Non-Target-Analytik organischer Schadstoffe im Grundwasser

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Fraunhofer Institut für Toxikologie u. Experimentelle Medizin (ITEM)

Für einige Schadstoffklassen wie sprengstofftypische Verbindungen kann schon ein normales 1H-NMR-Spektrum (s. Abb. 2) weitreichende Informationen über die qualitative Zusammensetzung des Schadstoffspektrums liefern und eine quantitative Gemischanalyse ohne Stoffauftrennung ermöglichen, die vergleichbare Ergebnisse wie herkömmliche Methoden liefert [2]. In der in Abbildung 2 dargestellten Untersuchung konnten alle Hauptkomponenten ohne Stoffauftrennung identifiziert und quantifiziert werden.

Bei Einhaltung entsprechender Messbedingungen bietet die 1H-NMR den großen Vorteil, identifizierte Verbindungen gegen einen frei wählbaren internen Standard quantifizieren zu können. Im Gegensatz zu den bisherigen instrumentellen Verfahren ist die NMR eine absolute Bestimmungsmethode, die grundsätzlich nicht auf die entsprechenden Referenzverbindungen zur Kalibrierung angewiesen ist. Andererseits ergibt sich daraus auch die Möglichkeit, Kalibrierlösungen für empfindlichere Methoden zu generieren, indem man die interessierende Verbindung, für die keine Referenzverbindung verfügbar ist, durch HPLC-Fraktionierung im µg-Maßstab isoliert und deren Gehalt in der so gewonnenen Lösung 1H-NMR-spektroskopisch bestimmt. Ein Beispiel bildet der Sprengstoff 1-Acetyl-3,5,7-trinitro-1,3,5,7-tetraazacyclooctan (SEX), der erstmals in einer Grundwasserprobe der Sprengstoffaltlast Elsnig/Sachsen mithilfe von HPLC-NMR (s. Abb. 3a) und HPLC-MS-Techniken identifiziert werden konnte [3]. Die kommerziell nicht erhältliche Verbindung wurde nach Zugabe eines Standards (Maleinsäure) mittels 1H-NMR quantifiziert (s. Abb. 3b) und die Lösung (SEX-Konzentration von 200 µg/ml) dann als Standard für die weitere Bestimmung in Monitorprogrammen mittels HPLC eingesetzt.

Die HPLC-1H-NMR-Kopplung bietet in der „on-flow-Variante“ für die Non-Target-Analytik weitere Vorteile. Dabei werden praktisch alle protonentragenden organischen Substanzen erfasst und das NMR-Chromatogramm vermittelt im Gegensatz zum UV- oder Totalionen-Chromatogramm ein genaueres Bild der Konzentrationsverhältnisse in der Probe. Das liegt daran, dass die Signalfläche im UV- und MS-Detektor substanzspezifisch ist und sich um Größenordnungen unterscheiden kann, während sie im NMR-Detektor unter quantitativen Bedingungen streng proportional zur Zahl der angeregten Wasserstoffatome einer Verbindung in der Probe ist. Die Methode eignet sich daher gut, um Extrakte von Grundwasserproben zu analysieren, wobei nach Anreicherung Verbindungen im unteren ppb-Bereich detektiert werden können. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen Ausschnitte aus den NMR-Chromatogrammen von Grundwasserextrakten einer Rüstungsaltlast [4] bzw. einer teerölkontaminierten Altlast [5]. Bei der „time-slice-Variante“, bei der die Probe nach Auftrennung nicht kontinuierlich den NMR-Probenkopf durchläuft, sondern in vorwählbaren Zeitintervallen das Chromatogramm automatisch für eine längere NMR-Messung gestoppt wird, können Nachweisgrenzen im oberen ppt-Bereich erreicht werden. Mithilfe der HPLC-NMR wurden in einer sehr komplexen Grundwasserprobe (s. Abb. 5) erstmals eine Reihe von Dihydrochinolinonen identifiziert. Damit konnte ein wichtiger Beitrag zur Aufklärung der Metabolisierung von Chinolinen geleistet werden.

