Methodenparameter
Die Analysen erfolgten auf einem GC 7890 in Verbindung mit einem MSD 5975C (beide Agilent Technologies). Beim PTV-Injektor handelte es sich um ein KaltAufgabeSystem (KAS), beim Roboter um einen MultiPurposeSampler (MPS) (beide GERSTEL), versehen mit einer 10-μL-Flüssigspritze.
Analysenbedingungen
KAS 4: splitlos; 25 °C; 12 °C/s; 280 °C (3 min)
Säule: 30 m DB5-MS (Agilent); di = 0,25 mm; df = 0,25 μm
Pneumatik: He, konstanter Fluss = 1,0 mL/min
GC-Ofen: 60 °C (1 min); 10 °C/min; 300 °C (3 min)
Standards
Ein Standardgemisch aus Organochlor- und Organophosphorpestiziden wurde mit einer Konzentration von 1000 μg/L in Acetonitril bereitet.
Probenvorbereitung
Zur Quantifizierung wurden die Obst- und Gemüseextrakte mit verdünnten Pestizidstandards versetzt (Konzentration: 20 μg/L und 200 μg/L in 500 μL Extrakt).
DPX-Extraktion
1-mL-QuEChERS-Spitzen stammten von DPX-Labs, LLC. 500 μL des Obst- beziehungsweise Gemüseextraktes wurden manuell in ein Teströhrchen gegeben. Dieser Vorgang wurde mit dem MPS, ausgestattet mit einer 2,5-mL-Spritze, automatisiert.
Der Extrakt wurde in ein 2-mL-Vial überführt, davon wurde wiederum 1 μL in den GC injiziert.
Schematische Darstellung der DPX-Aufreinigung.
Spinat- und Orangenextrakt ohne und mit DPX-Aufreinigung (Cleanup).
Full-scan-Chromatogramm des Orangenextrakts, aufgezeichnet vor (A) beziehungsweise nach der DPX-Aufreinigung (B).
Full-scan-Chromatogramm des Spinatextrakts, aufgezeichnet vor (A) beziehungsweise nach der DPX-Aufreinigung (B).
SIM-Chromatogramm des Spinatextrakts, versetzt mit 200 ppb einer Standardpestizidlösung, aufgezeichnet nach der DPX-Aufreinigung.
Die Sequenz der automatisierten DPX-Probenvorbereitung lässt sich in der MAESTRO-Steuersoftware auf einfache Weise per Mausklick zusammenstellen.
Wiederfindungsrate der Pestizide und Standardabweichung in Prozent.
Wiederfindungsrate der Pestizide mit und ohne DPX-Aufreinigung (spike level = 200 ppb).

Pestizidanalytik

Kehraus für Störenfriede

Mit der vergleichsweise jungen QuEChERS-Methode lassen sich Pestizidrückstände schnell, kostengünstig und sicher in Agrarproben analysieren. Applikationschemiker von GERSTEL haben durch Einsatz der automatisierten Disposable Pipette Extraction (DPX) den GC/MS-Nachweis von Pestiziden aus QuEChERS-Extrakten optimiert. Störende Matrixbestandteile lassen sich ohne großen manuellen Aufwand sicher entfernen.

Sprechen wir nicht über das Für und Wider von Pestiziden in der Landwirtschaft, sondern über Maßnahmen zum Schutz der Verbraucher etwa vor den Folgen eines unsachgemäßen Pestizidgebrauchs. Reden wir über die Rückstandsanalytik von Agrarprodukten. Von den illegal eingesetzten Pestiziden einmal abgesehen, erfordert allein die Vielzahl zugelassener Pestizidwirkstoffe effiziente Multimethoden auf Basis der Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) beziehungsweise Gaschromatographie (GC) in Verbindung mit der massenselektiven Detektion (MS); diese Kombination erlaubt die Bestimmung einer großen Bandbreite unterschiedlichster Pestizidrückstände in einem Analysengang. Es sei jedoch angemerkt: Auch die beste Trenntechnik liefert keine sicheren Resultate ohne adäquate Probenvorbereitung, die aus Gründen der Effizienz idealerweise automatisiert verlaufen sollte.

