Sicherung der Qualität von Gefahrstoffmessungen durch Ringversuche

Die Messung von Gefahrstoffen am Arbeitsplatz ist zentraler Bestandteil des Arbeitsschutzes. Die Teilnahme an Ringversuchen dient der Qualitätssicherung von Messverfahren. Die Ringversuche mit eigener Probenahme des Instituts für Arbeitsschutz der DGUV (IFA) bieten die Möglichkeit zur Prüfung des gesamten Messverfahrens.

Die Messung von luftgetragenen Gefahrstoffen am Arbeitsplatz ist ein zentraler Bestandteil des Arbeitsschutzes und Gegenstand der Ermittlung und Beurteilung von Gefährdungen. Sie dient dem Nachweis der Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte.

Herausforderungen bei Gefahrstoffmessungen

Die Messung von Gefahrstoffen muss durch geeignete Laboratorien oder Messstellen erfolgen. Dies kann entweder durch das Unternehmen selbst oder durch einen unabhängigen Messdienst durchgeführt werden. Messstellen und Laboratorien sind dabei mit etlichen Herausforderungen konfrontiert. Die Gefahrstoffkonzentrationen liegen häufig im Spurenbereich^[1], was hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit und Präzision der Analytik stellt. Außerdem treten die Gefahrstoffe an Arbeitsplätzen in unterschiedlichsten Kombinationen auf. Dies kann zu Wechselwirkungen oder Störungen führen. Auch wechselnde Bedingungen am Arbeitsplatz, beispielsweise hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit, erschweren die Vergleichbarkeit der Ergebnisse.

Ringversuche ermöglichen den Vergleich von Messergebnissen verschiedener Messstellen und Laboratorien unter standardisierten Bedingungen und können helfen, systematische Fehler innerhalb des gesamten Messverfahrens aufzudecken.

Externe Qualitätssicherung durch Ringversuche

Um die Qualität von Arbeitsplatzmessungen sicherzustellen, ist die Teilnahme an Ringversuchen ein bewährtes Mittel. Ringversuche ermöglichen den Vergleich von Messergebnissen verschiedener Messstellen und Laboratorien unter standardisierten Bedingungen und können helfen, systematische Fehler innerhalb des gesamten Messverfahrens aufzudecken und die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Methoden zu überprüfen. Sie sind dabei nicht nur ein wichtiger Bestandteil externer Qualitätssicherung, sondern die regelmäßige Teilnahme an und das Bestehen von Ringversuchen in Form von Eignungsprüfungen sind auch eine Voraussetzung für die Akkreditierung von Messstellen und Laboratorien.^[2] Ringversuche können außerdem genutzt werden, um die eigene Qualität Dritten gegenüber zu belegen.

Das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) in Sankt Augustin bietet seit 1989 Ringversuche für Arbeitsplatzmessungen von Gefahrstoffen an und wertet diese nach statistischen Vorgaben aus. Die Ringversuche decken dabei unterschiedliche Gefahrstoffe ab. Aktuell erstreckt sich das Angebot über organische Lösemittel, anorganische Säuren (flüchtig und nichtflüchtig), flüchtige organische Verbindungen (VOC), Metalle und Aldehyde. Ziel ist es, das Angebot der Ringversuche stetig zu erweitern, an aktuelle Fragestellungen im Arbeitsschutz anzupassen sowie innerhalb der einzelnen Ringversuche neue Substanzen und Entwicklungen in der Analytik einzubeziehen. So werden 2026 zwei neue Testringversuche angeboten: für Diisocyanate auf Filtern und für direktanzeigende Messgeräte, die aufgrund ihrer steigenden Qualität immer beliebter werden.

Probenahme – entscheidender Einflussfaktor

Die Ringversuche des IFA werden mit und ohne eigene Probenahme angeboten. Die Ringversuche mit eigener Probenahme finden an der dynamischen Prüfgasstrecke des IFA statt. Bis zu 25 Teilnehmende können dort gleichzeitig die Probenahme mit ihrem eigenen Equipment selbst durchführen und so das gesamte Messverfahren untersuchen. Lediglich die Ringversuche für Metalle auf Filtern, nichtflüchtigen, anorganischen Säuren und Diisocyanaten auf Filtern werden ausschließlich ohne eigene Probenahme angeboten, weil hier die Herstellung der Ringversuchsproben nicht an der Prüfgasstrecke erfolgen kann.

