Moderne Wasser-, Abwasser- und

Sedimentanalytik mittels GC-MS/MS

Fabian Itzel, Jill Kerstein, Tjorben Posch, Jochen Türk

12. Langenauer Wasserforum, 14.11.2017

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Überlick

• Moderne Wasseranalytik mittels GC-MS/MS?– (Gerätetechnik)

– TVO

– OGewV

– EU WRRL

• Ausgewählte Stoffgruppen

• Hormone

• Niederschlagsbedingte Einleitungen

• Fazit

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Relevante Stoffgruppen

• PAK

• Altlasten der Bergbauindustrie

• unvollständige Verbrennung von fossilen Brennstoffen

• PCB

• Altlasten aus alten Gebäuden und Anstrichfarben

• Flammschutzmittel (bromiert (PBDE), phosphororganisch)

• in sämtlichen Baumaterialien enthalten

• als Additiv eingesetzt leicht auswaschbar

• Pestizide

• großflächiger Einsatz in der Landwirtschaft

• privater Einsatz Garten/Rasen

• Biozide

• Reduzierung des Algenwachstums auf Hauswänden

leicht auswaschbar

• Industriechemikalien

• Hormone

• Natürliche Ausscheidungen und Kontrazeptiva-Einsatz (17α-Ethinylestradiol (EE2))

• Effekt auf Organismen beobachtet: Verweiblichung von Fischen

Wa

sse

rrah

me

nri

chtl

inie

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Probenvorbereitung / Extraktion

Analyse nach Wasserrahmenrichtlinie

• WRRL erfordert Analyse der gesamten Wasserprobe

• Konzentrationen im Spurenbereich erfordern eine Anreicherung

• Übliche Kartuschen „verblocken“ bei partikelhaltigen Proben Filtration notwendig!

• Einsatz von Discs erfordert keine Filtration und es kann die Gesamtwasserprobe direkt angereichert werden (Erger and Schmidt, 2014)

• PAK Analyse: DIN EN 16691:2015 (Speedisc Methode)

• Technische Regel für TributylzinnDIN SPEC 38407-49:2015-08 (Speedisc Methode)

SPE Disc AufbauAus: Erger and Schmidt, 2014)

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PAK Analytik

Probenvorbereitung• 950 mL + Interne Standards • SPE RP Phase (z.B. Speedisk H2O-phil DVB)• Dichlormethan (DCM) als Elutionsmittel

GC-MS mit DCM Extrakten• Splitlos / 290 °C• Säule: HP-5MS 30 m x 0.25 mm (ID) 0.25 µm• Injektionsvolumen: 2 µL• Temperaturprogramm: 60 °C mit 10 °C/min bis 100 °C; mit 20 °C/min bis 320 °C• EI-Ionisation• SIM Modus

EU Wasserrahmenrichtlinie: UQN für 8 PAKBenzo[a]pyren: JD-UQN = 0,00017 µg/L (ZHK-UQN = 0,27 µg/L)

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PCBs / Pestizide

Probenvorbereitung• Flüssig-flüssig Extraktion• Dotieren eines Internen Standards• Aufwändiges Clean-up

GC-MS• Splitlos• Säule: HP-5MS 30 m x 0.25 mm (ID) 0.25 µm• Injektionsvolumen: 2 µL• Temperaturprogramm: 60 °C bis 295 °C• EI-Ionisation

PCBs: Wasser (0,0005 µg/L), Sediment (0,02 mg/kg) und Biota (0,0065 µg/kg)

Pestizide: 4 µg/L (ZHK-UQN, Simazin) bis 0,000 000 01 µg/L (Heptachlor JD-UQN für Übergangs-und Küstengewässer)

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Probenvorbereitung• SPE (Styroldivinylbenzol) oder Flüssig-flüssig Extraktion (Methylenchlorid)• Interner Standard TBP27