QuEChERS-Extrakte bilden die Basis

Zum Mittel der Wahl bei der Analyse von Pestizidrückständen in Agrarprodukten avancierte die vor wenigen Jahren unter anderem am Chemischen und Veterinäruntersuchungsamt (CVUA) in Stuttgart entwickelte QuEChERS-Methode. Das Akronym leitet sich her von den Attributen: Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, Safe, zu Deutsch: schnell, leicht, kostengünstig, effektiv, robust, sicher. Kurz gesagt, handelt es sich bei QuEChERS um eine schnelle und kostengünstige Methode zur Extraktion von Pestiziden aus verschiedensten Matrices. Validierungsexperimente des CVUA haben gezeigt, dass sich mit der QuEChERS-Methode hohe Wiederfindungsraten (Extraktionsausbeuten) und geringe Ergebnisschwankungen für eine sehr große Anzahl von Pestiziden realisieren lassen. Die Methode zeichnet sich durch einen geringen Lösemittelverbrauch und minimalen manuellen Arbeitsaufwand sowie ein breites Spektrum erfassbarer Pestizide aus. „Aufgrund des hohen Probendurchsatzes (8 Proben in 30 min.) und der geringen Kosten (ca. 1 € pro Probe für die Aufarbeitung) ermöglicht diese Methode eine deutliche Steigerung der Effizienz bei der Überwachung von Pestizidrückständen“, berichtet das CVUA.

Einziger Wermutstropfen: „Die nach der QuEChERS-Methode hergestellten Obst- und Gemüseextrakte enthalten in der Regel einen hohen Anteil an schwer verdampfbaren Komponenten, die sich negativ auf die GC-Analyse auswirken können“, sagt GERSTEL-Applikationsexperte Carlos Gil. „Werden die Extrakte direkt in den PTV-Injektor des GC-Systems injiziert, kommt es zu Ablagerungen, die bereits nach wenigen Injektionen die Signalstärke beeinflussen können.“

Als Gegenmaßnahme bleibe die Wartung des GC-Systems, verbunden mit dem Austausch des Liners; „ein durchaus arbeits- und zeitintensives Prozedere, sofern der Anwender nicht über einen automatisierten Liner-Wechsler (Automated- LinerExChange, ALEX) verfügt“, weiß Carlos Gil.

Die Aufreinigung der QuEChERSExtrakte erfolgt üblicherweise durch eine manuelle dispersive Festphasenextraktion (SPE), gefolgt von einer Abtrennung der festen Bestandteile mittels Zentrifugieren – Schritte, die sich nur schwer automatisieren lassen. Wie Gil und Kollegen nun am Beispiel von Spinat- und Orangenproben untersucht haben, erweist sich die Aufreinigung der QuEChERS-Extrakte mittels der automatisierten Disposable Pipette Extraction (DPX) als attraktive und effiziente Alternative.

Disposable Pipette Extraction (DPX)

Bei der DPX handelt es sich um eine Festphasenextraktionstechnik (SPE), die im Gegensatz zur konventionellen SPE nicht mit gepackten Adsorbentien in Kartuschen, sondern mit einer Einwegpipettenspitze arbeitet. In der DPX-Pipettenspitze befindet sich das Sorbensmaterial, nicht gepackt, sondern lose eingelegt und frei beweglich. Im Fall der Spinat- und Orangenextrakte kam unter anderem grafitisierter Kohlenstoff (Carbon black) zum Einsatz (DPXQg- Spitzen, gemäß DIN EN 15662), mit dem sich Pflanzenfarbstoffe wie Chlorophyll und freie Säuren mit sichtbarem Erfolg aus der Probe entfernen lassen. Ein Gitter am unteren Ende sowie ein Kunststoffstopfen am oberen Ende der Spitze dienen als Barriere und sorgen dafür, dass das Sorbensmaterial nicht verloren geht.

