Chromatogramme
TIC und EICs von Pestiziden in Flusswasser, erhalten mit der sequenziellen SBSE-TD-GC-RTL-MS-Methode.
Ablaufschema der sequenziellen SBSE
Schematische Darstellung der sequenziellen Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE).
GC/MS mit MPS-Autosampler für die Twister-Desorption
                 
 
  Pirimicarb 1.70  19  15  74  73  9.6  0.9995  6.0 
  Dichlorvos 1.90 28 8 42 44 9.7 0.9978 6.1
  Ethiofencarb 2.04 35 8 48 39 11 0.9995 5.0
  Isoprocarb 2.30 49 19 80 69 8.7 0.9947 5.5
  Fensulforthion 2.35 52 18 77 79 12 0.9970 6.5
  Parathion-methyl 2.75 73 95 104 109 3.8 0.9999 9.6
  Malathion 2.75 73 85 87 98 4.4 0.9994 8.0
  Fenobucarb 2.79 75 41 90 86 8.7 0.9994 3.4
  Benfuresat 2.80 75 75 94 101 4.3 0.9994 6.1
  Mefenacet 2.80 75 70 92 96 10 0.9981 4.5
  Methiocarb 2.87 78 39 102 83 13 0.9962 5.3
  Thiometon 2.88 79 85 94 96 3.3 0.9998 12
  Cyproconazol 2.91 80 28 92 83 4.1 0.9987 6.4
  Etrimfos 2.94 81 96 92 98 5.3 0.9997 3.8
  Triadimenol 1,2 2.95 81 27 91 89 6.6 0.9985 11
  EPTC 3.02 83 99 101 102 4.8 0.9999 12
  Quinalphos 3.04 84 92 89 97 3.0 0.9985 10
  Dimethylvinphos 3.16 87 66 69 82 8.8 0.9999 4.2
  Metolachlor 3.24 89 82 94 96 4.2 0.9993 8.1
  Diethofencarb 3.29 90 75 94 97 5.4 0.9990 13
  Fenitrothion 3.30 91 95 97 102 3.1 0.9998 4.0
  Paclobutrazol 3.36 92 31 95 85 8.3 0.9986 4.7
  Pyraclofos 3.37 92 70 89 86 5.4 0.9972 11
  Quinomethionat 3.37 92 80 59 100 3.8 0.9997 3.6
  Phenthoate 3.47 93 89 77 96 6.5 0.9991 7.2
  Mycrobutanil 3.50 94 60 92 90 8.4 0.9992 6.7
  Chlorpropham 3.51 94 81 99 97 6.9 0.9997 8.3
  Thenylchlor 3.53 94 83 92 99 5.6 0.9993 3.1
  Ethoprophos 3.59 95 91 94 95 6.1 0.9999 9.4
  Edifenphos 3.61 95 76 72 96 12 0.9983 4.7
  Fenarimol 3.62 95 61 93 91 5.2 0.9974 12
  β-BHC 3.68 96 46 77 85 3.9 0.9995 5.3
  δ-BHC 3.68 96 66 85 90 4.5 0.9993 8.0
  Parathion 3.73 96 99 94 101 2.9 0.9995 4.6
  Butylat 3.85 97 96 70 100 5.4 0.9999 8.1
  Diazinon 3.86 97 96 80 98 5.6 0.9996 3.4
  Tebuconazol 3.89 97 69 96 94 7.7 0.9986 8.3
  Thiobencarb 3.90 97 99 98 103 5.6 0.9999 4.9
  Chlorobenzilate 3.99 98 98 88 99 6.0 0.9996 5.4
