Zweckverband Landeswasserversorgung

7. LC-MS/MS Symposium

Berlin, 14.03.2017

Die Bedeutung der LC-HRMS

bei der Sicherung der Trinkwasserqualität

Wolfgang Schulz, Tobias Bader, Thomas Lucke und Rudi Winzenbacher

Zweckverband Landeswasserversorgung

schulz.w@lw-online.de

Zweckverband Landeswasserversorgung

Trinkwasserverordnung

Möglichkeiten der LC-HRMS Quantifizieren/Identifizierung Zeitreihenanalyse Prozessbeschreibung

Ausblick

Gliederung

Zweckverband Landeswasserversorgung

Grundwasser Donau

Prozess

Trink-

wasser

• Industrie

• Haushalte

• Klinik

• …

• Landwirtschaft

• …

Zweckverband Landeswasserversorgung

Monitoring?

• 100.000 gewässerrelevante

Chemikalien

• x unbekannte

Transformationsprodukte

Trinkwasser

• Ozonung

• Aktivkohle Filtration

• UV Desinfektion

• Chlorung / Chlordioxid

• Target-Analytik

vs.

• Non-Target-Analytik

Grundwasser Donau

Zweckverband Landeswasserversorgung

Zweckverband Landeswasserversorgung

GC-MS (z.T. Derivatisierung) GC-MS/MS GC-TOF

HPLC-MS/MS, HPLC- HRMS

GC-FID / PND / ECD (z.T. Derivatisierung)

HPLC-UV / DAD

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

PAK

LHKW

Dioxine / Furane,

Pestizide

Summenparameter (DOC, AOX, SAK254)

Arzneimittel, Röntgenkontrastmittel

Metaboliten

Desphenyl-chloridazon, DMS

TrinkwV 1975

Grenzwert für Pestizide 0,1 µg/L

1986 1990 2001 2011

Transformationsprodukte

Summenparameter

Kaliumpermanganatverbrauch

Zweckverband Landeswasserversorgung

GC-MS (z.T. Derivatisierung) GC-MS/MS GC-TOF

HPLC-MS/MS, HPLC- HRMS

GC-FID / PND / ECD (z.T. Derivatisierung)

HPLC-UV / DAD

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

PAK

LHKW

Dioxine / Furane,

Pestizide

Summenparameter (DOC, AOX, SAK254)

Arzneimittel, Röntgenkontrastmittel

Metaboliten

Desphenyl-chloridazon, DMS

TrinkwV 1975

Grenzwert für Pestizide 0,1 µg/L Initiiert Fortschritt Analytik

1986 1990 2001 2011

Transformationsprodukte

Summenparameter

Kaliumpermanganatverbrauch

Initiiert

Grenzwerte

GOW

Zweckverband Landeswasserversorgung

Bewertung teil- oder nicht bewertbarer Stoffe

im Trinkwasser oberhalb des Vorsorge-GOW1

Auszug der GOW Liste

Zweckverband Landeswasserversorgung

Monitoring?

• 100.000 gewässerrelevante

Chemikalien

• x unbekannte

Transformationsprodukte

Trinkwasser

• Ozonung

• Aktivkohle Filtration

• UV Desinfektion

• Chlorung / Chlordioxid

• HPLC-MS/MS

vs.

• HPLC-HRMS

Grundwasser Donau

Zweckverband Landeswasserversorgung

OHO

NN

NN

Ko

nze

ntr

atio

n [ng/L

]

Injektionsvolumen: 100 µL

Konzentration von Valsartansäure

in der Donau bei Leipheim (Qtrap 6500)

Zweckverband Landeswasserversorgung

6 ng/L

2 ng/L

7 ng/L

Injektionsvolumen: 100 µL

gegen Depressionen

Ko

nze

ntr

atio

n [ng/L

] Konzentration von O-Desmethyl-venlafaxine

in der Donau bei Leipheim (Qtrap 6500)

