Aqua non pura

Analyse von Perchlorat in Leitungswasser

Perchlorate sind die Salze der Perchlorsäure (HClO4). Sie können natürlich vorkommen, wie z.B. in bestimmten mineralischen Düngern und in Kalierzen, oder sie können synthetisiert werden. Die industrielle Herstellung von Perchlorat-Salzen erfolgt durch elektrolytische Oxidation von Natriumchlorid-Lösung [1]. Von kommerziellem Interesse sind die Perchlorsäure (HClO4) und ihre Salze Ammoniumperchlorat (NH4ClO4), Kaliumperchlorat (KClO4) und Natriumperchlorat (NaClO4) [1, 2].

Notwendigkeit der Perchlorat-Quantifizierung und deren Herausforderungen

Anwendungsbeispiele für Perchlorate: Feststoffbooster für Raketenantriebe.

Die meisten Perchloratverbindungen, insbesondere die Salze von elektropositiven Metallen wie Natrium oder Kalium, reagieren nur langsam, wenn sie nicht erhitzt werden. Diese Eigenschaft macht man sich in Anwendungen wie Feuerwerkskörpern, Leuchtraketen und Feststoffboostern zum Raketenantrieb zunutze, bei denen das Bauteil bzw. der Treibstoff sich nicht spontan selbst entzünden dürfen [3]. Allerdings haben Mischungen von Perchloraten mit organischen Verbindungen eine höhere Reaktivität. Ein Beispiel für diese höhere Reaktivität und ihre potenziell gefährlichen Folgen war die PEPCON-Katastrophe im Jahr 1988, bei der die unsachgemäße Lagerung von großen Mengen an Ammoniumperchlorat zu einer Explosion geführt hat, die eine der beiden Großproduktionsanlagen für Ammoniumperchlorat in den USA zerstörte [4].

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In verschiedenen Teilen der Erde, darunter in den USA, in China und in Japan, wurden Perchlorate sowohl im Trinkwasser und in Oberflächengewässern nachgewiesen als auch im Boden, in der Vegetation und im Grundwasser. Perchlorate sind in der Umwelt nicht nur ubiquitär, sondern auch sehr schwer abbaubar  [1]. In Kalifornien wurden sie 2004 in Kuhmilch nachgewiesen, und zwar mit einem durchschnittlichen Gehalt von 1,3 ppb bzw. µg/l. Man nahm an, dass die Kühe die Perchlorate über das Futter aufgenommen hatten, das aus Pflanzen bestand, die perchloratkontaminiertem Wasser ausgesetzt waren [5]. Perchlorate wurden in der Größenordnung von 1000 ppb bzw. µg/l sogar in weiten Teilen der Antarktis gefunden, was die Vermutung nahelegt, dass sie sich auf der Erde auch auf natürlichem Wege bilden [6]. In anderen Fällen kann Perchlorat aufgrund industrieller Kontamination in der Umwelt nachgewiesen werden [1].

Schon seit den 1950er-Jahren wurde Perchlorat im Grundwasser nachgewiesen, aber sein Vorkommen im Trinkwasser gibt wegen seiner toxikologischen Auswirkungen Anlass zu wachsender Besorgnis [1]. Der primäre Expositionsweg für Perchlorat beim Menschen besteht in der Aufnahme von kontaminiertem Wasser oder kontaminierter Nahrung. Das aufgenommene Perchlorat wird durch den Verdauungstrakt leicht und vollständig absorbiert und schnell wieder ausgeschieden, in erster Linie im Urin. Gemäß den Angaben in der Literatur ist die Aufnahme von perchloratkontaminiertem Trinkwasser einer der wichtigsten der infrage kommenden Expositionswege, obwohl auch Nahrungsmittel mit Perchlorat kontaminiert sind, darunter Kuhmilch, menschliche Muttermilch, Kopfsalat, Tomaten, Gurken und Winterweizen [1]. In großen Mengen führt Perchlorat zur Störung der Jod-Aufnahme durch die Schilddrüse und kann zu Schilddrüsenunterfunktion (Hypothyreose) führen [7]. Eine normale Funktion der Schilddrüse ist jedoch entscheidend für die kindliche Entwicklung und für die Stoffwechselregulation bei Kindern und Erwachsenen [1].

Bisherige Methoden zur Perchlorat-Analyse und deren Grenzen

Die frühen Verfahren zur Perchlorat-Analyse, z.B. die gravimetrische Analyse, die Flüssig-Flüssig-Extraktion (Liquid-Liquid Extraction, LLE) und die Spektralphotometrie, beruhten auf der Eigenschaft von Perchlorat, mit höhermolekularen organischen Farbstoffen wie Brillantgrün und Methylenblau Komplexe zu bilden. Diese Methoden wiesen jedoch keinerlei Selektivität hinsichtlich der Bestimmung von Perchlorat auf, da auch andere Anionen, die häufig in Wasser vorkommen (z.B. Phosphat, Nitrat und Chlorat), Komplexe mit den Farbstoffen bilden können. Auch Ionenpaar-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (High Performance Liquid Chromatography, HPLC), Kapillarelektrophorese (Capillary Electrophoresis, CE) und Ionenselektive Elektroden (ISE) wurden zur Perchlorat-Analyse eingesetzt. Allerdings lässt sich mit diesen Methoden Perchlorat nicht im Spurenbereich nachweisen [8].

Triple-Quadrupol-MS

Ein Tandem-Quadrupol-Massenspektrometer besteht aus zwei hintereinander angeordneten Quadrupol-Massenanalysatoren, die durch eine Kollisionszelle getrennt sind. Diese Konfiguration wird mitunter als QQQ (Triple-Quadrupol) abgekürzt, obwohl bei modernen Instrumenten in der Kollisionszelle anstelle eines Quadrupols oftmals ein Hexapol eingesetzt wird. Die Kollisionszelle ist mit einem Kollisionsgas (zumeist Stickstoff oder Argon) gefüllt, und Ionen, die mit kinetischer Energie in die Zelle geschickt werden, werden durch kollisionsinduzierte Dissoziation fragmentiert. Der Hexapol in der Zelle arbeitet ausschließlich im Radiofrequenz-Modus und dient der Fokussierung und Übertragung der Ionen, im Wesentlichen aber nicht als Massenfilter.

Mit dieser Konfiguration und dem Betrieb der Quadrupole entweder im Scan-Modus oder im Selected-Ion-Monitoring-Modus (SIM) können verschiedene MS/MS-Experimente durchgeführt werden. Dazu zählen Produkt-Ionen-Scanning, Vorläufer-Ionen-Scanning und das Multiple Reaction Monitoring (MRM).

Ein aktuelles Beispiel für ein QQQ-MS-Instrument ist das Agilent 6460 Triple Quadrupol LC/MS-System [9]. Bei diesem Instrument wurde die säulenchromatographische Trennung der Probenkomponenten mit einem QQQ/MS-Instrument zum hochspezifischen und hochempfindlichen Nachweis der getrennten Substanzen kombiniert.

Die Quadrupol-Massenfilter bieten den Vorteil, dass sie bei relativ geringen Kosten eine gute Reproduzierbarkeit liefern. Außerdem weisen MS/MS-Verfahren mit Niedrigenergie-Stoßaktivierung (CID) in Triple-Quadrupol- und Hybrid-Massenspektrometern eine effiziente Umwandlung von Vorläufer-Ionen in Produkt-Ionen auf. Die Quadrupole bieten jedoch nur eine begrenzte Massenauflösung und sind daher eher für die quantitative als für die qualitative Analyse geeignet.

Multiple Reaction Monitoring (MRM)

Beim MRM werden die einzigartigen Möglichkeiten der QQQ/MS für die quantitative Analyse genutzt. Im MRM-Verfahren wird ein Vorläufer-Ion, das charakteristisch für die Struktur der Zielsubstanz ist, durch den ersten Quadrupol isoliert und mit kinetischer Energie in die Kollisionszelle überführt. In der Kollisionszelle entstehen Fragment-Ionen, die ebenfalls charakteristisch für die Struktur der Zielsubstanz sind. Durch den 2. Quadrupol werden spezifische Fragmente isoliert und zum Detektor geschickt. In diesem Modus arbeitet jeder Quadrupol im SIM-Modus. Indem MS/MS auf diese Weise durchgeführt wird, kann die chemische Interferenz erheblich reduziert werden, wodurch sich die Selektivität für die Zielsubstanz insbesondere in komplexen Probenmatrizes verbessert. Außerdem lässt sich durch MS/MS das Hintergrundrauschen erheblich verringern, was zu einer höheren Empfindlichkeit für die Zielsubstanzen führt [10].

Verbesserung der bestehenden Methoden

Methoden wie LC/MS sind insbesondere deshalb gut geeignet und werden sich weiterentwickeln, weil Aufsichtsbehörden auch künftig auf immer niedrigere Nachweisgrenzen drängen und gleichzeitig neuere Methoden fordern werden, die einen hohen Durchsatz ermöglichen und relativ unkompliziert sind.

Aufsichtsbehörden wie die US-amerikanische Environmental Protection Agency (EPA) konzentrieren sich auf die Entwicklung von Nachweismethoden auf der Basis von ionenchromatographischen (IC) Trennungen, bei denen sowohl suppressierte Leitfähigkeit als auch Massenspektrometrie verwendet werden. Mit Methoden, bei denen IC und ein Leitfähigkeitsdetektor kombiniert sind, ist der Perchlorat-Nachweis ab 4 ppb möglich. Es gibt jedoch einige Substanzen im Trinkwasser, welche die chromatographische Trennung von Perchlorat beeinträchtigen, und die Aussagekraft der Ionenchromatographie beruht auf der eindeutigen Identifizierung des Perchlorats über die Retentionszeit. Außerdem ist der Konduktivitätsdetektor nicht selektiv in Bezug auf die Perchlorat-Bestimmung. Auch die Empfindlichkeit und Robustheit dieser Methode wurden bereits infrage gestellt. So können beispielsweise hohe Salzfrachten das Perchlorat-Signal in den Leitfähigkeitsmessungen komplett blockieren. Aus diesen Gründen ist es wichtig, über alternative Methoden zu verfügen, mit denen die Perchlorat-Analyse in unterschiedlichsten Probenmatrizes möglich ist, und die die erforderliche Nachweisempfindlichkeit bieten [8].

Die EPA setzt zum Perchlorat-Nachweis die Methode 331.0 ein, bei der LC/Elektrospray-Ionisierungs-(ESI-)MS verwendet wird [12]. Diese Methode hat jedoch die Einschränkung, dass das 34S-Isotop des Sulfat-Anions eine häufige Störquelle im resultierenden Massenspektrum ist und die qualitative Identifizierung des Perchlorats stören kann, wenn die chromatographische Auflösung zwischen Sulfat (m/z = 99) und Perchlorat (m/z ebenfalls 99) mangelhaft ist. Durch den Einsatz von MRM wird die Identifizierung und Quantifizierung von Perchlorat [12] selbst in Gegenwart großer Sulfatmengen möglich. Eine kürzlich vorgenommene Modifikation dieser Methode mit LC/QQQ/MS im MRM-Modus führt zu einer Nachweisgrenze, die mit der EPA-Grenze vergleichbar ist, und die auch deutlich niedriger ist als die maximal zulässigen Perchlorat-Gehalte in bestimmten US-Bundesstaaten. Außerdem ist die Leistungsfähigkeit der modifizierten Methode mit der bestehenden EPA-Methode vergleichbar, während sie geringere Probenvolumina benötigt. Darüber hinaus wird durch die Methode der störende Schwefeleinfluss eliminiert, da sie die Verwendung von MRM, chromatographischer Trennung und einem internen Standard ermöglicht, wodurch die Verschiebung der Retentionszeit und Ionen-Anreicherungseffekte korrigiert werden.

Schlussfolgerung

Perchlorat wurde in Nahrungsmitteln, im Trinkwasser und in der Umwelt nachgewiesen. Aufgrund der weit verbreiteten Perchlorat-Kontamination und der durchaus möglichen unbeabsichtigten Aufnahme sind Identifizierung und Quantifizierung von Perchlorat unabdingbar, um die Menschen vor diesen Quellen zu schützen. Fortschritte bei der MS haben den Nachweis von Perchlorat im Spurenbereich ermöglicht, und mit Triple-Quadrupol-Instrumenten lässt sich eine Hauptstörquelle in der Perchlorat-Analyse eliminieren. Die Analysemethoden werden sich weiterentwickeln, da Aufsichtsbehörden eine immer höhere Empfindlichkeit und Selektivität fordern.

Autoren:
Don Noot*), Matthew Noestheden*) und Ralph Hindle*)

*) Vogon Laboratory Services, Cochrane, Alberta, Kanada.

Literatur

[1] Srinivasan A, Viraraghavan T. Int J Environ Res Public Health. 2009; 6(4): 1418-1442.

[2] "Perchlorates.2 Agency for toxic substances and disease registry. Verfügbar unter http://www.atsdr.cdc.gov/substances/toxsubstance.asp?toxid=181. Letzte Aktualisierung: März 2011. Stand: März 2013.

[3] Helmut Vogt, et al. "Chlorine Oxides and Chlorine Oxygen Acids" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a06_483.

[4] "Fire and Explosions at Rocket Fuel Plant - Henderson, Nevada". USFA Technical Report Series. United States Fire Administration. Verfügbar unter http://www.interfire.org/res_file/pdf/Tr-021.pdf. Stand: März 2013.

[5] Associated Press. "Toxic chemical found in California milk". MSNBC. 22. Juni 2004.

[6] Kounaves SP et al. Envir Sci Tech.2010; 44 (7): 2360-2364.

[7] Braverman LE, et al. J Clin Endocrinol Metab. 2005; 90 (2): 700-706.

[8] Perchlorate in the environment. Edited by Urbansky. Springer. New York. 2000. Kapitel 6. S. 46.

[9] High sensitivity HPLC analysis of perchlorate in tap water using an Agilent 6460 triple quadrupole LC/MS system. Agilent Technologies, Inc. Santa Clara, CA, USA. Application Note 5991-1387EN, 2012. 

[10] 2Multiple reaction monitoring2. Broad Institute. Verfügbar unter http://www.broadinstitute.org/scientific-community/science/platforms/proteomics/mrm-multiple-reaction-monitoring. Stand: März 2013.

[11] Summary of the different characteristics of mass analysers. Verfügbar unter http://www.research.uky.edu/core/massspec/jeolanalyzers.pdf. Stand: März 2013.

[12] Method 331.0 Determination of perchlorate in drinking water by liquid chromatography electrospray ionisation mass spectrometry. EPA document: 815-R-05-007. 2005. Verfügbar unter http://www.epa.gov/ogwdw/methods/pdfs/methods/met331_0.pdf.

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