Für die Analyse von Pestiziden mit der neuen QuEChERS-SPE-Methode eingesetztes HPLC/MS-System.

Standard-SPE-Kartuschen wurden für den MPS konfiguriert.

Unterschiedliche Proben nach der automatisierten Aufreinigung über GERSTEL-QuEChERS-SPE-Kartuschen.

Wiederfindungen in Eisbergsalat 1

Wiederfindungen in Eisbergsalat 2

Eisbergsalat mit Fungizid-Mix

Wiederfindungen in Seelachs 1

Wiederfindungen in Seelachs 2

Seelachs mit Fungizid-Mix

Wiederfindungen in Kamille.

Kamille mit Fungizid-Mix.

Vergleich QuEChERS manuell und automatisiert.

Pestizidanalytik

QuEChERS neu durchdacht

In Kooperation mit einem Säulenspezialisten und Applikationsexperten hat GERSTEL die klassische QuEChERS-Methode auf ihr Optimierungspotenzial untersucht und auf eine einfache, leistungsfähige automatisierte Analytik über SPE-Kartuschen übertragen.

Von Guido Deußing

Die instrumentelle Analytik unterliegt ihrer Dynamik wegen, die mit Veränderungen von Richtlinien und Normvorgaben einhergeht, an denen sich analytisch arbeitende Laboratorien zu orientieren haben, sowie grundlegender technischer Neuerungen, einem unablässigen Wandel. Eine wichtige Triebfeder ist auch, die Produktivität im Labor zu erhöhen. Der Trend zu mehr Nachhaltigkeit und die damit verbundene Einsparung von Zeit, Energie, Lösemitteln und anderen Ressourcen, tut sein Übriges. Automatisierung und Miniaturisierung flankieren diese Entwicklung, deutlich sichtbar zum Beispiel an der Bestimmung von Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmitteln in Lebensmitteln.

Nachweis von Pestizidrückständen

Bei der Fülle der weltweit eingesetzten Pestizide, darunter auch illegale Wirkstoffe, bedarf es einer wirksamen und umfassenden Multirückstandsmethode, um möglichst viele chemisch und physikalisch unterschiedliche Verbindungen in einem Analysengang bestimmen zu können. Kein leichtes Unterfangen, da Lebensmittelproben in der Regel eine sehr komplexe Matrix besitzen, die einen erheblichen Einfluss auf die Messung nehmen kann. Daher ist die Matrix idealerweise vollständig abzutrennen, um eine verlässliche Pestizidbestimmung zu ermöglichen.

Weil sich herkömmliche Probenvorbereitungsverfahren als arbeits-, zeit- und kostenintensiv erwiesen haben und zudem den Einsatz großer Mengen teils teurer und toxischer Lösemittel erfordern, erregte Dr. Michelangelo Anastassiades vom Chemischen und Veterinäruntersuchungsamt (CVUA) in Stuttgart im Jahr 2003 mit seiner QuEChERS-Methode großes Aufsehen [1]. Das Akronym QuEChERS steht für Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged und Safe und bezeichnet eine schnelle, einfache, kostengünstige, effektive, robuste und sichere Methode der Probenvorbereitung zur Bestimmung von Pestiziden insbesondere in fettfreien Matrices.

Grundlegende Betrachtung der QuEChERS-Methode

Die QuEChERS-Methode umfasst folgende Schritte: 10 g homogenisierte Probe werden mit 10 mL Acetonitril versetzt und extrahiert. Anschließend werden Magnesiumsulfat und Natriumchlorid hinzudosiert. Die Probe wird geschüttelt und zentrifugiert. Die Salzzugabe ermöglicht die Trennung der Acetonitril- und Wasserphase (untere Phase). Ein Aliquot des Überstandes wird entnommen, mit Magnesiumsulfat und einem geeigneten Sorbens versetzt (was den dispersiven Charakter dieser SPE-Methode erklärt), um die mitextrahierten Matrixbestandteile selektiv zu entfernen. Der Extrakt wird geschüttelt und zentrifugiert. Der Überstand kann dann zur chromatographischen Untersuchung eingesetzt werden. Die Vorteile der QuEChERS-Methode gegenüber anderen Verfahren zur Analyse von Pestiziden in Obst und Gemüse sind laut Anastassiades der geringe Verbrauch teilweise toxischer Lösemittel, der reduzierte manuelle Arbeitsaufwand, die schnelle Aufarbeitung der Probe sowie das bedeutend breitere Spektrum erfassbarer Pestizide.

