DBDI-Ionisierung als Brücke zwischen GC und LC-MS Pestizidanalytik ohne Kompromisse: 687 Pestizide in 15 Minuten

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Klassische GC-MS-Methoden stoßen bei komplexen Matrices und wachsenden Verbindungslisten an ihre Grenzen. Eine DBDI-basierte Ionenquelle erzeugt intakte Molekülionen statt Fragmente und öffnet damit den Weg zu einfacheren Workflows, MS/MS-Bestätigung und gemeinsamen Spektrenbibliotheken mit LC-MS/MS.

Die Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) gehört seit Jahrzehnten zum Standardrepertoire der Pestizidrückstandsanalytik. Ihre Stärken sind bekannt: hohe Trennleistung, Reproduzierbarkeit, robuste Quantifizierung und eine breite Datenbasis durch etablierte Spektrenbibliotheken. Weniger diskutiert wird, was die vorherrschende Ionisierungsmethode – die Elektronenstoßionisierung (EI) – dabei systematisch verhindert.

Wenn Fragmentspektren nicht mehr ausreichen

Bei EI-Ionisierung werden Analytmoleküle hochenergetischen Elektronen ausgesetzt. Das Ergebnis ist extensive Fragmentierung: Das intakte Molekülion wird zerstört, während ein Muster von 10 bis 20 Fragmentpeaks im niedrigen Massenbereich zurückbleibt. In sauberen Matrices bei hohen Konzentrationen ist das ausreichend. In realen Proben, wie zum Beispiel Lebensmittelextrakten, Umweltmatrices, komplexen Agrarmaterialien, konkurrieren diese Fragmentionen mit Matrixsignalen in denselben Spektrenbereichen.

Die Folgen: höherer manueller Auswertungsaufwand bei der Peak-Identifizierung, eingeschränkte Selektivität bei Spurenkonzentrationen nahe dem Maximum Residue Limit (MRL). Erschwerend kommt hinzu, dass regulatorische Vorgaben für bestimmte Substanzen mindestens zwei Identifikationspunkte verlangen – bei GC-EI neben dem Chromatogramm typischerweise über charakteristische Fragmentionen im Selected Ion Monitoring (SIM)-Modus. Ist der SIM-Modus nicht möglich oder eindeutig, wird ein zweiter Messdurchlauf auf einer LC-MS/MS-Plattform (Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie) notwendig: mit erneuter, oft aufwendig angepasster Probenvorbereitung – und für flüchtige oder thermolabile Analyten mitunter ohne verwertbares Ergebnis, weil diese sich unter den mit LC-MS normalerweise einhergehenden Electrospray-Ionisation (ESI)-Bedingungen schlicht nicht ionisieren lassen.

Das Ergebnis: zwei separate Geräteökosysteme, zwei Spektralbibliotheksformate und zwei Methodenentwicklungspipelines – mit doppeltem Aufwand für Beschaffung, Wartung und Schulung.

Softe Ionisierung als Brücke zwischen GC und LC

Genau an dieser Stelle setzt eine DBDI-basierte Ionenquelle an. DBDI steht für Dielektrische Barriereentladung – ein Ionisierungsprinzip, das Analyten weich ionisiert, und sie daher weniger fragmentiert. Das Ergebnis sind Spektren, die von intakten Molekül- und Quasimolekülionen dominiert werden: vorwiegend [M+H]⁺ und [M]⁺. Während EI die Signalintensität auf 10 bis 20 Fragmentpeaks verteilt, konzentriert die DBDI-Ionenquelle das Signal in einer oder zwei dominanten Ionenspezies.