Weitere Empfindlichkeitssteigerung

Bei der HPLC-SPE-NMR/MS-Kopplung werden die interessierenden Peaks nach der chromatographischen Trennung durch Erhöhung des Wasseranteils der mobilen Phase auf kleinen SPE-Kartuschen gebunden und nach deren Trocknung mit einem geeigneten (deuterierten) Lösungsmittel in den Durchflussprobenkopf transferiert. Hierdurch wird eine Empfindlichkeitssteigerung um bis zu einem Faktor von vier erreicht, wobei der Vorgang automatisiert wiederholt werden kann, was zu einer weiteren Empfindlichkeitssteigerung führt. In Verbindung mit einem kryogenen Probenkopf, der nochmals eine Empfindlichkeitssteigerung um einen Faktor vier erbringt, sind von wässrigen Proben mit dieser On-line-Probenanreicherung ebenfalls Nachweisgrenzen im unteren ppb- bis oberen ppt-Bereich möglich.

In Kopplung mit einem hochauflösenden Massenspektrometer können komplementäre Informationen bereits während der chromatographischen Analyse erhalten werden. Liegt die Summenformel und ein 1H-NMR-Spektrum vor, dann ist oft schon die Möglichkeit eines begründeten Strukturvorschlages gegeben, welcher durch Vergleich mit der entsprechenden Referenzverbindung verifiziert oder durch die Aufnahme von 2D-NMR-Spektren gefestigt werden kann.

Im Bereich der Umweltanalytik ist diese Technik insbesondere als Ergänzung zur Non-Target-1H-NMR-Gemischanalyse und/oder HPLC-TOF-MS von Bedeutung.

Literatur

[1] A. Barclay, Labplus International, 18, 4, 2004

[2] A. Preiß, K. Levsen, E. Humpfer, M. Spraul, Application of high-field proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) spectroscopy for the analysis of explosives and related compounds in groundwater samples - a comparison with the high-performance liquid chromatography (HPLC) method, Fresenius J Anal Chem 356, 445-451 (1996)

[3] a) A. Preiss, M. Elend, S. Gerling and S. Träckner, Analysis of highly polar compounds in groundwater samples from ammunition waste sites. Part I - Characterization of the pollutants spectrum; Magn. Reson. Chem. 43, 736-746 (2005)

b) A. Preiss, M. Elend, S.Gerling, E. Berger-Preiss, A.-K. Reineke and J. Hollender, Groundwater contaminations - the use of LC-NMR and LC-MS to characterize the scope of polar contaminants. In: Water Pollutions IX (ed. D. Prats Rico, C.A.Brebbia, Y. Villacampa Esteve; WITPRESS , ISSN 1743-3541), S. 127-138 (2008)

[4] Alfred Preiss, Manfred Elend, Susanne Gerling, Edith Berger-Preiss, Klaus Steinbach, Identification of highly polar nitroaromatic compounds in leachete and ground water samples from a TNT-contaminated waste site by LC-MS, LC-NMR, and off-line NMR and MS investigations, Anal Bioanal Chem 389, 1997-1988 (2007)

[5] Anna-Kirsten Reineke, Alfred Preiss, Manfred Elend, Juliane Hollender, Detection of methylquinoline transformation products in microcosm experiments and in tar oil contaminated groundwater using LC-NMR, Chemosphere 70, 2118-2126 (2008)

[6] Markus Godejohann, Lea Heintz, Cristina Daolio, Jean-Daniel Berset, Daniel Muff, Comprehensive Non-Targeted Analysis of Contaminated Groundwater of a Former Ammunition Destruction Site using 1H-NMR and HPLC-SPE-NMR-TOF-MS, Environ Sci Technol 43, 7055-7061 (2009)

* Dr. A. Preiß, Dr. S. Schuchardt, Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM), 30625 Hannover, Tel. **Dr. M. Godejohann, Bruker BioSpin GmbH, 76287 Rheinstetten

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