Online SPE-GC/MS - Axel Semrau

Online SPE-GC/MS
Bestimmung von TIC und PSM in Oberflächen- und Trinkwasser
Die Festphasenextraktion (Solid Phase Extraction, SPE) ist eine der am weitesten verbreiteten Methoden zur Proben-
vorbereitung. Beginnend mit der Wasseranalytik über die Analyse von Urin, Serum, Plasma bis hin zu Vollblut wird die
SPE für die Bestimmung unterschiedlichster Komponenten in vielfältigen Probenmaterialien eingesetzt. Die Detekti-
on der Komponenten erfolgt in der Regel mittels chromatographischer Trennverfahren mit massenspektrometrischer
oder analoger Detektion (LC/MS, GC/MS).
Einführung
Wie bei allen analytischen Methoden spielt auch
bei der SPE die Automatisierung eine große Rolle,
immer weniger Laborpersonal muss immer höheren
Anforderungen gerecht werden. Da liegt es
nahe, insbesondere die arbeitsintensiven Schritte
der Probenvorbereitung zu automatisieren.
Ansätze zur Automatisierung der SPE gibt es
schon lange, dazu werden häufig Geräte angeboten,
die mit herkömmlichen SPE-Kartuschen
arbeiten. Mit Schwerkraft oder mit geringem
Druck bzw. Unterdruck werden dabei Probe und
Elutionsmittel über die Kartuschen gegeben.
Nachteilig sind hierbei meist große Probenvolumina,
hoher Lösungsmittelverbrauch und lange
Anreicherungszeiten. Das SPE Exchange Module
(SEM, Axel Semrau) geht hier einen ganz anderen
Weg. Durch den Einsatz spezieller, bis zu 300
bar druckfester SPE-Kartuschen ist es möglich,
die Förderung von Probe und Elutionsmittel mit
Hilfe einer Hochdruckspritzenpumpe vorzunehmen.
Dies stellt eine präzise und reproduzierbare
Förderung sicher. Die Kartuschen können mit
einer Vielzahl von Materialien gepackt werden.
Ein weiterer Vorzug liegt in der Möglichkeit, au-
tomatisch für jede Probe eine frische Kartusche
zu verwenden. Insbesondere bei Probenmatrices
wie beispielsweise Urin oder Serum empfiehlt
es sich nicht, SPE-Kartuschen mehrfach
zu verwenden. Im SEM stehen standardmäßig
96 respektive 192 Kartuschen bereit, so dass
für jede Probe eine frische Kartusche angewählt
werden kann.
Die konsequente Beschränkung des Probevolumens
erleichtert die Automatisierung. Anstelle
der üblichen Probenvolumina von 100 mL und
mehr wird mit deutlich geringeren Probenvolumina
von 0.1 bis 20 mL gearbeitet. Möglich wird
GIT Labor-Fachzeitschrift 10/2011, S. 708–710, GIT VERLAG, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.gitverlag.com www.git-labor.de

diese Verringerung durch nachweisstärkere Detektionssysteme
und durch den Einsatz robuster,
routinetauglicher Large Volume Injektoren bei
der Kopplung mit gaschromatographischen Analysemethoden.
Geräteaufbau
Ein System besteht daher aus bis zu vier Komponenten:
Einer Hochdruckspritzenpumpe, die Probe
und Elutionsmittel fördert, optional auch mit
zwei Spritzenkolben, einem Kartuschenwechselmodul,
einem PAL Autosampler mit Probentray
und Sideport-Spritze für das Flüssigkeitshandling
und für die Kopplung mit GC-Systemen ein Optic
3 Large Volume-Injektor, um die Probevolumina
zu verringern.
Die gesamte Steuerung erfolgt über die Chronos
3.1 Software. Durch die konsequente
Miniaturisierung ist ein Online-Betrieb robust,
flexibel und kostengünstig möglich. Das
SPE-Eluat wird direkt in das chromatographische
System gegeben, ohne dass weitere Zwischenschritte
nötig sind. Während ein Chromatogramm
aufgenommen wird, kann die nächste
Probe schon vorbereitet werden.
