Entwicklung eines flexiblen und modernen Screenings zur Gewässerüberwachung mittels LC-HRMS

Zum Schutz der Gewässer überwacht das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz (LANUV) an über 2000 Messstellen Gewässerproben auf eine Vielzahl anorganischer und organischer Stoffe. Darunter befinden sich viele organische Spurenstoffe, wie z. B. Pflanzenschutzmittel, Biozide, Arzneistoffe und Süßstoffe, die mittels klassischer Target-LC-MS/MS-Verfahren analysiert werden. In dieser Arbeit wurde ein flexibles und modernes Screeningverfahren mittels LC-HRMS entwickelt, welches in der Lage ist, nicht nur bekannte Stoffe, sondern auch bisher unbekannte Verbindungen zu identifizieren.
Dazu wurden im ersten Schritt wichtige Blindwertuntersuchungen durchgeführt. Diese sind gerade bei hochauflösenden Systemen essentiell, da durch den nicht selektierenden Screening-Ansatz alle Verunreinigungen von Chemikalien und Materialien ein Signal ergeben können. Es wurden verschiedene Eluenten, Pipetten, Vials und analytische Säulen getestet. Ein überraschendes Ergebnis war, dass obwohl ausschließlich hochreine Vials für die Untersuchungen ausgewählt wurden, sich die Reinheiten der unterschiedlichen Vials stark voneinander unterschieden und nur durch Erhitzen der Vials bei 400 °C eine gleichbleibende Qualität erreicht werden konnte. Auch die teils großen Unterschiede hinsichtlich der Reinheit der analytischen Säulen haben überrascht, so waren manche Säulen schon aufgrund ihres Blindwertes nicht für die Kopplung mit einem hochauflösenden Massenspektrometer geeignet. Anschließend wurde der Gradient anhand einer Auswahl von internen Standards (ISTDs) optimiert. Außerdem wurden Untersuchungen zur optimalen Probenvorbehandlung und Verschleppungstests durchgeführt. Die Auswertungen dieser Tests zeigten, dass es bei realen Gewässerproben zwingend notwendig ist, die Proben mit einer Kombination aus Puffer und Säure auf einen einheitlichen pH-Wert einzustellen, um gute Peakformen und stabile Retentionszeiten zu erhalten. Die Verschleppungstests zeigten, dass es zu keiner Verschleppung von einer in die andere Probe durch den Autosampler kam.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das entwickelte Konzept, bestehend aus Target Screening, Suspected Target Screening und Non Target Screening auf Realproben angewandt. Für das Target Screening wurde ein vereinfachtes Quantifizierungskonzept mit einem Kalibrierpunkt von 0,1 µg/L (allgemeiner Vorsorgewert) und dem Nullpunkt entwickelt. Ein Vergleich von 211 Analyten über drei Matrices (Oberflächenwasser, Grundwasser und gereinigtes Abwasser), die mit dem klassischen Quantifizierungskonzept über eine Mehrpunktkalibrierung und dem vereinfachten Quantifizierungskonzept ausgewertet wurden, ergab eine mittlere Abweichung von 20,27 %. Es konnte bei den mittleren Abweichungen der verschiedenen Matrices (Oberflächenwasser 22,64 %, Grundwasser 20,02% und gereinigtes Abwasser 18,14 %) kein signifikanter Unterschied festgestellt werden, somit konnten Matrixeffekte ausgeschlossen werden. Zusätzlich wurde das vereinfachte Quantifizierungskonzept auf Ringversuche angewendet, dort waren die Ergebnisse beider Quantifizierungskonzepte vergleichbar und die Abweichungen deutlich geringer. Somit liefert das vereinfachte Quantifizierungskonzept vergleichbare Ergebnisse wie das klassische Verfahren.
Zusätzlich zu diesen quantitativen Ergebnissen ermöglich das Suspected Target Screening qualitative Aussagen zum Vorkommen weiterer Stoffe in einer Gewässerprobe. Die in der Arbeit entwickelten Gewässersteckbriefe enthalten qualitative Informationen zum Vorkommen und zur Häufigkeit von z. B. organischen Spurenstoffen, die bisher in keinem Routine-Verfahren abgebildet sind. Durch den Vergleich verschiedener Oberflächengewässer miteinander ist es möglich, Substanzen zu identifizieren, die ubiquitär verbreitet sind oder nur gewässerspezifisch auftreten. Mit diesem Verfahren werden weitaus mehr Informationen erhalten als bei reinen Target-Analysen. Auch zeigt das Konzept des Suspected Target Screening sehr gute Ergebnisse bei der Analyse von Sonderproben, bei denen oft nicht klar ist, welche Target Analysenmethode am besten zur Fragestellung passt.
Durch den Ansatz des Non Target Screening war es im Rahmen der Arbeit z. B. möglich, zwei bisher nicht im Grundwasser bekannte Verbindungen zu identifizieren. Bei den Stoffen handelte es sich um Perfluoropentanesulfonic acid (PFPS) und Perfluoropropansulfonic acid (PFPrS) mit einer maximalen Konzentration von 2,09 µg/L für PFPS und 1,51 µg/L für PFPrS. Dieses Ergebnis zeigt eindeutig, dass große Potential des Non Target Screening.

