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Online-SPE-LC-MS/MS Perfluorierte Tenside automatisiert in Wasser nachweisen

Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dr. Ilka Ottleben

Ein Baustein auf dem Weg zu mehr Produktivität in GC und HPLC ist die Automatisierung manueller Arbeitsschritte, v.a. bei der Probenvorbereitung. Doch auch die Automatisierung kann Optimierungspotenzial bergen, wie Applikationsexperten am Beispiel des Nachweises von perfluorierten Tensiden (PFT) in Wasser zeigen.

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1 Perfluorierte Tenside (PFT) werden weder aerob noch anaerob abgebaut und reichern sich in der Umwelt an. Aufgrund ihres gesundheitsschädigenden Potenzials sind sie daher wichtiges Ziel der Wasseranalytik.
1 Perfluorierte Tenside (PFT) werden weder aerob noch anaerob abgebaut und reichern sich in der Umwelt an. Aufgrund ihres gesundheitsschädigenden Potenzials sind sie daher wichtiges Ziel der Wasseranalytik.
(Bild: © Countrypixel; psdesign 1 / Fotolia.com [M] Alban)

Trinkwasser gehört zu den am strengsten und bestuntersuchten Lebensmitteln überhaupt und zwar zu Recht, geht man einmal davon aus, dass ein Erwachsener täglich 1,5 bis zwei Liter Wasser zu sich nehmen sollte. Wasser spielt ebenso eine große Rolle bei der Herstellung, Zubereitung und Verarbeitung von Lebensmitteln. Auch bei einer nur geringfügigen Schadstoffbelastung des Wassers pro Volumeneinheit können, bei der oben beschriebenen Aufnahmeweise, Schadstoffe in bedenklichen Mengen in den Organismus aufgenommen werden. Umso gravierender, wenn es sich dabei um Verbindungen handelt, die sich einerseits nicht oder nur schwer ausscheiden lassen und denen andererseits ein erhebliches gesundheitsschädliches Potenzial attestiert wird – wie es bei perfluorierten Tensiden (PFT) der Fall ist.

Die Vorzüge von Härte und Stabilität

PFTs lassen sich in zwei Stoffgruppen unterteilen, namentlich in perfluorierte Alkylsulfonate (PFAS) mit Perfluoroctansulfonat (PFOS) als bekanntestem Vertreter, und in perfluorierte Carbonsäuren (PFCA), deren namhaftester Repräsentant die Perfluoroctansäure (PFOA) ist. Sie alle sind Mutter Natur völlig fremd. Der Mensch hat PFTs im Labor geschaffen und mit aus chemischer Sicht außergewöhnlichen diplomatischen Fähigkeiten versehen: Während die Kohlenstoffkette der PFTs hydrophob ist, weist die Kopfgruppe hydrophile Eigenschaften auf; der amphiphile Charakter erklärt die Verwendung dieser Verbindungsklasse als Tensid.

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Im Gegensatz zu klassischen Tensiden besitzt die PFT-Kohlenstoffkette obendrein noch einen ausgesprochen lipophilen Charakter. Werden PFTs auf Oberflächen aufgetragen, weisen sie nicht nur Wasser ab, sondern auch Öle, Fette und Schmutz. Das macht PFTs für die Textil- und Papierindustrie interessant, die sie zur Modifizierung und Veredelung von Oberflächen nutzen. Und aufgrund der polaren Kohlenstoff-Fluor-Bindung, die zu den festesten Bindungen in der organischen Chemie überhaupt zählen, sind PFTs thermisch und chemisch extrem stabil. Ihrer Eigenschaft und Beständigkeit wegen werden sie daher auch in der Galvanik eingesetzt, als Emulgator bei der Herstellung von Fluorpolymeren (Teflon) oder als Additiv bei Feuerlösch-, Schutz-, Schmier- und Imprägnierungsmitteln. [1]

Perfluorierte Tenside – Die andere Seite der Medaille

PFTs weisen Wasser ab, sind aber selbst wasserlöslich. Über Industrieabfälle und -abwässer gelangen sie in die Umwelt und breiten sich rund um den Globus aus. Man findet Vertreter dieser Verbindungsklasse in Oberflächen-, Fließ- und Grundwässern und in der Nahrungskette, ebenso im Menschen. PFTs unterliegen weder einer photolytischen, hydrolytischen, oxidativen oder reduktiven Transformation, noch können UV-Strahlen oder Verwitterungsbegünstigende Umstände ihnen etwas anhaben; PFTs werden weder aerob noch anaerob abgebaut mit der Folge, dass sie sich in der Umwelt anreichern. PFTs sind folgerichtig ubiquitär – und stehen zu allem Übel auch im Verdacht leberschädigend, reproduktionstoxisch und krebserregend zu sein. Das macht sie zu einem Problem und zum Ziel der Wasseranalytik.

SPE als Extraktionsverfahren der Wahl

Zum Nachweis von PFT aus Wasser und anderen wässrigen Matrices kommt normkonform [2,3] die Hochleistungsflüssigchromatographie mit Tandem-Massenspektrometrie (HPLC-MS/MS) nach vorangegangener Festphasenextraktion (SPE) zum Einsatz. Bereits vor einigen Jahren hat die Tela, ein Auftragslabor mit Schwerpunkt Lebensmittel- und Umweltanalytik, eine interessante automatisierte Bestimmungsmethode [2] entwickelt und vorgestellt [1]. Den Fokus legte die Tela darauf, insbesondere die klassische manuelle SPE-Vorgehensweise gemäß ISO 25101:2009 eins-zu-eins zu automatisieren.

