Die leistungsstarke LC-MS/MS-Methode kann sowohl zur Identifizierung und Quantifizierung (Targeted Analysis) bekannter PFAS als auch für das Non-Targeted-Screening unbekannter PFAS eingesetzt werden. Die verwendete YMC-«Triart C18»-HPLC-Säule überzeugt mit einer ausgezeichneten Isomerentrennung und hoher Robustheit selbst bei komplexen Probenmatrices.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind eine grosse und heterogene Gruppe synthetischer Chemikalien mit einzigartigen und nützlichen Eigenschaften. Sie sind stabil bei starker Hitze und viele sind oberflächenaktiv sowie wasser- und/oder fettabweisend. Daher finden PFAS Anwendung in vielen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Elektronik, Bau- und Haushaltsprodukte, Lebensmittelverarbeitung, Textilien, Brandbekämpfung und in medizinischen Produkten.
Doch genau diese Stabilität macht PFAS auch problematisch. Sie werden in der Umwelt kaum abgebaut, reichern sich in Wasser, Boden, Luft sowie in tierischen und menschlichen Organismen an. PFAS stehen zunehmend im Fokus von Forschung und Regulierungsbehörden, da sie mit potenziell gesundheitlichen Risiken wie hormonellen Störungen, Immuntoxizität und einer erhöhten Krebsgefahr in Verbindung gebracht werden. Da sie sich zu immer höheren Konzentrationen anreichern, wird die schädliche Auswirkung noch verstärkt. Deshalb wurden in den letzten Jahrzehnten bereits einige meist langkettige PFAS durch andere PFAS aber auch durch fluorfreie Alternativen ersetzt.
Im Stockholmer Übereinkommen, auch POP-Konvention genannt (Persistent Organic Pollutants), wurden über die Jahre einige PFAS in der EU reguliert bzw. verboten. Beispielsweise wurden 2009 Perfluoroctansulfonsäure und dessen Derivate (PFOS) aufgenommen. Neben Perfluoroctansäure (PFOA) und dessen Salzen wurde zuletzt Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) im Jahr 2022 verboten. Derzeit wird überlegt, langkettige Perfluoralkylcarbonsäuren (PFCAs C9-C21) ebenfalls in die POP-Konvention aufzunehmen. Die europäische Trinkwasserrichtlinie beschränkt seit Januar 2021 die Gesamtkonzentration von PFAS auf 0,5 mg/l, während die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) eine tolerierbare wöchentliche Aufnahme von 4,4 ng/kg Körpergewicht von PFOA, PFOS, PFNA (Perfluornonansäure) und PFHxS angibt. Laut EFSA sind die Hauptverursacher für PFAS-Exposition Fisch, Obst und Eier sowie deren verarbeitete Produkte.
Empfindliche, robuste Analytik gefragt
Angesichts der Vielzahl (über 10 000) potenziell relevanter PFAS-Verbindungen und der zunehmenden Bedeutung komplexer Matrices wie Lebensmittel oder Umweltproben sind analytische Methoden gefragt, die sowohl empfindlich als auch robust sind. Kontroll- und Blankproben sind in der PFAS-Analytik essenziell, da es leicht zu Kontaminationen kommen kann. Insbesondere für Non-Targeted-Analysen wächst der Bedarf an leistungsfähigen LC-MS-basierten Verfahren.
Der Goldstandard für die quantitative Bestimmung von PFAS ist die Flüssigchromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS), da diese Methoden mit Nachweisgrenzen im ng/l-Bereich sehr empfindlich sind und trotzdem die nötige Robustheit gegenüber komplexen Matrices aufweisen. Es bestehen bereits internationale Standardmethoden wie z.B. die EPA-Methode 537.1 für Trinkwasser. Aktuell wird vor allem an Non-Targeted-Screenings mit hochauflösender Massenspektrometrie (HRMS) geforscht, um unbekannte PFAS aufzuspüren [1].
