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Int. Arch. Arbeitsmed. 31, 1--8 (1973) by Springer-Verlag 1973 Chronische L6sungsmittelbelastung am Arbeitsplatz I. Gaschromatographische Bestimmung von Benzol und Toluol in der Luft und im Dampfraum yon Blutproben J. Angerer, D. Szadkowski, A. Manz, R. Pert und G. Lehnert Zentralinstitut fiir Arbeitsmedizin der Gesundheitsbeh6rde der Freien und Hanse- stadt Hamburg (Direktor: Prof. Dr. reed. G. Lehnert) Eingegangen am 25. September 1972 / Angenommen am 8. November 1972 Occupational Chronic Exposure to Organic Solvents I. Gas Chromatographic Determination of Benzene and Toluene in Air and in the Vapour Phase of Blood Samples Summary. With regard to the hygienic risk of workers chronically exposed to organic solvents the estimation of xenometabolically produced substances is now and then insufficient. Sometimes it may be necessary to determine the organic solvents themselves in biological materials, especially in blood. However, the methods now available are too insensitive to detect lower concentrations. To complete the diagnostic program in the health supervision of workers exposed to lower concentrations of benzene and toluene gas chromatographic methods for the determination of these substances in air and in blood are presented. The time- sparing analysis of blood samples is basing on the head space technic. The total retention time for benzene is 1.2 rain, that of toluene is 2.0 rain. There is no disturb- ing background in the gas chromatograms, neither for benzene nor toluene. The accuracy expressed as the recovery amounts to about 100~ . The precision (v = 1.5 to 4.1%) is satisfactory. The detection limits for the two organic solvents are very low both in air and in blood. So the method is suited for the health supervision even of low exposed persons. Zusammen/assung. Unter dem Aspekt einer Prgvention beruflieh bedingter Gesundheitssehiiden dureh eine Langzeitexposition gegeniiber subtoxisehen Kon- zentrationen organiseher L6sungsmittel werden gasehromatographisehe 1Ketboden zur quantitativen Bestimmung yon Benzol und Toluol in Luft- und Blutproben vorgestellt. Die Blutanalyse bedient sich dabei des Verfahrens der sogenannten Dampfraum~nalyse. Bei Bruttoretentionszeiten yon 1,2 rain fiir Benzol und 2 rain fiir Toluol lassen sich die untersuchten aromatisehen L6sungsmittel frei yon st6ren- den Substanzen erfassen. Eine hohe analytisehe Zuverl~issigkeit und sehr geringe Nachweisgrenzen ermSgliehen die arbeitsmedizinisehe tSberwachung aueh gering Exponierter. Der Arbeitsaufwand ist minimal, so dag sich das Verfahren auch fiir die routinemM3ige Serien~nalyse eignet. Organisehe L6sungsmittel bedingen in der Bundesrepublik gegen- w~trtig etwa 20% allcr dutch chemische Noxen hcrvorgerufenen, ent- sch/idigungspflichtigen Bcrufskrankheiten. Die Dunkelziffer subklinischer 1 Int. Arch. Arbeitsmed., Bd. 31

Chronische Lösungsmittelbelastung am Arbeitsplatz

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Int. Arch. Arbeitsmed. 31, 1--8 (1973) �9 by Springer-Verlag 1973

Chronische L6sungsmittelbelastung am Arbeitsplatz I. G a s c h r o m a t o g r a p h i s c h e B e s t i m m u n g v o n Benzo l und Toluo l

in der L u f t und im D a m p f r a u m yon B l u t p r o b e n

J . Angerer , D. Szadkowski, A. Manz, R. Per t und G. Lehner t

Zentralinstitut fiir Arbeitsmedizin der Gesundheitsbeh6rde der Freien und Hanse- stadt Hamburg (Direktor: Prof. Dr. reed. G. Lehnert)

Eingegangen am 25. September 1972 / Angenommen am 8. November 1972

Occupat ional Chronic Exposure to Organic Solvents

I. Gas Chromatographic Determination of Benzene and Toluene in Air and in the Vapour Phase of Blood Samples

Summary. With regard to the hygienic risk of workers chronically exposed to organic solvents the estimation of xenometabolically produced substances is now and then insufficient. Sometimes it may be necessary to determine the organic solvents themselves in biological materials, especially in blood. However, the methods now available are too insensitive to detect lower concentrations.

