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PROBENVORBEREITUNG Effizienzsteigerung durch SPME

Autor / Redakteur: Friedrich Werres* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Festphasenmikroextraktion (solid-phase-microextraction oder SPME) ist für verschiedene Anwendungsgebiete der Analytik inzwischen eine kostengünstige Alternative zu konventionellen Techniken der Probenvorbereitung.

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Abb.1: GC-MS-Arbeitsplatz für die vollständig automatisierte Bestimmung von Pflanzenschutzmitteln in Wasserproben mittels SPME.
Abb.1: GC-MS-Arbeitsplatz für die vollständig automatisierte Bestimmung von Pflanzenschutzmitteln in Wasserproben mittels SPME.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Festphasenmikroextraktion (solid-phase-microextraction oder SPME) ist für verschiedene Anwendungsgebiete der Analytik inzwischen eine kostengünstige Alternative zu konventionellen Techniken der Probenvorbereitung. Nach Fertigstellung der DIN 38407-34 besteht nun auch für Wasserlaboratorien die Möglichkeit, SPME z.B. im Rahmen der Anforderungen der Trinkwasserverordnung (TrinkwV 2001) zur Pflanzenschutzmittelanalytik einzusetzen.

Die Anforderungen an die analytische Arbeit von Untersuchungsstellen, die Trinkwasser untersuchen, haben sich in den letzten Jahren ständig erhöht, da das zu untersuchende Stoffspektrum stark angewachsen ist. Dies betrifft auch Pflanzenschutzmittel (PSM), Biozide und deren Abbauprodukte, die in der gültigen Trinkwasserverordnung mit einem niedrigen Grenzwert von 0,1 µg/l belegt sind.

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Der langjährige Einsatz von PSM in der Landwirtschaft sowie im privaten und kommunalen Bereich hat inzwischen dazu geführt, dass einige der Wirkstoffe im Oberflächen- und Grundwasser regelmäßig nachweisbar sind. Zur Überwachung der Wässer im Vorfeld der Trinkwassergewinnung werden daher schnelle, sichere und empfindliche Analysenmethoden benötigt, um unverzüglich auf Veränderungen der Wasserqualität reagieren zu können.

Konventionelle Probenvorbereitung

Gestiegen sind aber auch die Anforderungen an die Probenaufbereitungstechniken, die einer instrumentellen Bestimmung organischer Wasserinhaltsstoffe im Spurenbereich in der Regel vorausgehen und häufig den Hauptaufwand des gesamten Bestimmungsverfahrens ausmachen.

Insbesondere die unterschiedlichen Extraktionsverfahren sind für Laboratorien mit erheblichen Sachmittel- und Personalkosten sowie meist auch mit einem hohen Zeitbedarf verbunden. So erfordert die Flüssig/Flüssig-Extraktion große Volumina hochreiner, teurer sowie teilweise auch toxischer organischer Lösungsmittel, die anschließend einer sachgerechten Entsorgung zugeführt werden müssen. Die Festphasenextraktion ist daher heute stärker verbreitet. Beide Verfahren erfordern jedoch große Probenvolumen des zu untersuchenden Wassers, und ihre Reproduzierbarkeit und Kalibrierfähigkeit hängt vom exakten Einhalten einer Reihe arbeitsintensiver Verfahrensschritte ab.

Prinzip der SPME

Die Festphasenmikroextraktion stellt hingegen eine einfach und schnell durchführbare Technik dar, die sich neben zahlreichen anderen Anwendungen besonders für die Bestimmung von Pflanzenschutzmitteln eignet und vollständig automatisiert werden kann (s. Abb. 1). Die Technik wurde erstmals von Pawliszyn und Mitarbeitern beschrieben und kommt ohne die Verwendung eines organischen Lösungsmittels aus. Die Analyten werden der Wasserprobe mit einer Faser aus Glas oder Metall entnommen, die auf ihrer Oberfläche mit einem geeigneten Polymer (z.B. Polydimethylsiloxan oder Polyacrylat) beschichtet ist. Die Faser befindet sich an einem Metallstift und wird von einer Stahlnadel - ähnlich einer GC-Injektionsnadel - umgeben, aus der sie während der Extraktion bzw. Desorption herausgeschoben werden kann (s. Abb. 2).

