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Pflanzenschutzmittel im Grundwasser

Large-Volume-Injection LC-MS/MS bei polaren PSM-Metaboliten

| Autor / Redakteur: Sebastian Kowal, Peter Balsaa, Friedrich Werres, Torsten C. Schmidt* / Dr. Ilka Ottleben

Die jahrelange Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) u.a. in der Landwirtschaft beeinträchtigt auch die Grundwasserressourcen.
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Die jahrelange Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) u.a. in der Landwirtschaft beeinträchtigt auch die Grundwasserressourcen. (Bild: © countrypixel - Fotolia.com)

Pflanzenschutzmittel (PSM) sollen an der Erdoberfläche bzw. auf der Pflanze wirken, dringen aber oft bis ins Grundwasser vor, das durch die Wirkstoffe und ihre Metabolite beeinträchtigt wird. Aufgrund ihres meist polaren Charakters erweist sich ihre Analytik als anspruchsvoll. Die Large-Volume-Injection LC-MS/MS hilft hier weiter.

Es ist bekannt, dass die jahrelange Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) in der Landwirtschaft und auf kommunalen Flächen zu einer Beeinträchtigung der Grundwasserressourcen führt. Dabei gelangen nicht nur die PSM-Wirkstoffe selbst in den Grundwasserleiter, sondern auch ihre biologischen oder chemischen Metaboliten [1]. Die chemische Analytik der meist polaren Metaboliten erweist sich als schwierig, da klassische Extraktionsverfahren wie die Festphasen- oder Flüssig-flüssig-Extraktion sich häufig nicht eignen. Erst die neueren hochempfindlichen Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometer (LC-MS/MS) lassen die sichere Bestimmung solcher Substanzen mittels Direktinjektion im unteren ng/L-Bereich zu [2].

Jedoch müssen zur Empfindlichkeitssteigerung bei der Analytik von polaren Substanzen spezielle Techniken für die Direktinjektion großer Probenvolumen eingesetzt und optimiert werden. Ferner gelangen mit einem großen Probevolumen neben den Zielanalyten auch störende Matrixbestandteile bestehend aus Salzen und organischen Komponenten (DOC) in das MS. Die Matrixkomponenten sind deutlich höher konzentriert (mg/L bis g/L) als die Zielanalyten (ng/L bis µg/L) und beeinträchtigen bei Koelution die Elektrosprayionisation. Beim Einsatz der Umkehrphasenchromatografie treten diese Matrixeffekte häufig bei früh eluierenden polaren Zielsubstanzen auf, die mit der Salzfront koeluieren. Die Matrixeffekte stören oft die Quantifizierung mittels LC-MS und sollten in der Regel reduziert oder kompensiert werden [3].

Der Matrixeinfluss wurde besonders bei der Messung der beiden stabilen Metaboliten Desphenyl-chloridazon (DCL) und Methyl-desphenyl-chloridazon (MDCL) des Herbizides Chloridazon beobachtet [4]. Die beiden PSM-Metaboliten sind mit einem Log-P-Wert von jeweils -0,84 und -0,62 sehr polar. Aufgrund der Polarität der Metaboliten lag der Fokus der Arbeit auf der Entwicklung und Optimierung einer geeigneten chromatographischen Methode und der weitergehenden Untersuchung der Matrixeffekte.

Methodenentwicklung und Optimierung

Die Untersuchungen wurden mittels eines Waters Acquity UPLC-TQD-Systems mit kurzen Sub-2-µm-Partikelsäulen (Umkehrphase) durchgeführt. Die chromatographische Trennung erfolgte über eine Waters Acquity UPLC Säule des Typs HSS C18 (2,1 x 50 mm x 1,8 µm), während die Detektion von zwei spezifischen Massenübergängen mittels des Tandem-Massenspektrometers durchgeführt wurde. Das Injektionsvolumen betrug 50 µL (etwa 40 % des Säulenvolumens). Ein nahezu wässriger Anfangsgradient (A: 99,9 % Wasser, 0,01 % Ameisensäure; B: 0,1 % Acetonitril) führte zur Fokussierung der Zielanalyten am Säulenkopf und damit zu einer Erhöhung der Retentionszeit (s. Abb. 1b). Eine Erhöhung des organischen Modifiers unmittelbar nach der Injektion führte zu symmetrischen Peaks ohne Peakverbreiterung (s. Abb. 1c), die in der Regel durch Injektion eines großen Probenvolumens (≥ 10 % des Säulenvolumens) auftritt (s. Abb. 1a).

Während der Untersuchung von Matrixeffekten konnte festgestellt werden, dass viele Salze und insbesondere Ammoniumionen eine deutliche Signalerhöhung verursachen. Daher wurden die Ammoniumionen während der Methodenentwicklung als Additive untersucht, um die Empfindlichkeit der analytischen Methode zu steigern. Eine ammoniakalische Lösung (10 mmol/L) wurde mittels eines T-Stücks und Spritzensystems zwischen der chromatografischen Säule und MS-Detektor infundiert. Hierbei konnte eine Erhöhung der Empfindlichkeit um den Faktor 10 erreicht werden.

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