Kürzlich haben sich Applikationsexperten um Frederick D. Foster von der Gerstel Inc. aus Baltimore im US-Bundesstaat Maryland an eine Neuauflage der Automatisierungsbemühungen gemacht mit dem Ziel, die Vorgaben der US-amerikanischen Umweltbehörde (EPA) zum Nachweis einer Auswahl perfluorierter Tenside gemäß EPA/600/R-08/092-Methode 537 zu erfüllen.

Online-SPE-LC-MS/MS – Ein Blick auf die Methodenentwicklung

Bei ihrer Variante der HPLC-MS/MS-Bestimmung verwendeten sie eine Gerätekombination bestehend aus einer Agilent 1290 HPLC-Pumpe, eine Agilent Eclipse Plus C18 (2,1 mm x 100 mm, 1,8 µm) Trennsäule sowie ein Agilent 6460 Quadrupol-MS mit Jet-Stream-Elektrosprayquelle. Die Automatisierung der Probenvorbereitung erfolgte unter Einsatz eines Multi-Purpose-Samplers (Gerstel-MPS) in Verbindung mit einem speziellen Online-SPE-Modul (Gerstel-SPE-XOS) zwecks Trennung und Konzentrierung eines ausgewählten Satzes perfluorierter Verbindungen aus Wasserproben. Dazu schreiben die Wissenschaftler: „Das SPE-XOS-System arbeitet mit kleinen, austauschbaren Kartuschen, die mit 10 bis 50 mg eines Sorbens gefüllt sind. Die Konzentrierung der Analyten wird durch das Zurückhalten der Verbindungen auf der SPE-Kartusche erreicht, bevor sie über die mobile Phase in das LC-MS/MS-System eluiert werden. Auf diese Weise wird eine hohe Wiederfindung und ein hoher Durchsatz der Probenaufreinigung erreicht.“ [4]

PFTs auf dem applikativen Schießstand

Foster et al. entwickelten ihre Methode unter Einsatz von Wasserproben, die mit unterschiedlichen PFT-Standards dotiert waren. Namentlich handelte es sich dabei um Perfluoroctansäure (PFOA), Perfluornonansäure (PFNA), Perfluordecansäure (PFDA), Perfluorbutansulfonsäure (PFBS), Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) sowie Perfluoroctansulfonsäure (PFOS). Die Quantifizierung erfolgte unter Einsatz von markierten Standards: 13C-PFOA und 13C-PFOS. Um eine Verfälschung des Messergebnisses durch PFT-Einträge zu verhindern und ein sauberes, reproduzierbares Arbeiten sicherzustellen, wurden sämtliche Systemkomponenten aus Teflon und herkömmlichen Kunststoffen wie Schlauchverbindungen, Ventile und Dichtungen gemäß EPA-Methode 537 durch Bauteile aus Polyetheretherketon (PEEK) ersetzt.

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Komfortabel und sicher automatisiert

Ein Hauptaugenmerk legten Frederick D. Foster und Kollegen bei der hier beschriebenen Methode zur Bestimmung einer ausgewählten Schar unterschiedlicher PFTs auf die automatisierte Probenvorbereitung und damit auf die Online-Festphasen-Extraktions-Prep-Sequenz, programmiert und gesteuert mittels Gerstel-Maestro-Software. Die zentralen Schritte hierbei waren:

  • SPE-XOS konditioniert eine C18-HD-SPE-Kartusche mit 1 mL Acetonitril und anschließend mit 1 mL Wasser.
  • MPS injiziert die Wasserprobe in die Probenschleife des LC-Ventils.
  • SPE-XOS lädt die Probe auf die C18-HD-SPE-Kartusche und wäscht die Kartusche mit 6 mL Wasser.
  • Der LC-MS/MS Lauf startet und die C18-HD-SPE-Kartusche wird mit Hilfe der mobilen Phase eluiert.

Was am Ende zu sagen übrig bleibt

Eine Analysenmethode ist immer nur so gut, wie sie sich in der Praxis unter Alltagsbedingungen einsetzen und anwenden lässt. Diesbezüglich zeigen sich Frederick D. Foster und Kollegen sehr zufrieden mit dem Resultat der Entwicklung eines vollständig automatisierten Online-SPE-Verfahrens mit anschließender LC-MS/MS-Analyse zur Bestimmung wichtiger perfluorierter Tenside. Die unter Einsatz interner Standards entwickelten Kalibrationsgeraden überzeugten für alle oben genannten Verbindungen mit r2-Werten größer 0,99, wobei die Quantifizierungsgrenzen zwischen 10 und 25 pg/mL lagen. Auch in puncto Präzision und Richtigkeit erfülle ihre Methode die Vorgaben mustergültig, wie die Wissenschaftler verlautbaren: Die Messwerte der untersuchten perfluorierten Verbindungen überzeugten durch eine Präzision von 1,7 bis 11,7 % (CV) sowie einer Richtigkeit, die zwischen 90,6 und 110 % gelegen habe.

Literatur:

[1] www.laborpraxis.vogel.de/perfluorierte- tenside-schnell-und-sensitiv-nachweisen-a-190994/

[2] www.iso.org/standard/42742.html

[3] www.well-labs.com/docs/epa_method_
537_2009.pdf

[4] Gerstel Application Note No. 190, 2017

* G. Deußing: Redaktionsbüro Guido Deußing, 41464 Neuss

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