  Bitertanol 1,2 4.07 98 81 57 93 11 0.9940 10
  Fenthion 4.08 98 94 92 97 3.0 0.9995 3.6
  Propiconazole 1,2 4.13 99 97 99 101 7.8 0.9983 6.8
  E,Z-Chlorofenvinphos 4.15 99 93 80 97 5.3 0.9996 4.3
  Prirmiphos-methyl 4.20 99 94 76 94 4.0 0.9996 3.9
  E-Pyrifenox 4.20 99 98 100 100 4.5 0.9993 3.2
  Z-Pyrifenox 4.20 99 98 100 101 6.6 0.9997 4.9
  Terbufos 4.24 99 89 68 89 8.2 0.9987 2.1
  Mepronil 4.24 99 79 104 101 5.8 0.9995 7.2
  α-BHC 4.26 99 85 97 95 5.3 0.9995 3.4
  γ-BHC (Lindane) 4.26 99 82 91 93 5.6 0.9995 5.3
  Phosalon 4.29 99 98 85 100 10 0.9986 7.1
  Pretilachlor 4.29 99 97 91 106 3.3 0.9986 2.1
  EPN 4.47 100 100 86 99 8.1 0.9986 5.0
  Tolclofos-methyl 4.56 100 94 88 98 3.6 0.9997 3.4
  Esprocarb 4.58 100 98 86 101 5.0 0.9997 4.0
  Pyrimidifen 4.59 100 98 74 96 6.7 0.9977 16
  Tebufenpyrad 4.61 100 100 76 100 4.9 0.9995 5.7
  Isofenphos 4.65 100 96 82 99 2.7 0.9997 3.9
  Flutolanil 4.65 100 91 101 103 6.9 0.9993 7.1
  Chlorpyrifos 4.66 100 88 71 92 4.4 0.9997 3.3
  Flusilazole 4.89 100 99 99 100 6.9 0.9995 4.8
  Pendimethalin 5.18 100 96 78 98 5.4 0.9998 5.3
  Difenoconazole 1,2 5.20 100 98 73 100 9.0 0.9939 17
  Pyridaben 5.47 100 100 57 99 2.9 0.9976 5.1
  Cadusafos 5.48 100 95 81 98 6.2 0.9996 19
  Pyriproxyfen 5.55 100 96 72 99 5.6 0.9996 4.2
  Imibenconazole 5.64 100 98 60 101 9.3 0.9999 74
  Prothiofos 5.69 100 97 60 99 5.0 0.9996 4.1
  Cyfluthrin 1,2,3,4 5.74 100 100 58 100 3.4 0.9971 23
  p,p-DDD 5.87 100 96 70 98 3.7 0.9995 2.6
  p,p-DDE 6.00 100 94 51 97 3.8 0.9999 4.4
  Cypermethrin 1,2,3,4 6.38 100 100 53 96 1.4 0.9967 40
  Flucythrinate 1,2 6.56 100 97 50 99 2.4 0.9951 5.6
  Fenvalerate 1,2 6.76 100 100 52 99 4.9 0.9987 14
  Fluvalinate 1,2 6.81 100 102 52 96 6.7 0.9989 11
  Cyhalothrin 1,2 6.85 100 112 58 113 10 0.9965 7.6
  Tefluthrin 7.19 100 97 51 100 5.1 0.9959 7.4
  Permethrin 1,2 7.43 100 101 54 100 5.6 0.9983 5.4
  Silafluofen 8.20 100 100 53 98 1.4 0.9989 7.3
  Halfenprox 8.35 100 105 54 104 2.6 0.9995 3.9
Liste der mittels sequentieller SBSE bestimmten Pestizide. Detaillierte Informationen bietet die AppNote 12-2OO8
Autoren