Zweckverband Landeswasserversorgung

Der Baldeneysee (7,6 Mio m³) ist der größte der sechs Ruhrstauseen. Er liegt

im Süden der Stadt Essen zwischen den Stadtteilen Werden, Bredeney, Heisingen, Kupferdreh

und Fischlaken. Betreiber der Stauanlage Baldeneysee ist der Ruhrverband. Quelle Wikipedia

1 Nanogramm pro Liter

(1 ng/L = 10-9 g/L)

Zweckverband Landeswasserversorgung

QTOF

Ionenquelle

Massen-

analysator

TOF

Hochauflösende Massenspektrometrie (HRMS)

Zweckverband Landeswasserversorgung

QTOF 5600

TOF-MS

10 ng/L

[M+H]+ : 172.1332 u

QTOF 5600

TOF-MS/MSHR Enhanced

10 ng/L

[M+H]+ 172.1 - 95.0848 u

Direktinjektion 100 µL

300

350

Quantifizierung von Gabapentin mittels HPLC-HRMS

N

O

O

Antiepileptika

Zweckverband Landeswasserversorgung

0

50

100

150

200

250

300

23

.03

.20

14

24

.03

.20

14

25

.03

.20

14

26

.03

.20

14

27

.03

.20

14

28

.03

.20

14

29

.03

.20

14

30

.03

.20

14

31

.03

.20

14

01

.04

.20

14

02

.04

.20

14

03

.04

.20

14

04

.04

.20

14

05

.04

.20

14

06

.04

.20

14

07

.04

.20

14

08

.04

.20

14

09

.04

.20

14

10

.04

.20

14

11

.04

.20

14

12

.04

.20

14

13

.04

.20

14

14

.04

.20

14

15

.04

.20

14

16

.04

.20

14

17

.04

.20

14

18

.04

.20

14

19

.04

.20

14

20

.04

.20

14

21

.04

.20

14

22

.04

.20

14

23

.04

.20

14

Ko

nze

ntr

ati

on

[n

g/L

]

24 h-Sammelproben

Gabapentin_Donau

Gabapentin-Lactam_Donau

Pregabalin_Donau

Gabapentin_Reinwasser

Gabapentin-Lactam_Reinwasser

Pregabalin_Reinwasser

BG 25 ng/L

N

O

O

N

O

Gabapentin

Gabapentin-Lactam

Konzentration von Gabapentin und Gabapentin-Lactam

in der Donau bei Leipheim (QTOF 5600)

Zweckverband Landeswasserversorgung

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Konzentr

ation

PF

BA

[n

g/L

] Q

TO

F X

500R

Konzentration PFBA [ng/L] QqQ API 5000

Quantifizierung perfluorierten Tenside in

Oberflächenwasserproben

nach SPE (x 200)

bei 35 Proben positive Befunde auf

Perfluorbutansäure

Vergleich Quantifizierung MRM - MRMHR

Zweckverband Landeswasserversorgung

3,0 µg/L

Retentionszeit [min]

Inte

nsität

[cps]

MRMHR

Zweckverband Landeswasserversorgung

Vergleich der TFA

Ergebnisse:

QqQ und QTOF

unterschiedlicher

Wasserproben

• Grundwasser

• Mineralwasser

• Oberflächenwasser

Zweckverband Landeswasserversorgung

Substanzvielfalt der organischen Spurenstoffe

LC-QqQ-

MS

GC-MS

Target-Screening

Einzelstoffanalytik

Acesulfam

Glyphosate

Carbamazepine Sucralose Fluoxetine

(PROZAC)

Naphthalin

sulfonsäure

DDT

Benzo(a)pyrene

Ziel: Konzentrationsbestimmung

Zweckverband Landeswasserversorgung

Substanzvielfalt der organischen Spurenstoffe

LC-HRMS

GC-

HRMS

Target-Screening

Einzelstoffanalytik

Acesulfam

Glyphosate

Carbamazepine Sucralose Fluoxetine

(PROZAC)

