Persistente Verbindungen Quantifizierung von Röntgenkontrastmitteln und Süßstoffen im Rhein

Autor / Redakteur: Waldemar Ens* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Da die Umweltkonzentrationen persistenter Verbindungen generell steigen, ist es wichtig, das Vorkommen und Verhalten dieser Verunreinigungen in der aquatischen Umwelt und vor allem im Prozess der Trinkwasseraufbereitung, zu überwachen. Lesen Sie, warum der Anreicherungsschritt für die optimale Analyse enorm wichtig ist.

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Abb.1: Süssstoffe wie Cyclamat und Sacharin und Röntgenkontrastmittel wie Amidotrizoesäure sind ins Visier der Wasserüberwachungsbehörden in Basel gerückt.
Abb.1: Süssstoffe wie Cyclamat und Sacharin und Röntgenkontrastmittel wie Amidotrizoesäure sind ins Visier der Wasserüberwachungsbehörden in Basel gerückt.
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In den letzten Jahren sind zwei Molekülklassen verstärkt in den Blickpunkt von Aufsichtsbehörden und Wasseraufbereitungsanlagen gerückt: iodierte Röntgenkontrastmittel (RKM, Röntgenkontrastmittel) und Süßstoffe (AS, artificial sweeteners). Diese Moleküle besitzen eine beabsichtigt hohe Stabilität und werden von organischen Stoffwechselprozessen nicht beeinflusst. Ein Süßstoff, der im Mund schnell zerfällt, wird nicht als sehr süß wahrgenommen. Ein RKM, das im Körper verstoffwechselt wird, unterstützt den Röntgenarzt nur wenig bei der Diagnose. Es leuchtet daher ein, wie solche Moleküle nach der Ausscheidung aus dem Körper und in das Abwassersystem zu persistenten organischen Schadstoffen (POP, persistent organic pollutants) werden. Die Stabilität und die Persistenz dieser Moleküle sind so hoch, dass sie von den meisten Maßnahmen zur Aufbereitung von Abwasser vor dessen Ableitung nicht beeinflusst werden.

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Vor dem Hintergrund der steigenden Konzentration dieser Moleküle im Abwasser hat das Wasserlabor der Industriellen Werke Basel (IWB) eine robuste, einfache Methode zur Konzentrationsanalyse dieser Moleküle im Rhein-, Grund- und Trinkwasser entwickelt. Eine Zusammenfassung wird hier präsentiert.

Hintergrundforschung

RKM sind gewöhnlich stark iodiert, um eine gute Absorption der Röntgenstrahlen und Widerstand gegen Ionisierung im Massenspektrometer (MS) zu gewährleisten. Süßstoffe sind gewöhnlich stark polar. Festphasenextraktion (SPE) kombiniert mit Flüssigkeitschromatographie, Elektrospray-Ionisation und Tandem-Massenspektroskopie sind die führenden Analysemethoden zur Bestimmung von RKM und AS. SPE-Methoden zeichnen sich jedoch durch eine schlechte Wiederfindung, einen hohen Zeitaufwand und hohe Kosten aus, insbesondere bei nacheinander geschalteten SPE-Säulen.

Im Rahmen dieser Studie sollte daher eine einfache, empfindliche und robuste Methode zur Quantifizierung von RKM und AS entwickelt werden, damit das Wasser aller Trinkwasser-Aufbereitungsphasen regelmäßig auf die Gegenwart dieser Verbindungen überwacht werden kann.

Die im Rahmen dieser Studie untersuchten Moleküle sind:

  • iodierte Röntgenkontrastmittel (Amidotrizoesäure, Iopamidol, Iopromid, Iomeprol, Iothalaminsäure, Ioxithalaminsäure, Iohexol) und
  • Süßstoffe (Acesulfam, Saccharin, Cyclamat).

Entwicklung der wasseranalytischen Methode

Im Rheinwasser finden sich viele organische Moleküle. Diese komplexe Matrix machte vor der Analyse einen Trennungsschritt erforderlich: Daher wurde die HPLC gekoppelt an ein AB Sciex 5500 Qtrap MS-System verwendet. Leider erwies sich die direkte Injektion ohne eine Vorkonzentrierung der Probe als nicht empfindlich genug, um nachweisbare Analytkonzentrationen zu erreichen. Aus diesem Grund mussten die Proben zunächst angereichert werden. Zur Erhöhung der Methoden­empfindlichkeit wurde daher ein Schritt zur zehnfachen Anreicherung mit einem Genevac EZ2-Plus-Zentrifugalvakuumverdampfer (s. Abb. 1) mit hervorragender Wiederfindung (90 ± 6 %) zur Probenvorbereitung gewählt. Viele Proben können in den EZ2-Plus-Verdampfer gleichzeitig geladen und automatisch mit einer vorprogrammierten Methode im Vakuum getrocknet werden. Eine Beaufsichtigung durch den Bediener ist dabei nicht notwendig. Da die untersuchten Analyte bei diesen Bedingungen nicht flüchtig sind, können sie vollständig getrocknet werden. Es wurde jeweils 10 ml Wasserprobe in ein Reagenzglas (15 ml, Pyrex) gefüllt und ein interner Standard hinzugegeben. Die Proben wurden dann über Nacht in einem Genevac EZ2-Plus-Verdampfer bei einer maximalen Temperatur von 54 °C verdampft.

