Z. Anal. Chem. 278, 257-262 (1976) - �9 by Springer-Verlag 1976

Fluorescenzspektroskopische Bestimmung in der Atmosphfire vorkommender polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe

G. Heinrich und H. Gfisten

Institut ffir Radiochemie, Kernforschungszentrum Karlsruhe

Eingegangen am 30. Juni 1975

Fluorescence Spectroscopic Determination of Airborne Polynuclear Aromatic Hydrocarbons. By means of the selec- tive excitation and/or oxygen quenching method a quantitative fluorescence spectroscopic determination for those mixtures of polycyclic aromatic hydrocarbons is described which are difficult to separate by conventional chromatographic methods, e.g. benz(a)anthracene-chrysene-triphenylene, benz(a)pyrene-benz(e)pyrene- benz(k)fluoranthene- benz(b)fluoranthene- perylene and benz(ghi)perylene- anthanthrene.

Zusammenfassung. Anhand der substanzspezifischen absoluten Fluorescenzspektren lassen sich die chromato- graphisch nur schwer zu trennenden und in der Umwelt fast immer zusammen vorkommenden polycyclischen Aromaten, wie Benz(a)anthracen- Chrysen- Triphenylen, Benz(a)pyren- Benz(e)pyren- Benz(k)fluoranthen- Benz(b)fluoranthen-Perylen sowie Benz(ghi)perylen-Anthanthren mittels selektiver Anregung und/oder Sauerstoffl6schung nebeneinander quantitativ bestimmen.

Best. von Polycyclen in Luft; Fluorescenzspektrometrie; selektive Anregung, Sauerstoffl6schung.

Einleitung

F fir die analytische Bestimmung der im Sub-ppb- Bereich in der Umwelt vorkommenden polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe hat sich die Fluores- cenzspektroskopie wegen ihrer hohen Empfindlich- keit gegenfiber anderen Methoden in vielen Laborato- rien durchgesetzt [11,13]. Die notwendigen chromato- graphischen Trennungen der aus Luft, Wasser oder aus der Umgebung des Menschen gesammelten und extra- hierten Proben sind jedoch ffir Routineuntersuchun- gen zeitaufwendig. Daher werden zunehmend in den letzten Jahren auch gas-chromatographische Bestim- mungsverfahren [16], auch in Kombination mit der Massenspektroskopie [4, 6, 8], als schnelle Analysen- methoden eingesetzt. Da jedoch die Gas-Chromato- graphie mit Flammenionisationsdetektoren nur eine gegenfiber der Fluorescenzspektroskopie vergleichs- weise bescheidene Nachweisgrenze von etwa 5 gg erreicht und andererseits die quantitative Bestimmung fiber Capillarsfiulen mit Elektroneneinfangdetektor sehr grol3e Fehlergrenzen aufweist, hat es nicht an Versuchen gefehlt, den Zeitaufwand ffir die ttuores-

cenzspektroskopische Bestimmung der polycyclischen Aromaten durch selektive Methoden zu verringern [11]. Diese selektiven Methoden, wie die Quencho- fluorimetrie [7,11,15] oder die Methode der selektiven Anregung [3], versuchen, entweder im Gesamtextrakt oder bei einfachen vorgetrennten Fraktionen der S/iulen- oder Schicht-Chromatographie den Zeit- aufwand ffir die zweidimensionale Dfinnschicht-Chro- matographie abzukfirzen. Neue Methoden, wie die der selektiven Modulation [9], erfordern jedoch einen hohen elektronischen Aufwand. Wir berichten hier fiber eine Methode, die in Verbindung mit der selektiven Anregung den Einflul3 des in luftges/ittigten L6sungen gel6sten Sauerstoffs auf die Fluorescenz- quantenausbeute der polycyclischen Aromaten be- rficksichtigt.

