In den letzten Jahren hat der Nachweis einiger Vertreter dieser Substanzklasse in allen Bereichen der Umwelt, in Tieren, Lebensmitteln und dem Menschen selbst zu einer Neubewertung geführt. Aktuelle toxikologische Untersuchungen und ihr Potenzial zur Bioakkumulation waren alarmierend und veranlassten Behörden weltweit, Regulierungen und Grenzwerte für bestimmte PFAS zu erlassen. In der EU sind mit der 2021 erschienenen EU-Trinkwasserrichtlinie (EU DWD) sowie dem 2022 veröffentlichten Vorschlag zur Erweiterung der EU-Wasserrahmenrichtlinie PFAS aufgenommen bzw. ergänzt und niedrige Grenzwerte für Trink-, Grund- und Oberflächenwasser festgesetzt worden. In der 2023 erlassenen Novelle der Trinkwasserverordnung wurden die Vorgaben der Europäischen Kommission aufgenommen und sogar noch verschärft. So gilt ab 2026 für zwanzig PFAS ein Summenparameter von 0,1 µg/l und ab 2028 speziell für die Substanzen PFHxS, PFOS, PFOA und PFNA ein Grenzwert von 0,02 µg/l für die Summe der vier Verbindungen. Nach dem Brexit hat das britische Drinking Water Inspectorate (DWI) in einem Schreiben an die Wasserversorger in England und Wales die Anforderungen an das Monitoring von 47 PFAS in Rohwasserquellen bestimmt, ohne sich derzeit auf Grenzwerte festzulegen.

Zielsetzung

Auf Grundlage der oben erwähnten Regulierungen wurde eine LC-MS/MS-Methode zu Bestimmung von 48 PFAS in wässrigen Proben ohne Aufkonzentrierung entwickelt und getestet [1]. Ziel war es, die 48 Substanzen in einem Konzentrationsbereich von 0,5 – 50 ng/l sicher zu quantifizieren und dabei das Injektionsvolumen so gering wie möglich zu halten. Für die Studie wurden Proben zweier verschiedener Trinkwässer (hart und weich) sowie zweier Rohwässer, die aus unterschiedlichen Orten in Großbritannien stammten, verwendet. Um die niedrigen Nachweisgrenzen ohne Anreicherung zu erreichen, wurde als Analysensystem ein "ACQUITY™ UPLC Premier"-System mit dem Triple-Quadrupole-Massenspektrometer "Xevo™ TQ Absolute" unter Verwendung einer "UniSpray™"-Ionenquelle eingesetzt.

Im Folgenden werden sowohl die Herausforderungen bei der Methodenentwicklung als auch die Testung der Methode mit realen Proben betrachtet.

Ubiquitär bedeutet überall

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften werden fluorierte Verbindungen für Teile von HPLC-Systemen verwendet, z. B. Lösungsmittelleitungen, wodurch Kontaminationen in der Analytik möglich sind. Sie gelangen aber auf verschiedene Wege auch in die Lösungsmittel selbst oder in die für die Eluenten verwendeten Additive. Um sicherzustellen, dass dadurch keine falsch-positiven Befunde in den Proben detektiert werden, wird die Verwendung eines PFAS-Kits für die UPLC empfohlen. Neben dem Austausch verschiedener Systemkomponenten wird eine sogenannte Isolator-Säule zwischen den Mixer und dem Injektionsventil eingebaut. Diese Isolator-Säule sorgt für eine zusätzliche Retention der PFAS aus dem Blindwert der Anlage und trennt damit den analytischen Peak der Probe von der Hintergrundbelastung ab. Die stationäre Phase der Isolator-Säule spielt eine entscheidende Rolle, da auch die polaren kurzkettigen PFAS, wie Perfluorbutansäure (PFBA), ausreichend zurückgehalten werden müssen. Es zeigte sich, dass mit der Säule "Atlantis Premier BEH C18 AX", einer Mixed-Mode-Säule mit sowohl Reversed Phase als auch Anionen-Austausch-Wechselwirkung eine sichere Trennung zwischen Analytpeak und Kontamination für PFAS ab C2-Kettenlänge möglich ist.

Die oben beschriebenen Maßnahmen dienen dazu, die Chromatographie hinsichtlich einer PFAS-Hintergrundbelastung abzusichern, können aber Kontaminationen, die möglicherweise während der Vorbereitung der Proben oder durch das Vial eingetragen werden, nicht verhindern.

Die neuen Regulierungen für PFAS geben Grenzwerte im einstelligen ng/l-Bereich für Trinkwasser vor und liegen für Oberflächen- und Grundwässer sogar darunter. Damit werden auch kleinste Kontaminationen, die über die Probenvorbereitung eingetragen werden, zum Problem. Das Umgehen von Kontaminationsquellen sowie die Einsparungen bei den Kosten pro Probe und der Zeit sind Vorteile der Direktinjektion. Diese ist mit wässrigen Proben möglich und wird von Testlaboren bevorzugt. Anders als in der Pestizid-Analytik, bei der die Wasserprobe direkt injiziert wird, bedürfen Wasserproben, die auf PFAS untersucht werden, einer kleinen Vorbehandlung. Zur vollständigen Erfassung der unpolaren langkettigen PFAS, die nur gering in Wasser löslich sind, wird die Probe in der Regel 1:1 (vol%) mit Methanol verdünnt. In unserer Studie zeigte sich, dass eine Mischung aus 25 : 25 : 50 (vol%) Methanol : Acetonitril : Probe mit 0,1 % Ameisensäure und die direkte Behandlung der Probe im Probennahmebehältnis ohne zusätzliche Überführung in ein weiteres Gefäß Wiederfindungsraten von um die 100 % selbst für Perfluoroctadecansäure (PFODA) liefert. (Bild 1)

Der Organikanteil im Probenlösungsmittel kann sich in Abhängigkeit vom Injektionsvolumen negativ auf die Peakform der früh eluierenden Peaks auswirken und limitiert u. U. das Injektionsvolumen. Es ist bekannt, dass kurzkettige und polare PFAS, wie PFBA, nur geringe Retention auf klassischen C18-Phasen aufweisen. Dadurch reagieren diese Analyte besonders sensitiv auf das Verhältnis von Organikgehalt im Probenlösungsmittel und Injektionsvolumen. In unserer Methode kam die "ACQUITY CSH C18"-Säule zum Einsatz, auf der auch mit einem Injektionsvolumen von 50 µl und einem Organikanteil von 50 % in der Probe scharfe Peaks für polare PFAS erzielt wurden.

Eine weitere Besonderheit in der PFAS-Analytik ist die Verwendung von isotopenmarkierten internen Standards zur Korrektur von Matrixeinflüssen. Die Methode wurde für 48 PFAS entwickelt und nur für 25 davon waren interne Standards verfügbar, so dass einige Analyte mit dem internen Standard eines anderen PFAS ähnlicher Retentionszeit korrigiert wurden. Für die meisten PFAS ohne eigenen internen Standard ist dieses Verfahren gerade in Wasserproben gut anwendbar. Für PFODA z. B. zeigt die Verwendung des internen Standards von Perfluorhexadecansäure (PFHxDA) die Grenzen auf, da das Response-Verhalten der Substanzen zu unterschiedlich ist.