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LEBENSMITTELANALYTIK Analyse multipler Pestizidrückstände in komplexen Matrizen

Autor / Redakteur: SANDRA RONTREE*, DAVID DOUCE**, PETER HANCOCK**, HANS G.J. MOL*** UND ANDREAS TEI**** / Gerd Kielburger

Weltweit kommen derzeit über 800 Pestizide zur Anwendung. Um die Sicherheit von Nahrungsmitteln für den Verbraucher zu gewährleisten, geben zahlreiche EU-Direktiven verbindliche Richtlinien vor, die bei der Entwicklung analytischer Methoden zu befolgen sind.

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Der Schutz menschlicher Gesundheit vor Pestizidrückständen in Lebensmitteln bleibt in Europa ein wesentliches Ziel. Weltweit kommen derzeit über 800 Pestizide zur Anwendung, um unerwünschte Unkräuter, Insekten, Nagetiere und Pilzbefall zu bekämpfen. Um die Sicherheit von Nahrungsmitteln für den Verbraucher zu gewährleisten, legen zahlreiche EU-Direktiven MRLs (Maximum Residue Limits, verbindliche maximale Rückstandsmengen) für Pestizide fest, die als potenzielles Gesundheitsrisiko eingestuft sind, sowie Richtlinien, die bei der Entwicklung analytischer Methoden zu befolgen sind.

Die Herausforderung an die Analytiker und ihre Methodenentwicklung besteht darin, die Zahl der erkannten Pestizide zu maximieren, die Vielfalt der dazu notwendigen Methoden zu minimieren, die Zeiten pro Analyselauf kurz zu halten und dabei Nachweisgrenzen (LoDs, Limits of Detection) zu erreichen, die bei oder unter dem MRL-Meldewert liegen.

Analysen auf multiple Rückstände treffen bei der Bestimmung von Rückständen in Nahrungsmitteln auf zunehmende Akzeptanz. Vor kurzem sind Methoden für die Überwachung von über 150 Pestizidverbindungen in Früchten und Gemüse publiziert und erfolgreich in Routine-analysen angewendet worden.

Für die Analyse multipler Rückstände mit sehr breitem Erfassungsbereich muss die Methode zur Probenaufbereitung nicht-selektiv sein, um eine akzeptable Wiederfindungsrate für alle Pestizidrückstände zu gewährleisten. Mit diesem Ansatz untrennbar verbunden ist die Tatsache, dass die Aufreinigung von Extrakten nur in begrenztem Umfang möglich ist. Dies führt zu einer komplexen Probenmatrix, die sich potenziell störend auf die Bestimmung der verschiedenen Analyten auswirken kann.

Bei Anwendung solcher Methoden auf komplexe Matrizen wie Babynahrung, Kräuter, Gewürze oder Tabak ist eine verbesserte Selektivität bei der Erkennung notwendig, um die geringe Selektivität der Probenaufbereitung auszugleichen. Single Quadrupol und Ionenfallen-Massenspektrometer eignen sich für einfache Matrizen, bei denen LoDs unter 0,01 mg/kg verlangt werden, bieten aber keine ausreichende Selektivität für komplexe Lebensmittelmatrizen wie Babynahrung, Knoblauch, Ingwer, Kräuter oder Gewürze.

In der vorliegenden Arbeit wurde GC (Gasschromatographie) in Verbindung mit massenspektrometrischer Quadrupol Detektion (GC/MS/MS) eingesetzt, um die notwendige Selektivität zu erzielen (Abbildung 1).

Es gibt mehrere Anforderungen an die zu entwickelnde Methode:

Zuerst muss es eine einfache und generische, schnelle Extraktionsmethode sein, die eine Wiederfindung multipler Pestizidklassen (OP, OC, Pyrthroide usw.) zulässt.

Die Analyse von 100 oder mehr Pestiziden in einem Durchlauf soll möglich sein.

Die erreichten LoDs müssen bei oder unterhalb der Meldegrenze sein.

Die Methode muss die Möglichkeit bieten, multiple Verbindungen in einer Vielzahl von Produkten/Matrizen zielgenau zu erfassen.

Die effiziente Nutzung von Zeit/Geräten/Personal muss gewährleistet sein (Methoden für multiple Rückstände).

Zum Ausgleich der weniger selektiven Probenaufbereitung sollte es eine selektive MS-Detektionsmethode sein.

Die Methode muss eine adäquate Empfindlichkeit besitzen, um die Menge der in das GC-System eingeführten (schmutzigen) Matrix so gering wie möglich zu halten.

