Die Bedeutung der LC-HRMS bei der Sicherung der … notes/Wolfgang_Schulz... · 2020-02-20 ·...
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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
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
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