Details der LC-MS/MS-Methode
Standards und Bodenprobenextrakt wurden mit einer YMC-«Triart C18»-Säule (3 µm, 100 x 2,1 mm ID) analysiert. Als Eluenten wurden Wasser und Methanol im Verhältnis (A) 95/5 und (B) 5/95 jeweils mit einem Zusatz von 2 mM Ammoniumacetat verwendet. Die Trennung erfolgte bei einem konstanten Fluss von 0,3 ml/min und einer Steigung von 15 bis 70 Prozent B (0-2 min) mit einem darauffolgenden Anstieg auf 90 Prozent B in 3 min. Anschliessend wurde der Anteil an (B) auf 100 Prozent in weiteren 5 min erhöht. Nach einer 5-minütigen Spülung bei 100 Prozent B wurde das System etwa 7 min auf das Initialverhältnis zurückgespült. Die Säulentemperatur betrug 40 °C und es wurden jeweils 2 µl Probe injiziert. Die MS/MS-Detektion erfolgte im Negativmodus [2].
Analyse von PFAS-Standards
Elf PFAS-Standards, darunter vier Perfluoralkylsulfonsäuren (PFSAs) und sieben Perfluoralkylcarbonsäuren (PFCAs), wurden in Konzentrationen von 5–100 ng/ml analysiert (Auflistung der Standards in [2]). Die Standards konnten mit der YMC-Triart-Säule hinreichend getrennt werden. Besonders hervorzuheben ist die teilweise Trennung der PFOS- und PFHxS-Isomere innerhalb von 10 s, was die Analyse der Fragmentierungsmuster zur Strukturbestimmung erleichtert. Bei den PFCAs wurden erwartungsgemäss höhere Peak-Intensitäten bei längeren Kohlenstoffketten beobachtet (Abb. 1). Darüber hinaus zeigten Ionen mit CO₂-Verlust bemerkenswert höhere Intensitäten als die primären Molekülionen [2].
Non-Targeted Screening einer Bodenprobe
Zur Bewertung der Methode in komplexen Matrices wurde eine kontaminierte Bodenprobe analysiert (Brilon-Scharfenberg, Deutschland; aus der wissenschaftlichen Publikation von Zweigle et al. [3]). Die Total-Ionen-Chromatogramme (TICs) aus dreifachen Messungen (Abb. 2) zeigten trotz der hohen Matrixkomplexität konsistente Profile. Eine Auflistung der vorab identifizierten PFAS-Cluster sind in Quelle 2 zu finden.
Die YMC-Triart C18-Säule ermöglichte eine effektive Trennung der PFAS-Gruppen wie F(CF2)nSO3 (Abb. 3), einschliesslich einer verbesserten teilweisen Auflösung von Isomeren im Vergleich zu Zweigle et al. [3]. So konnten beispielsweise die SF₅(CF₂)₉SO₃-Isomere getrennt werden, was die Aufnahme unterschiedlicher Fragmentierungsspektren ermöglicht. Die Spektren bei 575 s und 600 s (siehe [2]) zeigten Unterschiede in den Fragmentierungsmustern und wiesen damit auf strukturelle Variationen hin. Grössere Fragmente bei längerer Retentionszeit deuten auf ein ausschliesslich lineares Isomer hin. Im Gegensatz dazu deuten kürzere Retentionszeit und kleinere Fragmente auf ein verzweigtes Isomer oder eine anders positionierte SF₅-Gruppe hin.
Fazit
Die hier vorgestellte LC-MS/MS-Methode auf Basis der YMC-Triart C18-Säule zeigt sich als verlässliches Werkzeug für die PFAS-Analytik – sowohl im Targeted als auch im Non-Targeted Ansatz. Besonders hervorzuheben sind:
- effiziente Trennung regulierter PFAS-Standards mit linearer Quantifizierbarkeit
- reproduzierbare Ergebnisse in komplexen Matrices wie Bodenextrakten
- verbesserte Isomerentrennung, die tiefere strukturelle Einblicke durch differenzierte Fragmentierungsmuster erlaubt
Diese Merkmale machen die Methode zu einer geeigneten Basis für die PFAS-Überwachung im Rahmen regulatorischer Anforderungen – und bieten gleichzeitig einen vielversprechenden Ansatz für die weiterführende Forschung an bisher unbekannten PFAS. Die Kombination aus leistungsstarker Analytik und Robustheit eröffnet neue Möglichkeiten für Labore, die ihre PFAS-Analytik zukunftssicher gestalten möchten.
Literatur
[1] https://echa.europa.eu/de/hot-topics/perfluoroalkyl-chemicals-pfas
[2] YMC Europe GmbH, Technical Note, Highly sensitive targeted and non-targeted HPLC-MS analysis of PFAS
[3] Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 6647−6655