To complete the diagnostic program in the health supervision of workers exposed to lower concentrations of benzene and toluene gas chromatographic methods for the determination of these substances in air and in blood are presented. The time- sparing analysis of blood samples is basing on the head space technic. The total retention time for benzene is 1.2 rain, that of toluene is 2.0 rain. There is no disturb- ing background in the gas chromatograms, neither for benzene nor toluene. The accuracy expressed as the recovery amounts to about 100~ . The precision (v = 1.5 to 4.1%) is satisfactory. The detection limits for the two organic solvents are very low both in air and in blood. So the method is suited for the health supervision even of low exposed persons.

Zusammen/assung. Unter dem Aspekt einer Prgvention beruflieh bedingter Gesundheitssehiiden dureh eine Langzeitexposition gegeniiber subtoxisehen Kon- zentrationen organiseher L6sungsmittel werden gasehromatographisehe 1Ketboden zur quantitativen Bestimmung yon Benzol und Toluol in Luft- und Blutproben vorgestellt. Die Blutanalyse bedient sich dabei des Verfahrens der sogenannten Dampfraum~nalyse. Bei Bruttoretentionszeiten yon 1,2 rain fiir Benzol und 2 rain fiir Toluol lassen sich die untersuchten aromatisehen L6sungsmittel frei yon st6ren- den Substanzen erfassen. Eine hohe analytisehe Zuverl~issigkeit und sehr geringe Nachweisgrenzen ermSgliehen die arbeitsmedizinisehe tSberwachung aueh gering Exponierter. Der Arbeitsaufwand ist minimal, so dag sich das Verfahren auch fiir die routinemM3ige Serien~nalyse eignet.

Organisehe L6sungsmit te l bedingen in der Bundesrepubl ik gegen-

w~trtig etwa 20% allcr du tch chemische Noxen hcrvorgerufenen, ent-

sch/idigungspflichtigen Bcrufskrankhei ten. Die Dunkelziffer subklinischer

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2 J. Angerer et al. :

L6sungsmittelintoxikationen kann, gerade ftir die zahlreichen 16sungs- mittelverbrauchenden Kleinbetriebe, kanm abgeseh~tzt werden.

Um ffir die grol~e Zahl der in metallverarbeitenden Betrieben, Drucke- reien und anderen Industriesparten Beschs eine s befriedi- gende (~berwachnng zu garantieren, sind diagnostiseh valide und ana- lytiseh zuverl~ssige, dabei abet auch zeiteffektive Untersuchungsmetho- den erforderlieh. Die heute bei einer LSsungsmittelbelastung vielfaeh praktizierte Bestimmung xenometabolischer Produkte allein erlaubt h~u- fig keine ausreichend klare diagnostische Aussage. Ein qualitativer und quantitativer Schadstoffnachweis am Arbeitsplatz und im biologischen Material vermag hier das Untersuchungsreperto~re sinnvoll zu erweitern. Unter diesen Aspekten sollen in der vorliegenden Arbeit gasehromato- graphisehe Verfahren zur quantitativen Bestimmung aromatiseher L6- sungsmittel, insbesondere yon Benzol und Toluo], in Luft- und Blut- proben vorgestellt werden.

1. Methode

1.1. Bestimmung aromatischer LSsungsmittel in Raum- und Ausatmungslu]t

Unter Arbeitspl~tzverh~ltnissen besteht h~ufig eine Exposition gegenfiber Ge- mischen yon LSsungsmitteln, die in ihrer chemischen Struktur oft ~hnlich sind, in ihrer Toxicit~t aber differieren. Die zur Absch~tzung des gesundheitlichen Risikos daher erforderliche Selektivit~t der verwendeten ana]ytischen Methode ]ii{~t sich in n~hezu optimaler Weise durch die Gaschromatographie erreichem Entnahme und gaschrom~tographische Aufarbeitung der Luftproben bereiten grunds~ttzlich keine technischen Schwierigkeiten. Die Erstellung yon Eichkonzentrationen der betref- fenden LSsungsmittel i~ Luft dagegen war bisher noch nicht befriedigend gelSst.