Optimierungspotenzial erkennen und umsetzen

Obgleich die QuEChERS-Methode die Pestizidanalytik vereinfacht habe, besitze sie Optimierungspotenzial, sagt Franziska Chmelka, Applikationsexpertin und Geschäftsführerin der TeLA GmbH, einem Auftragslabor für Lebensmittel- und Umweltanalytik mit Sitz in Geestland. QuEChERS-Extrakte seien zum Beispiel oftmals noch stark mit Matrixrückständen belastet, die etwa den Liner im GC-Inlet verschmutzen können.

Technische Lösungen wurden ersonnen, um kontaminierte Liner nach einer bestimmten Frist durch einen frischen Liner zu ersetzen. Zudem wurden QuEChERS-Extrakte ergänzenden Clean-up-Schritten unterzogen, vornehmlich unter Einsatz dispersiver Extraktionstechniken.

„Mit Blick auf die heute verfügbare Automatisierungstechnik kam jedoch die Frage auf“, schildert Franziska Chmelka, „ob es nicht möglich sei, die Zahl der bislang erforderlichen Arbeitsschritte auf ein Mindestmaß zu reduzieren und gleichsam die Produktivität der Multipestizidrückstandsanalytik zu erhöhen.“

Dieser Ansatz führte Säulenhersteller Macherey-Nagel, GERSTEL, Experte für die automatisierte Probenvorbereitung, und die TeLA GmbH zusammen. Gemeinsam formulierten die Unternehmen das Ziel, die Extraktion der Pestizidrückstände aus komplexen Matrices zu vereinfachen und zwar durch eine automatisierte Analyse idealerweise über einfach zu handhabende SPE-Kartuschen.

Optimierte SPE-Kartuschen für unterschiedliche Analyten

Ein wichtiger Teilschritt der Kooperation bestand darin, ein Sorbensmaterial zu finden, das sich in Kartuschen einsetzen ließ und dennoch den Ansprüchen einer dispersiven Technik gerecht wurde. Das heißt, es sollte auch unter Druck eine hinreichende Durchlässigkeit für den Probenextrakt gewährleisten.

Bei der Suche bewegten sich die Experten auf bekanntem Terrain: Geeignete Kandidaten fanden sich unter den grobkörnigen Sorbensmaterialien, wie sie üblicherweise zur dispersiven Festphasenextraktion eingesetzt werden. Durch Kombination verschiedener aus einschlägigen QuEChERS-Normen bekannter Materialien gelang es, verschiedene inzwischen kommerziell verfügbare QuEChERS-SPE-Kartuschen (GERSTEL) für unterschiedliche Matrices zu entwickeln.

Die Praxistauglichkeit der QuEChERS-SPE-Kartuschen wurde von der TeLA überprüft, die eine automatisierte Probenvorbereitungsmethode unter Einsatz des GERSTEL-MultiPurposeSampler (MPS) entwickelte. Untersucht wurden verschiedene Probenmatrices, darunter Fisch, Eisbergsalat und Kamille; die Proben wurden mit einer Mischung unterschiedlicher Fungizide dotiert. Die Probenvorbereitung umfasste einen geringen manuellen Anteil: Je nach Wassergehalt wurden 5 g Probe entweder mit 15 mL Acetonitril (hoher Wasseranteil) oder mit 5 mL Acetonitril (niedriger Wasseranteil) versetzt, mittels Turrax oder Vortex gemischt, zentrifugiert, eventuell filtriert und der Überstand wurde in ein 10-mL-Vial überführt. Die Vials wurden auf dem MPS positioniert, der alle weiteren Schritte automatisiert ausführte, schildert Franziska Chmelka.

