Erarbeitung und Anwendung eines analytischen Verfahrens zur Bestimmung von Aminoalkoholen in Humanurin im Rahmen der arbeits- und umweltmedizinischen Diagnostik

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2010-02-09
Issue Year
2009
Authors
Midasch, Oliver
Editor
Abstract

The amino alcohols 2-aminoethanol (MEA), diethanolamine (DEA), triethanolamine (TEA), 2-(2-aminethoxy)ethanol (diglycolamine, DGA), morpholine, and 2-amino-2-ethyl-1,3-propanediol (AEPD) were in the focus of the work in hand. These substances are so called “high production volume” chemicals which are produced in quantities of more than 1000 tons per year Europe-wide. Amino alcohols are applied both in the domestic and the occupational field. In households they are present as components of detergents and cosmetics. In the metal working industry they are used as anti-corrosive and defoaming agents in metal working fluids, which are applied during processing of metal parts for cooling and lubrication. The widespread application of amino alcohols is an issue of occupational and environmental medicine. DEA and TEA cause cancer in animal studies. DEA and morpholine are capable of forming N-nitrosamines which can cause cancer in humans. For the rest of the amino alcohols the data are inadequate for the assessment of potential health risks and, therefore, effective health protection is not possible at present. Although the amino alcohols have been discussed by the “Senate Commission for the Investigation of Health Hazard of Chemical Compounds in the Work Area” (MAK-Commission), MAK (maximum concentration at the workplace)-values have been evaluated only for MEA, DEA and morpholine. For the other amino alcohols the data were insufficient to justify a classification. For preventive medicine it is of great importance to assess the quantities of amino alcohols assimilated by humans at the workplace or through the environment. For that reason it was aim of the work to develop an analytical method that allows the quantification of the said amino alcohols in body fluids and, furthermore, to be able to draw conclusions regarding the body burden situation. The elimination of the amino alcohols takes place via urine, so this material was selected to be analysed. The analytical method developed within the scope of the work is based on a derivatisation of the amino alcohols in aqueous medium after they have been separated from interfering matrix compounds by solid phase extraction. Subsequently, the derivatised amino alcohols are extracted by liquid-liquid-extraction. Separation of the derivatives takes place using capillary gas chromatography followed by detection via mass spectrometry. The limits of detection of the method are 5 µg/L for DEA, DGA, and morpholine, 10 µg/L for AEPD and TEA, and 100 µg/L for MEA, respectively. The coefficients of variation for the inter-assay precision are between 3.8 and 12.1 %. Mean relative recoveries are between 87 and 118 %. Two populations have been examined: On the one hand a population of 98 persons of the general population without a known occupational exposure to amino alcohols, and on the other hand a population of 52 employees of the metal industry handling with metal working fluids that contained various amino alcohols have been examined. For comparative purposes a sub-population (n=30) has been formed out of the 98 persons of the general population and matched regarding age and gender. In the specimens of the general population the amino alcohols MEA (in 100 % of the samples), DEA (81.6 %), and TEA (35.7 %) have been detected, but not the substances DGA and AEPD. The applied method did not allow the determination of morpholine. Median values of the concentrations were approximately 23 mg/L, 23.2 µg/L, and below 10 µg/L for MEA, DEA, and TEA, respectively. MEA excretion is mainly due to natural occurrence of MEA in the phospholipid fraction of cell membranes and is not a result of environmental exposure. However, DEA and TEA are not known to be formed endogenously, thus, a background exposure due to the application of ethanolamine containing cosmetics is probable. In the specimens of the employees the three ethanol amines MEA (in 100 % of the samples), DEA (100%), and TEA (76.9 %) could be found as well. Additionally, morpholine (78.8 %) and DGA (59.6 %) could be detected. Median concentrations were approximately 33 mg/l (MEA), 25.5 µg/L (DEA), 28.0 µg/L (TEA), 8.5 µg/L (DGA), and 17.5 µg/L (morpholine). DEA and TEA concentrations in the specimens of both populations overlap for the most part. However, the TEA concentrations in the urine samples of the employees are systematically shifted to higher values. In the case of DEA a shift is noticeable from the 75th percentile on. DGA could be detected exclusively in specimens of the employees but not of the controls.

