Analyse von PFAS-Extractables in Filtrationsprodukten gemäß einer modifizierten EPA-Methode ;537.1
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- Kontaminanten in PFAS-Prüfungen
- Tests der Spritzenvorsatzfilter aus PES und Nylon von Millex® anhand von Wasserproben unter Anwendung einer modifizierten EPA-Methode 537.1
- Prüfung der Polypropylen-Membranfilter von Millipore® anhand von Wasserproben unter Anwendung einer modifizierten EPA-Methode 537.1
- Empfohlene Filtrationsprodukte
Kontaminanten in PFAS-Prüfungen
Ein wichtiger Aspekt jeder PFAS-Methode ist die Vermeidung von Kontaminationen, die die Genauigkeit der Daten beeinträchtigen können. Hierzu zählen auch solche, die aus Probenvorbereitungstechniken wie der Filtration stammen. Derzeit sind die meisten PFAS-Analysemethoden für „saubere“ Matrizen wie Trinkwasser vorgesehen und erfordern selten eine Filtration als Teil der Probenvorbereitung. Methoden wie SW-846-8327, ASTM D7968, ASTM D7979, EPA 1633 und ISO 21675 betreffen Matrizen mit einem möglicherweise höheren Partikelanteil, wie z. B. Abwasser. Partikel in der Lösung müssen vor der LC-MS/MS entfernt werden, da sie sich nachteilig auf die Probenanalyse, die Lebensdauer der Säule und die Gesamtfunktion des Geräts auswirken würden. Diese Methoden erfordern eine Filtration durch Membranen im Spritzenfilterformat.
Für den Nachweis, dass weder die Spritzenvorsatzfilter aus Polyethersulfon (PES) und Nylon von Millex® noch die Millipore® Polypropylenmembranen nachweisbare Konzentrationen von PFAS-Verunreinigungen durch fluorierte Extractables aufweisen, wurde eine modifizierte EPA-Methode 537.1 angewendet.
Prüfung der Spritzenvorsatzfilter aus PES und Nylon von Millex® anhand von Wasserproben unter Anwendung einer modifizierten EPA-Methode 537.1
Materialien und Methoden
Es wurden Millex® Spritzenvorsatzfilter aus jeweils drei Membran-Chargen aus Polyethersulfon (PES), drei aus Nylon und zwei aus Nylon-HPF (Nylonmembran mit einem Glasfaservorfilter zur Filtration von Substanzen mit hohem Partikelgehalt) mit der Methode EPA-537.1 auf PFAS-Extractables getestet. Auch einige PFAS-Verbindungen, die von der Methode nicht gefordert werden, einschließlich PFAS-Verbindungen der nächsten Generation und Fluortelomersulfonate, wurden analysiert. EPA 537.1 fordert zwar keine Probenfiltration, aber die Probe wurde zum Erhalt einer sauberen Probe für die Prüfung auf Kontamination durch Extractables aus dem Spritzenvorsatzfilter gefiltert.
Der nachfolgend beschriebene Arbeitsablauf mit den erforderlichen LC-MS/MS-Bedingungen in Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die modifizierte EPA-Methode 537.1. Das Verfahren in Kürze: Eine PFAS-freie 250-ml-DI-Wasserprobe wurde mit Surrogaten dotiert. Für die QK-Blindproben wurde die interne Standard-Dotierung von 0,08 ppb verwendet. Zur Bestimmung, ob das Probenfiltrationsmedium zur PFAS-Kontamination beiträgt, wurde die gesamte Probe durch den Filter und in eine SPE-Kartusche mit Styrol-Divinylbenzol (SDVB) geleitet. Die Probenflaschen und -schläuche wurden mit basischem Methanol gespült, das anschließend über den Filter in die Kartusche geleitet wurde. Anschließend wurde die gesamte Probe einer SPE unterzogen und vor der LC-MS/MS-Analyse unter Anwendung einer C18-Säule in 96:4 % (v/v) Methanol:Wasser auf 1 ml konzentriert. Die Analyse wurde anhand interner Standards durchgeführt. In dieser Studie wurden C-13 markierte Standards verwendet. Geprüfte Filter: Drei Chargen Spritzenvorsatzfilter Millex® GP (unsteril, 33-mm-Filter mit PLUS-PES-Membran Millipore Express®) sowohl mit einer Porengröße von 0,22 µm (Art.-Nr. SLGP033N) als auch 0,45 µm (Art.-Nr. SLHP033N), drei Chargen Spritzenvorsatzfilter Millex® Nylon (unsteril, 33-mm-Filter mit Nylonmembran) mit einer Porengröße von 0,20 µm (Art.-Nr. SLGN033N) und zwei Chargen Spritzenvorsatzfilter Millex®-Nylon-HPF (unsteril, 25-mm-Filter mit Nylonmembran und Glasfaservorfilter) mit einer Porengröße von 0,20 µm (Art.-Nr. SLGNM25).
