März 2022
Das Thema PFAS ist so aktuell wie eh und je. Die jüngste EU-Trinkwasserrichtlinie
ist am 12. Januar 2021 mit Änderungen in Bezug auf PFAS in Kraft getreten.
Auch in den USA wurde kürzlich die entsprechende Verordnung US EPA 537.1 für PFAS in Trinkwasser aktualisiert.
In der automatisierten Probenvorbereitung der PFAS-Analytik
erlaubt das Freestyle SPE-Gerätesystem von LCTech in der PFAS-Version in Kombination mit dem Vakuumkonzentrator D-EVA eine speziell abgestimmte automatisierte Konzentrierung der Substanzen.
Nun sind die analytischen Verfahren
zur Bestimmung von PFAS bei weitem noch nicht so harmonisiert und reglementiert wie bei anderen POPs wie beispielsweise für PCDD/F und PCB. Dabei ist nicht nur die letztendliche Bestimmung von PFAS mit LC/MS-MS-Methoden analytisch sehr anspruchsvoll, sondern auch unabhängig regionaler Vorschriften die Probenvorbereitung. Die Proben werden mittels Festphasenextraktion aufgereinigt, in einem deutlich kleineren Volumen in Methanol eluiert und anschließend verlustfrei bis zur Trockene aufkonzentriert und umgelöst.
Um für die neuen Grenzwertevorgaben
entsprechend niedrige Bestimmungsgrenzen erreichen zu können, muss eine ausreichend große Probenmenge eingesetzt werden. Solch große Probenvolumina stellen allerdings bei manueller SPE einen sehr hohen Arbeitsaufwand und Zeitbedarf dar, weshalb eine automatisierte Abarbeitung der Proben notwendig wird. Eine weitere große Herausforderung stellen die ubiquitär im Labor vorkommenden per- und polyfluorierten Substanzen dar. Der Fremdeintrag an PFAS-Analyten in die Proben ist so niedrig wie möglich zu halten, um falschpositive Befunde zu vermeiden. Eine unerwünschte, durchaus bekannte Eintragsquelle für PFAS in die Proben sind die in handelsüblichen Laborgeräten und Materialen verwendeten Fluorkohlenstoffmaterialien wie PTFE. Diese setzen kleine Mengen von PFAS während dem Kontakt mit der Probe frei, was zu deutlich erhöhten Hintergrundwerten führt. Deshalb wurden im Freestyle SPE-PFAS-System, welches für eine automatisierte Abarbeitung des SPE-Protokolls eingesetzt wird, alle Fluorkohlenstoffmaterialien konsequent minimiert und durch Polyethylen bzw. Polypropylen ersetzt.
Sowohl Umweltproben
wie beispielsweise Boden und Wasser, als auch Biota-Proben wie Tiergewebe oder Lebensmittel, können mit dem Freestyle SPE-PFAS-System vollautomatisch zur PFAS-Analytik aufgereinigt werden. Bei einem Einsatz von Probenvolumina über 100 mL wird das Gerätesystem zudem mit dem Wassermodul XANA aufgerüstet. Damit können dann bis zu 24 Proben mit 1 L aus dem Rack über eine SPE Kartusche gepumpt werden und durch gleichzeitige Bearbeitung von bis zu 7 Proben wird der Probendurchsatz deutlich erhöht.
Abbildung 1
zeigt das Freestyle-PFAS-XANA-System mit der Kapazität von bis zu 24 1 L Flaschen (im Foto exemplarisch mit Glasflaschen) mit einer D-EVA im Einsatz. Zur Umsetzung der US EPA 537.1 wurden die Proben in 250 mL PE-Flaschen vorgelegt und das Eluat in 15 mL oder 50 mL Falcontubes gesammelt. Ohne weiteren Probentransfer des Eluats werden die Proben in diesen Gefäßen anschließend in den passenden Rotor der D-EVA übertragen um sie schonend zur Trockene zu evaporieren. Zur Evaluierung wurden die PFAS-Verbindungen der bestehenden DIN 38407-42 und die Analyten der aktualisierten US-EPA 537.1 auf einem Freestyle-PFAS-XANASystem bearbeitet und damit der Nachweis aller formellen Anforderungen zur Validierung für die US-EPA 537.1 erbracht. Die Ergebnisse belegen, dass alle PFAS-Verbindungen wiedergefunden werden. Damit ist bewiesen, dass keine Spuren am System haften bleiben und gleichzeitig keine Blindwerte bei der Bearbeitung auf dem Roboter entstehen. Dies bezüglich wurden die PFAS-Hintergrundwerte von reinen Lösungsmitteln mit den Werten von Blindproben verglichen.
Abb. 1: Das Freestyle-PFAS_XANA-Gerätesystem
in Kombination mit einer D-EVA von LCTech
Im Anschluss an die SPE-Aufreinigung,
wird der Methode entsprechend, das Eluat von 8 mL Methanol per Evaporation bis zur Trockene gebracht und für die Analyse in Methanol/Wasser 96:4 (v/v) gemäß US-EPA 537.1 wieder rückgelöst. Auch dieser scheinbar unproblematische Schritt stellt Laboratorien in der PFAS-Analytik vor Herausforderungen. Durch Adhäsion von PFAS an Glaswandungen erweisen sich die meisten zur Konzentration eingesetzten Apparaturen als ungeeignet. Es bleibt üblicherweise oft nur das zeit- und kostenaufwändige beaufsichtigte Abblasen mit Stickstoff, welches aufgrund von unbeabsichtigter Aerosolbildung vermieden werden sollte.