Die obere Barriere ist durchlässig für die Nadel der Flüssiginjektionsspritze; sie erfüllt zudem den Zweck eines Transportadapters, der es dem MultiPurposeSampler (MPS), auf dem die DPX voll automatisiert abläuft, ermöglicht, die Spitze in alle drei Raumrichtungen zu bewegen.

Die Handhabung der DPX ist so simpel wie genial: Der MPS entnimmt automatisch eine DPX-Spitze aus dem DPX-Tray. Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann das Sorbens mit einem geeigneten Lösungsmittel konditioniert werden: durch Aufziehen aus einer Vorlage (Vial) oder durch Injektion von oben. Die Probe, hier der jeweilige QuEChERSExtrakt (500 μL, versetzt mit unterschiedlich konzentrierten Organochlorund Organophosphorpestizid-Standardmischungen), wurde schließlich in definierter Menge aufgezogen, wobei sie zwar folgerichtig mit der Pipettenspitze in Berührung kommt, nicht aber mit der Nadel der Mikroliterspritze. „Es gibt keine Cross- Kontaminationen und Verschleppungen“, sagt Carlos Gil und merkt an, dass Strömungsführung und Durchflussrate bei dispersiven SPE-Techniken, zu der die DPX gehöre, keinen Einfluss auf deren Extraktionsleistung haben.

Aus dem Probenvial entfernt, zieht die Spritze Luft durch die aufgenommene Probe: Das Aliquot wird sprudelnd durchmischt, was zu einem optimalen Kontakt der Festphase mit der Probe und einer effizienten Extraktion führt – „deutlich zu sehen an der Entfärbung der Extrakte“, sagt Carlos Gil. Die Extraktion verlaufe innerhalb von zwei Minuten unter optimalen Gesichtspunkten. Anschließend wird das gereinigte QuEChERS-Extrakt automatisiert in ein neues Rollrandfläschchen überführt und die Pipettenspitze verworfen. „Sobald die erste Probe in das GC-System injiziert wurde, beginnt die Aufbereitung der nachfolgenden Proben. Analyse und Probenvorbereitung erfolgen zeitlich verschachtelt, wodurch eine maximale Auslastung des Systems und höchste Produktivität gewährleistet ist“, konstatiert Carlos Gil.

Resultate sprechen für den Erfolg der DPX

Neben der sichtbaren Entfärbung der Extrakte belegen auch die aufgezeichneten Messresultate die Effektivität der DPX. Carlos Gil: „Die Ergebnisse überzeugen unter anderem aufgrund einer guten Wiederfindung der Organochlor- und Organophosphorpestizide, die wir in dieser Studie bestimmt haben.“ Auf den Punkt gebracht: Die relative Standardabweichung (n=3) habe für beide Probenextrakte unter zehn Prozent gelegen, sowohl für den 20 ppb- als auch für den 200 ppb- Konzentrationsbereich. Für die Orangenextrakte ermittelten die Applikationschemiker eine durchschnittliche Wiederfindung von 119 Prozent und für die Spinatextrakte 91 Prozent.

Carlos Gil: „Die vorliegende Studie erbrachte den Beleg für die Brauchbarkeit der automatisierten DPX zur Aufreinigung von QuEChERS-Extrakten (2. Stufe) vor der GC/MS-Analyse. Die eingesetzten DPX-Spitzen entfernen wirksam Matrixstörungen, erhöhen die Zuverlässigkeit der Analysen und reduzieren den Wartungsbedarf, da es zu weniger Aufbau von nichtflüchtigem Material im Injektor kommt. Darüber hinaus lässt sich das ganze Prozedere, angefangen bei der Probenaufreinigung bis zur Injektion, überaus effektiv gestalten, da es sich vollständig und komfortabel automatisieren lässt.“

 

Literatur:

AppNote-2009-01
Automated Multi-Residue Pesticide Analysis in Fruits and Vegetables by Disposable Pipette Extraction (DPX) and Gas Chromatography / Mass Spectrometry