Naphthalin

sulfonsäure

DDT

Benzo(a)pyrene

Ziel: Konzentrationsbestimmung

Zweckverband Landeswasserversorgung

LC-QqQ-

MS

GC-MS

Substanzvielfalt der organischen Spurenstoffe

Target-Screening

Einzelstoffanalytik

GC-HRMS

LC-HRMS

Non-Target

Screening

Masse RT Summenformel

279,0937 10 C12H11F2N5O

266,0957 5.2 C12H16N3O2S

217,0681 2.3 C13H13OS

Ziel:

Zweckverband Landeswasserversorgung

Inte

nsität

[cps]

Retentionszeit [min]

Donau

TIC Donau

Zweckverband Landeswasserversorgung

Sulfamethoxazol [M+H]+ = 254.0599

Acebutolol [M+H]+ = 337.2128

TIC

Zweckverband Landeswasserversorgung

MS

XIC

TIC

Zweckverband Landeswasserversorgung Datenauswertung

Zweckverband Landeswasserversorgung Datenauswertung

Zweckverband Landeswasserversorgung

false positive (FP)

x

x false negative (FN)

WWTP effluent

T. Bader, et al., Analytica Chimica Acta (2016)

Datenvalidierung

Zweckverband Landeswasserversorgung

Probe

(Probenvorbereitung)

Suspected Screening Non-Target Screening Target Analytik

Referenzstandard

Quantifizierung

Datenbank/Liste

Spektrenbibliothek

Datenbanken

Meta-Daten

Identifizierung

LC-HRMS Messung

Priorisierung

statistische Methoden

Zweckverband Landeswasserversorgung

RT

m/z

t = t0

t = t1

t = t2

t = t3

t = tn

Zeit t0 tn x = const.

Int

t

mz@RT

Zeitlicher Verlauf der

Intensität ausgewählter

Features:

• Einleitung in Gewässer

• Reaktion mit Ozon

• …

x

Ort x0 xn t = const.

Zweckverband Landeswasserversorgung

0

20

40

60

80

100

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30 36 42

c*

[ng

/L]

Peak A

rea [

cts

]

Kalenderwoche

Trinkwasser Donau

0

20

40

60

80

100

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30

c*

[ng

/L]

Peak A

rea [

cts

]

Tage August

→ Summenformel → Chemspider → Verdacht: Acebutolol → MS² Spektrum (Data-dependent acquisition) → Referenzsubstanz → Identifikation

0

20

40

60

80

100

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30 36 42

c*

[ng

/L]

Peak A

rea [

cts

]

Kalenderwoche Donau

0

20

40

60

80

100

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30

c*

[ng

/L]

Peak A

rea [

cts

]

Tage August

CH3

O

NH

OCH3

O

NH

CH3CH3

OH

Roh- und Trinkwasserüberwachung

Zweckverband Landeswasserversorgung

Zweckverband Landeswasserversorgung

0

20

40

60

80

100

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30

c*

[ng

/L]

Peak A

rea [

cts

]

Tage August

0

20

40

60

80

100

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30 36 42

c*

[ng

/L]

Peak A

rea [

cts

]

Kalenderwoche

Trinkwasser Donau

CH3

O

NH

OCH3

O

NH

CH3CH3

OH

→ Summenformel → Chemspider → Verdacht: Acebutolol → MS² Spektrum (Data-dependent acquisition) → Referenzsubstanz → Identifikation

Roh- und Trinkwasserüberwachung

Zweckverband Landeswasserversorgung

0,0E+00

2,0E+03

4,0E+03

6,0E+03

8,0E+03

1,0E+04

1,2E+04

1,4E+04

1,6E+04

1,8E+04

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30

Peak A

rea [

cts

]

Peak A

rea [

cts

]

Tage August

0,0E+00

2,0E+03

4,0E+03

6,0E+03

8,0E+03

1,0E+04

1,2E+04

1,4E+04

1,6E+04

1,8E+04

0,0E+00

1,0E+04

2,0E+04

3,0E+04

4,0E+04

5,0E+04

6,0E+04

7,0E+04

0 6 12 18 24 30

Peak A

rea [

cts

]

Peak A

rea [

cts

]

