Hochauflösende Massenspektrometrie für die Wasseranalytik

Quantifizierung von Hormonen und das Screening in Oberflächengewässern

Während die geforderten Bestimmungsgrenzen bekannter Umweltkontaminanten sinken, steigen die Konzentrationen von bisher unbekannten Verbindungen menschlichen Ursprungs. Detektoren, die beide Herausforderungen bedienen, also eine Quantifizierung bekannter Kontaminanten sowie die Identifizierung unbekannter Verbindungen ermöglichen, sind moderne LC-Q-TOF-Systeme.

Der verbreitete Einsatz der Anti-Baby-Pille führt über die Klärwerke zu einer Immission des Hauptwirkstoffs 17-alpha-Ethinylestradiol (EE2) in Oberflächengewässer. Bereits im ng/l- bis pg/l-Bereich kann EE2 die Fortpflanzung von Wasserorganismen hemmen und hierüber das Ökosystem beeinträchtigen. © Shutterstock / Khak

Der verbreitete Einsatz der Anti-Baby-Pille führt über die Klärwerke zu einer Immission des Hauptwirkstoffs 17-alpha-Ethinylestradiol (EE2) in Oberflächengewässer. Bereits im ng/l- bis pg/l-Bereich kann EE2 die Fortpflanzung von Wasserorganismen hemmen und hierüber das Ökosystem beeinträchtigen. Daher werden seit 2015 im Rahmen der EU-Beobachtungsliste (Watch-List) an repräsentativen Stellen in der EU Konzentrationen von EE2, 17-beta-Estradiol (E2) und deren Abbauprodukt Estron (E1) überwacht. Auf dieser Basis sollen verbindliche Umweltqualitätsnormen festgelegt werden. Deren Ziel ist es, die Immissionen möglichst wirksam an deren Ursprung zu bekämpfen [1], z. B. durch eine weitere Reinigungsstufe im Klärwerk.

Während die in der Watch-List geforderten Nachweisgrenzen 0,4 ng/l für E1 und E2 mit den dort vorgesehenen Techniken SPE-LC-MS/MS und SPE-GC-MS(/MS) in Oberflächengewässerproben erreicht werden können, erweist sich die Bestimmung von EE2 mit der höchstzulässigen Nachweisgrenze von 0,035 ng/l als problematisch. Anreicherungsfaktoren von 500 – 1 000 führen zu einer Aufkonzentrierung der Matrix, welche chromatographisch nur schwer vom Analytsignal abzutrennen ist. In wenigen Laboren wird durch Clean-Up des SPE-Eluats und eine anschließende Large-Volume-Injektion eine Bestimmungsgrenze in diesem Bereich erzielt. Beispielsweise findet eine On-line-SPE-Schaltung des Unternehmens Axel Semrau mit einem Shimadzu LCMS-8060 LC-MS/MS Verwendung. Dieses System ermöglicht es, einen Großteil des manuell aufgereinigten SPE-Eluats zu injizieren und über eine spezielle On-line-SPE-Phase weitere Matrixbestandteile abzutrennen.

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Bild 1: Abtrennung von Störmassen mit Hochauflösung; links: 1 ng/l EE2, Anreicherungsfaktor 1 000, Mitte: 0,2 ng/l EE2, Anreicherungsfaktor 500; rechts: 0,2 ng/l EE2, Anreicherungsfaktor 500. © Shimadzu

Eine weitere Abtrennung von Matrixsignalen kann über ein hochauflösendes Massenspektrometer erfolgen. Quantifiziert man mit einem hochauflösenden Detektor über ein selektives Produkt-Ion, erreicht man selbst bei Koelution mit isobaren Matrixbestandteilen saubere Chromatogramme (Bild 1). In Verbindung mit einer Anreicherung um den Faktor 500 ist mit dem Shimadzu LCMS-9030 Q-TOF ein linearer Bereich von 0,02 bis 20 ng/l für EE2, von 0,02 – 5 ng/l für E2 und von 0,02 – 2 ng/l für E1 möglich. In einem Eignungstest wurde eine Oberflächengewässerprobe mit je 1 ng/l EE2, E2 und E1 gespiked, um den Faktor 1 000 angereichert und mit dem LCMS-9030 Q-TOF quantifiziert. Für alle drei Verbindungen werden Wiederfindungen im Bereich 85 – 92 % erreicht.

