Eine Herausforderung für den

Wasserversorger: effiziente

Überwachung von Spurenstoffen in

Roh- und Trinkwasser

Dr. Burkhardt Westphal, Dr. Uwe Dünnbier, Dr. Rudi Winzenbacher

Spurenstoffanalytik von Wasser und Abwasser -

Monitoring und Screening

Dr. Uwe Dünnbier, Dr. Patricia Zerball van Baar; Dr. Diana Liebmann

3 21.11.2017

Die Besonderheiten des Wasserkreislaufes

von Berlin

Brunnengalerien

Unterhavel

Oberhavel

Spree

Oberflächenwasser-messpunkte

Tegeler See Transekte Tegel

Übersicht zu den Spurenstoffanalysen

4

Bereich Trinkwasser

Trinkwasser

Rohwasser

Migration

Brunnen

Messstellen

Bereich Abwasser

Klärwerksabläufe

Klärwerkszuläufe

Industrieeinleiter

Target- und Non Target Analytik mit LC-MS

Monitoring und Screening

21.11.2017

Oberflächenwasser

Uferfiltration

Brunnengalerien

Messstellen Kreislauf Oberflächenwasser

Zu- und Abläufe der Oberflächen-

wasserreinigungsanlagen

Ufer-

filtration

5

Monitoring (UHPLC

MS/MS oder -HRMS)

DIN 38407 F36: 2014-09

(Ausgewählte PBSM u.a. org.

Substanzen)

DIN 38407 F47: 2017-07

(Ausgewählte Arzneistoffe,

Transformationsprodukte u.a.

org. Substanzen)

Screening (UHPLC-

HRMS)

? Wasserchemische

Gesellschaft

AK „Non Target“

21.11.2017

Monitoring und Screening Target- und Non Target Analytik

(Geregelter und zu regelnder Bereich!)

HPLC-MS/MS und HPLC HRMS

6 21.11.2017

Monitoring der Spurenstoffe vom Tegeler See

Messwerte <BG werden als 0,5xBG berücksichtigt

279 Proben

AS Arzneistoff (12)

TP Transformationsprodukt (8)

IC Industriechemikalie (8)

RKM Röntgenkontrastmittel (5)

RKM

TP

IC

IC

IC IC

IC

IC IC

TP

TP

TP

TP

TP

TP

TP

AS

AS

AS

AS AS AS AS

AS AS

AS AS

AS

RKM

RKM

RKM

Daten von 2009 bis 2016

7

0 2E+09 4E+09 6E+09 8E+09 1E+10 1,2E+10 1,4E+10 1,6E+10 1,8E+10

172,0981203,1179204,1131377,2141205,0973155,1179249,1823347,2037291,2291190,1054185,1285191,1194227,1503246,1237268,1907165,1022147,0652264,1958143,0703331,1724391,2300175,0965303,1775211,1805247,1441224,0705212,2009269,2475232,1081231,1492181,1699267,0877212,1070227,2006154,1226231,1128228,2686264,1343199,1308249,1849122,0964237,1022134,0713215,1251172,1332189,1022226,1226120,0556171,0945198,1277

Intensität

See

371OP

372

3302

3303

371UP

3301

Br13

374

3304

Screening (Non Target) der Transsekte Tegel

TOP 50 der intensivsten Peaks im ESI positiv

Phenazon

Carbamazepin

Metoprolol

AMDOPH

Tolytriazol Gabapentin

4-Acetylaminoantipyrin (AAA)

Propyphenazon Valsartansäure

Tramadol

Benzotriazol

4-Formylaminoantipyrin (FAA)

AMPH

∑ Targets = 14

4-Aminoantipyrin (AA)

van Baar

21.11.2017

M+H+

8

van Baar

21.11.2017

M+H+

NN

O CH3

CH3CH3 R

Screening (Non Target) der Transsekte Tegel

Übersicht Monitoring und Screening

9

Chromatografische Trennverfahren mit

massenspektrometrischer Detektion

21.11.2017

Wasserprobe

Derivatisierung

GC-MS Screening

Spektrenvergleich über Bibliothek

Extraktion

Direktinjektion

Online Anreicherung

LC-HRMS (Orbitrap)

Screening (MS/MS)

Fullscan-Spektrum mit exakter Masse

(MS/MS-Funktion)

Target Analytik

(Quantifizierung) Target-screening Non-Target

Screening

Screeninganalysen bei den BWB

10

Phenazon, Propyphenazon, AMDOPH, AMPH,

Desphenylphenazon, Chloraniln (iso), Dimethylanilin (iso)

Toluensulfonsäureamid, Meprobamat; Pyrithyldion,

Phenobarbital, Pimidon

Vinylchlorid, cis-Dichlorethen, Freone (div.)

Dichchlordiphenylessigsäure (DDA), Methylphenacetin

Bromhexin, Ambroxol

Gabapentin, Gabalactam, Thioharnstoff, Sulfamerazin,

Tolbutamid, Phenytoin

Ambroxol

Identifizierte Verbindungen

21.11.2017

GC-MS

LC-HRMS

1988

2009

Screeninganalysen bei den BWB

11

Phenazon, Propyphenazon, AMDOPH, AMPH,

Desphenylphenazon, Chloraniln (iso), Dimethylanilin (iso)

Toluensulfonsäureamid, Meprobamat; Pyrithyldion,

Phenobarbital, Pimidon

Vinylchlorid, cis-Dichlorethen, Freone (div.)