Experimentelles

Der experimentelle Aufbau des registrierenden Fluorescenz- spektrometers wurde an anderer Stelle im Detail beschrieben [2,5]. Das Fluorescenzspektrometer miBt das durch einen Monochromator spektral zerlegte Fluorescenzlicht der poly-

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cyclischen Aromaten und korrigiert es selbstt/itig ffir die spek- trale Empfindlichkeit der gesamten Apparatur mittels eines ge- eichten Funktionsgenerators. Anhand der substanzspezifischen korrigierten absoluten Fluorescenzspektren k6nnen auch in ihrer Emission sehr ~ihnliche polycyclische Aromaten neben- einander quantitativ bestimmt werden. Aus dem Kontinuum einer Xenon-Lampe (XBO 75 W1, Fa. Osram) kann ffir die selektive Anregung jede gewfinschte Anregungswellenl~inge fiber den Anregungsmonochromator bis herunter zu 280 nm gew~ihlt werden. Um unter LuftausschluB zu messen, werden die L6sungen mit den polycyclischen Aromaten vor den fluorescenzspektroskopischen Messungen durch dreimaliges Einfrieren-Auftauen-Abpumpen in einem Vakuum von 5 �9 10 .6 Torr vom Sauerstoff befreit. Die absoluten Fluores- cenzquantenausbeuten der polycyclischen Aromaten in Benzol wurden nach dem Relativverfahren von Parker u. Rees [10] gegen Chininsulfat in I N H2SO4 als Standard (Q~ = 0,55) bestimmt. Die instrumentelle Empfindlichkeit des Fluores- cenzspektrometers fiir Benz(a)pyren in n-Heptan ist besser als 10 .9 Mol/1 oder 0,25 ng/ml, ffir polycyclische Aromaten mit h6heren Fluorescenzquantenausbeuten noch gr6Ber.

Methodik der fluorescenzspektroskopischen Bestimmung

Die Nachweisgrenze einer fluorescierenden Vcrbin- dung wird nicht allein durch die instrumentelle Emp- findlichkeit, sondern auch durch eine substanzspezi- fische Empfindlichkeit gegeben. Die Fluorescenz- f/ihigkeit wird quantitativ durch die Fluorescenz- quantenausbeute QF ausgedrfickt. Dabei ist Q~ das Verhfiltnis der Zahl der emittierten zu der Zahl der absorbierten Lichtquanten bei der optischen An- regung. Die pro Zeiteinheit absorbierten Lichtquanten sind u. a. dutch den molaren Extinktionskoeffizienten s der Substanz bestimmt. Das Produkt aus e. Qv ist charakteristisch fiir eine fluorescierende Substanz und kann als ein MaB ffir die substanzspezifische Nach- weisempfindtichkeit benutzt werden. Da der Extink- tionskoeffizient e von der Wellenl/inge abh/ingt, wird die maximale Empfindlichkeit der Fluorescenz im Maximum der Absorption erreicht. In einem Gemisch von fluorescierenden Verbindungen wird durch die Wahl der Anregungswellenlfinge und der damit ver- bundenen Festlegung des Extinktionskoeffizienten e die Fluorescenz der gesuchten Verbindung gegenfiber den auderen Komponenten der Mischung verst~irkt. Zum fluorescenzspektroskopischen Nachweis wfihlt man zweckmfiBigerweise das ffir jede Substanz cha-

'rakteristische, spektral zerlegte Emissionsspektrum. Deshalb h/ingt die Nachweisempfindlichkeit nicht nur vom Produkt e .~ Qv, sondern auch vom Verh/iltnis der fiber alle Wellenl/ingen integrierten Fluorescenzinten- sitfit F z u der maximalen Intensitgt Iv(max) ab. Danach lfiBt sich eine fluorescierende Substanz in Mischung mit anderen fluorescierenden Verbindungen dann leicht bestimmen, wenn die gesamte Fluores- cenzemission in ein kleines Wellenlfingenintervall

f/illt. Die substanzspezifische Nachweisempfindlich- keit P wird durch

P _ e -Qv F/IF(max) (1)

