Anwendungsbeispiel

Quartäre Ammoniumverbindungen (QAV) in Desinfektionsmitteln als unbekannte Schadensursache

Unkontrollierte Verbreitung von Reinigungssubstanzen und ihre Folgen für Mensch und Material: eine oberflächenanalytische Perspektive

Im Alltag ist die Verwendung von Reinigern zur Einhaltung von sauberen und reinen Oberflächen selbstverständlich. Aufgrund ihrer keimtötenden Eigenschaften und ihrer oberflächenaktiven Wirkung kommen quartäre Ammoniumverbindungen (QAV) am häufigsten in Reinigern und Desinfektionsmitteln zum Einsatz – sowohl in industriellen, medizinischen als auch in privaten Bereichen. Bei QAV handelt es sich um kationische Biozide mit grenzflächenaktiven Eigenschaften. Gängige QAV sind beispielsweise Benzalkoniumsalze (z. B. Benzalkoniumchlorid / BAC) oder Dialkyldimethylammoniumsalze (wie DDAC, DSDMA, DTDMAC).

Durch ihren weit verbreiteten Einsatz geraten sie zunehmend in die Umwelt und den menschlichen Alltag – oft unbemerkt. Diese Entwicklung bringt jedoch weitreichende Konsequenzen für Gesundheit, Umwelt und Materialqualität mit sich.

Abgesehen von der direkten Wirkung auf den Menschen (Allergien, Vergiftungen) ist die keimabtötende Wirkung in der Natur und z.B. auch in Kläranlagen unerwünscht, da viele Mikroorganismen wichtige Funktionen erfüllen und die QAV-Belastung zudem eine der Ursachen für die Bildung von Antibiotika-resistenten Keimen (MRSA) sein kann. Darüber hinaus kann die Belegung mit QAV Schäden an Produkten und Materialien verursachen wie beispielsweise Verlaufsstörungen, Risse, Blasen, Schichtablösungen.

Analytik von QAVs mittels TOF-SIMS

Quartäre Ammoniumverbindungen (QAV) sind organische Verbindungen, die zu der Gruppe der kationischen Tensiden zählen. Sie bestehen aus einem hydrophilen (in Wasser löslich) stickstoffhaltigen Kopf und einem lipophilen (in Fett löslich) organischen Rest. Aufgrund dieser Molekülstruktur weisen QAV eine exzellente oberflächenaktive Wirkung auf. In der Oberflächenanalytik wird das TOF-SIMS-Verfahren (Time-of-flight secondary ion mass spectrometry) zur chemischen Charakterisierung von Oberflächensubstanzen eingesetzt. Aufgrund der hohen Nachweisempfindlichkeit ermöglicht es die Detektion und Identifizierung von QAV in Spurenkonzentrationen. Untersucht werden können unterschiedliche Probenformen – von der direkten Analyse von Oberflächen über Wischproben bis hin zur Charakterisierung von Aerosolproben (hauseigenes Verfahren, siehe OFG-Applikationsbeispiel F-VII).

Fallbeispiel 1: QAVs in der Medizin

Im Bereich der Medizin werden quartäre Ammoniumverbindungen (QAV) täglich in großen Mengen eingesetzt. Neben der Verwendung als Konservierungsmittel oder Antiseptika kommen QAV in Krankenhäusern und medizinischen Einrichtungen als Desinfektionsmittel für Instrumenten, Räumen, Oberflächen und Böden zum Einsatz. Dabei bleiben Rückstände der QAV oft unsichtbar zurück, etwa auf medizinischen Geräten wie Arterienklemmen oder Implantatschrauben. Zudem können QAV auch als Aerosole in die Luft gelangen, und somit entweder direkt eingeatmet werden oder sich auf umliegenden Oberflächen ablagern.
Auch bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten können QAV auf Verpackungen gelangen oder sogar auf die Medikamente selbst gelangen. Folglich entstehen ungewollte Kontaminationen.