Zunächst wird das Septum des Probengefäßes durchstochen, in dem sich nur wenige ml der Wasserprobe befinden müssen. Die Faser taucht in die kräftig gerührte Flüssigkeit ein, und die Extraktion beginnt. Die Analyten werden mittels SPME jedoch nicht vollständig aus der Wasserprobe extrahiert, sondern es stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht zwischen den in der wässrigen Probe gelösten und in der stationären Polymerphase absorbierten Analytmolekülen ein. Der diffusionskontrollierte Stofftransport in das Polymer ist primär nicht vom Probenvolumen abhängig, solange dies nicht zu klein ist, sondern direkt proportional dem Verteilungskoeffizienten, dem Volumen der stationären Phase sowie der Konzentration des jeweiligen Analyten in der Wasserprobe.

In der Praxis sind Probenvolumen oberhalb 5 ml geeignet. Die Dynamik des Prozesses sowie viele Beispiele werden in der Literatur beschrieben. Da in der praktischen Anwendung bei konstanten Extraktionszeiten die Einstellung des Verteilungsgleichgewichtes nicht abgewartet werden muss, kann die Extraktion in wenigen Minuten erfolgen. Anschließend wird die Faser wieder in die Nadel eingezogen, aus dem Probengefäß entfernt und direkt in den Injektor eines Gaschromatographen eingeführt. In der beheizten Zone des Injektors werden die Analyten durch thermische Desorption von der Faser abgelöst und gelangen auf die GC-Säule.

Fortschritte der Technik

Eine Automatisierung des gesamten Verfahrens mittels geeigneter automatischer Probengeber (s. Abb. 3) ist wegen der damit erreichbaren hohen Reproduzierbarkeit aller Arbeitsabläufe sehr zu empfehlen und mit modernen Geräten leicht erreichbar. Die Automatisierung hat in den letzten Jahren die ehemals manuell durchzuführende SPME mehr oder weniger abgelöst und wegen ihrer erheblich besseren Resultate zu einer weiteren Verbreitung der Technik geführt.

Für leicht- und mittelflüchtige Stoffe eignet sich auch die sog. Headspace-SPME, bei der die Faser nicht in die Flüssigkeit eintaucht, sondern die Analyten aus der Gasphase oberhalb der Wasserprobe extrahiert. Mit dieser Technik können sehr viel kürzere Extraktionszeiten erreicht werden, da Diffusionsabläufe in der Gasphase um ein Vielfaches schneller ablaufen als in Flüssigkeiten.

Normungsarbeiten zur SPME

Im Normenausschuss Wasserwesen (NAW) beschäftigt sich ein DIN Arbeitskreis mit der Thematik und hat inzwischen ein Verfahren zur Bestimmung ausgewählter Pflanzenschutzmittel in Trink-, Grund- und Oberflächenwässern mittels GC-MS nach Festphasenmikroextraktion erarbeitet und validiert. Die entsprechende DIN 38407-34 wurde im Dezember 2005 von Hauptausschuss NA119-01-03 zur Norm verabschiedet. Der Anwendungsbereich orientiert sich an gesetzlichen Anforderungen aus der europäischen Trinkwasserrichtlinie (Richtlinie 98/83/EG) und der ab Januar 2003 gültigen neuen Trinkwasserverordnung. Es wurden aktuell sich in der Diskussion befindliche Wirkstoffe berücksichtigt. Die Auswahl erfolgte auf Grund von Empfehlungen der Behörden, Gesundheitsämter und landwirtschaftlicher Verbände sowie berichteter Befunde von Institutionen und Laboren.

Ferner wurden länderspezifische Anforderungen der Teilnehmer berücksichtigt. Die getroffene Auswahl ist nicht vollständig und bedeutet auch keine Einschränkung des Verfahrens auf diese Stoffe. Sie beschränkt sich jedoch auf diejenigen Parameter, für die im Rahmen des Normungsverfahrens von allen Teilnehmern des Arbeitskreises alle zur Normung erforderlichen Validierungsexperimente erfolgreich durchgeführt wurden.