Nobuo Ochiai, Kikuo Sasamoto, Hirooki Kanda,
GERSTEL K.K., 2-13-18 Nakane,
Meguro-ku, Tokyo, 152-0031 Japan;

Edward Pfannkoch,
GERSTEL Inc., 701 Digital Drive, Suite J, Linthicum, MD 21090, USA

Wasseranalytik

(Nimm zwei)²

Mittels einer einfachen, aber wirkungsvollen Modifikation der Twister-Extraktionsmethode (SBSE) hat ein internationales Team von Applikationsspezialisten den Nachweis polarer Pestizide mit niedrigem KO/W und apolarer Pestizide mit hohem KO/W für sehr niedrige Konzentrationen (sub-μg/L) aus wässrigen Proben optimiert.

Mit Schadstoffen belastetes Trinkwasser birgt ein hohes Gesundheitsrisiko, das es durch stete Kontrolle auszuschließen gilt. Zu den gefährlichen und damit zu überwachenden Kontaminationen zählen insbesondere flüchtige und schwerflüchtige organische Verbindungen meist anthropogenen Ursprungs, darunter Pestizide, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) oder polychlorierte Biphenyle (PCB), die über das Abwasser, die Landwirtschaft oder Verbrennungsprozesse in die Umwelt und damit in den Trinkwasserkreislauf gelangen können. Alle genannten Verbindungen sind auf die eine oder andere Art kritisch zu bewerten, da sie auf den Menschen toxisch, karzinogen oder hormonaktiv wirken. Es steht daher außer Frage, dass mögliche Belastungen selbst in Mikro- oder Nanogrammmengen sensitiv nachzuweisen beziehungsweise sicher auszuschließen sind. Ein Vorhaben, das hohe Anforderungen an den Anwender und das Analyseverfahren stellt.

Die ideale Extraktionstechnik

Die Frage steht im Raum, wie eine Probe zu behandeln ist, um die problematischen Analyten in der Weise zu extrahieren, dass man sie möglichst vollständig, sensitiv und in einem Arbeitsgang zu packen bekommt, um möglichst effizient mit den vorhandenen Ressourcen an Zeit und Geld umzugehen. Auf der Suche nach der idealen Methode kam die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit dem GERSTEL-Twister in die engere Wahl. Die SBSE hatte sich in den zurückliegenden Jahren bereits in vielfacher Hinsicht zur Extraktion und Analyse auch von Spuren organischer Komponenten aus Wasser, Boden, Nahrungsmitteln, Getränken und biologischen Matrices bewährt.

Der patentierte Twister, ein mit einem speziellen Sorbens beschichteter Rührfisch, extrahiert die Analyten, während er die Probe durchmischt; im Anschluss daran wird der Twister der Probe entnommen, trocken getupft und in einer dafür vorgesehenen Desorptionseinheit (ThermalDesorptionUnit, TDU) thermisch desorbiert, wobei die Analyten quantitativ auf den angeschlossenen Gaschromatographen überführt und im darin installierten PTV-Injektor (KaltAufgabeSystem, KAS) cryofokussiert und angereichert werden, um die Sensitivität der Messung und die chromatographische Trennleistung zu erhöhen.

Die SBSE ist einfach zu handhaben und kommt ohne umfangreiche Probenvorbereitungsschritte aus. Die Thermodesorption ist vollständig automatisierbar. Der Twister verfügt gegenüber der SPME-Faser über ein sehr viel größeres Polymer- beziehungsweise Sorptionsvolumen im Bereich zwischen 24 und 124 μL; das der SPME-Faser liegt bei 0,5 μL. Die Konsequenz: Bei gleichzeitig guter Reproduzierbarkeit und hoher Wiederfindung weisen SBSE-Analysen in der Regel erheblich niedrigere Nachweisgrenzen (sub-ng/L) auf, vor allem für hydrophobe Verbindungen. Unterm Strich erwies sich der GERSTEL-Twister als attraktive Alternative zu den herkömmlichen Vorgehensweisen.

Definition der Wirksamkeit

Wie sich die Wiederfindung eines Analyten mit der SBSE, und zwar unter Verwendung eines PDMS-Twisters, gestaltet, lässt sich mittels des jeweiligen n-Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten (KO/W) abschätzen. Der KO/W ist ein dimensionsloser Wert, der das Verhältnis der Gleichgewichtskonzentration einer Chemikalie in einem Zweiphasensystem aus n-Oktanol und Wasser bei einer definierten Temperatur angibt. Ein KO/W > 1 bedeutet, die Substanz löst sich eher in unpolaren Lösemitteln, ein KO/W < 1 hingegen weist auf eine bessere Löslichkeit in Wasser hin. Für den PDMS-Twister gilt: Hydrophobe gelöste Stoffe mit einem hohen KO/W (log KO/W > 4) lassen sich mit hoher Wiederfindung direkt extrahieren. Die Wiederfindung gelöster Stoffe höherer Polarität (log KO/W < 4) lässt sich durch einen einfachen Zusatz von NaCl (20-30 %) verbessern. Allerdings führt die Zugabe von Salz zu einer Abnahme der Wiederfindung mancher stärker hydrophober Analyten. Indem man aber die SBSE mit zwei Twistern durchführt, wobei sich die Extraktionsbedingungen unterscheiden, gelingt es, ein erheblich breiteres Spektrum chemisch divergenter Verbindungen nachzuweisen.