Messparameter und Ergebnisse
Bestimmung von TIC und PSM
in Oberflächen- und Trinkwasser
Untersucht wurden Pflanzenschutzmittel, Triazine
und deren Metabolite, halogen-, phosphorund
schwefelhaltige Pestizide, sowie verschiedenste
Industriechemikalien im Bereich von 0,03
μg/L bis 1 μg/L.
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Gerätekonfiguration: Trace PolarisQ, 250 L-
Turbopumpe, EI-Modus, CTC CombiPAL mit
geschlitztem z-Arm, ATAS GL Science Optic
III, SEM mit drei Valco-Ventilen und zwei
Spritzenpumpen. Die Steuerung erfolgte
durch Chronos 3.1.
SEM-Parameter: Konditionierung mit 2 mL
Methanol, danach mit Wasser. Anreicherung
aus 16 mL wässriger Probe mit 2mL/
min. 30 min Trocknen mit Stickstoff. Elution
mit 70 µL Methanol, Ethylacetat, Aceton
oder Mischungen (je nach Applikation und
Phasenmaterial), danach Spülung. Material:
Hysphere Resin GP.
Optic-Parameter: ATAS Material A-Liner.
Injektionsgeschwindigkeit 20 µL/s, Starttemperatur
42 °C, Aufheizrate 10 °C/s bei einer
Endtemperatur von 280 °C.
Auswertung: Analytik mit einem internen
Standard, Kalibrierung von 0,05 µg/L bis 1
µg/L.
GC/MS-Bedingungen
▪ Temperaturverlauf: 40 °C Startemperatur,
-30 °C/min auf 120 °C, 5 min isotherm, 3 °C/
min auf 180 °C, 1 min isotherm , 3 °C/min
auf 280 °C, 1 min isotherm
▪ MS-Bereich: 50 – 400 amu. MS-Messmodus:
FullScan-Elektronenstoß-Ionisation
Abb. 1: (Massen-)Chromatogramm einer Probe mit 10 ng/L DEET
Abb. 2: (Massen-)Chromatogramm einer Probe mit 10 ng/L ADBI
Industriechemikalien, Wirkstoffe
Die beschriebene Methode eignet sich zum
Nachweis verschiedener Substanzen. Welche
umweltrelevante und auch wirtschaftliche Bedeutung
diese Analytik hat, soll beispielhaft mit
dem Nachweis des Wirkstoffes DEET in Mückenschutzmitteln
belegt werden. DEET (Diethyltoluamid)
wirkt sowohl gegen tag- als auch
nachtaktive Mücken. Neben Icaridium und p-
Menthan-3,8-diol zählt DEET zu den effektivsten
und ist damit tropentauglich. Die Schutzwirkung
aller Repellentien hängt maßgeblich von den
Wirkstoffkonzentrationen ab. Nach Stiftung Wa-
rentest differieren diese jedoch in den marktgängigen
Produkten erheblich. Von 25 getesteten
Mitteln wurden 14 als untauglich eingestuft.
Sie ließen ihre Tester buchstäblich im Stich (1,2).
Auch unter dem Aspekt des Personenschutzes
ist die Analytik wichtig, so dürfen diese Mittel
nicht für Kleinkinder eingesetzt werden.
Ein weiteres Beispiel ist die Analytik von
ADBI, einer geruchsrelevanten Moschusverbindung,
die als künstlicher Parfümstoff sowie als
Träger- und Fixierstoff für Parfüme verwendet
wird. Diese polyzyclische Moschusverbindung
ist noch ungenügend untersucht und nach
Greenpeace liegen kaum gesundheitsrelevante

Daten vor (3). Die Verbindung ist schwer abbaubar
und reichert sich in der Nahrungskette
an, auch im Fettgewebe von Menschen und in
der Muttermilch. In Abbildung 1 ist die Analytik
dieser umwelt- und wassergefährdenden Verbindung
dargestellt.
Pflanzenschutzmittel
Pflanzenschutzmittel werden meist als Herbizide
und Fungizide verwendet. Durch den großflächigen
Einsatz in der Landwirtschaft gelangen auch
erhebliche Mengen in das Grund- und Oberflächenwasser.
