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Multirückstandsmethode QuEChERS Spezielle SPE-Kartuschen vereinfachen den Pestizidnachweis

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

Verlässlicher und effizienter Nachweis von Pestizidrückständen: In Kooperation haben ein Säulenspezialist, ein Gerätehersteller und Applikationsexperten die klassische Multirückstandsmethode QuEChERS auf ihr Optimierungspotenzial untersucht und auf eine einfache, leistungsfähige automatisierte Analytik über SPE-Kartuschen übertragen.

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Abb. 1: Die Fülle an weltweit eingesetzten, zum Teil verbotenen Pestiziden, erfordert eine wirksame und umfassende Multirückstandsmethode.
Abb. 1: Die Fülle an weltweit eingesetzten, zum Teil verbotenen Pestiziden, erfordert eine wirksame und umfassende Multirückstandsmethode.
(Bild: © Kara - Fotolia)

Die instrumentelle Analytik unterliegt einem unablässigen Wandel. Grund ist ihre hohe Dynamik, die mit Veränderungen von Richtlinien und Normvorgaben einhergeht, an denen sich analytisch arbeitende Laboratorien zu orientieren haben, sowie grundlegende technische Neuerungen. Eine wichtige Triebfeder entspringt dem Ziel, die Produktivität im Labor zu erhöhen. Der Trend zu mehr Nachhaltigkeit und die damit verbundene Einsparung von Zeit, Energie, Lösemitteln und anderen Ressourcen, tut sein Übriges. Automatisierung und Miniaturisierung flankieren diese Entwicklung, deutlich sichtbar z.B. an der Bestimmung von Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmitteln in Lebensmitteln und Lebensmittelausgangsstoffen.

Verlässlicher Nachweis von Pestizidrückständen

Bei der Fülle an weltweit eingesetzten, zum Teil verbotenen Pestiziden, bedarf es einer wirksamen und umfassenden Multirückstandsmethode, um möglichst viele chemisch und physikalisch unterschiedliche Verbindungen in einem Analysengang bestimmen zu können. Kein leichtes Unterfangen, da Lebensmittelproben in der Regel eine sehr komplexe Matrix besitzen, die einen erheblichen Einfluss auf die Messung nehmen kann. Daher ist die Matrix idealerweise vollständig abzutrennen, um eine verlässliche Pestizidbestimmung zu ermöglichen.

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Weil sich herkömmliche Probenvorbereitungsverfahren als arbeits-, zeit- und kostenintensiv erwiesen haben und zudem den Einsatz großer Mengen teils teurer und toxischer Lösemittel erfordern, erregte Dr. Michelangelo Anastassiades vom Chemischen und Veterinäruntersu-chungsamt (CVUA) in Stuttgart im Jahr 2003 mit seiner QuEChERS-Methode großes Aufsehen [1]. Das Akronym QuEChERS steht für Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged und Safe und bezeichnet eine schnelle, einfache, kostengünstige, effektive, robuste und sichere Methode der Probenvorbereitung zur Bestimmung von Pestiziden insbesondere in fettfreien Matrices.

Grundlegende Betrachtung der QuEChERS-Methode

Die QuEChERS-Methode umfasst folgende Schritte: 10 g homogenisierte Probe werden mit 10 mL Acetonitril versetzt und extrahiert. Anschließend werden 4 g Mag­nesiumsulfat und 1 g Natriumchlorid hinzudosiert. Die Probe wird geschüttelt und zentrifugiert. Die Salzzugabe ermöglicht die Trennung der Acetonitril- und Wasserphase (untere Phase). Ein Aliquot des Überstandes wird entnommen, mit Magnesiumsulfat und einem geeigneten Sorbens versetzt (was den dispersiven Charakter dieser SPE-Methode erklärt), um die mitextrahierten Matrixbestandteile selektiv zu entfernen. Der Extrakt wird geschüttelt und zentrifugiert. Der Überstand kann dann zur chromatographischen Untersuchung eingesetzt werden. Die Vorteile der QuEChERS-Methode gegenüber anderen Verfahren zur Analyse von Pestiziden in Obst und Gemüse sind laut Anastassiades der geringe Verbrauch teilweise toxischer Lösemittel, der reduzierte manuelle Arbeitsaufwand, die schnelle Aufarbeitung der Probe sowie das bedeutend breitere Spektrum erfassbarer Pestizide.

Optimierungspotenzial von QuEChERS erkennen und umsetzen

Obgleich die QuEChERS-Methode die Pestizidanalytik vereinfacht habe, besitze sie Optimierungspotenzial, sagt Franziska Chmelka, Applikationsexpertin und Geschäftsführerin bei TeLA, einem Auftragslabor für Lebensmittel- und Umweltanalytik mit Sitz in Geestland. QuEChERS-Extrakte seien beispielsweise oftmals noch stark mit Matrixrückständen belastet, die etwa den Liner im GC-Inlet zusetzen können.

Technische Lösungen wurden ersonnen, um kontaminierte Liner nach einer bestimmten Frist durch einen frischen Liner zu ersetzen. Zudem wurden QuEChERS-Extrakte ergänzenden Clean-up-Schritten unterzogen, vornehmlich unter Einsatz dispersiver Extraktionstechniken.

„Mit Blick auf die heute verfügbare Automatisierungstechnik kam jedoch die Frage auf“, schildert Franziska Chmelka, „ob es nicht möglich sei, die Zahl der bislang erforderlichen Arbeitsschritte auf ein Mindestmaß zu reduzieren und gleichsam die Produktivität der Multipestizidrückstandsanalytik zu erhöhen.“ Dieser Ansatz führte Säulenhersteller Macherey-Nagel, die Firma Gerstel, ein Experte für die automatisierte Probenvorbereitung und die Tela zusammen. Gemeinsam formulierten sie das Ziel, die Extraktion der Pestizidrückstände aus komplexen Matrices zu vereinfachen und zwar durch eine automatisierte Analyse idealerweise über einfach zu handhabende SPE-Kartuschen.