SPME-Einflussgrößen

Im Rahmen der Arbeiten wurden zahlreiche SPME-Einflussgrößen wie z.B. pH-Wert, Rührgeschwindigkeit, Extraktionszeit, Fasertyp, Salzzugabe und Extraktionstemperatur optimiert. Eine wichtige Feststellung war darüber hinaus, dass die Matrix „Oberflächenwasser“ im Vergleich zur Matrix weniger belasteter Wässer (Grund- und Trinkwasser) auf die Lebensdauer der Faser keinen signifikanten Einfluss hatte. Graphische Auftragungen des zeitlichen Verlaufs der Extraktionsausbeuten zeigten für beide Matrices einen im hohen Maße vergleichbaren Verlauf. Die Fasern besaßen generell eine hohe Lebensdauer. Mechanisch überstanden die Fasern 100 Extraktions- und Thermodesorptionsvorgänge ohne Probleme. Die Leistungsabnahme der Fasern war jedoch individuell verschieden.

Bei den meisten der untersuchten Stoffe zeigte sich innerhalb von 50 Messungen nur eine geringe Abnahme der Extraktionsausbeuten. Für viele der untersuchten Stoffe gilt dies auch für über 90 Injektionen. Bei den Stoffen Parathion-methyl, Parathion-ethyl, Heptachlor, Pendimethalin und Mefenpyrdiethyl wurde zum Teil eine stärkere Abnahme der Extraktionsausbeuten beobachtet, die bei mehr als 80-maliger Verwendung der Faser mitunter nur noch 30 Prozent des Ausgangswertes ausmachte.

Der Arbeitskreis empfiehlt im Validierungsdokument zur Norm eine Verwendung der Fasern für eine Dauer von etwa 50 Injektionen. Jedoch können die Fasern durchaus häufiger eingesetzt werden, wenn in der Probensequenz eine regelmäßige Rekalibrierung vorgenommen wird, möglichst mit einem internen Standard gearbeitet wird und trotz Abnahme der Extraktionsausbeute die Anforderungen an die Empfindlichkeit erfüllt werden.

Die Extraktion einiger Stoffe zeigt eine mehr oder weniger ausgeprägte Temperaturabhängigkeit. In der Regel werden bei niedrigeren Temperaturen etwas höhere Extraktionsausbeuten erhalten (s. Abb. 4). Ein genaues Einhalten der Extraktionstemperatur ist daher bei allen Proben einer Kalibrierreihe oder Probenserie notwendig. Konstante niedrige Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur oder darunter lassen sich mit einem handelsüblichen SPME-Autosampler jedoch meist nicht realisieren. Daher empfiehlt der Arbeitskreis eine Extraktionstemperatur von 30 °C, die sich problemlos einhalten lässt.

Die gewonnenen Ergebnisse aus umfangreichen Experimenten zeigten, dass sich die ausgewählten PSM mit SPME empfindlich und weit unterhalb des Grenzwertes der Trinkwasserverordnung erfassen lassen. Die validierten Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit und Linearität aus. Tabelle 1 zeigt einige typische Verfahrenskenndaten, die aus Validierungsversuchen mit Polyacrylat- und PDMS/DVB-Fasern gewonnen wurden.

Fazit

Das im Rahmen der Normungsarbeiten validierte Verfahren zur PSM-Analytik zeigt, dass mit SPME in Zukunft mehr Proben je Zeiteinheit vollständig automatisiert bearbeitet werden können. Neben einer signifikanten Effizienzsteigerung ist SPME herkömmlichen Techniken auch in ökologischer Sicht überlegen.

Durch den Verzicht auf organische Lösungsmittel und diverse, für konventionelle Verfahren benötigte Einwegmaterialien lassen sich erhebliche Kosten vermeiden. Da nur sehr geringe Probenvolumen benötigt werden, sind weitere Einsparungen durch eine starke Vereinfachung von Probentransport, Lagerung und Kühlung möglich.

*IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasser, 45476 Mülheim an der Ruhr

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