Neben Herbiziden und Fungiziden
können aber auch Isektizide und deren Abbauprodukte
in Gewässer kontaminieren. Viele dieser
Substanzen können mittel SPE/GC/MS nachgewisen
werden. Die Behandlung mit Pflanzenschutzmitteln,
die den Wirkstoff Procymidon enthalten,
ist innerhalb der EU-Staaten nicht mehr zulässig.
Nur definierte Anwendungen, in welchen Procymidon
als Fungizid in bestimmten Kulturen eingesetzt
wird , dürfen zugelassen werden. Zu diesen
Anwendungen zählen die Zucht von Gurken in
Gewächshäusern als sog. geschlossene Hydrokultursysteme
und der Anbau von Pflaumen zur Weiterverarbeitung.
Procymidon darf dabei nur in Dosierungen
von höchstens 0,75 g Wirkstoff / Hektar
eingesetzt werden.
Nach der EU-Kommission bestehen Bedenken
insbesondere wegen der toxischen Wirkung des
Stoffes, einschließlich seiner potentiell endokrinen
Wirksamkeit. Besondere Aufmerksamkeit gilt dem
Schutz von Wasserorganismen und von Oberflächenwässern.
Über das genaue Ausmaß der Risi-
ken gibt es noch keinen wissenschaftlichen Konsens.
Die EU empfiehlt, dass Procymidon weiteren
Tests unterzogen wird, damit zusätzliche Informationen
über Anwendungen und Auswirkungen auf
die Gesundheit vorgelegt und ausgewertet werden
können (4). Im Rahmen dieser Problematik ist
die Identifizierung des Wirkstoffes Procymidon, die
Ermittlung seiner Nachweis- und Bestimmungsgrenze
von großer Bedeutung.
Das unter verschiedenen Handelsnamen erhältliche
Insektizid Chlorpyriphos, das nicht nur
in der Landwirtschaft, sondern z. B. auch als
Mottenschutz eingesetzt wird, greift das Nervensystem
von Insekten an. Aufgrund seiner toxischen
Wirkung gilt der Thiophosphorsäureester
Chlorpyriphos als prioritärer Stoff in der Wasserrahmenrichtlinie.
Im Hinblick auf das Monitoring
ist die Datenlage noch unzureichend, so dass
weitere Untersuchungen notwendig sind (5).
Der Vergleich der Messungen ergab, dass
Linearitäten, Nachweis- und Bestimmungsgrenzen
mit etablierten Methoden übereinstimmen.
Bei Messungen mit Realproben wurden entsprechende
Ergebnisse mit eingefahrenen und validierten
Methoden erhalten.
Zusammenfassung
Das SEM-System kann die etablierte SPE-Methode
ersetzen, ohne Einschränkungen bei der analytischen
Leistungsfähigkeit in Kauf nehmen zu
müssen. SEM bietet eine schnellere und vollautomatische
Analyse.
Durch die mehrfache Verwendbarkeit der SEM-
Kartuschen (bis zu 20 Mal) ist eine Reduzierung
der Kosten pro Analyse möglich. Die gesamte
Logistik und die Probenahme werden einfacher,
da nur noch 20 mL-Proben benötigt werden. Das
System hat sich für den Anwender in den Bereichen
Wasser- und Wirkstoffanalytik ebenso wie
im Umwelt- und Verbraucherschutz bewährt.
Literatur
[1] Stiftung Warentest „Test“ 5/2008
[2] Test.de Mückenabwehrmittel 2010
[3] Greenpeace „Blacklist“ 2008
[4] Richtlinie 2006 / 132 / EG der Kommission vom 11.
Dez. 2006 zur Änderung der Richtlinie 91 / 414 /
EWG
[5] T. Hillenbrand et al.: Fraunhofer Institut für System-
und Innovationsforschung, 2006
Autoren
Angelika Fink, Fachbereichsleiterin Laboranalytik
Organik, Hessenwasser GmbH & Co.KG
Dr. Rüdiger Kohl, Applikationslabor, Axel Semrau
GmbH & Co. KG
Marco Nestola, Lehrstuhl für Analytische Chemie,
Ruhr-Universität Bochum
▶ KONTAKT
Axel Semrau GmbH & Co.KG
Sprockhövel
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