Plasmion hat diese Technologie unter dem Namen Sicrit kommerzialisiert. Ein entscheidender architektonischer Vorteil: Über dedizierte Kopplungsmodule kann dieselbe Ionenquelle wahlweise eine GC- oder eine LC-Trennung mit demselben Massenspektrometer verbinden. GC- und LC-Messungen erfolgen weiterhin als separate Läufe, teilen sich aber dieselbe Ionenchemie, dieselbe Spektralbibliothek und denselben Bestätigungs-Workflow. Zusätzlich kann die Ionenquelle sowohl polare als auch unpolare Komponenten ionisieren und löst damit die traditionelle Grenze zwischen GC- und LC-basierter Analytik ein Stück weit auf. Sie ist dabei nicht an einen bestimmten Gerätehersteller gebunden, sondern lässt sich mit allen handelsüblichen Chromatographie-Systemen (GC, LC, SFC) und einem Atmosphärendruck-Massenspektrometer kombinieren.

Regulatorische Nachweisgrenzen im Full-Scan-Modus

Dass die Ionenquelle intakte Molekülionen liefert und sich mit beiden Trennplattformen kombinieren lässt, ist die technische Grundlage – die entscheidende Frage für den Laboreinsatz ist jedoch: Reicht die Empfindlichkeit für regulatorisch relevante Nachweisgrenzen (LODs)? LODs für Pestizide müssen den EU-Standard-Höchstwert von 10 ppb erreichen oder unterschreiten, idealerweise ohne auf zielgerichtete Akquisitionsmodi wie SIM oder Multiple Reaction Monitoring (MRM) angewiesen zu sein.

In einer Untersuchung mit einem GC-DBDI-LC-QTOF-Setup wurden 74 Pestizide aus drei Restek-Multirückstandsstandards über einen fünfpunktigen Kalibrierungsbereich von 1 ppb bis 1 ppm ausgewertet. Die LODs wurden gemäß der EU-Kommissions-Methodik berechnet (3,9 × Sb / Steigung; Sb = Std. Abw.). Sämtliche Messungen erfolgten im Full-Scan-MS¹-Modus – kein SIM, kein MRM, keine verbindungsspezifische Optimierung.

Das Ergebnis: 70 von 74 Verbindungen erreichten LODs unterhalb des EU-Standard-Höchstwerts von 10 ppb. Kalibrierkurven zeigten über alle drei Standards eine starke Linearität. Regulatorisch relevante Nachweisgrenzen im untargeted Full-Scan-Betrieb zu erreichen, ist kein trivialer Punkt: Es zeigt das Optimierungspotenzial dieser Methode für den gezielten Einsatz mit anderen Modi (SIM, MRM) bzw. generell auf Triple-Quadrupol-Systemen (MRM).

MS/MS-Bestätigung direkt aus dem GC-Lauf

Ausreichende Empfindlichkeit ist die eine Voraussetzung für den regulatorischen Einsatz – die zweite ist die zweifelsfreie Identifizierung eines Treffers. Genau hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der intakten Vorläuferionen: Mit einem dominanten [M+H]⁺-Vorläuferion wird der Bestätigungs-Workflow erheblich vereinfacht. Datenabhängige Akquisition (DDA) kann automatisch Collision-induced Dissociation (CID)-Fragmentierung für Verbindungen von Interesse auslösen. Die resultierenden MS²-Spektren entstehen aus einem klar definierten Vorläuferion unter kontrollierten Kollisionsenergien – dasselbe experimentelle Rahmenwerk wie bei der LC-MS/MS-Bestätigung.

Da die erzeugten Vorläuferionen chemisch äquivalent zu den von ESI erzeugten sind, können MS²-Spektren aus GC-DBDI-Akquisitionen direkt gegen bestehende LC-MS/MS-Spektralbibliotheken abgeglichen werden – ohne Übersetzung oder Anpassung. Für Diazinon z.B. stimmte das MS²-Spektrum mit dem Shimadzu-LC-MS/MS-Bibliothekseintrag als Top-Treffer überein.