Methodenentwicklung und Leistungsfähigkeit

Um die Empfindlichkeit des Gerätes auf den jeweiligen Rückstand zu maximieren, wurde die Wahl von Vorläuferion, Produkt-Ion und Kollisionsenergie optimiert. Die Pestizidmischung wurde im Full-Scan Modus analysiert. Das Vorläuferion wurde aus den Full-Scan-Spektren auf Grundlage seiner relativen Auftretenshäufigkeit ausgewählt. Die Kollisionsenergie für die Produktionen wurde unter Verwendung einer Reihe von Kollisionsenergiewerten zwischen 5 und 30 eV optimiert.

Für die Mehrzahl der Pestizide lag die Nachweisgrenze unter 10 pg on-column (Grundlage war ein Signal/Rausch (S/R)-Verhältnis von > 3:1, s. Tabelle 1 und InfoClick).

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Die Fähigkeit, kurz nacheinander eluierende Peaks zu quantifizieren, ist eine Vorbedingung für Methoden zur Analyse multipler Rückstände. Die jedem Übergang zugewiesene Dwell-Zeit muss so bemessen sein, dass sie die Erfassung von mindestens zehn Datenpunkten für eine präzise Quantifizierung sicherstellt.

Um den Effekt kurzer Dwell-Zeiten auf die Datenqualität einzuschätzen, wurde eine Standardlösung von Hexachlorbenzol mit einer Reihe unterschiedlicher Dwell-Zeiten akquiriert. Die Signalintensität ist von einer kürzeren Dwell-Zeit nicht betroffen. Mit einer Dwell-Zeit von 10 ms ist das gemessene S/R-Verhältnis für die Quantifizierung der Zielverbindungen ausreichend. Zur Beurteilung der Geräterobustheit wurde Hexachlorbenzol (20 pg on-column) mehrfach (n = 10) mit verschiedenen Dwell-Zeiten zwischen 10 und 50 ms analysiert. Die Wiederholgenauigkeit der Injektion (ausgedrückt als relative Standardabweichung in Prozent) lag unter fünf Prozent.

Für 100 Pestizidrückstände nutzte der optimale Experimentalaufbau 84 MRM Übergänge in 14 MRM Funktionsfenstern mit vier bis acht Übergängen je Fenster. Mit diesem Aufbau lag die Maximalzahl akquirierter Übergänge zu jedem Zeitpunkt bei fünfzehn.

Analytische Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die analytische Methode wurde auf die Untersuchung einer Reihe komplexer Lebensmittelextrakte angewendet, darunter Frischprodukte, Babynahrung (Matrix-äquivalent = 0,5 g/mL), Trockenkräuter, Gewürze, Tabak, Ginkgo und Cannabis (Matrixäquivalent = 0,1 g/mL).

Abbildung 2 zeigt im Vergleich Chromatogramme von komplexen und nicht-komplexen Matrizen und verdeutlicht die Bedeutung hoher Selektivität für die Analyse dieser Arten von Proben. Abbildung 3 zeigt die GC/MS/MS-Chromatogramme ausgewählter Pestizidrückstände in Kräutertee. In allen Fällen wurde ein hoher Prozentsatz der aufgestockten Pestizide erkannt und gemessen, und das trotz hochkomplexer Matrizen, generischer Probenaufbereitung und begrenzter Aufreinigung (Tabelle 2).

Es wurde eine Analysemethode für multiple Rückstände zur überwachenden Beobachtung von 100 Pestizidrückständen in einer Palette von Nahrungsmittelmatrizen entwickelt. Auch für sehr komplexe Nahrungsmittelmatrizen wurde eine hinreichende Selektivität erreicht, um eine generische Probenaufreinigung zuzulassen, wie die vorgestellten Chromatogramme belegen. Das Quattro micro GC ist für die Routineanalyse bei Dwell-Zeiten von 10 ms einsetzbar.

Eine nachfolgende Ausweitung dieser Methode auf eine größere Zahl von MRM Übergängen wäre ohne Empfindlichkeitsverlust möglich. Das System bot für die Mehrzahl der Pestizidrückstände eine gute Empfindlichkeit 1) bis 10 pg on-column), die eine Minimierung der in das System eingeführten Matrixmenge erlaubte, was eine der Hauptforderung an die Methode war.

*S. Rontree, Waters Corporation, Transistorstraat 18, 1322 CE Almere, Niederlande**D. Douce, P. Hancock Waters Corporation, Manchester, Großbritannien***H. G.J. Mol, 3TNO, Zeist, Niederlande****A. Tei, Waters GmbH, Hauptstr. 87, 65760 Eschborn

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