TOF-SIMS Spektrum einer Implantantschraubenoberfläche

Fallbeispiel 2: Lebensmittel

Auch in der Lebensmittelproduktion sind quartäre Ammoniumverbindungen (QAV) weit verbreitet. Bereits beim Anbau können beispielsweise QAV durch Pflanzenschutzmittel (Pestizide) oder Dünger in Kontakt mit pflanzlichen Lebensmitteln gelangen. In späteren Produktionsschritten bei der Weiterverarbeitung von pflanzlichen oder tierischen Produkten können weitere Kontaminationen durch Hand- oder Flächendesinfektion entstehen. Im weiteren Verlauf besteht das Risiko, dass QAV in fertige Produkte wie Speiseeis, Salate oder sogar in Getränke gelangen können. Besonders problematisch sind dabei fetthaltige oder proteinreiche Lebensmittel, da QAV aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften leicht an diese binden können.
BAC-Getränke-Spektrum
TOF-SIMS Spektrum eines Getränkerückstandes

Fallbeispiel 3: Materialschäden in der Industrie

Kabelummantelungen mit Rissbildung
Ein weiterer Aspekt der QAV-Belastung ist, dass neben der Gefährdung der Umwelt auch Materialien aus dem Alltag beeinträchtigt werden können. Neben der gezielten Anwendung als antimikrobielles Mittel oder Antistatikum können QAV unbeabsichtigt auf Oberflächen verschiedenster Produkte gelangen. Besonders bei Anreicherungen von QAV kann es zu schwerwiegenden Materialschäden kommen. In der Schadensanalytik werden dabei diverse Schadensbilder wie Risse, Blasenbildung oder Schichtablösung bei Kunststoffen und/oder Lacksystemen beobachtet.
Mikrorisse in Lichtleiter
Die Kombination aus mechanischer Belastung und der Oberflächenbelegung mit QAV kann zu Spannungsrisskorrosionen (ESC, Enviromental stress cracking) führen. Ein Beispiel ist die Beschädigung von Kabelummantelungen in Krankenhäusern durch regelmäßige Reinigung mit QAV-haltigen Mitteln oder die Rissbildung bei Lichtleitern (Polycarbonat) aus dem Fahrzeuginnenraum.
TOF-SIMS Spektrum "Blasenbildung im Lacksystem"

Zusammenfassung: Schadens- und Materialanalyse mittels TOF-SIMS

Quartäre Ammoniumverbindungen sind weitaus häufiger Bestandteil unseres Alltags als allgemein angenommen. Sie finden nicht nur in der Desinfektion Anwendung, sondern finden sich auch ungewollt in der industriellen Produktion, Lebensmittelherstellung und sogar in Verpackungsmaterialien.
Die Folgen sind vielfältig: gesundheitliche Risiken (z. B. Allergien, Atemwegserkrankungen), Umweltbelastungen durch das Abtöten nützlicher Mikroorganismen, die mögliche Entstehung antibiotikaresistenter Keime und materialtechnische Schäden an Produkten. Die hochsensible Analysetechnik TOF-SIMS ermöglicht den präzisen Nachweis und die Identifikation selbst geringster QAV-Konzentrationen.

TOF-SIMS ist ein wirksames Verfahren für die Oberflächenanalytik. Mithilfe des Verfahrens können Oberflächen genauestens charakterisiert und QAV eindeutig identifiziert werden.
Das Verfahren kommt nicht nur für die Aufklärung von Fehlern und Schäden zum Einsatz. Durch präventive Analysen können frühzeitig ungewollte Kontaminationen charakterisiert werden, wodurch Schäden vermieden werden können.

Kontaktieren Sie uns, um mehr über unsere Tätigkeiten in der Oberflächenanalytik sowie der Material- und Schadensanalytik zu erfahren – gerne stellen wir Ihnen in diesem Zusammenhang unsere praxisnahe Applikationsbeispiele zu QAV und angrenzenden Themenfeldern zur Verfügung.

Veröffentlichungen

¹H. Feld, N. Oberender in Hygiene & Medizin, 43-5 (2018) D37-D45: „Die unkontrollierte Verbreitung von quartären Ammoniumverbindungen (QAV) in Alltagsprodukten sowie in medizinischen und industriellen Bereichen – kritisch für Mensch, Material und Umwelt.

²H. Feld in Oberflächen Polysurfaces, 5/16 (2016) 6-11: Problematische Verbreitung von quartären Ammoniumverbindungen in Alltagsprodukten