gegeben. Nun sind sich in einer aus der Umwelt isolierten

Mischung der polycyclischen Aromaten oft die chro- matographisch sehr schwierig zu trennenden struktur- fihnlichen Kohlenwasserstoffe sowohl in ihrer Nach- weisempfindlichkeit P a l s auch in ihren Emissions- spektren fihnlich, so daB auch die selektive Anregung keine zufriedenstellende Bestimmung mehr ermfglicht. Hier 1/iBt sich P oft durch den AusschluB des Sauerstoffs aus der luftges/ittigten Lfsung zugunsten einer Substanz in der Mischung vergrfBern. Die Fluorescenzquantenausbeute einer organischen Ver- bindung ist zwar fast immer von der Anregungs- wellenl/inge unabhfingig, doch unterliegt sie fast immer einem Effekt, der als SauerstofflSschung be- kannt ist [1]. Die Fluorescenz wird durch den Luft- sauerstoff, der in organischen Lfsungsmitteln in Konzentrationen von etwa 10 -3 Mol/1 vorliegt, ge- 16scht, so dal3 die Fluorescenzquantenausbeute unter Luftausschlug grfger wird. Die Messung unter Sauer- stoffausschluB bedeutet eine Erhfhung des Empfind- lichkeitsparameters P, die jedoch von Substanz zu Substanz stark verschieden sein kann. Ffir die Gesamt- emission der Fluorescenz eines Gemisches zweier Verbindungen mit und ohne Sauerstoff I v und I~ gilt bei einer bestimmten Emissionswellenlfinge

Iv = Ivl + I f 2

und

[~ = 1~1 ~- I~2 = L1 " IF1 @ L2" ZF2, (2)

wobei Lj und L2 die substanzspezifischen Lfsch- konstanten ffir die Sauerstofflfschung, Iv1 und IF2 die gesuchten IntensitS.ten der Einzelkomponenten sind. Aus den gemessenen Werten ftir Iv und I~ kfnnen mit

d e n unterschiedlichen und unabh/ingig bestimmten Lfschkonstanten der beiden Substanzen und mit Hitfe einer Eichkurve die Konzentrationen beider sehr ~ihnlich fluorescierenden Verbindungen nebeneinander bestimmt werden. Ist Iv1 = kl �9 cl und IF2 = k2 " C2, wobei k die Steigungen der Eichkurven sind, so gilt:

L2 I v - I~ I~-- L1 Iv C1 - - ( L 2 - - L1) k l und C 2 - - ( L 2 _ L 1 ) k 2 . (3)

Ergebnisse und Diskussion

Aus den gas-chromatographischen Analysen von Dubois et aL [6] fiber die Zusammensetzung der an

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I F

400 500

25000 t r I t I i

20000 ,r ~ (cm -1)

Abb. 1. Fluorescenzspektren eines Gemisches yon Benz(k)fluoranthen, Benz(b)- ftuoranthen und Benz(a)pyren gleicher Konzentration (je 5 �9 10 -7 Mol/1) (1), Benz(k)fluoranthen (5 �9 10 -7 Mol/1) (2) und Benz(a)pyren (5.10 .7 Mol/1) (3) in n-Heptan bei der Anregungswellenlfinge 308 nm

Aerosolen und Stfiuben adsorbierten luftgetragenen polycyclischen Aromaten 1/il3t sich abschfitzen, dab annfihernd 60 ~o der durch unvollstfindige Verbren- nung fossiler Brennstoffe in die Atmosph/ire gelangen- den polycyclischen Aromaten auf wenige zum Teil stark cancerogene Verbindungen beschrfinkt bleibt. Es sind dies die chromatographisch sehr schwierig zu trennenden strukturisomeren ClsH12-Aromaten Benz(a)anthracen- Chrysen- Triphenylen, die C2o- H12-Aromaten Benz(k)fluoranthen- Benz(b)fluor- anthen oft zusammen mit Benz(a)pyren-Benz(e)py- ren-Perylen sowie die C22H12-Aromaten Anthan- thren-Benz(ghi)perylen [6]. In Tab. 1 sind ftir diese polycyclischen Aromaten die Maxima von Absorp- tion und Emission, die absoluten Fluorescenzquanten- ausbeuten Q~, die L6schkonstanten L, das Produkt e. Qr, das Verhfiltnis der integrierten Fluorescenz- intensitfit zu der maximalen Intensitfit F/IF(max), sowie die Empfindlichkeitsparameter P und po mit und ohne den 16schenden Sauerstoffzusammengestellt.