Abstract

Im Fokus der Arbeit standen die Aminoalkohole 2-Aminoethanol (MEA), Diethanolamin (DEA), Triethanolamin (TEA), 2-(2-Aminoethoxy)ethanol (Diglykolamin, DGA), Morpholin und 2-Amino-2-ethyl-1,3-propandiol (AEPD). Bei diesen Stoffen handelt es sich um Chemikalien, die in Europa in Mengen von mehr als 1.000 Tonnen pro Jahr hergestellt werden. Aminoalkohole kommen sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich zur Anwendung. Im Haushalt treten sie als Bestandteile von Wasch- und Reinigungsmitteln und Kosmetika auf. In der metallverarbeitenden Industrie werden sie als korrosionshemmende und entschäumende Bestandteile Kühlschmiermitteln zugesetzt. Kühlschmiermittel werden bei der Bearbeitung von Metallwerkstoffen zur Kühlung und Schmierung eingesetzt. Die weitverbreitete Anwendung von Aminoalkoholen stellt ein arbeits- und umweltmedizinisches Problem dar. DEA und TEA erzeugen im Tierversuch Krebs. DEA und Morpholin können N-Nitrosamine bilden, die beim Menschen Krebs auszulösen vermögen. Bei den übrigen Aminoalkoholen ist die Datenlage so spärlich, dass gegenwärtig keine Prognose zu potentiellen Gesundheitsgefahren gegeben werden kann und damit ein wirksamer Gesundheitsschutz nicht möglich ist. Zwar wurden die Aminoalkohole bereits von der Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe behandelt, jedoch konnten nur für MEA, DEA und Morpholin MAK-Werte abgeleitet werden, da für die restlichen Aminoalkohole die Daten nicht ausreichen, um eine Einstufung zu rechtfertigen. Präventivmedizinisch ist es deshalb von großer Bedeutung die Aminoalkohol-Mengen abschätzen zu können, die der Mensch am Arbeitsplatz oder aus seiner Umwelt aufnimmt. Aus diesem Grund war es ein Ziel der Arbeit, eine analytische Methode zu entwickeln, die es ermöglicht, die genannten Aminoalkohole in Körperflüssigkeiten nachzuweisen, um damit Rückschlüsse auf die Belastungssituation ziehen zu können. Da die Elimination der Aminoalkohole über den Urin erfolgt, bietet sich dieser als Untersuchungsmaterial an. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Methode basiert, nach Abtrennung von störenden Matrixkomponenten mittels Festphasenextraktion, auf einer Derivatisierung der Aminoalkohole im wässrigen Medium gefolgt von einer Flüssig/flüssig-Extraktion der Derivate. Die Derivate werden anschließend kapillargaschromatographisch getrennt und massenspektrometrisch detektiert. Die Bestimmungsgrenzen des Verfahrens liegen bei 5 µg/L für DEA, DGA und Morpholin, bei 10 µg/L für AEPD und TEA und bei 100 µg/L für MEA. Die Variationskoeffizienten für die Präzision von Tag zu Tag liegen zwischen 3,8 und 12,1 %, die mittleren relativen Wiederfindungsraten zwischen 87 und 118 %. Es wurden zwei Kollektive untersucht. Zum einen ein Kollektiv von 98 Personen der Allgemeinbevölkerung ohne bekannten beruflichen Umgang mit Aminoalkoholen. Zum anderen wurde ein Kollektiv von 52 Arbeitnehmern der metallverarbeitenden Industrie untersucht, die mit Kühlschmiermitteln umgingen, die verschiedene Aminoalkohole enthielten. Zum Vergleich mit den Arbeitnehmern wurde ein Subkollektiv (n=30) aus den 98 Personen der Allgemeinbevölkerung gebildet, das hinsichtlich des Alters und des Geschlechts in Übereinstimmung mit dem Arbeitnehmerkollektiv gebracht wurde. In den Proben des Kollektivs der Allgemeinbevölkerung konnten die Aminoalkohole MEA (in 100 % der Proben), DEA (81,6 %) und TEA (35,7 %) nachgewiesen werden. Nicht gefunden wurden die Stoffe DGA und AEPD. Die angewandte Methode ließ eine Untersuchung auf den Parameter Morpholin nicht zu. Die Medianwerte der Konzentrationen lagen für MEA bei rund 23 mg/L, für DEA bei 23,2 µg/L und für TEA bei < 10 µg/L. Die MEA-Ausscheidung ist in erster Linie auf das natürliche Vorkommen von MEA in der Phospholipidfraktion von Zellmembranen zurückzuführen und nicht auf eine umweltbedingte Belastung. Anders stellt sich die Situation beim DEA und TEA dar. Für beide ist kein endogener Bildungsmechanismus bekannt, so dass es sich hierbei sehr wahrscheinlich um eine Hintergrundbelastung durch die Anwendung ethanolaminhaltiger Körperpflegemittel handelt. Im Arbeitnehmerkollektiv konnten ebenfalls die drei Ethanolamine MEA (in 100 % der Proben), DEA (100 %) und TEA (76,9 %) gefunden werden, zusätzlich jedoch auch noch die Stoffe Morpholin (78,8 %) und DGA (59,6 %). Die Median-Konzentrationen lagen für MEA bei rund 33 mg/L, für DEA bei 24,5 µg/L, für TEA bei 28,0 µg/L, für DGA bei 8,5 µg/L und für Morpholin bei 17,5 µg/L. Die DEA- und TEA-Konzentrationen in den Urinproben der Allgemeinbevölkerung und in denen der Arbeitnehmer überlappen sich in einem sehr weiten Bereich. Doch sind die TEA- Konzentrationen in den Urinproben der Arbeitnehmer systematisch hin zu höheren Konzentrationen verschoben. Im Falle des DEA macht sich diese Verschiebung erst ab dem 75sten Perzentil bemerkbar. DGA konnte ausschließlich bei den Arbeitnehmern und nicht bei den Kontrollen gefunden werden.

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