• Für Sedimente Gefriertrocknung (48 h) und im Anschluss ASE• Aufarbeitung der Extrakte durch Clean-up Fraktionierte Elution

GC-MS/MS• Splitlos• Säule: 5MS 30 m x 0.25 mm (ID) 0.25 µm• Injektionsvolumen: 1 µl / 300 °C• Temperaturprogramm: 130 °C – 3 min, 4 °C/min bis 230 °C

Organisch substituierte Trisphosphate wirken teilweise schon in geringen Konzentrationen auf aquatische Organismen toxisch (Kuhlmann, 1991). Konzentrationen 0,1 - 1 µg/L verschiedener Organophosphate in Gewässern.

(Metzger, 2001)

Bromierte Diphenylether (BDEs): Wasser, Sediment, Biota

Flammschutzmittel

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Weitere Analyten mittels GC-MS

• Psychopharmaka „Sertaline“

– Anreicherung über LLE

– Wiederfindung (Abwasser) 85-90%

– NWG = 0.43 ng/mL

(Kocoglu et al., 2017)

• Chloro- und bromophenolische Verbindungen

– Headspace SPME GC-MS

– Verbindungen auch östrogen aktiv!

(Yuan et al., 2017)

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Vorgeschlagene Umweltqualitätsnorm (UQN) für ObGewEU Kommission (2011/0429 31.01.2012):

Durchführungsbeschluss 2015/495 (20.03.2015) der EU:

• Estron (E1), E2 und EE2 der Beobachtungslist hinzugefügt

• Benötigte Nachweisgrenzen: 0,4 ng/L E1 und E2

0,035 ng/L EE2

„limits of quantification with state-of-the-art instrumentation remains a challenge“ (Loos, 2015)

Estriol 17α-Estradiol

17ß-Estradiol

17α-Ethinylestradiol

Estron

Hormonanalytik nach WRRL

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Probenaufarbeitung

1 bis max. 10 L Probe

Speedisk C18

Aufnehmen in 50 µL Pyridin und 50 µL BSTFA (99% + 1% TMCS)

Waschschritt (30%ige MeOH-Lösung)

Trocknung

Elution mit MeOH

Florisil Aufreinigung

Eindampfen

Silica Aufreinigung

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Shimadzu TQ 8040

GC-Parameter:150 °C 0 min25 °C/min auf 20010 °C/min auf 300Interface: 315 °CIon Source: 250 °C

Injektor:Druckunterstützte InjektionInjektionsvolumen: 1 µL Injektionsart: SplitlessTemperatur: 270 °CSampling Time: 1 minLiner: Liner mit Fritte und Verjüngung

Spritze:1 – 10 µL Gasdicht für normale Injektion1 – 50 µL Gasdicht mit Seitenöffnung für Large Volume

Säule: RXi®-5Sil-MS30 m x 0,25 mm x 0,25 μm

(Restek GmbH)

Messmethodik

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4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

(x10,000,000)TIC

Estriol 3 TMS

17α-Estradiol 2 TMS 17ß-Estradiol 2 TMS

17α-Ethinylestradiol 2 TMS

Estron 2 TMS

Bisphenol A 2 TMS

Bisphenol A d16 2 TMS

Derivatisierung

Derivatisierungsmittel:50 µL 99% BSTFA + 1% TMCS50 µL PyridinTemperatur: 70 °CDauer: 30 min