Tage August

557.255@6.6min

D2

Sco

re

Blank 9-12.08

Aug ohne 9-12.08

Principal component analysis

and discriminant analysis

(PCA–DA)

D1 Score

D2

Lo

adin

g

D1 Loading Acebutolol

Zweckverband Landeswasserversorgung Prozessbeschreibung

Zweckverband Landeswasserversorgung Prozessbeschreibung

Zweckverband Landeswasserversorgung Vergleich von LC-MS Scatterplots

Zweckverband Landeswasserversorgung

Anzahl an validierten Features:

TT5600: 4431

X500R: 2938

Gemeinsam: 1600

mögliche Ursachen:

• Unterschied in Empfindlichkeit

• Unterschied Blindwert

• Unterschied Gasversorgung

• ..

Vergleich der LC-MS Scatterplots

Zweckverband Landeswasserversorgung

LC-QqQ-

MS

GC-MS

Substanzvielfalt der organischen Spurenstoffe

Target-Screening

Einzelstoffanalytik

GC-HRMS

LC-HRMS

Non-Target

Screening

Masse RT Summenformel

279,0937 10 C12H11F2N5O

266,0957 5.2 C12H16N3O2S

217,0681 2.3 C13H13OS

Ziel:

Zweckverband Landeswasserversorgung

LC-QqQ-

MS

GC-MS

Substanzvielfalt der organischen Spurenstoffe

Target-Screening

Einzelstoffanalytik

GC-HRMS

LC-HRMS

Non-Target

Screening WBA

Wirkungsbezogene

Analytik

Zweckverband Landeswasserversorgung

2D

: el

uen

tB

met

han

ol-

chlo

rofo

rm

(20

:80, v

/v) ,

1 s

tep

, 7

0 m

m

1D: eluent 2

methanol (0,5 % formic acid)-dichloromethane-hexane

16 steps, 80 mm

extraction of 29 zones

from 10 to 80 mm

between

1st und 2nd dimension

Two-dimensional HPTLC/AChE inhibition test, 366 nmExtraction

254 nm

Non-Target-Analytik Wirkungsbezogene Analytik

Multivariate Statistik

PCA, PLS

2D

: el

uen

tB

met

han

ol-

chlo

rofo

rm

(20

:80, v

/v) ,

1 s

tep

, 7

0 m

m

1D: eluent 2

methanol (0,5 % formic acid)-dichloromethane-hexane

16 steps, 80 mm

extraction of 29 zones

from 10 to 80 mm

between

1st und 2nd dimension

Two-dimensional HPTLC/AChE inhibition test, 366 nmExtraction

254 nm

2D

: el

uen

tB

met

han

ol-

chlo

rofo

rm

(20

:80, v

/v) ,

1 s

tep

, 7

0 m

m

1D: eluent 2

methanol (0,5 % formic acid)-dichloromethane-hexane

16 steps, 80 mm

extraction of 29 zones

from 10 to 80 mm

between

1st und 2nd dimension

Two-dimensional HPTLC/AChE inhibition test, 366 nmExtraction

254 nm

2D

: el

uen

tB

met

han

ol-

chlo

rofo

rm

(20

:80, v

/v) ,

1 s

tep

, 7

0 m

m

1D: eluent 2

methanol (0,5 % formic acid)-dichloromethane-hexane

16 steps, 80 mm

extraction of 29 zones

from 10 to 80 mm

between

1st und 2nd dimension

Two-dimensional HPTLC/AChE inhibition test, 366 nmExtraction

254 nm

Kombination Non-Target-Analytik

mit WBA

Zweckverband Landeswasserversorgung

Monitoring?

• 100.000 gewässerrelevante

Chemikalien

• x unbekannte

Transformationsprodukte

Trinkwasser

• Ozonung

• Aktivkohle Filtration

• UV Desinfektion

• Chlorung / Chlordioxid

• HPLC-MS/MS

und

• HPLC-HRMS

Grundwasser Donau

Risikobasiertes Monitoring

Dynamisches Monitoring WBA

Zweckverband Landeswasserversorgung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit