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Mehr Effizienz im GC- und LC-Labor

Automatisierung

Der Weg zu mehr Produktivität in der GC und HPLC führt über die Automatisierung manueller Arbeitsschritte. Doch auch die Automatisierung an sich kann erhebliches Optimierungspotenzial besitzen, wie amerikanische Applikationsexperten am Beispiel des Nachweises von PFTs in Wasser zeigen konnten.

Davon ausgehend, dass ein Erwachsener täglich rund 1,5 Liter Wasser zu sich nehmen soll und berücksichtigt man, dass Trinkwasser eine wichtige Zutat bei der Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln ist, kann selbst eine geringfügige Schadstoffkontamination des Wassers pro Volumeneinheit auf Dauer zu einer hohen gesundheitlichen Belastung des menschlichen Organismus führen. Insbesondere dann, wenn sich Schadstoffrückstände im Organismus anreichern, denen obendrein ein erhebliches gesundheitsschädliches Potenzial attestiert wird. Wie es bei perfluorierten Tensiden (PFT) der Fall ist.
PFTs lassen sich in zwei Stoffgruppen unterteilen: in perfluorierte Alkylsulfonate (PFAS) mit Perfluoroctansulfonat (PFOS) als bekanntestem Vertreter, und perfluorierte Carbonsäuren (PFCA), mit der Perfluoroctansäure (PFOA) als namenhaftesten Vertreter. Das Besondere: Während die Kohlenstoffkette der PFTs hydrophob ist, weist die Kopfgruppe hydrophile Eigenschaften auf. Ihr amphiphiler Charakter erklärt die Verwendung von PFTs als Tensid. Werden PFTs auf Oberflächen aufgetragen, weisen sie sowohl Wasser als auch Öle, Fette und Schmutz ab. Die Eigenschaft macht sich die Textil- und Papierindustrie zunutze, die PFTs zur Modifizierung und Veredelung von Oberflächen verwendet. Aufgrund der polaren Kohlenstoff-Fluor-Bindung, die zu den festesten Bindungen in der organischen Chemie zählen, sind PFTs thermisch und chemisch extrem stabil. Ihrer Eigenschaft und Beständigkeit wegen werden PFTs in der Galvanik eingesetzt, als Emulgator bei der Herstellung von Fluorpolymeren (Teflon) sowie als Additiv bei Feuerlösch-, Schutz-, Schmier- und Imprägnierungsmitteln.

Grafische Darstellung des automatisierten Online-SPE-Prozesses. Der hellblaue Flussweg zeigt, wie der SPEXOS-Hochdruckdispenser (HPD) die vom MPS an die Probenschleife gelieferte Probe schnell und effektiv zur C18-Kartusche überführt, die am SPEXOS–System befestigt ist. Wenn die Analyten auf der Kartusche konzentriert worden sind und diese gewaschen ist, überführt SPEXOS die Kartusche automatisch von der rechten Seite der Einheit zur linken. Das Gradientenprogramm des LC-MS/MS-Systems für die mobile Phase führt dann zur Elution der interessierenden Verbindungen aus der SPEXOS-C18-Kartusche auf die analytische Säule, wo sie getrennt und anschließend bestimmt werden. Der Flussweg von Elution und Analyse ist dunkelblau dargestellt. Bild: Gerstel

 

PFTs weisen Wasser ab, sind aber selbst wasserlöslich und gelangen so über Industrieabfälle und -abwässer in die Umwelt. Da PFTs keiner photolytischen, hydrolytischen, oxidativen oder reduktiven Transformation unterliegt, UV-Strahlen oder verwitterungsbegünstigende Umstände ihnen nichts anhaben können, sie weder aerob noch anaerob abgebaut werden, reichern sie sich in der Umwelt an. PFTs sind ubiquitär und stehen zu allem Übel im Verdacht die Leber zu schädigen, sowie reproduktionstoxisch und krebserregend zu sein. Das macht PFTs zu einem Problem – und zum Ziel der Wasseranalytik.

Detailaufnahme des GERSTEL-SPEXOS-Systems


Zum Nachweis von PFT aus Wasser und anderen wässrigen Matrices kommt normkonform [1,2] die Hochleistungsflüssigchromatographie mit Tandem-Massenspektrometrie (HPLC-MS/MS) nach vorangegangener Festphasenextraktion (SPE) zum Einsatz. Bereits vor einigen Jahren hat die TeLA GmbH, ein Auftragslabor mit Schwerpunkt Lebensmittel- und Umweltanalytik, eine interessante automatisierte Bestimmungsmethode entwickelt und vorgestellt [3]. Den Fokus legte die TeLA damals insbesondere auf die Automatisierung der klassischen manuellen SPE-Vorgehensweise gemäß ISO 25101:2009. Applikationsexperten um Frederick D. Foster von der Gerstel, Inc. aus Baltimore im US-Bundesstaat Maryland haben sich an eine Neuauflage der Automatisierung gemacht mit dem Ziel, insbesondere die strengen Vorgaben der US-amerikanischen Umweltbehörde (EPA) zum Nachweis einer Auswahl perfluorierter Tenside gemäß EPA/600/R-08/ 092-Methode 537
zu erfüllen [4].