Dichchlordiphenylessigsäure (DDA), Methylphenacetin

Bromhexin, Ambroxol

Gabapentin, Gabalactam, Thioharnstoff, Sulfamerazin,

Tolbutamid, Phenytoin

Ambroxol

Identifizierte Verbindungen

21.11.2017

GC-MS

LC-HRMS

1988

2009

12

Monitoring (UHPLC

MS/MS oder -HRMS)

DIN 38407 F36: 2014-09

(Ausgewählte PBSM u.a. org.

Substanzen)

DIN 38407 F47: 2017-07

(Ausgewählte Arzneistoffe,

Transformationsprodukte u.a.

org. Substanzen)

Screening (UHPLC-

HRMS)

zu regeln? Wasserchemische

Gesellschaft

AK „Non Target“

21.11.2017

Target- und Non Target Analytik

Monitoring und Screening,

(Geregelter und zu regelnder Bereich!)

LC-HRMS Screening - Ergebnisblatt

Vorschlag einer Kategorisierung der

gefundenen Massenzahlen (frames, features)

21.11.2017

Kat. Erklärung Masse Isotopie/

RTi

MS2 Std

4 keine weitere Zuordnung möglich

3 Verdachtsverbindung/

Summenformel

2 identifiziert mittels

Literatur-/Datenbankspektrum

1 identifiziert mittels

Referenzstandard

erfüllt, gefehlt

rot: Es ist ausschließlich eine akkurate Masse identifiziert. grün: Die chemische Verbindung wurde durch eine Referenzsubstanz in der

Retentionszeit und dem MS2-Spektrum identifiziert.

gelb: Der Summenformel wurde durch Abgleich einer chemischen Substanz aus

einer Datenbank oder der Literatur eine Struktur zugeordnet. orange: Die akkurate Masse wurde durch min. 2 Isotope (Summenformel)

und/oder den RTI bestätigt.

13

LC-HRMS Screening - Kategorisierung

Wie sicher wurde ein Vorschlag identifiziert?

21.11.2017

rot: Es ist ausschließlich eine akkurate Masse identifiziert.

orange: Die akkurate Masse wurde durch min. 2 Isotope (Summenformel)

und/oder den RTI bestätigt.

gelb: Der Summenformel wurde durch Abgleich einer chemischen Substanz aus

einer Datenbank oder der Literatur eine Struktur zugeordnet.

grün: Die chemische Verbindung wurde durch eine Referenzsubstanz in der

Retentionszeit und dem MS2-Spektrum identifiziert.

14

Vorgaben Non Target - Auswertung

(suspect screening)

Wie viele Isotope x müssen min. von y theoretischen Isotopen gefunden

werden?

– für y = 1-2 min. x = 1

– für y = 3 min. x = 2

– für y > 3 min. x = 3 ( d.h. Parention + 2 Isotope (+ Addukte))

Wie viele Fragmente x müssen min. von y hinterlegten/bekannten Fragmenten

gefunden werden?

– für y = 1-3 min. x = 1

– für y = 4-5 min. x = 2

Isotope und MS2-Fragmente

21.11.2017 15

Suspect Screening- Auswertung

Trinkwasserbeutel - Auszug des Reports

21.11.2017 16

Suspect Screening- Auswertung

Quantifizierung am MS von ausgewählten Verbindungen

21.11.2017

Verbindung IS für Semiquan 5219: c in µg/L 5220: c in µg/L

NBBSA

(RT: 6,07 min)

- LC Quan 1,7 -

Carbamazepin

d10

(RT: 6,17 min)

LC Semiquan

über IS

0,24 -

Diphenyl d10 GC Semiquan 1,7 -

Benzothiazol

(RT: 5,50 min)

- LC Quan 1,5 0,85

Propranolol d6

(RT: 5,28 min)

LC Semiquan

über IS

1,5 0,94

Diphenyl d10 GC Semiquan 2,9 2,6

17

21.11.2017

Die Ziele des LC-HRMS Screenings

Hohe Anforderungen an die Chromatographie – alles wird in einem Lauf

getrennt?

Hohe Empfindlichkeit des HRMS Systems – Alles wird gefunden, wir

erhalten eine selbst gestaltete Punktewolke!

Hohe Massengenauigkeit des HRMS Systems – Die Summenformel

eines Punktes wird eindeutig bestätigt durch das Isotopenmuster!

Durch die Fragmentierung und die Isotopenzuordnung wird unter Nutzung

einer Bibliothek die Struktur zugeordnet!

18

21.11.2017

Was sind unsere Wünsche an die

Hersteller

HRMS mit hoher Massengenauigkeit

und hoher analytischer Empfindlichkeit

Trennverfahren und Trennsäulen große Auswahl,

Problem Optimierung ???

Datenbanken bei den Softwareherstellern,……………… noch zu

wenig Einträge in der Bibliothek!

Software für den Workflow am HRMS Gerät optimieren, es gibt

Fortschritte aber es ist noch viel Potential nach oben!

19

20 21.11.2017

Spurenstoffe

Wasser ist Leben, alles verändert sich,

wir schauen drauf!

UV- Strahlung

UV- Strahlung

Mikrobiologischer Abbau

Mikrobiologischer Abbau

Redoxprozess Redoxprozess Transformations-

produkte

Transformations-

produkte

Natürliche Selbstreinigung

Natürliche Selbstreinigung

Wir bleiben dran:

Patricia Zerball van Baar

Diana Liebmann

Christa Reilich

Ingvild Dommisch

Gabi Horscht

Julia Quilitzki

Robert Bloch

Uwe Dünnbier

Herzlichen Dank

für die Aufmerksamkeit