Niederschläge wurden in 1 ml Eluent (Wasser, Ameisensäure und Ammoniumformiat) rekonstituiert. Nach zehn Minuten Ultraschall und zehn Minuten Schütteln wurden die Proben filtriert und dann einer LC-MS/MS-Analyse unterzogen.

Bei der Aufkonzentration im Vakuum kann ein Problem darin bestehen, dass alle Bestandteile der Matrix ebenso aufkonzentriert werden. Diese können dann die Ionisierung der Analyte im MS und damit die Ergebnisse stören. Es zeigte sich, dass ein interner Standard dieses Risiko senkt. Deuterierte Amidotrizoesäure- und Iopamidol-Referenzlösungen wurden zur Validierung der RKM-Analysen verwendet, deuterierte Acesulfam- und 13C6-markierte Saccharin-Referenzlösungen wurden für die Süßstoffanalyse eingesetzt. Die Verwendung von isotopmarkierten internen Standards erlaubte eine genaue Quantifizierung, da sich die Matrix in MS-Analysen nachweislich identisch auf Referenz und native Analyte auswirkt.

Ergebnisse

In den Arbeitsbereichen von 10 bis 500 ng/l RKM und 10 bis 1600 ng/l AS erwies sich eine 10-Punkt-Eichkurve als linear. Das Bestimmtheitsmaß lag bei allen Verbindungen über 0,999. Bei einem ursprünglichen Probenvolumen von 10 ml und einer zehnfachen Aufkonzentrierung im Verdampfer konnte für alle Verbindungen eine untere Bestimmungsgrenze (LOQ, lower limit of quantification) von unter 10 ng/l erreicht werden (s. Tab. 1).

Die Genauigkeit der Messung von zehn Replikatproben war hervorragend: Die Werte der relativen Standardabweichung (RSD) lagen zwischen 3 und 6 % für die unteren Arbeitsbereichsgrenzen und zwischen 1 und 3 % für die obere Arbeitsbereichsgrenzen. Die Wiederfindungsraten der Probenvorbereitung und Matrixeffekte wurden für alle drei Matrixtypen untersucht: Oberflächen-, Grund- und Trinkwasser. Wie in Abbildung 2 dargestellt wird, war die Wiederfindung der Probenvorbereitung bei allen Verbindungen hervorragend und lag bei 90 ± 4 %. Die mittlere RSD bei Injektion von Dreifachproben lag bei 2 %. Die Gesamtwiederfindungsrate wurde mithilfe von Eichproben ermittelt, die der gleichen Probenanreicherung unterworfen wurden. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse von internen Standards zur Berechnung der Wiederfindung berücksichtigt.

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Es wurden gute Ergebnisse erzielt (s. Abb. 2b). Die mittlere Wiederfindung von fünf unabhängigen Messserien lag zwischen 78 und 113 %. Insbesondere die Wiederfindung der drei wichtigsten Verbindungen, Amidotrizoesäure, Iopamidol und Acesulfam, lagen bei fast 100 % mit relativen Standardabweichungen ≤ 5 % in allen drei Matrizen.

Schlussfolgerung: Quantifizierung von iodierten Röntgenkontrastmitteln und Süßstoffen erfolgreich

Es konnte eine LC-MS/MS-Methode entwickelt werden, die die gleichzeitige Quantifizierung von sieben RKM und drei AS in Wasserproben erlaubt. Statt mit Festphasenextraktion wurden die Proben in einem einfachen Probenanreicherungsschritt in einem Zentrifugalvakuumverdampfer vorbereitet. Die erreichten LOQ-Werte lagen unter 10 ng/l. Die entwickelte Methode erlaubt einen größeren Probendurchsatz und ist einfacher in der Anwendung und weniger kostenintensiv als vergleichbare Methoden, die auf Anreicherung durch Festphasenextraktion beruhen. Der große lineare Arbeitsbereich, die hohe Empfindlichkeit und die Robustheit der Methode wurden validiert. Die Verwendung von vier isotopmarkierten internen Standards erlaubte eine Kompensation der Matrixeffekte und unterstützte die genaue Quantifizierung. Die Methode wurde bei Rhein-, Grund- und Trinkwasserproben erfolgreich angewendet. Sie wurde nach Abschluss der Entwicklungsphase mit internen Standards mit über zehn Replikatproben validiert: Demnach waren Probenvorbereitung und Analysemethode robust, wiederholbar und mit einer Standardabweichung von < 6 % übereinstimmend. Die Methode wurde in die Routineverfahren des Labors aufgenommen.

Literatur

[1] Development, validation, and application of a novel LC-MS/MS trace analysis method for the simultaneous quantification of seven iodinated X-ray contrast media and three artificial sweeteners in surface, ground, and drinking water. Waldemar Ens, Frank Senner, Benjamin Gygax & Götz Schlotterbeck. Analytical and Bioanalytical Chemistry. May 2014, Volume 406, Issue 12, pp 2789-2798.

* W. Ens: Industrielle Werke Basel (IWB) Wasserlabor, 4002 Basel/Schweiz

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