Wie die Praxis zeigt, lässt sich die SBSE von hydrophilen Analyten aus wässrigen Matrices durch Zugabe von Salz optimieren, jene von hydrophoben Komponenten durch organische Lösemittel wie Methanol.

Bereits in früheren Arbeiten, bei denen wir zwei Twister-Rührstäbchen in jeweils unterschiedlichen Medien einsetzten, konnten wir den Nachweis von insgesamt 85 Pestiziden, darunter polare Pestizide mit niedrigem KO/W und apolare Pestizide mit hohem KO/W, auch im Bereich sehr niedriger Konzentrationen (sub-μg/L), in wässrigen Proben in einem GC-Lauf verbessern (J. Sep. Sci. 2005, 28, 1083-1092).

Erfolg auf ganzer Linie

Damit war belegt, dass sich die SBSE als Multirückstandsmethode eignet. Schon damals wurde weiteres Optimierungspotenzial offenkundig. Eine wichtige Erkenntnis war, dass der Einsatz der sogenannten Dual-SBSE die negativen Auswirkungen des Salzes reduziert und die Wiederfindung hydrophiler Stoffe verbessert. Die Güte der Methode wurde unterstrichen von einer guten Linearität (r² > 0,9900) und einer hohen Sensitivität (Detektionslimit < 10 ng/L) für die meisten Zielverbindungen. Einziger Wermutstropfen: Es haperte noch an der Wiederfindung, die zwischen 11 und 72 Prozent lag, bei stärker hydrophoben Verbindungen (log KO/W > 6,0) sogar im Schnitt nur unter 33 Prozent.

Durch eine weitere Modifikation und Verbesserung der Dual-SBSE konnte das Defizit aus der Welt geschafft werden: Mit der neuen sequenziellen SBSE, die ebenfalls auf dem Einsatz zweier Twister basiert, ließen sich 80 Pestizide mit Wiederfindungsraten zwischen 82 und 113 Prozent bestimmen (J. Chromatogr. A 2008, 1200, 72-79).

Sequenzielle SBSE in der Praxis

Vorgehensweise: Ein 10-mL-Vial wurde mit 5 mL Probe befüllt, mit einem GERSTEL-Twister (24 μL PDMS) bestückt und mit einer Schraubkappe verschlossen. Die SBSE mehrerer Proben wurde simultan bei Raumtemperatur für 60 Minuten mit einer Rührgeschwindigkeit von 1500 U/min auf einem Multipositionsmagnetrührer ausgeführt. Alle SBSE-Versuche erfolgten mit dieser Rührgeschwindigkeit, um einen Vergleich mit der Doppel-SBSE zu ermöglichen. Nach der ersten Extraktion wurde das Rührstäbchen mit einer Pinzette entnommen, kurz in Wasser getaucht, getrocknet und in ein Thermodesorptionsröhrchen aus Glas überführt. Das Glasröhrchen wurde bis zur Analyse im geschlossenen Probentray des GERSTEL-MultiPurposeSamplers (MPS) aufbewahrt, auf dem die Probenvorbereitung automatisiert verlief.