LCTech stellt hier eine automatisierte Lösung
in einer D-EVA zur Verfügung, welche die SPE-Eluate in klassischen Falcontubes aufnehmen kann und dennoch einen kontrollierten Prozess ermöglicht. Generell wirkt die D-EVA durch ihr Konzept Verlusten entgegen, da sie Infrarot-Licht zur Beheizung nutzt, speziell mit niedrigen Drücken die Siedetemperatur absenkt und durch die Rotation Aerosolbildung verhindert. Da aber bei einer Konzentrierung über den Trockenpunkt hinaus, speziell neutrale PFAS dazu neigen, verloren zu gehen ist für einen rechtzeitiger kontrollierten Abbruch des Protokolls zu sorgen. Hierzu besitzt die D-EVA einen speziellen Sensor in einem Referenzgefäß, welcher zuverlässig die erreichte Trockene erkennt und den Prozess stoppt. Dafür wurden in-house-Protokolle mit den optimalen Drehzahlen und der angepassten Abbruchtemperatur entwickelt. Bei Erreichen des Zielpunktes wird die Zentrifugenkammer belüftet und das zur Temperierung verwendete Infrarot-Licht abgeschaltet, so dass nachträglich keine weitere direkte Heizleistung auf die Probengefäße einwirkt. Der sogenannte Memory Effekt, bekannt aus Heizblöcken und Wasserbädern, wird so vermieden. Auf diese Weise können selbst die neutralen PFAS sehr schnell und schonend aufkonzentriert und mit vergleichbar hohen Wiederfindungen wie nach dem kosten- und zeitintensiven Stickstoffabblasen, gemessen werden.
Abb. 2: Vergleich Wiederfindungsraten
Die Grafik in Abbildung 2
zeigt die Wiederfindungsraten von diversen PFAS bezogen auf US EPA 537.1. 8 mL Methanol wurden im mittleren Kalibrationslevel dotiert und evaporiert. Im Vergleich steht die Methode Abblasen unter N2 im Wasserbad zu der Evaporationsmethode “Methanol” in der D-EVA. Die eingedampften Röhrchen werden in Methanol/Wasser 95/4 plus internem Standard wieder aufgelöst und mit der HPLC-MS/MS gemessen.
Bei exakter Anwendung der US EPA 537.1
lässt sich bisweilen ein gewisser Restwassergehalt im Eluat nicht vermeiden, was für die Konzentration zur Trockene eine weitere Herausforderung darstellt. Selbst Proben mit einem Wassergehalt von bis zu 25 % konnten jedoch mittels der D-EVA schonend getrocknet werden.
Im Experiment
wurden 8 Proben mit Surrogatstandardlösung, mit einer Konzentration im mittleren Kalibrationsbereich dotiert, dann mit unterschiedlichen Wassermengen versetzt und mit Methanol auf 8 mL aufgefüllt; alle Proben wurden mit der D-EVA Programm "Methanol", eingedampft. Jede Probe, die fast trocken ist, ist als fertig angesehen. Wenn alle Proben fast trocken sind, werden sie in Methanol/Wasser 96:4 % (v/v) aufgelöst, mit internem Standard versetzt und mit der HPLC-MS/MS analysiert.
Aufgrund des hohen Probendurchsatzes
des Freestyle-XANA besteht ein weiteres Hauptziel der D-EVA Anwendung darin, schneller als die durch US-EPA 537.1 empfohlene Methodik zu verdampfen, dies ohne den Verlust von Analyten zu riskieren, bei gleichzeitig gewünschter besserer Signalintensität und ohne jegliche personelle Überwachung. In den jeweiligen Rotoren können parallel 23 Proben in 15 mL oder 10 Proben in 50 mL Falcontubes eingesetzt werden. Das schnelle Programm dampft die Eluate dabei innerhalb von 11 Minuten zur Trockene ein und das längere Programm, welches speziell bei wasserbehafteten Proben gewählt wird, innerhalb von 77 min. Somit kann man im Labor die beiden Geräte ideal kombinieren und seinen Workflow für einen hohen Probendurchsatz realisieren.
FAZIT
Die analytischen Ziele der angewandten Methode wurden mit guten Wiederfindungen und sehr geringen Standardabweichungen ohne Kreuzkontamination erreicht, was auf die zuverlässige und robuste Automatisierung zurückzuführen ist. Gleichermaßen wurden auch die analytischen Ziele der DIN-Methode aufgrund der Automatisierung mit hoher Selektivität, Richtigkeit und Präzision erfüllt. Durch den Einsatz der automatisierten D-EVA-Vakuumzentrifuge, die eine unbeaufsichtigte parallele Aufkonzentrierung des gesammelten PFAS-Eluats direkt in dem Elutionsgefäß ermöglicht, in das es aus der SPE Säule eluiert wurde, ist eine schonende Aufkonzentrierung möglich, was eine besonders hohe Robustheit erzielt.
Abb. 3: Vergleich Wiederfindungen in
Abhängigkeit von Restwasser
Falcontubes™ ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Falcon
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