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7.75e6Q 342.20>257.20

8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.00.00

%

100.00

4.18e6Q 416.30>285.20

8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.80.00

%

100.00

1.78e6Q 425.20>193.10

9.00 9.25 9.50 9.75 10.00 10.25 10.50 10.750.00

%

100.00

Dotiertes Rheinwasser+ 1 ng/L

E1

E2

EE2

Methodenvalidierung

SubstanzWDF

%rel.SD

%17α-Estradiol 97 14

Estron 41 317β-Estradiol 76 17

17α-Ethinylestradiol

80 16

Estriol 104 26

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2.84e6Q 416.30>285.20

8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.80.00

%

100.00

6.34e6Q 342.20>257.20

8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.00.00

%

100.00

1.28e6Q 425.20>193.10

9.00 9.25 9.50 9.75 10.00 10.25 10.50 10.750.00

%

100.00

Dotierter Kläranlagenablauf+ 1 ng/L

E1

E2

EE2

Methodenvalidierung

SubstanzWDF

%rel.SD

%17α-Estradiol 99 7

Estron 58 2017β-Estradiol 91 12

17α-Ethinylestradiol

84 8

Estriol 124 8

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Proben - Oberflächengewässer

2.95e4Q 425.20>193.10

9.75 10.00 10.25 10.50 10.75 11.00 11.25 11.500.00

%

100.00

7.39e4Q 416.30>285.20

9.00 9.25 9.50 9.75 10.00 10.25 10.500.00

%

100.00 E2

EE2

9.01e5Q 342.20>257.20

8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00 10.25 10.500.00

%

100.00 E1Tagesaktuelle BG: 0.05 ng/L!E1 = < 0.05 ng/LE2 = < 0.05 ng/LEE2 = < 0.05 ng/L

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Vergleich zur Literatur

NWG Rhein

NWGKA

BG Rhein

BG KA

0.05 0.1 0.1 0.5

0.05 0.1 0.1 0.5

0.05 0.1 0.1 0.5

NWG Standard

NWGGewässer

E1 0,02 0,1

E2 0,13 0,09

EE2 0,03 0,07

NWG Leitungswasser

0,29

1,37

0,73

Tavazzi et al. (2016)LC-MS/MS Methode

Cesen et al. (2017)GC-MS/MS Methode

Eigene Methode GC-MS/MS (IUTA)

Werte alle in ng/L

• Methoden noch nicht im Bereich der geforderten NWG der Wasserrahmenrichtlinie!

• Methode jedoch gut im Vergleich zu aktuell publizierten Methoden (auch zur LC-MS/MS)

Poster 2 (Tamara Sumalowitsch)

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Ausblick / Verbesserungsmöglichkeiten

• Large Volume Injection– Durch starke Verschmutzung der Liner ist ein

häufiger / automatischer Wechsler notwendig

– Automatischer Linerwechsel ist bereits etabliert• Pestizid Analytik

(QuEChERS-Methode für Obst/Gemüse)

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Ausblick / Verbesserungsmöglichkeiten

• Probenaufarbeitung– Größere Volumina bis zu 10 L anreichern

– Weitere Extraktreinigung• Molecularly imprinted polymers (MIPs)

• Verbesserte Chromatographie zur Matrixabtrennung

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Untersuchung niederschlagsbedingter Einträge

• Ableitung durch versiegelte Böden häufig nicht möglich

• Einleitung von ungeklärtem Regenwasser

• Absetzen von Schadstoffen in Sedimenten

Ziele:

• Entwicklung einer GC-MS/MS Screeningmethode

• Untersuchungen zum Einfluss von Regenrückhaltebecken auf den chemischen und ökologischen Zustand eines renaturierten Baches

Sediment-Analytik

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Methodenentwicklung

ProbenahmeExtraktion

MRM-Auswahl, GC-und MS-Optimierung

t

IProdukt-Ionen-

Scan99>81

191>75

191>155

TDCPP (Tris(1,3-dichlorisopropyl) phosphat)

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Methodenentwicklung

Lösemittel

Extrakt: Einengen und Lösungsmittelwechsel

Injektion: 1 µL (Toluol)

Aceton:Hexan(1:1)

Sediment(gefriergetrocknet, < 2 mm)

Extraktionszellemit 5 g Sediment

Extraktionsmethode:Beschleunigte Lösemittelextraktion (ASE)Extraktionsmethode (80°C, 150 bar, 10 min)