Die Entnahme der Raumlu/tproben erfo]gt mit Hilfe yon Gasm~usen (ca. 1000 ml Inhalt). Mit einer gasdichten Spritze (Fa. Hamilton) werden aus der Gasmaus durch einen zeitlichen, mit einem ]Ssungsmittelresisten- ten Septum verschlossenen Stutzen 50 fzl Luft zur Analyse entnommen und in das gaschromatographische System injiziert.

Ffir die Gewinnung von endexspiratorischen Lu]tproben eignen sich kleine G~sm~use (ca. 50 ml Inhalt), wie wit sie auch ffir die Bestimmung des Kohlenmonoxidgehalts der Alveolarluft verwenden. Die Vorteile ge- gentiber den iiblichen Verfahren werden andernorts beschrieben werden.

Die gaschromatographische Analyse erfolgt unter folgenden apparativen Bedingungen : Doppels~ulengaschromatograph Becket Delft 420, Doppel- Flammenionisationsdetektor, 4% Phenyl-SilikonS1 DC 550 auf Chromo- sorb-G AW-DMCS, 80 his 100 mesh (Stahlsi~ule 2 m L~nge, 3,5 mm ID), Injektortemperatur 160 ~ C, S~ulentemperatur 100 ~ C, Detektortemper~- fur 130~ Trs nachgereinigter Stickstoff, 40 ml/min, Brenngase: synthetische Luft 350 ml/min, nachgereinigter Wasserstoff 25 ml/min.

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Bestimmung yon Benzol und To]uol in Luft- and Blutproben 3

Abb. 1. Misehkammer zur Erstellung definierter Konzentrationen yon L6sungs- mitteld~mpfen oder yon Gasen in Luft

Ffir die Erstellung yon EicM~onzent~ationen der betreffenden LSsungs- mittel in Luft wurde die in Abb. 1 dargestellte Mischkammer konstruiert. Das LSsungsmittel wird in einen heizbaren Injektorblock dosiert, dort verdampft und durch Kolbendruck in die Mischkammer eingebracht. EJn explosionsgeschfi~zter Ventilator sorgt ffir eine gleichm&13ige Durch- mischung der Kammeratmosph~tre. Dutch Variation der ~njizierten LS- sungsmittelmenge lassen sich unter Berficksichtigung des konstanten Kammervolumens definierte L5sungsmittelkonzentrationen erzeugen. Die Eichluftproben werden wiederum mit gasdichten Spritzen durch ein Septum entnommen und wie Luftproben gaschromatograpkisch aufge- arbeitet.

Die Auswertung der Gaschromatogramme erfolgt an Hand der einfacher und sehneller zu messenden Peakh5hen, da ein Verg]eich yon Auswertun- gen nach PeakhShen und -fl/~chen bei der schmalbandigen Peakform (Abb. 2) keine praktisoh bedeutsamen Differenzen ergab.

1.2. Bestimmung aromatischer Lgsunysmittel im Blut

Unter pr~ventivmedizinisehen Gesichtspunkten ist anzustreben, dab im Blur bereits LSsungsmittelmengen erfal3t werden, die aueh bei chronischer Einwirkung noch nieht zu Gesundhei~ssch'~den fiihren. Es miissen daher bei einer beruflichen L6sungsmittelexposition Konzentra~ionen nachgewiesen werden, die um GrSl~en- ordnungen unter den in der forensischen Medizin anfallenden liegen. Zus~tzlich zu der oben geforderten weitgehenden Selektivit~t sind daher fiir die routinem~6ige

1"

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4 J. Angerer et al. :

Abb. 2. Gaschromatogramm eines Benzol-Toluol-Gemisches in Blur. Arbeitsbedin- gungen s. Text

Bestimmung von L6sungsmitteln im Blut neben einem geringen Arbeitsaufwand niedrige Naehweisgrenzen vorauszusetzen. Die sich unter diesen Gesiehtspunkten anbietende Gasehromatographie hat im Gegensatz zu anderen, nur ffir spezielle Probleme geeigneten Ana]ysenmethoden den Vorteil eines breiten Anwendungs- spektrums. Bisher in der Literatur besehriebene gaschromatographisehe Verfahren erreiehen die bei biologischem Material notwendig werdende Probenvorbereitung dutch Destillation, durch Extraktion in andere organische LSsungsmittel oder durch Abtrennung coagulierender Bestandteile auf einer Vors~ule (u. a. Butler u. Hill, 1961 ; Machata, 1962; Yokata et al., 1967 ; Szadkowski et al., 1971). Ffir eine arbeits- medizinische Pr~ventivdiagnostik sind diese Methoden teils wegen ihrer kompli- zierten Probenaufbereitung, teils wegen ihrer zu geringen Nachweisgrenzen jedoch ungeeignet.

Den Bedfirfnissen am n~ichsten kommt eine Technik, die zuerst yon amerika- nisehen Autoren (Buttery u. Teranishi, 1961; Mackay et al., 1961; Bassette et al., 1962; Teranishi et al., 1962) zur Analyse yon Geruchs-, Gesehmaeks- und Aroma- stiffen besehrieben wurde. Diese sog. head space-Analyse wurde sp~ter wegen ihrer offensichtliehen Vorteile yon Curry et al. (1962) und Maehata (1964) in die Gerichts- medizin zur Bestimmung yon fliichtigen Giften sowie insbesondere zur routine- m~Bigen Blutalkoholbestimmung eingefiihrt.

Die Dampfraumanalyse beruht auf dem Henry-Daltonschen Gesetz, naeh dem sich der Druek fiber einer L6sung additiv aus den Partialdriieken der einzelnen Komponenten in der L6sung zusammensetzt. Dabei sind die Partialdrtieke den Konzentrationen der einzelnen Komponenten in der L6sung proportional. Da im gesehlossenen System der Partialdruek einer Komponente seinerseits auBer yon der Konzentration nur noch yon der Temperatur abh~ngt, ist beim head space-Ver- fahren im Giiltigkeitsbereieh des Henry-Daltonsehen Gesetzes die Menge des Proben- materials ohne EinfiuB auf das Ergebnis der Dampfraumanalyse.

Die E n t n a h m e der Venenblut~robe (2 ml) erfolgt mi t einem EJnmal- besteck. Das Blur wird in eine mit 20 mg Ammoniumoxa la t versetzte Stechampulle injiziert u n d gut geschfittelt.

Zur Probenvorbereitung werden die gefiillten Stechampullen 2 Std bei 58~ im W/~rmeschrank inkubier t .

Fi ir die gaschromatographische A n a l y s e e n t n i m m t m a n dutch das Sep- turn der Stechampulle aus dem Dampf raum 50 ~1 Luft mi t einer vor-

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Besgimmung yon Benzol und Toluol in Luft- und Blutproben 5

gews gasdichten Spritze und injiziert die Probe in den Gas- ehromatographen. Die gasehromatographisehe Analyse erfolgt anter den oben f/Jr Luftproben besehriebenen apparativen Bedingungen.

Bei der Erstellung yon EichlSsungen wfl~d Vollblut mit Benzol und Toluol versetzt. Aus einer StammlSsung (100 F1 Benzol und 100 F1 Toluol auf 1 1 Konservenblut) wurden durch Verdiinnung mit Blur Konzen- trationsreihen zwisehe~ 17,6 und 878,8 ~g Benzol/100 ml Blur bzw. 17,4 und 871,6 ~zg Toluol/100 ml Blur hergestellt. Jeweils 2 ml der Eieh- 16sungen werden in gleieher Weise wie das Probenmaterial aufgearbeitet.

2. Ergebnisse

Bei Bruttoretentionszeiten von 1,2 rain ftir Benzol und 2 min ffir Toluol lassen sich unter den besehriebenen Bedingungen die untersuchten aroma- tischen L6sungsmittel gut trennen (Abb. 2).

Die Eichkurven ffir Benzol und Toluol sind in dem untersuchten Be- reich bei Luft- und Blutanalysen linear (Abb. 3).

0,5I [mg/lOOml Blut]

0,4 -

Toluolo Benzol*

y'= 0,0022 +0,0022x r=0,9998

0~3

y'=O,OO39§ r=0,9998

0 ,2 -

O,1 -

O 1OO 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 P e a k h 6 h e [mm]

Abb. 3. Eiehkurven ffir Benzol und Toluol in Blut unter Einbeziehung des Ver- st~rkungsfaktors in die Peakh6he

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6 J. Angerer e t a l . :

225-

200-

175-

150-

r~125-

./.~'-- /

B e n z o l �9

Toluol o

_. 175,8,ug1100ml Blut

i 1 o l o o1743.o,100m. B,ot r / e ~ / , , . . 87,8 JJgl lOOmlBlut ~- 75 ~ / "

50 ~ o ~ O o 87,91ug1100rnl Blur

o a'o 6'0 60 1~0 1go 1~0210 2~0 ~ Inkubationsdauer [mini

Abb. 4. EinfluB der Inkub~tionsdauer von Blutproben ~uf die Pe~khShe yon Benzol und Toluol

Tabelle 1 Genauigkeit und l~ichtigkeit yon Benzol- und Toluolanalysen in Luftproben

Luftproben Benzol Toluol

1 n 5 5 2 [mg/m ~] 984,2 1046,0 s [mg/m ~] 17,4 104,2 v [%] 1,8 10,o Wiederauffindung [%] 88,6 96,3

2 n 5 5 [mg/m 8] 2132,9 3746,6

s [mg/m 3] 29,5 293,2 v [%] 1,4 7,8 Wiederauffindung [%] 114,9 103,8

3 n 5 5 2 [mg/m ~] 5289,2 6995,8 s [mg/m 3] 212,8 319,4 v [%] 4,0 4,6 Wiederauffindung [%] 95,4 96,7

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Bestimmung yon Benzol and Toluol in Luft- und Blutproben

Tabelle 2 Genauigkeit und Richtigkeit yon Benzol- und Toluolanalysen in Blutproben

Blutproben Benzol Toluol

1 n 6 6 [~g/100 ml Blut] 19,7 18,8

s [~g/100 ml Blur] 0,4 0,5 v [%] 2,1 2,6 Wiederauffindung [%] 112,0 108,0

2 n 6 6 [~g/100 ml Blut] 90,6 95,7

s [tLg/100 ml Blu~] 2,9 3,9 v [o/~] 3,2 4,1 Wiederauffindung [~ ] 103, l 109,9

3 n 6 6 s [~g/100 ml Blur] 846,2 886,6 s [i~g/100 ml Blur] 12,9 15,5 v [%] 1,5 1,8 Wiederauffindung [% ] 96,3 101,8

Uber die Genauig]ceit und Richtig]ceit der Luft- und Blut~nalysen, ge- prfift in drei versehiedenen Konzentrationsstufen, gibt Tabelle 1 bzw. 2 AuskunR.

Die iVachweisgrenze betrs bezogen auf den mittleren Rausehpegel zu den entsprechenden Retentionszeiten, mR einer Irrtnmswahrsehein- liehkeit yon a = 5% 0,5 mg Benzol/m s Luft bzw. 0,8 mg Toluol/m s Lnft und 5,0 ~g Benzol/100 ml Blur bzw. 7,5 ~g Toluol/100 ml Blur.

Den Einflufi der Inkubationsdauer au] die Pea]ch6he yon Benzol und Toluol zeigt fiir zwei versehiedene Konzentrationen Abb. 4. Man erkennt, dal~ sieh unabh&ngig yon der Konzentrat ion naeh zweist/indiger Inkub~- tion bei 58~ d~s Gleiehgewieht zwisehen gelSstem Benzol bzw. To]uol nnd ihren dampffSrmigen Phasen eingestellt hat.

3. D i s k u s s i o n

Die eingangs erhobenen Forderungen nach hinreiehender Selektivitgt und analytiseher Znverlgssigkeit sowie niedriger Naehweisgrenze sind bei den beschriebenen Methoden for Luft- und Blutanalysen nach den vor- gelegten Ergebnissen durehaus erfiillt. Die methodische Zuverlgssigkeit ist fiir Spurenanalysen in Blutproben hervorragend. Dabei resultiert die gute Genauigkeit yon v = 1,5 bis r nicht zuletzt aus dem Fehlen eines StSruntergrundes im Chrom~togramm. Aus dem gleichen Grunde nnd wegen der verfahrensbedingten verlnstfreien Probenaufbereitnng er- gibt sieh eine N~ehweisgrenze, die eine arbeitsmedizinische Uberwaehung

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gering Exponier ter erst erm6glicht. Gegentiber einem yon uns frfiher be- sehriebenen Verfahren (Szadkowski et al., 1971) liegt sic etwa um den Faktor 300 niedriger. Dabei ist das Verfahren auch ffir routinem~Bige Serienanalysen geeignet. Die der Probenvorberei tung dienende Inkuba- t ion ist n/imlieh kaum personalbelastend, die eigentliche gasehromato- graphisehe Analyse n immt nu t wenige Minuten in Anspruch. I n der be- sehriebenen Form ist Blut zndem ohne weitere Vorkehrungen versand- fs und naeh unseren Untersuchungen mindestens 3 Tage bei Ranm- tempera tur verlustfrei zu lagern, l~ber unsere Erfahrungen bei der prak- tisehen Anwendung des beschriebenen Verfahrens in der l~berwaehung eines gr6Beren toluolexponierten Kollektivs werden wit gesondert be- richten.

Literatur

Bassette, 1%., 0zeris, S., Whitnah, C.H.: Gas chromatographic analysis of head space gas of dilute aqueous solutions. Analyt. Chem. 34, 1540-1545 (1962).

Butler, P~. A., Hill, D. W. : Estimation of volatile anaesthetics in tissues by gas chromatography. Nature (Lond.) 189, 4 8 8 ~ 9 3 (1961).

Buttery, R. G., Teranishi, t~. : Gas-liquid chromatography of aroma of vegetables and fruit. Analyt. Chem. 811, 1439--1441 (1961).

Curry, A. S., I-Iurst, G., Kent, N, R., Powell, H. : Rapid screening of blood samples for volatile poisons by gas chromatography. Nature (Lond.) 195, 603--604 (1962).

Machata, G. : Die Routineuntersuchung der BlutMkoholkonzentration mit dem Gas- chromatographen. Mikrochim. Acta, S. 691--700 (1962).

Machata, G. : Uber die gaschromatographische BlutMkoholbestimmung. Analyse der Dampfphase. Mikrochim. Acta, S. 262--271 (1964).

Mackay, D. A.M., Lang, D.A., Berdick, M.: Objective measurement of odor. Analyt. Chem. 33, 1369--1374 (1961).

Szadkowski, D., SchrSter, K., Essing, H.-G., SchMler, K.-H., Lehnert, G. : Ein gas- chromatographisches Nachweisverfahren fiir Benzol und Toluol in kleinsten B]utproben. Int. Arch. Arbeitsmed. 27, 300--308 (1971).

Teranishi, 1%., Buttery, 1~. G., Lundin, 1%. E. : Gas chromatography. Direct vapor analysis of food products with programmed temperature control of dual columns with dual flame ionization detectors. Analyt. Chem. 34, 1033--1035 (1962).

Yokata, T., Hitomi, Y., Ohta, K., Kosaka, F.: Direct injection method for gas chromatographic measurement of inhalation anesthetics in whole blood and tissues. Anesthesiology 28, 1064--1073 (1967).

Prof. Dr. G. Lehnert Zentralinstitut ffir Arbeitsmedizin der Gesundheitsbeh6rde der Freien und I-Iansestadt Hamburg D-2000 I-Iamburg 76 Adolph SchSnfelder-StraBe 5/XI Bundesrepublik Deutschland