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HPLC-MS/MS Perfluorierte Tenside schnell und sensitiv nachweisen

Autor / Redakteur: Norbert Helle und Meike Baden* / Marc Platthaus

Der Nachweis perfluorierter Tenside in wässrigen Matrices erfolgt gemäß international gültiger Standards (ISO) mittels HPLC-MS/MS nach Festphasenextraktion (SPE). Dass es besser und schneller geht als es die Norm verlangt, konnten Applikationsexperten jetzt zeigen.

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1 Das SPE-LC-MS/MS-System erlaubt den schnellen Nachweis von perfluorierten Tensiden. Bilder: Gerstel
1 Das SPE-LC-MS/MS-System erlaubt den schnellen Nachweis von perfluorierten Tensiden. Bilder: Gerstel
( Archiv: Vogel Business Media )

Wir braten unser Fleisch in Pfannen, die kein Anbrennen kennen und schlüpfen in Jacken, die nicht einen Regentropfen ins Gewebe sickern lassen. Erst die Chemie ermöglicht uns diese Vorteile, die uns auf Dauer allerdings auch teuer zu stehen kommen könnten. Denn oft wird erst zu spät erkannt, dass im Labor oder in großtechnischen Anlagen hergestellte Chemiewerkstoffe weder gesund noch umweltverträglich sind.

Die rein synthetisch hergestellten perfluorierten Tenside (PFTs) beispielsweise entstehen im Verlauf einer chemischen Reaktion, bei der die Wasserstoffatome, in erster Linie von Karbon- und Sulfonsäuren, mit einer Kettenlänge von vier bis zehn Kohlenstoffatomen durch Fluoratome substituiert werden. PFTs lassen sich in zwei Stoffgruppen unterteilen: in die perfluorierten Alkylsulfonate (PFAS) mit dem Perfluoroctansulfonat (PFOS) als bekanntesten Vertreter, und in die perfluorierten Karbonsäuren (PFCA), deren namhaftester Repräsentant die Perfluoroctansäure (PFOA) ist.

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Eigenschaftsprofil der Tenside

Während die Kohlenstoffkette der PFTs hydrophob ist, weist die jeweilige Kopfgruppe hydrophile Eigenschaften auf. Der amphiphile Charakter erklärt die Verwendung dieser Verbindungsklasse als Tensid. Im Gegensatz zu den klassischen Tensiden besitzt die Kohlenstoffkette der PFTs jedoch noch einen lipophoben Charakter. Sie weist nicht nur Wasser ab, sondern auch Öle, Fette und Schmutz. Aus diesem Grund haben PFTs als Additive insbesondere in der Textil- und Papierindustrie schnell an Bedeutung gewonnen. Dort werden sie eingesetzt, um Oberflächen zu modifizieren oder zu veredeln. Ihr Einsatzspektrum reicht jedoch noch sehr viel weiter. Grund ist die polare Kohlenstoff-Fluor-Bindung, die zu den stabilsten Bindungen in der organischen Chemie zählt: PFTs sind thermisch und chemisch extrem stabil. Sie kommen zum Einsatz in der Galvanik, als Emulgator bei der Herstellung von Fluorpolymeren (Teflon) oder als Additiv bei Feuerlösch-, Schutz-, Schmier- und Imprägniermitteln.

Licht und Schatten

Die Eigenschaften, die PFTs auszeichnen, haften ihnen gleichzeitig als Makel an. „PFOA und PFOS sind toxikologisch teilbewertbare Stoffe; die Datenlage hinsichtlich weiterer PFTs ist dagegen sehr unvollständig. Primär bzw. stark gentoxische Wirkungen, etwa durch reaktive Metaboliten, sind allerdings unwahrscheinlich“, heißt es in der Stellungnahme der Trinkwasserkommission des Bundesministeriums für Gesundheit (BMG) beim Umweltbundesamt. Demnach sind PFTs aus heutiger Sicht begrenzt giftig, die langfristigen Folgen lassen sich jedoch noch nicht eindeutig beurteilen. PFTs werden auch mit der Entstehung von Krebserkrankungen in Verbindung gebracht.

Strukturformel PFOS und PFOA

Wie die Mitglieder der persistenten organischen Schadstoffe (POPs), sind PFTs ubiquitär. Über Industrieabfälle und -abwässer gelangen sie in die Umwelt und breiten sich rund um den Globus aus. Sie finden sich in Oberflächen-, Fließ- und Grundwässern und reichern sich in der Nahrungskette an. Auch in der Leber freilebender Eisbären hat man sie nachgewiesen, ebenso im Humanblut. Im Gegensatz zu POPs unterliegen PFTs keiner photolytischen, hydrolytischen, oxidativen oder reduktiven Transformation. Sie sind beständig gegenüber UV-Strahlen und Verwitterung und werden weder aerob noch anaerob abgebaut.

Beschränkt auf bestimmte Industriezweige ist der Einsatz von PFTs nach wie vor zulässig. Die Einhaltung empfohlener Grenzwerte sorgt dafür, Gesundheitsrisiken zu minimieren. Die Trinkwasserkommission gibt als Richtgröße 1 µg/L an. Die Einhaltung dieses Wertes zu überwachen, erfordert eine leistungsstarke Analysentechnik. Sie sollte es ermöglichen, Rückstandsbelastungen auch in geringen Konzentrationen in unterschiedlich und teilweise komplexen Umweltproben wie matrixlastigen Abwässern oder Klärschlamm sicher, sensitiv und reproduzierbar aber auch einfach und schnell zu bestimmen.

Probenvorbereitung

Ausgehend von der gültigen ISO-Norm (ISO/DIS 25101), wurde versucht, die gängige HPLC-MS/MS-Methode zum Nachweis von PFTs aus Wasser und Klärschlamm nach vorheriger Festphasenextraktion (SPE) auf die Bestimmung von weiteren gebräuchlichen PFTs auszudehnen und zu optimieren. Ziel war es ferner, die notwendige Probenvorbereitung zu vereinfachen und zu automatisieren, um auf die aufwändigen manuellen Arbeitsschritte der SPE verzichten zu können.

Eine automatisierte Probenvorbereitung erlaubt reproduzierbare Messergebnisse, höheren Probendurchsatz und größere Flexibilität des Laborpersonals. Um den individuellen Erfordernissen gerecht zu werden, hat Gerstel darauf Wert gelegt, die automatisierte SPE wahlweise unabhängig von der oder direkt gekoppelt an die LC-MS/MS-Analyse durchführen zu können.

(ID:302804)