Screening auf PFC

Auch perfluorierte Chemikalien (PFC) lassen sich in Oberflächengewässern und in der Nahrungskette nachweisen, nicht zuletzt durch ihre Verwendung in Löschmitteln. PFC sind durch ihre wasser- und fettabweisenden Eigenschaften auch als Beschichtungsmaterial für Outdoorkleidung beliebt oder werden durch ihre hohe chemische Stabilität in Form von perfluorierten Tensiden in Galvanikbädern genutzt. Perfluoroktansäure (PFOA) wird wegen ihrer toxischen und reproduktionsschädigenden Wirkung ab 2020 in der EU verboten [2].

Für die bereits stark regulierte Perfluoroktansulfonsäure und ihre Derivate (PFOS) wurden Umweltqualitätsnormen festgelegt, die niedrigste liegt bei 0,13 ng/l für Übergangsgewässer und Küstengewässer [1]. Weltweit suchen Unternehmen nach Alternativen. So hat beispielsweise DuPont ab dem Jahr 2009 zeitweise GenX (Perfluoro-2-propoxypropanoic acid, PFPrOPrA) als Ersatz für PFOA eingeführt, welches flussabwärts einer PFC-Fabrik in North Carolina in sehr hohen Konzentrationen gefunden wurde [3, 4].

Als Reaktion legte das „North Carolina Department of Health and Human Service“ einen Zielwert für die maximale Konzentration in Oberflächengewässern bis Juni 2017 fest. 2018 veröffentlichte die Umweltschutzbehörde der USA (EPA) einen Entwurf für ein toxikologisches Gutachten zu GenX und PFBA. Da es aktuell keine Einschätzung gibt, welche alternativen PFC in welchen Konzentrationen in amerikanischen Oberflächengewässern auftreten, kann ein Screening mit hochauflösender Massenspektrometrie hier das Mittel der Wahl sein.

Hochauflösende Massenspektrometrie auch für PFC-Alternativen 

Das LCMS-9030 Q-TOF wird genutzt, um neuartige PFC wie GenX in Oberflächengewässern aufzuspüren [5]. Im ersten Schritt wird ein Chromatogramm ohne Injektion aufgenommen, um Massen zu detektieren, die nicht den Proben zuzuordnen sind. Diese Massen werden in einer Exclusion List hinterlegt.

Überschreitet nun die Signalintensität einer Masse im MS1-Messmodus einen festgelegten Mindestwert und ist nicht in der Exclusion List enthalten, wird automatisch ein Produkt-Ionenspektrum dieser Masse aufgenommen (Data Dependent Acquisition, DDA). Bekannte PFC werden mittels Retentionszeit sowie Produkt-Ionenspektrum identifiziert und aussortiert. Unbekannte Massen werden mit einem Massendefektfilter von –10 bis –80 mDa ausgewählt und deren Produkt-Ionenspektren auf selektive Fragmente hin untersucht.

PFC bilden häufig die Produkt-Ionen C2F5(m/z 118,9926) und C3F7 (m/z 168,9893). Ist wie bei den Perfluoralkylsulfonsäuren (PFAS) eine Sulfonsäuregruppe enthalten, können bei hohen Kollisionsenergien die Produkt-Ionen SO3(m/z 79,9574) und FSO3(m/z 98,9558) gebildet werden.

Mit der Shimadzu-Software Formula Predictor wird aus der exakten Masse eine Summenformel berechnet. Die Produkt-Ionen möglicher Strukturformeln werden mit MS-Software wie ACD Fragmenter (© Advanced Chemistry Development Inc.) berechnet und mit dem Produkt-Ionenspektrum verglichen.

Fazit

In der Wasseranalytik sind hochauflösende Massenspektrometer bei der Quantifizierung sowie beim Screening auf unbekannte Verbindungen eine Alternative oder gar Methode der Wahl, z. B. das Shimadzu LCMS-9030 Q-TOF. Während in Matrix eine sehr gute Abtrennung von Störmassen erfolgt, ermöglicht die hohe Massengenauigkeit eine Berechnung von Summenformeln.

AUTOR
Jan Stenzler
Shimadzu Deutschland GmbH
http://www.shimadzu.de

Literatur:

[1] https://www.umwelt­bundesamt.de/themen/wasser/gewaes­ser/fluesse/ueberwachung-bewertung/chemisch#textpart-3, Aufruf 19.8.19
[2] https://www.umweltbundesamt.de/themen/eu-verbietet-pfoa, Aufruf 19.8.19
[3] https://theintercept.com/2017/06/17/new-teflon-toxin-found-in-north-carolina-drinking-water/, Aufruf 19.8.19
[4] Environ. Sci. Technol. Lett., 2016, 3, 12, 415-419

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