Wiederfindung:80 - 120% für alle

112 Analyten!

Restek RXi®-5Sil-MS30 m x 0,25 mm x 0,25 μm

Shimadzu TQ 8040

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Matrixeffekte

• Erstellung einer matrixangepassten Kalibration (schwarz)

• Darstellen im Vergleich zur Standardkalibration (rot)

y = 481,54x + 21308R² = 1

y = 255,52x - 1951,1R² = 0,9977

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 200 400 600 800 1000 1200

Pe

akflä

che

Konzentration (µg/l)

4-tert-Octylphenol (Industriechem.)

y = 70,468x + 2942,8R² = 1

y = 42,133x - 107,67R² = 0,9991

0

20000

40000

60000

80000

0 200 400 600 800 1000 1200

Pe

akflä

che

Konzentration (µg/l)

Hexachlorbenzol (Biozid)

y = 125,23x + 880,78R² = 1

y = 83,465x - 404,89R² = 0,9936

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

0 200 400 600 800 1000 1200

Pe

akflä

che

Konzentration (µg/l)

1,2,3-Trichlorbenzol (Pestizid)

y = 64,299x + 2369R² = 1

y = 38,626x - 320,53R² = 0,9996

0

20000

40000

60000

80000

0 250 500 750 1000

Pe

akflä

che

Konzentration (µg/L)

TDCPP (Flammschutzmittel)

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Proben des Dorneburger Bachs

Sediment

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Ergebnisse: Industriechemikalien und Pestizide

0

10

20

30

40

50

60

REF RRB1 RRB2 ES1 ES5 ES10 ES20 ES50 ES100

c [µ

g/k

g]

4-tert-Octylphenol Hexachlorbenzol Terbutryn

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Ergebnisse: PAKs

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

REF RRB1 RRB2 ES1 ES5 ES10 ES20 ES50 ES100

c [µ

g/k

g]

Naphthalin Acenaphthylen Acenaphthen Fluoren Anthracen

• Belastung an der Referenzstelle am höchsten• kein Einfluss durch die niederschlagsbedingte Einleitung Altlasten?!

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Ergebnisse der Sedimentanalysen - Altlasten

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MedianMittelwert

Einsatz der Screeningmethode

• Quantifizierung: 37 von 112 Substanzen

• Konzentrationsabschätzungen mittels molaren Reponsefaktoren für 75 Stoffe

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Beispielergebnisse der Konzentrationsabschätzung

0

50

100

150

200

250

REF RRB1 RRB2 ES1 ES5 ES10 ES20 ES50 ES100

Ko

nze

ntr

ati

on

(µ

g/k

g)

PCB 156

PCB 157

PBDE 47

PCB 52

Einfluss der niederschlagsbedingten Einleitung erkennbar

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• Erhöhte organische Belastung in Sedimenten durch niederschlagsbedingte Einleitung

• PAK- Belastung ist nicht einleitungsbedingt Altlasten

• Teils persistente, krebsregende und wassergefährdende Substanzen gefunden Wasserrahmenrichtlinie

• TCPP• PCB• PBDE• Hexachlorbenzol, 4-ter-Octylphenol, Terbutryn

Hormonell aktiv! parallele Untersuchungen zur GC-MS/MS mittels wirkungsbezogener Analytik (A-YES/A-YAS) in Bearbeitung

Zusammenfassung 29

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Fazit und Diskussion

GC-MS/MS in der Wasseranalytik • Quantifizierung und Screening • Anwendung von Multimethoden • Suspect-Screening • Non-Target Screening

o NIST Datenbank mit standardisierten EI-Spektren!

• Derivatisieren teilweise notwendig, aber automatisierbar!• Potential zur empfindlichen Hormonanalytik gegeben.

Verbesserung der Probenaufarbeitung und Injektion(LVI, automatischer Linerwechsel, …)

• Mikroextraktionstechniken einsetzen• Neue Kopplungstechniken!• Nicht alles muss mittels LC-MS/MS gemessen werden!

Institut für Energie-und Umwelttechnik e.V.

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!