Zunächst entnimmt der Autosampler 7 mL Probenlösung und gibt sie auf eine erste SPE-Kartusche. Der Extrakt wird in einem leeren Vial aufgefangen und zwischengelagert, die Kartusche wird verworfen. Sodann entnimmt der MPS 3,5 mL Extrakt und dosiert sie auf eine zweite SPE-Kartusche; hierbei habe der Anwender die Möglichkeit, sagt die Applikationsexpertin, in Abhängigkeit von der Matrix unterschiedliche SPE-Kartuschen-Typen zu wählen. Der von Matrix befreite Extrakt wird in einem 10-mL-Vial aufgefangen, der MPS überführt daraus 1 mL in ein 1,5-mL-Vial, das in der angeschlossenen Eindampfstation (mVAP) bis zur Trockene reduziert wird. Für die Rekonstitution des Rückstands wählt der MPS in Abhängigkeit von der nachfolgenden Analyse das geeignete Laufmittel: „Cyclohexan, sofern sich eine GC-Messung anschließt“, schildert Franziska Chmelka, „oder ein Acetonitril-Wasser-Gemisch bei einer HPLC-Analyse.“ Auch für beide Messungen lassen sich Proben simultan vorbereiten.

Für die Vermessung ihrer dotierten Proben wählte Franziska Chmelka eine HPLC-Analyse (Agilent 1290) mit anschließender massenspektrometrischer Detektion unter Einsatz eines Agilent 6495-Triple-Quadrupol-Massensepektrometers. Die Trennung der Analyten erfolgte laut der Applikationsexpertin auf einer Macherey-Nagel Nucleoshell PFP Säule, die eine ausgezeichnete Trennleistung über einen breiten Polaritätsbereich biete. Damit sei es möglich gewesen, sagt Franziska Chmelka, selbst die teilweise eher schwer zurückzuhaltenden polaren Pestizide aufzutrennen und gleichzeitig eine gute Auftrennung der unpolaren Substanzen zu gewährleisten.

Was am Ende zu sagen übrig bleibt

Alles in allem berge die neue Vorgehensweise der Multipestizidrückstandsanalytik über spezifische, kommerziell verfügbare QuEChERS-SPE-Kartuschen deutliche Mehrwerte für die Praxis, bestätigt Franziska Chmelka und zählt die Vorzüge auf: Einfach zu handhabende SPE-Methode, minimaler manueller Arbeitsaufwand, effiziente und höchst produktive Automatisierung der Probenvorbereitung, dazu gute Messergebnisse auch für hochpolare Substanzen. „Aufgrund der offensichtlich sehr sauberen Extrakte, die wir unter Einsatz der QuEChERS-SPE-Kartuschen haben erzeugen können, haben wir bei den Proben eine gute Wiederfindung der Analyten und eine gute Wiederholbarkeit der Messung erzielt“, berichtet die Applikationsexpertin.

Im Mittel habe die neue SPE-Methode bessere Resultate geliefert als die manuelle QuEChERS-Methode. Die Linearität war gewährleistet über einen weiten Kalibrationsbereich und die Signale im Chromatogramm zeugten von einer guten Peakform bei gleichzeitig geringen Peakbreiten. Noch seien nicht alle Tests abgeschlossen, doch alles deute darauf hin, sagt Franziska Chmelka, dass „die neue Multipestizidrückstandsmethode unter Einsatz spezifischer QuEChERS-SPE-Kartuschen eine erhebliche Verbesserung der Effizienz der Bestimmung von Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmitteln in Lebensmitteln und Lebensmittelausgangsstoffen bietet“.

Quelle

[1] Michelangelo Anastassiades, Steven J. Lehotay, Darinka Stajnbaher, Frank J. Schenk, Fast Easy Multiresidue Method Employing Acetonitrile Extraction/Partitioning, „Dispersive Solid-Phase Extraction“ for the Determination of Pesticide Residues in Produce, Journal of AOAC International 86 (2003) 412-431

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