Arbeitsablauf für die modifizierte EPA-Methode 537.1:
Workflow
Filter
Die Proben werden mit einem Millex®-Spritzenvorsatzfilter gefiltert.
Festphasenextraktion
Die Analyten werden durch Festphasenextraktion (SPE) aus der Probe extrahiert.
Konzentration
Die Extrakte werden in einem Wasserbad durch Verdampfung mit Stickstoff konzentriert.
LC-MS/MS
Die konzentrierten Extrakte werden mittels LC-MS/MS analysiert.
Ergebnisse
Bei keinem der mit der modifizierten EPA-Methode 537.1 getesteten Millex®-Produkte traten trotz der sehr niedrigen Schwellenwerte von, je nach Verbindung (Tabelle 2), 0,0020–0,0080 ppb bzw. 0,0010–0,0020 ppb nachweisbare PFAS-Verunreinigungen oberhalb der Meldegrenze (RL) bzw. der Nachweisgrenze (MDL) auf. Die Ergebnisse waren bei den drei verschiedenen Chargen der 0,22- und 0,45-µm-PES-Membranen, den drei verschiedenen Chargen der 0,20-µm-Nylonmembranen und den zwei verschiedenen Chargen der 0,20-µm-Nylon-HPF-Membranen identisch. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Millex®-Filtrationsgeräte aus PES, Nylon und Nylon-HPF zuverlässig genug und für den Einsatz zur Filtration von Wasserproben zur Vorbereitung der Analyse dieser PFAS-Verbindungen geeignet sind.
Wiederfindung
In dieser Studie wurden die Probenröhrchen und -schläuche mit basischem Methanol gespült. Die Wiederfindungsraten der C-13-markierten Standards lagen innerhalb des akzeptablen QK-Bereichs für die Methode. Allerdings variierte die Wiederfindungsrate je nach Filtermaterial (Abbildung 1) sowie je nach Verbindung. Beispielsweise zeigten Filter auf Nylonbasis eine geringere Wiederfindungsrate als solche mit PES. Bei Nylonmembranen kann die unspezifische Adsorption intern dotierter Standards und Proben durch eine Methanol-Spülung reduziert werden. Ähnliche Ergebnisse wurden bei Verwendung von PES-Membranen allein (ohne Gehäuse und mit einem 25-mm-Swinnex®-Filterhalter gefiltert) festgestellt.
Abbildung 1.Die durchschnittliche prozentuale Wiederfindung der C-13-markierten Standards für PFBS, PFBA, PFOA, PFOS und PFNA nach Filtration durch Millex®-Spritzenvorsatzfilter mit Nylon (violett, Mittelwert ±Standardabweichung (STDEV), n = 9 Geräte aus 3 Chargen), Nylon-HPF (blau kariert, Mittelwert ±STDEV, n = 6 Geräte aus 2 Chargen) und PES (grün schraffiert, Mittelwert ±STDEV, n = 9 Geräte aus 3 Chargen). Der akzeptable QK-Bereich für die Wiederfindung der internen Standards wird durch die durchgezogene schwarze Linie mit Endmarkierung links der jeweiligen Verbindung angezeigt.
Prüfung der Polypropylen-Membranfilter von Millipore® anhand von Wasserproben unter Anwendung einer modifizierten EPA-Methode 537.1
Spritzenvorsatzfilter sind aufgrund ihrer Anwenderfreundlichkeit und der Spanne an kleinen verarbeitbaren Volumina (10–100 ml) das am häufigsten empfohlene und bevorzugte Format zur Filterung von Proben für die LC-MS/MS-Analyse von PFAS. Es gibt jedoch Fälle, in denen Spritzenvorsatzfilter möglicherweise nicht die beste Option für die Filtration sind, wenn z. B. die handelsüblichen Spritzenvorsatzfilter für die gegebene Anwendung ungeeignet sind. In solchen Fällen muss eine Alternative in Betracht gezogen werden. Einem Spritzenvorsatzfilter ähnelnde Geräte wie z. B. der Swinnex®-Halter ist eine sinnvolle Alternative. Dieses druckgetriebene Gerät nimmt Scheiben-Membranfilter einer bestimmten Größe (13 mm oder 25 mm Durchmesser) auf und wird genauso wie ein herkömmlicher Spritzenfilter verwendet, und wendet so jedes Membranmaterial wie ein Spritzenfilterformat an.