Optimierte SPE-Kartuschen für unterschiedliche Pestizid-Analyten

Ein wichtiger Teilschritt der Kooperation bestand darin, ein Sorbensmaterial zu finden, das sich in Kartuschen einsetzen ließ und dennoch den Ansprüchen einer dispersiven Technik gerecht wurde. Das heißt, es sollte auch unter Druck eine hinreichende Durchlässigkeit für den Probenextrakt gewährleisten. Bei der Suche bewegten sich die Experten auf bekanntem Terrain: Geeignete Kandidaten fanden sich unter den grobkörnigen Sorbensmaterialien, wie sie üblicherweise zur dispersiven Festphasenextraktion eingesetzt werden. Durch Kombination verschiedener aus einschlägigen QuEChERS-Normen bekannter Materialien gelang es, verschiedene inzwischen kommerziell verfügbare QuEChERS-SPE-Kartuschen (Gerstel) für den spezifischen Nachweis unterschiedlicher Verbindungsklassen zu entwickeln.

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Die Praxistauglichkeit der QuEChERS-SPE-Kartuschen wurde von der Tela überprüft, die eine automatisierte Probenvorbereitungsmethode unter Einsatz des Gerstel-Multi-Purpose-Sampers (MPS) entwickelte. Untersucht wurden verschiedene Probenmatrices, darunter Fisch (s. Abb. 2), Eisbergsalat und Kamille; die Proben wurden mit einer Mischung aus unterschiedlichen Fungiziden dotiert. Die Probenvorbereitung umfasst einen geringen manuellen Anteil: Je nach Wassergehalt wurden 5 g Probe entweder mit 15 mL Acetonitril (hoher Wasseranteil) oder mit 50 mL Acetonitril (niedriger Wasseranteil) versetzt, mittels Turrax oder Vortex gemischt, zentrifugiert, eventuell filtriert und der Überstand wurde in ein 10-mL-Vial überführt. Die Vials wurden auf dem MPS positioniert, der sodann alle weiteren Schritte automatisiert ausführte, schildert Franziska Chmelka.

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Zunächst entnimmt der Autosampler 7 mL Probenlösung und gibt sie auf eine erste SPE-Kartusche, um das Wasser aus der Lösung zu entfernen. Der Extrakt wird in einem leeren Vial aufgefangen und zwischengelagert, die Kartusche wird verworfen. Sodann entnimmt der MPS 3,5 mL Extrakt und dosiert sie auf eine zweite SPE-Kartusche; hierbei habe der Anwender die Möglichkeit, sagt die Applikationsexpertin, in Abhängigkeit von Analyten und Matrix unterschiedliche SPE-Kartuschen-Typen zu wählen. Der von Matrix befreite Extrakt wird in einem 10-mL-Vial aufgefangen, der MPS überführt daraus 1 mL in ein 1,5-mL-Vial, dass in der angeschlossenen Eindampfstation (mVAP) bis zur Trockene reduziert wird. Für die Rekonstitution des Rückstands wählt der MPS in Abhängigkeit von der nachfolgenden Analyse, das geeignete Laufmittel: „Cyclohexan, sofern sich eine GC-Messung anschließt“, erklärt Franziska Chmelka, „oder ein Acetonitril-Wasser-Gemisch bei einer HPLC-Analyse.“ Auch beide Messungen lassen sich simultan vorbereiten.

Für die Vermessung ihrer dotierten Proben wählte Franziska Chmelka eine HPLC-Analyse (Agilent 1290) mit anschließender massenselektiver Detektion unter Einsatz eines Agilent 4695-Triple-Quadrupol-Massensepektrometers. Die Trennung der Analyten erfolgte laut der Applikationsexpertin auf einer Macherey & Nagel Nucleoshell PFP-Säule, die eine ausgezeichnete Trennleistung über einen breiten Polaritätsbereich biete. Damit sei es möglich gewesen, sagt Franziska Chmelka, selbst die teilweise eher schwer zurückzuhaltenden polaren Pestizide aufzutrennen und gleichzeitig eine gute Auftrennung der unpolaren Substanzen zu gewährleisten.

„Aufgrund der offensichtlich sehr sauberen Extrakte, die wir unter Einsatz der QuEChERS-SPE-Kartuschen haben erzeugen können, haben wir bei den Proben eine gute Wiederfindung der Analyten und eine gute Wiederholbarkeit der Messung erzielt, berichtet Franziska Chmelka.

Was am Ende zu sagen übrig bleibt

Im Mittel habe die neue SPE-Methode bessere Resultate geliefert als die manuelle QuEChERS-Methode. Die Linearität war über einen weiten Kalibrationsbereich gewährleistet und die Signale im Chromatogramm zeugten von einer guten Peakform bei gleichzeitig niedrigen Peakbreiten. Noch seien nicht alle Tests abgeschlossen, doch alles deute darauf hin, sagt die Applikationsexpertin, dass „die neue Multipestizidrückstandsmethode unter Einsatz spezifischer QuEChERS-SPE-Kartuschen eine erhebliche Verbesserung der Bestimmung von Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmitteln in Lebensmitteln und Lebensmittelausgangsstoffen bietet“.

Literatur:

[1] J AOAC Int. 2003 Mar-Apr;86(2):412-31

* G. Deußing: Redaktionsbüro Guido Deußing, 41464 Neuss

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