Auch Ringversuche mit eigener Probenahme können nicht alle wichtigen Kriterien der Probenahme abdecken, aber sie bieten die Möglichkeit, die eingesetzten Materialien und den Umgang mit diesen bei der Probenahme vergleichend zu prüfen.

Die Probenahme stellt eine zentrale Herausforderung dar und ist oft der kritischste Schritt einer Gefahrstoffmessung. Fehler bei der Probenahme können die Ergebnisse verfälschen. Die eingesetzten Sammeltechniken bestimmen die Qualität der Probe. Ungeeignete Probenträger oder falsch eingestellte Probenahmepumpen führen zu unvollständiger Erfassung oder Verlust bestimmter Stoffe. Solche Fehler wirken sich direkt auf die gemessene Konzentration aus und können dazu führen, dass Grenzwertüberschreitungen übersehen oder fälschlicherweise angenommen werden. Auch die Dauer der Probenahme spielt eine große Rolle. Ist sie zu kurz, werden Spitzenbelastungen möglicherweise nicht erfasst. Ist sie zu lang, können Verdünnungseffekte auftreten. Besonders in Arbeitsumgebungen mit schwankenden Belastungen ist es schwierig, repräsentative Proben zu gewinnen. Umgebungsbedingungen, insbesondere Luftfeuchtigkeit und Temperatur, sollten stets dokumentiert werden, um ihren Einfluss prüfen zu können. Wird der Messort für die Probenahme nicht sorgfältig gewählt, kann die Probe die tatsächliche Belastung am Arbeitsplatz nicht widerspiegeln. Eine fehlerhafte Probenahme gefährdet nicht nur die Genauigkeit der Messung, sondern auch die Sicherheit der Beschäftigten und die rechtliche Verlässlichkeit der Ergebnisse.

Auch Ringversuche mit eigener Probenahme können nicht alle wichtigen Kriterien der Probenahme abdecken, aber sie bieten die Möglichkeit, die eingesetzten Materialien und den Umgang mit diesen bei der Probenahme vergleichend zu prüfen, wodurch sie ein wichtiges Mittel der Qualitätssicherung darstellen.

Weil die Teilnehmenden an den Ringversuchen des IFA weltweit verteilt sind und auch Laboratorien ohne eigene Messstelle teilnehmen, werden die Ringversuche auch ohne eigene Probenahme angeboten. Hier werden die Proben von den Mitarbeitenden des IFA hergestellt und an die Teilnehmenden verschickt.

Prüfgasstrecke im IFA

Die dynamische Prüfgasstrecke im IFA (Abbildung 1) ist weltweit eine der wenigen Anlagen ihrer Art. Sie ist insgesamt 30,5 Meter lang und besteht aus drei voneinander abzugrenzenden Einheiten:

• Herstellung und Konditionierung des Prüfgases,
• Messstrecke zur aktiven Probenahme und
• Messtechnik zur Onlineüberwachung des Prüfgases.

In einem abgetrennten Raum findet die Prüfgasherstellung und -konditionierung statt. Das Prüfgas wird aus einem Grundgasstrom und einem Nebengasstrom, der die zu analysierenden Substanzen enthält, hergestellt. Als Grundgas dient Druckluft, die über Katalysatoren und Filtermaterialien geleitet wird, um eventuelle Störkomponenten zu entfernen. Nach der Reinigung wird die Luft über eine thermostatisierbare Befeuchtungseinheit geführt. Diese ermöglicht die Einstellung konstanter Luftfeuchten in einem Bereich von ca. 10 bis 80 Prozent relativer Luftfeuchte. Dadurch können verschiedenste Arbeitsplatzkonditionen simuliert werden.

