detektion unter Verwendung von Tra als Derivatisierungsreagenz verwendeten und eine Proportionalität zwischen der Anzahl der NCO-Gruppen und der Fluoreszenzintensität beschreiben, war diese beim vorliegenden Verfahren nicht gegeben.

Bereits STREICHER et al., die MOPP als Derivatisierungsreagenz und eine Kombination aus Elektroneneinfangdetektor und UVD verwendeten, beschreiben diese fehlende Proportionalität.

Im vorliegenden Verfahren konnte jedoch jeweils für aromatische und nichtaromatische Isocyanate eine weitgehende Proportionalität nachgewiesen werden, so dass unter

Berücksichtigung eines vertretbaren Fehlers eine Summenbestimmung auch ohne substanz-spezifische Quantifizierung möglich ist.

Durch die Kombination zweier Derivatisierungsreagenzien in Kombination mit einem MSD ist es erstmalig möglich bei ausreichender Konzentration der Substanzen die Anzahl freier Isocyanat-gruppen bei unbekannten Isocyanaten in einer routinetauglichen Methode zu bestimmen und mögliche oligomere Isocyanate zu postulieren.

Bei Proben mit einem hohen Anteil an oligomeren Isocyanaten lässt sich durch Anpassung des Gradienten eine Verbesserung der Trennung erreichen. Die Verfahrenskenndaten sind vergleichbar mit denen der DIN-Methode.

Die umfangreichen Arbeiten zur Auswahl eines geeigneten Derivatisierungsreagenzes, die Anpassung an die Detektion mittels FLD und MSD, die einfache Aufarbeitung der Proben und die gute chromatographische Trennung führten zu einem robusten, selektiven und validen Verfahren, welches sich als routinetauglich erwiesen hat und gegenüber den bisher verwendeten Verfahren Vorteile für die Untersuchung von monomeren Isocyanaten besitzt, sowie die Untersuchung von oligomeren Isocyanaten aus Lebensmittelverpackungen erstmalig ermöglicht.

8.2 Die analytische Untersuchung von Rohstoffe für Lebensmittelverpackungen