The State Agency for Nature, Environment and Consumer Protection (LANUV) monitors a large number of inorganic and organic substances in water samples at over 2000 measuring points for water protection. Among them are many organic trace substances, such as herbicides, biocides, drugs and sweeteners, which are analyzed using classic target LC-MS/MS methods. In this work, a flexible and modern screening method using LC-HRMS was developed, which is able to identify not only known substances but also previously unknown compounds.
For this purpose in the first step, blank value studies were performed. These are essential, especially for high-resolution systems, because the non-selective screening approach can result in a signal for each possible contaminants from chemicals and materials. Therefore different materials like eluents, pipettes, vials and analytical columns were tested. A surprising result was that although only high-purity vials were selected for the analysis, the purity of the different vials differed from one another, and a constant quality could only be achieved by heating the vials at 400 ° C. Additionally the large differences in the purity of the analytical columns were surprising, too. Some columns were not suitable for coupling to a high-resolution mass spectrometer due to their blank value. Subsequent the gradient was optimized based on a selection of internal standards (ISTDs). In addition, investigations on the optimal sample pretreatment and carry-over test were carried out. The evaluations of these tests showed that the addition of a combination of buffer and acid to adjust the pH value is necessary to obtain good peak shapes and stable retention times in real water samples. The carry-over tests showed that there was no carry-over from one sample to the other by the autosampler.
In the second part of the thesis, the developed concept consisting of target screening, suspected target screening and non target screening was applied to real samples. A simplified quantification concept with a calibration point of 0.1 µg/L (general precautionary value) and zero was established for the target screening. A comparison of 211 analytes ocer three matrices (surface water, groundwater and cleaned wastewater), which were evaluated with the classical quantification concept using a multi-point calibration and the simplified quantification concept, showed a mean deviation of 20.27 %. No significant difference could be found in the mean deviations of the different matrices (surface water 22.64 %, groundwater 20.02 % and cleaned wastewater 18.14 %), thus matrix effects could be excluded. In addition, the simplified quantification concept was applied to round robin tests, where the results of both quantification concepts were comparable and the deviations were significantly smaller. Thus, the simplified quantification concept provides comparable results to the classical method.
Additionally to the quantitative results, the suspected target screening enables qualitative results on the occurrence of further substances in water samples. The Gewässersteckbriefe developed in this work, contain qualitative information on the occurrence and frequency of e.g. organic trace substances, which have not yet been analysed in a LANUV routine method so far. By comparing different surface waters with each other, it is possible to identify substances that are ubiquitously distributed or occur only in specific water bodies. In contrast to common target analyses it is possible to get more information about a water bodies. The concept of suspected target screening also shows very good results analyzing special samples, where it is often not clear which target analysis method suits the best for the given analytical question.
Due to the approach of non target screening, it was possible to identify two compounds, which were not known in groundwater so far. The substances were perfluoropentanesulfonic acid (PFPS) and perfluoropropanesulfonic acid (PFPrS) with a maximum concentration of 2.09 µg/L for PFPS and 1.51 µg/L for PFPrS. This result clearly shows the great potential of non target screening.

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Brüggen, S., 2021. Entwicklung eines flexiblen und modernen Screenings zur Gewässerüberwachung mittels LC-HRMS. https://doi.org/10.17185/duepublico/74170
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