Durch ihre hohen Empfindlichkeitsparameter las- sen sich Benz(k)fluoranthen und Anthanthren relativ leicht selektiv aus Mischungen mit den anderen poly- cyclischen Aromaten bestimmen. In Abb. ] ist das Fluorescenzspektrum eines Gemisches yon Benz(k)- fluoranthen mit Benz(b)fluoranthen und Benz(a)- pyren zusammen mit den absoluten Fluorescenz- spektren zweier Einzelkomponenten dargestellt.

Das Emissionsspektrum der Mischung entspricht im wesentlichen dem der reinen L6sung des Benz(k)- fluoranthens. Benz(b)fluoranthen und Benz(a)pyren

fluorescieren bei der gewfihlten Anregungswellen- lfinge von 308 nm nur sehr schwach. Benz(b)fluor- anthen lfiBt sich in Gegenwart yon Benz(k)fluoranthen allerdings nicht getrennt nachweisen, wie das ungfin- stige Verhfiltnis ihrer Empfindlichkeitsparameter zeigt (Tab. 1). Besonders die fast identischen Fluorescenz- spektren von Benz(k)fluoranthen und Benz(a)pyren (s. Tab. l) und ihr Vorhandensein in Luftproben- extrakten waren die Ursache, dab bei einer Vielzahl von publizierten Konzentrationsangaben ffir das stark cancerogene Benz(a)pyren das nicht cancerogene Benz(k)fluoranthen einfach miterfal3t wurde [3]. Der Fehler kann betr/ichtlich sein, da Benz(k)fluoranthen eine sechsfach h6here Fluorescenzempfindlichkeit P aufweist als Benz(a)pyren (s. Tab. l). Auch durch Variation der Anregungswellenlfinge kann dieses Ver- hfiltnis nicht wesentlich zugunsten des Benz(a)pyrens verbessert werden. Hier empfiehlt sich die Messung der Fluorescenzemission in Abwesenheit yon Sauer- stoff. Wie die Werte in Tab. 1 zeigen, nimmt die Fluorescenzintensitfit beim Benz(a)pyren um den Faktor 6, die des Benz(k)fluoranthens dagegen nur um den Faktor 1,7 zu. Abb. 2 zeigt, dab die Fluores- cenzintensit/iten zweckmfil3ig im Maximum (403 nm bzw. 24800 cm -1) gemessen werden und mittels der Eichkurven der beiden Einzelkomponenten, die bei geringen Konzentrationen linear verlaufen, die Kon- zentrationen bestimmt werden k6nnen.

Aus den gemessenen Fluorescenzintensitfiten mit und ohne Luftsauerstoff, I Fund Iz?, und den L6sch- parametern L 1 und L2 ffir die Fluorescenzquanten-

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Tabelle 1. Fluorescenzspektroskopische Daten h/iufig in der Umwelt vergesellschaftet vorkommender polyeyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe in n-Heptan bei Raumtemperatur

Substanz vv (max) vA (max) QO L e . QF" F/IF(max) P po [cm -1] [cm -1] [1/Mol [cm 11 [1/Mol] [1/Mol]

" e m ]

Benz(a)anthracen 26000 34700 0,23 5,1 4500 1850 2,4 12,2 Chrysen 26 300 37 300 0,18 6,0 4 600 1800 2,6 15,6 Triphenylen 28300 38800 0,09 5,0 2900 2150 1,3 6,5

Benz(k)fluoranthen 24900 32500 1,00 1,7 41800 1300 32,2 54,7 Benz(b)fluoranthen 22300 33200 0,53 1,6 16200 4600 3,5 5,6

Benz(a)pyren 24 800 33800 0,6 6,0 6100 1100 5,5 33,0 Benz(e)pyren 25 800 34 600 0,11 6,9 930 1600 0,6 4,0 Perylen 22900 39700 0,99 1,5 30400 1600 19,0 28,5

Benz(ghi)perylen 23 800 33400 0,29 9,7 1900 1900 1,0 9,7 Anthanthren 23 200 42 900 1,00 1,8 49100 850 57,8 104,0

a Die e-Werte wurden der Ref. [12] entnommen.

