Derivatisierung von Perfluorcarbonsäurem mit Triethylsilanol Silylierung im Wasser? Geht doch! Und wie?!

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Perfluorcarbonsäuren (PFCA) sind in der Industrie beliebt aber schädlich für die Umwelt und – nicht leicht zu analysieren. Lesen Sie hier, wie Ihre GC-MS-Analyse dank einer neu entwickelten Derivatisierungsmethode trotzdem gelingt.

Aufgrund ihrer herausragenden chemisch-physikalischen Eigenschaften sind Perfluorcarbonsäuren (PFCA) in Industrie und Alltagsprodukten weit verbreitet. Doch was des einen Freund ist des anderen Feind – viele der Verbindungen gefährden Mensch und Umwelt. Doch ihre (Umwelt-) Analytik ist nicht trivial – die Problematik der Analytik von Perfluorcarbonsäuren (PFCA) wurde im ersten Artikel dieses Dreiteilers bereits ausführlich beschrieben. Für die gaschromatographische (GC) Analyse von organischen Säuren, wie PFCA, ist es notwendig eine Derivatisierungsreaktion durchzuführen, da diese Substanzen eine polare Carboxylgruppe besitzen.

Viele dieser Methoden benötigen jedoch toxische Reagenzien oder sind sehr zeit- und kostenaufwändig. Um diesen limitierenden Faktoren Herr zu werden, entstand die Idee, eine neue Derivatisierungsmethode zu entwickeln, mit der PFCA mittels GC-MS detektiert werden können.

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Schon am Anfang der Entwicklung hat sich herausgestellt: Es ist alles möglich, jedoch nicht simultan und alles auf einmal. Für die Forschung bedeutet dies, dass die PFCA-Derivatisierung aufgeteilt wird in die Entwicklung einer Methode für wässrige Proben und einer Methode für feste Proben. In diesem Beitrag wird die Derivatisierung von PFCA für Wasserproben mit Triethylsilanol beschrieben.

Warum Triethylsilanol? Die Idee einer Reaktion mit Triethylsilanol kam durch eine Veröffentlichung über die Bestimmung des Summenparameters TOF (engl. Total Organic Fluorine). In dieser Methode haben Musijowski et al. [1] Triphenylsilanol verwendet, um aus einem Fluorid-Ion, Triphenylfluorsilan zu bilden. Die Detektion dieser Verbindung erfolgte anschließend mittels HPLC-UV. Da die Perfluorcarbonsäuren sehr niedrige pKs-Werte aufweisen [2], sollten deren Anionen auf ähnliche Weise wie Fluorid reagieren.

Schon in ersten Versuchen mit PFOA und Triphenylsilanol wurde mittels HPLC-UV ein Signal des PFOA-Derivates beobachtet. Da die Empfindlichkeit des HPLC-UV-Systems für sehr niedrige Konzentrationen der PFOA in Umweltproben nicht ausreichte, hat sich die Forschung schnell in Richtung GC-MS weiterentwickelt. Zwar lassen sich mithilfe von Triphenylsilanol die PFCA zuverlässig derivatisieren, jedoch schienen die großen Derivate (mit drei Phenyl-Gruppen und einer langen Kohlenstoffkette) für ein GC zu schwerflüchtig zu sein.

Daher wurde die Derivatisierung zunächst auf Trimethylsilanol (TMSiOH) umgestellt. Mit TMSiOH wurden die Perfluorcarbonsäuren mit Kettenlängen von vier bis neun Kohlenstoffatomen erfolgreich derivatisiert. Um auch die kurzkettigen PFCA (C3 und C4) zu erfassen, wurde die Forschung mit Triethylsilanol (TESiOH) als Derivatisierungsmittel weitergeführt. Diese Verbindung stellte sich als sehr gut geeignet für die GC-MS-Analyse von PFCA heraus.

Digging deeper – Die Reaktion im Detail

Die Reaktion (s. Abb. 1) ähnelt der klassischen Veresterung unter sauren Bedingungen. Die Derivatisierung findet im Wasser in Gegenwart von Schwefelsäure statt [3]. Die Reaktion eignet sich sehr gut für lineare PFCA mit drei bis zwölf Kohlenstoffatomen in der Kette. Die optimierte Derivatisierung erfolgt auf folgende Weise: 250 µl 5 M H₂SO₄ werden zu der zu untersuchenden Wasserprobe (2 ml) in ein Eppendorf Safe-Lock-Tube gegeben. Danach werden 250 µl einer Triethylsilanollösung in Heptan zugegeben und die Probe wird 30 min geschüttelt. Als nächstes wird die obere Phase (Heptan) direkt in das GC-MS-System injiziert. Die PFCA-Derivate sind mindestens 24 Stunden bei Raumtemperatur und 7 Tage bei 8 °C stabil. Abbildung 3 zeigt ein typisches Massenspektrum eines PFOA-TES-Derivates.

Welche Möglichkeiten liefert eine Festphasenextraktion?

Mit der oben beschriebenen Methode sind für wässrige Proben mit einem Volumen von 2 ml Nachweisgrenzen im unteren µg/L-Bereich erreichbar. Um die Empfindlichkeit für die Analyse von realen Wasserproben noch weiter zu steigern, wurde die so genannte Festphasenextraktion (SPE) an die Derivatisierungsmethode angepasst. Das entwickelte SPE-Verfahren basiert auf einer Macherey-Nagel-Anwendung Nr. 305820 [4]. Bei diesem Verfahren werden die Analyten auf einem schwachen Anionenaustauscher (WAX) adsorbiert und anschließend mit 0,1% Ammoniak in Methanol eluiert. Um diese Methode in Kombination mit der TES-Derivatisierung anzuwenden, ist darauf zu achten, dass das SPE-Extrakt kein Methanol enthalten darf, da es sonst zu einer Konkurrenzreaktion (Methylierung) kommen kann. Aus diesem Grund sollte das Extrakt nach der Elution zur Trockene eingedampft und in Gegenwart von Schwefelsäure erneut in Wasser gelöst werden.

Nach mehreren Tests der Verdampfungseffizienz wurde jedoch klar, dass die weitere Methodenentwicklung ohne Abdampfen des Extraktes erfolgen muss, da die Wiederfindungsraten von PFCA und Wiederholbarkeit des Verfahrens nicht ausreichend gut für eine robuste Analyse waren.

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