Der Probe wurde NaCl (30 %) zugesetzt, ein zweites Rührstäbchen hinzugefügt und das Vial wieder verschlossen. Die folgende zweite Extraktion erfolgte unter den gleichen Bedingungen wie die erste: Nach einer Stunde wurde auch dieses Rührstäbchen mit einer Pinzette herausgenommen, kurz in Wasser getaucht, getrocknet und in das Glasröhrchen gesetzt, in dem sich schon das erste Stäbchen befand. Zum Schluss wurde das Glasröhrchen automatisiert in die ThermalDesorptionUnit (GERSTEL-TDU) überführt. Eine weitere Probenvorbereitung war nicht erforderlich. Die beiden Rührstäbchen wurden desorbiert, indem die TDU, programmiert mit 720 °C/min, von 40 °C (0,5 min) auf 280 °C (5 min) aufgeheizt wurde, bei einem Desorptionsfluss von 50 mL/min. Als Trägergas wurde Helium eingesetzt. Die desorbierten Verbindungen wurden bei -100 °C auf einem mit Quarzwolle gepackten Liner im PTV-Injektor (KaltAufgabeSystem, GERSTEL-KAS) für die anschließende GC/MS-Analyse cryofokussiert. Nach der Desorption wurde das KAS mit 720 °C/min von ‑100 °C auf 280 °C (5 min) programmiert aufgeheizt, um die getrappten Verbindungen auf die Trennsäule (HP-5 ms, 30 m x 0,25 mm ID, Filmdicke 0,25 μm, Agilent Technologies) zu überführen. Die Aufgabe erfolgte im Splitlosmodus mit einer Splitloszeit von 2 min. Die Ofentemperatur wurde programmiert aufgeheizt: mit 25 °C/min von 70 °C (2 min) auf 150 °C, weiter mit 3 °C/min auf 200 °C und abschließend mit 8 °C/min auf 300 °C; verwendet wurde die Retentionszeit-Locking-Datenbank von Agilent Technologies. Der Säulenvordruck war so eingestellt, dass Chlorpyrifos-Methyl bei einer konstanten Retentionszeit von 16,59 min eluierte. Das MS wurde im Scanmodus betrieben, mit Elektronenstoßionisation (Elektronenbeschleunigungsspannung: 70 V). Der Scanbereich wurde auf m/z 58 bis 510 eingestellt, bei einer Scanrate von 3,20 Scans/s.

Erfolgreicher Einsatz in der Praxis

Die Linearität der sequenziellen SBSE-Methode wurde über sechs Konzentrationsbereiche zwischen 20 und 1000 ng/L für 80 Pestizide in Wasser geprüft. Für jeden Bereich wurden Doppelbestimmungen durchgeführt. Für alle gelösten Stoffe wurde eine gute Linearität erreicht, mit einem Korrelationskoeffizienten (r²) von über 0,99. Die Detektionslimits (LOD) wurden mit wiederholten Analysen angereicherten Wassers bestimmt, das mit jeweils 20 ng/L der Analyten versetzt worden war (niedrigste Konzentration der Kalibrationskurven). Für 67 gelöste Stoffe wurden sehr niedrige LODs im Bereich von 2,1-10 ng/L erhalten – auch im Scanmodus eines konventionellen Quadrupol-MS. Für 13 gelöste Stoffe lagen die LODs im Bereich von 11 bis 74 ng/L.

Die Resultate der sequenziellen SBSE wurden schließlich mit denen der Dual-SBSE verglichen. Im Gegensatz zur Dual-SBSE liefert die sequenzielle SBSE eine ausgezeichnete Wiederfindung von mehr als 80 Prozent für 75 der nachgewiesenen Stoffe. Die Reproduzierbarkeit war gut, die RSDs lagen unter 10 Prozent, die Linearität (r²) lag bei über 0,99.

Abschließend wurde die Methode mit Erfolg auf verschiedene Flusswasserproben angewendet, die für das Screening auf Pestizidrückstände den japanischen Flüssen Tama und Tsurumi entnommen worden waren. Die Bestimmung der Pestizide erfolgte mit sechs Wiederholungsanalysen oder Doppelanalysen mit Kalibrierungs-Standardaddition zwischen 20 und 100 ng/L. Elf Pestizide, die zu verschiedenen Pestizidarten gehören, wurden im Bereich von 7,2-52 ng/L bestimmt; die log KO/W-Werte der detektierten Pestizide lagen im Bereich von 2,79 (Fenobucarb) bis 5,40 (Difenoconazol 1, 2). Darüber wurden mit dem Agilent-RTLPestizid- Scanner Pestizide gefunden, aber nicht quantifiziert, die nicht zu den Zielanalyten gehörten, z. B. Propetamphos (log KO/W 2,50) und Isoprothiolan (log KO/W 2,79).