Zur Erzeugung des Nebengasstroms werden verschiedene Dosiersysteme eingesetzt. Die jeweiligen Analyten werden, abhängig von der Dosiermethode, flüssig oder bereits verdampft in den Grundgasstrom der Prüfgasstrecke geleitet. Durch die Einleitung in einen Ofen, der auf bis zu 200 Grad Celsius beheizt werden kann, wird bei flüssigen Substanzen eine vollständige Verdampfung sichergestellt. Bei bereits verdampften Analyten können Kondensationseffekte ausgeschlossen werden.

Der Ofen erwärmt jedoch das gesamte Prüfgas. Um dieses auf typische Arbeitsplatztemperaturen herunterzukühlen, wird es durch einen Temperierturm geleitet. In der Mischkammer werden Grund- und Nebengasstrom abschließend noch einmal durchmischt und homogenisiert. An die Mischkammer schließt sich eine Beruhigungsstrecke zur Laminarisierung des Gasstroms an.

Um sicherzustellen, dass über die gesamte Messstrecke zur aktiven Probenahme vergleichbare Bedingungen vorherrschen, ist die Prüfgasstrecke vollständig thermisch isoliert und wird durch zwei zusätzliche Thermostate temperiert. Die Messstrecke selbst ist 27 Meter lang und verfügt über 65 Probenentnahmestellen, die jeweils mit Y-Verteilern ausgestattet sind. Am Anfang und am Ende der Messstrecke werden stets interne Qualitätskontrollproben entnommen und in den IFA-Laboratorien analysiert.

Online-Analytik

Die Qualität des Prüfgases wird mithilfe unterschiedlicher Online-Messtechniken schon während des Ringversuchs sichergestellt. Temperatur und Luftfeuchte in der Prüfgasstrecke werden dabei kontinuierlich geregelt und überwacht. Außerdem wird der Luftdruck im Labor aufgezeichnet. Bei allen Ringversuchen an der Prüfgasstrecke wird das Prüfgas mittels eines direktanzeigenden Massenspektrometers, eines sogenannten selected ion flow tube mass spectrometer (SIFT-MS), überwacht. Je nach Einstellung können im SIFT-MS sowohl organische (beispielsweise Lösemittel, Aldehyde) als auch anorganische Stoffe (zum Beispiel flüchtige anorganische Säuren) detektiert werden. Die Stoffkonzentration wird dabei im Sekundentakt kontinuierlich gemessen. Daher eignet sich diese Technik vor allem zur qualitativen Überwachung der Stabilität des Prüfgases und zur Aufzeichnung des Einlaufprozesses. Eine quantitative Analyse ist aufgrund der aufwendigen Kalibrierung nicht zielführend. Zur quantitativen Überwachung der Ringversuche für organische Lösemittel und VOC kann ein Online-Gaschromatograph (GC) mit Thermodesorptionseinheit (TD), Flammenionisationsdetektor (FID) und Massenspektrometer (MS) eingesetzt werden. Dabei wird je nach Ringversuch alle sechs bis 15 Minuten ein Chromatogramm erzeugt, bei dem die Stoffkonzentrationen überprüft werden.

Auswertung und Interpretation der Ergebnisse

Nach der Analyse und Auswertung der Proben übermitteln die Teilnehmenden ihre Ergebnisse dem IFA über ein Online-Portal. Die gesamte statistische Auswertung erfolgt durch die Mitarbeitenden des IFA. Die eingegangenen Daten werden zunächst anonymisiert. Anschließend werden statistische Kennwerte ermittelt und eine Beurteilung der Leistung anhand genormter Vorgaben durchgeführt. Die Teilnehmenden erhalten einen ausführlichen Auswertereport, eine Teilnahmebestätigung sowie ein Zertifikat.

Als Beurteilungskriterium dient der von Ausreißern bereinigte Mittelwert der Teilnehmenden. Für jedes Labor, jede Probe und jeden Analyten werden Leistungskenngrößen in Form von Z-Scores^[3] berechnet. Anhand dieser wird bewertet, ob der Teilnehmende zufriedenstellende Ergebnisse geliefert hat. Liegen die Beträge der Scores über einem Wert von zwei, so werden sie als fragwürdig betrachtet und gelten als Warnsignal. Ab Z-Score-Werten von drei und größer sind die Ergebnisse nicht zufriedenstellend und ein Eingriff zur Ursachenfindung und -behebung der Abweichung ist notwendig.^[4] Die Einstufung basiert auf einem Konzept, das besagt, dass bei normalverteilten analytischen Messwerten etwa 95 Prozent der Ergebnisse innerhalb von zwei Standardabweichungen vom Mittelwert und 99,7 Prozent, also fast alle Werte, innerhalb von drei Standardabweichungen liegen.