Abdeckung des chemischen Raums

Nachdem Sensitivität und Bestätigungsfähigkeit an einem kleineren Verbindungssatz gezeigt waren, stellte sich die Frage, wie weit sich dieser Ansatz skalieren lässt – und wie viel des relevanten Verbindungsraums eine einzige Methode überhaupt abdecken kann. GC- und LC-Methoden haben diesen Raum traditionell nach chemischen Eigenschaften aufgeteilt: flüchtige und halbflüchtige unpolare Verbindungen zur GC, polare und thermolabile zur LC. Viele Pestizidlisten enthalten Verbindungen aus beiden Bereichen – und keine konventionelle Einzelplattform deckt beide ab.

Diese Frage wurde u.a. in einer Studie untersucht, die im Rahmen eines Promotionsprojekts an der Technischen Universität München mit demselben GC-DBDI-LC-QTOF-Setup durchgeführt wurden. Dabei wurden 687 Pestizide – sowohl GC- als auch LC-geeignete Verbindungsklassen analysiert, wovon in einem ersten Versuch ohne Optimierung bereits 99,1% nachgewiesen werden konnten. Bemerkenswert: Auch die klassisch LC-geeigneten Verbindungen wurden dabei ohne jede Derivatisierung über die GC-Trennung gemessen – möglich, weil die DBDI-Ionisierung nicht auf polare oder unpolare Analyten beschränkt ist. Der lineare dynamische Bereich überstieg drei Größenordnungen, und die Empfindlichkeit erfüllte die EU-MRL-Schwellenwerte für alle nachgewiesenen Verbindungen. Dabei reduzierte der Einsatz von Wasserstoff statt Helium als Trägergas die Laufzeit um etwa 40 % auf 15 Minuten – bei gleicher chromatographischer Auflösung und ohne negative Auswirkungen auf MS-Leistung oder Spektrenqualität.

Was das für den Laboralltag bedeutet

Die analytischen Vorteile haben eine direkte Infrastrukturdimension. Ein konventionelles Labor, das GC-MS und LC-MS als separate Plattformen betreibt, unterhält zwei unabhängige Geräteökosysteme: zwei Massenspektrometer, zwei Ionisierungsquellen, zwei Spektralbibliotheksformate, zwei Methodenentwicklungspipelines.

Mit einer gemeinsamen Ionenquelle für GC und LC teilen sich beide Trennmethoden dieselbe Ionenchemie, dieselbe Spektrenbibliothek und denselben Bestätigungs-Workflow. GC-EI und LC-ESI werden dadurch nicht obsolet – es wird weiterhin Anwendungen geben, die spezifisch EI-Fragmentmuster zur Identifizierung benötigen, oder ESI für Verbindungen, die eine GC-Trennung nicht vertragen. Was neu entsteht, ist eine dritte Kategorie: Anwendungen, bei denen ein einziger Ionisierungsansatz beide Verbindungsräume auf einer einheitlichen MS-Plattform abdeckt.

Für genau diese dritte Kategorie reduziert sich der eingangs beschriebene Aufwand in Bezug auf Infrastruktur und Abläufe spürbar: Eine statt zwei Geräteplattformen, eine gemeinsame Spektrenbibliothek, weniger doppelte Methodenentwicklung, geringerer Wartungs- und Schulungsaufwand.

Fazit

Weiche Ionisation in Kombination mit GC verändert nicht nur die Spektrenqualität – sie schafft die Voraussetzung für einen grundlegend anderen Analyse-Workflow. Die DBDI-basierte Ionenquelle erzeugt Spektren, die von intakten Molekül- und Quasimolekülionen dominiert werden, mit Nachweisgrenzen, die für viele Substanzen bestehende GC-MS-Verfahren sogar übertreffen, und ermöglicht MS/MS-Bestätigung über den direkten Abgleich mit LC-MS/MS-Bibliotheken. Für Labore, die GC-MS und LC-MS bislang als getrennte Welten betreiben, eröffnet DBDI damit einen Weg, diese Grenze aufzulösen, ohne auf die analytische Tiefe einer der beiden Methoden zu verzichten.