GERSTEL-SPEXOS-Systems in Kombination mit einem Gerstel-MPS

 

Bei ihrer Variante der HPLC-MS/MS-Bestimmung verwendeten Foster et al. eine Gerätekombination bestehend aus einer Agilent 1290 HPLC-Pumpe, eine Agilent Eclipse Plus C18 (2,1 mm x 100 mm, 1,8 µm) Trennsäule sowie ein Agilent 6460 Quadrupol-MS mit Jet-Stream-Elektrosprayquelle. Die Automatisierung der Probenvorbereitung erfolgte auf einem Multi-Purpose-Sampler (Gerstel-MPS) in Verbindung mit einem speziellen Online-SPE-Modul (Gerstel- SPEXOS) zwecks Trennung und Konzentrierung eines ausgewählten Satzes perfluorierter Verbindungen aus Wasserproben. Dazu die Wissenschaftler: «Das SPEXOS-System arbeitet mit kleinen, austauschbaren Kartuschen, die mit 10 bis 50 mg eines Sorbens gefüllt sind. Die Konzentrierung der Analyten wird durch das Zurückhalten der Verbindungen auf der SPE-Kartusche erreicht, bevor sie über die mobile Phase in das LC-MS/MS-System eluiert werden; so werden eine hohe Wiederfindung und ein hoher Durchsatz der Probenaufreinigung erreicht.»

Kalibrationsgerade für PFOS
Kalibrationsgerade für PFOA

 

Foster et al. entwickelten ihre Methode unter Einsatz von Wasserproben, die mit unterschiedlichen PFT-Standards dotiert waren. Namentlich handelte es sich dabei um Perfluoroctansäure (PFOA), Perfluornonansäure (PFNA), Perfluordecansäure (PFDA), Perfluorbutansulfonsäure (PFBS), Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) sowie Perfluoroctansulfonsäure (PFOS). Die Quantifizierung erfolgte mittels markierter Standards: 13C-PFOA und 13C-PFOS. Um eine Verfälschung des Messergebnisses durch PFT-Einträge zu verhindern und ein sauberes reproduzierbares Arbeiten sicherzustellen, wurden sämtliche Systemkomponenten aus Teflon und herkömmlichen Kunststoffbestanden wie Schlauchverbindungen, Ventile und Dichtungen gemäß EPA-Methode 537 durch Bauteile aus Polyetheretherketon (PEEK) ersetzt.
Ein Hauptaugenmerk legten Frederick D. Foster und Kollegen, bei der hier beschriebenen Methode zur Bestimmung einer ausgewählten Schar unterschiedlicher PFTs, auf die automatisierte Probenvorbereitung und in diesem Zug auf die Online-Festphasen-Extraktions-Prep-Sequenz, programmiert und gesteuert mittels der Gerstel-Maestro-Software. Die zentralen Schritte hierbei waren: 1. SPEXOS konditioniert eine C18-HD-SPE-Kartusche mit 1 mL Acetonitril und anschließend mit 1 mL Wasser.
2. Der MPS injiziert die Wasserprobe in die Probenschleife des LC-Ventils.
3. SPEXOS lädt die Probe auf die C18-HD-SPE-Kartusche und wäscht die Kartusche mit 6 mL Wasser.
4. Der LC-MS/MS Lauf startet und die C18-HD-SPE-Kartusche wird mit Hilfe der mobilen Phase eluiert. Den Anwendern blieb die Auswertung:
«Die unter Einsatz interner Standards entwickelten Kalibrationsgeraden überzeugten für alle oben genannten Verbindungen mit r²-Werten größer 0,99, wobei die Quantifizierungsgrenzen zwischen 10 und 25 pg/mL lagen. Auch in puncto Präzision und Richtigkeit erfülle ihre Methode die Vorgaben mustergültig, wie die Wissenschaftler verlautbaren: Die Messwerte der untersuchten perfluorierten Verbindungen überzeugten durch eine Präzision von 1,7 bis 11,7 Prozent (CV), sowie einer Richtigkeit, die zwischen 90,6 und 110 Prozent gelegen habe», berichten Foster et. al.

 

Autor:
Dipl.-Ing. Guido Deußing
Uhlandstraße 16
D-41464 Neuss
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Quellen
[1] www.iso.org/
    standard/42742.html (letzter
    Aufruf 19.10.2017)
[2] www.well-labs.com/docs/
    epa_method_537_2009.pdf
    (letzte Aufruf 19.10.2017)
[3] www.gerstel.de/de/GA41-
    perfluorierte-Tenside.htm
    (letzter Aufruf 19.10.2017)
[4] GERSTEL Application
    Note No. 190, 2017