10

' ' ) ,~ ( n m ) 400 500

i '"1- T

lO

403nm

t' J - " +f'+ 5 S

0 ~ J i i i i + l

0 5 "10 "? r (Mo l I I }

o tc 1 r I I I I [ l I 1 0

25000 2 0000 ~ . - ~ ( c m -1 )

Abb. 2. Absolute Fluorescenzspektren einer Mischung von 3,5 - 10 -7 Mol/1 Benz(a)pyren (BAP) und 3,5 �9 10 -7 Mol/1 Benz(k)- fluoranthen (BKF) in n-Heptan mit (2) und ohne Sauerstoff (1) zusarnmen mit den Eichkurven. Anregungswellenl~nge: 297 nm

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I F

I r t 25000

�9 N ( n m ) 400 500

exc, \

i

1,2

2O000 (crn q )

10

Abb. 3. Fluorescenzspektren eines Gemisches (1) aus Benz(ghi)perylen (5.10-6Mol/1) und Anthanthren (3 �9 10 v Mol/1) sowie von Anthanthren (3 . 10 7 Mol/1) (2) in n-Hep- tan bei der Anregungswellenlfinge 420 nm

ausbeuten des Benz(a)pyrens und Benz(k)fluoranthens, lassen sich die Konzentrationen nach G1. (3) bestim- men. Dabei mtissen IF und I~1 keineswegs die maxi- malen Intensitfiten der Einzelspektren sein, sondern die Intensitfiten bei der Wellenzahl, bei der in den zusammengesetzten Fluorescenzspektren die Maxima liegen. Ffir die Konzentrationen an Benz(a)pyren und Benz(k)fluoranthen in Abb.2 ergeben sich nach G1. (3):

CBA P = 4,05.10 -7 Mol/1, CBK F = 3,25 �9 10 -7 Mol/1,

eine unter Berticksichtigung ihrer sehr 5,hnlichen UV-Absorptions- wie Fluorescenzspektren gute Ge- nauigkeit.

Ist Perylen im Gemisch mit den anderen in Tab. 1 aufgeftihrten polycyclischen Aromaten anwesend, so lfil3t sich oft dutch Anregung im langwelligen Absorp- tionsbereich [12] oder durch Zugabe von Methyljodid [14] die Fluorescenz der tibrigen Komponenten in der Mischung unterdr/icken.

Abb. 3 verdeutlicht, dab trotz der wesentlich h6heren Konzentration des Benz(ghi)perylens in der Mischung mit Anthanthren das Fluorescenzspektrum des Ge- misches fast mit dem der reinen L6sung des Anthan- threns identisch ist, was durch die sehr grogen Unter- schiede in den beiden Empfindlichkeitsparametern verst/indlich wird (s. Tab. 1).

Sie lassen ferner erkennen, dab die Bestimmung des Benz(ghi)perylens in Gegenwart von Anthanthren

selbst durch die Ausschliel3ung des gel6sten Sauer- stoffs im L6sungsmittel nicht gelingen kann.

Weniger gut gelingt die quantitative Bestimmung durch selektive Anregung, auch in Kombination mit dem Ausschlul3 des 16schenden Sauerstoffs, bei der chromatographisch schlecht trennbaren Gruppe Benz- (a)anthracen- Chrysen- Triphenylen, deren beide erste Verbindungen cancerogen sind. Sie k6nnen an- n~ihernd 20 ~ der Gesamtfraktion aller polycyclischen Aromaten einer Luftprobe erreichen [6]. Die Fluores- cenzparameter in den Absorptionsmaxima dieser drei Verbindungen unterscheiden sich nicht wesentlich. Die quantitative Bestimmung einer der beiden cancero- genen Verbindungen in der Mischung gelingt nur dann, wenn ihre Konzentration wesentlich gr66er ist als die der anderen Komponenten in der Mischung.

Wir danken der Verkaufsvereinigung fiir Teererzeugnisse (VfT) in Essen flir Vergleichsproben yon Benz(b)- und Benz(k)- fluoranthen.

Literatur

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Dr. H. Gtisten, Kernforschungszentrum, Inst. f. Radiochemie, D-7500 Karlsruhe, Postfach 3640, Bundesrepublik Deutschland