Erhalten Teilnehmende die Information, dass ihre Ergebnisse auffällig sind, sollten diese zunächst prüfen, ob alle Analyten und Proben betroffen sind. Dies ermöglicht bereits einen ersten Rückschluss auf die Entstehungsursache der Abweichung. Bei der weiteren Ursachenforschung können sich Teilnehmende auf drei maßgebliche Gruppen konzentrieren: Fehler bei der Dateneingabe, technische Probleme und Probleme im Zusammenhang mit der Ringversuchsgestaltung.^[5]

Zur ersten Gruppe zählen Übertragungs- und Berechnungsfehler. Diese können in der Regel schnell überprüft werden. Gerade Einheitenfehler kommen immer wieder vor. Konnte hier kein Fehler gefunden werden, so sind zum Ausschluss technischer Probleme die einzelnen Schritte des Messverfahrens zu prüfen. Dazu zählen die Probenahme, sofern selbst durchgeführt, die Lagerung der Ringversuchsproben vor und nach der Aufarbeitung, die Aufarbeitung, das Analyseverfahren, die eingesetzten Geräte und Materialien/Chemikalien, die interne Qualitätskontrolle, die Umgebungsbedingungen und auch die Datenverarbeitung. Nicht jedes schlechte Abschneiden liegt jedoch am Labor selbst. Möglicherweise sind Matrix und Konzentrationen im Ringversuch abweichend von der Routineanalytik und das eingesetzte Verfahren dadurch nicht geeignet. Ebenso können Fehler bei der Herstellung der Ringversuchsproben auftreten oder der Versand kann unter unpassenden Bedingungen erfolgen. Ein enger Austausch zwischen Ringversuchsanbieter und Teilnehmenden ist hier wichtig.

Das IFA unterstützt den Prozess der Ursachenforschung, indem im Ringversuch zusätzlich Fragen zu den Rahmenbedingungen der Probenahme, sofern zutreffend, sowie zur Analyse und Auswertung an alle Teilnehmenden gestellt werden. Die Teilnehmenden erhalten in der Ringversuchsauswertung eine Übersicht mit den anonymisierten Antworten. Hier können gegebenenfalls Rückschlüsse aus abweichenden Angaben gezogen werden.

Es ist ratsam, regelmäßig an Ringversuchen teilzunehmen, um eine kontinuierliche, unabhängige Prüfung eines zur Arbeitsplatzüberwachung eingesetzten Messverfahrens zu gewährleisten.

Es ist möglich, dass auch nach einer gründlichen Untersuchung die Ursache für die schlechte Leistung nicht identifiziert werden kann. Wenn es sich um eine wiederholte schlechte Leistung handelt, sollte das Gesamtverfahren hinterfragt und geprüft werden. Es ist ratsam, regelmäßig an Ringversuchen teilzunehmen, um eine kontinuierliche, unabhängige Prüfung eines zur Arbeitsplatzüberwachung eingesetzten Messverfahrens zu gewährleisten. So bleiben die Ergebnisse verlässlich und erfüllen dauerhaft die Anforderungen an Qualität und Sicherheit.

Fazit

Ringversuche sind ein unverzichtbares Mittel, um die Qualität von Gefahrstoffmessungen sicherzustellen. Sie fördern nicht nur die Vergleichbarkeit und Zuverlässigkeit von Analyseergebnissen, sondern tragen auch zur kontinuierlichen Verbesserung von Messverfahren bei. Durch den Erfahrungsaustausch bei Ringversuchen mit eigener Probenahme zwischen den Teilnehmenden selbst und auch mit dem IFA entstehen wertvolle Impulse für die Praxis. Ringversuche sind nicht nur eine Pflicht – sie sind auch eine Chance, um für sichere Arbeitsbedingungen zu sorgen.