Sowohl ASTM D7979 (für den PFAS-Nachweis in Wassermatrizen außer Trinkwasser) als auch ASTM D7968 (für den PFAS-Nachweis in Feststoffen aus der Umwelt) empfehlen die Verwendung von Polypropylen für die Probenvorbereitung und -filtration. Polypropylen ist ein langlebiges Material, das mit vielfältigen Lösungsmitteln und Temperaturen kompatibel ist, und weist geringe Mengen an Extractables auf. Daher eignet es sich speziell für die Vorbereitung von Proben und mobilen Phasen für PFAS-Prüfungen. Eine Herausforderung bei Polypropylen besteht darin, dass es hydrophob ist, was das Filtern wässriger Proben erschwert. Die meisten im Handel erhältlichen Polypropylen-Scheibenfilter sind hydrophob, wie z. B. die Millipore®-Polypropylen-Membranfilter (Art.-Nr. PPTG04700 und Art.-Nr. PPTH04700). Daher sind diese Filter eher für Lösungsmittel wie Methanol geeignet als zum Filtern wässriger Proben. Es gibt einige wenige Produkte mit Polypropylen in einem hydrophilen Format (hydrophile Millipore®-Polypropylen-Membranfilter, Art.-Nr. PPHG04700 und Art.-Nr. PPHH04700). Diese Filter sind für die Handhabung wässriger Proben geeignet. Da wir den Bedarf an Polypropylenmaterial für den Einsatz in verschiedensten PFAS-Arbeitsabläufen, einschließlich Mobilphasenfiltration, erkannt haben, haben wir die Menge an PFAS-Extractables, die von diesen Filterscheiben freigesetzt werden, ermittelt.
Materialien und Methoden
Swinnex®-Filterhalter-Einheit
Die hydrophilen und hydrophoben Millipore®-Membranfilter aus Polypropylen (PP) mit den Porengrößen 0,2 µm und 0,45 µm wurden auf den Gehalt an PFAS-Extractables getestet. Zur Umwandlung der verschiedenen Scheiben-Membranfilter in einen Spritzenvorsatzfilter mit Luer-Lock-System wurden, wie in Abbildung 2 dargestellt, Swinnex®-Produkte (Durchmesser 25 mm) verwendet. Nach dem Zusammensetzen kann das Swinnex®-Produkt an den Luer-Lock-Spritzenzylinder mit dem zu filternden Material angeschlossen werden. Die Filtration wurde dann wie bei anderen Spritzenvorsatzfiltern durchgeführt. Für jede Scheibe wurde ein neues, sauberes Swinnex®-Produkt verwendet.
Abbildung 2A.Platzierung des O-Rings
Abbildung 2B.Handhabung der Filter
Abbildung 2C.Filterplatzierung
Abbildung 2D.Befestigung der Dichtung
Abbildung 2E.Montierter Swinnex®-Filterhalter
Modifizierte EPA-Methode 537.1
In diesem Teil der Studie wurden vier Typen von 25-mm-Scheiben-Membranfiltern getestet:
- Hydrophobes PP, 0,2 µm (Art.-Nr. PPTG02500)
- Hydrophobes PP, 0,45 µm (Art.-Nr. PPTH02500)
- Hydrophiles PP, 0,2 µm (Art.-Nr. PPHG02500)
- Hydrophiles PP, 0,45 µm (Art.-Nr. PPHH02500)
Nachdem alle Scheiben-Membranfilter sicher in Swinnex®-Produkte eingesetzt waren, wurden 250 ml einer mit Surrogaten dotierten Wasserprobe durch jeden Filter in eine SPE-Kartusche aus Styrol-Divinylbenzol (SDVB) geleitet, wobei die EPA 537.1 für Trinkwassermatrizen als Leitlinie diente. Die gesamte Probe wurde einer SPE und Konzentration gemäß den Verfahren im oben beschriebenen Arbeitsablauf unterzogen. Zur Feststellung, ob Extractables in den PP-Scheiben-Membranfiltern vorhanden waren, wurde eine LC-MS/MS mit einer C18-Säule gemäß den Bedingungen in Tabelle 1 und eine Analyse mit internen Standards durchgeführt. Es wurde eine Charge (n = 3 Filter pro Charge) pro Membrantyp getestet.
Es ist anzumerken, dass es schwierig ist, reines Wasser durch hydrophobe PP-Scheiben-Membranfilter fließen zu lassen. Daher wurden zwecks besserem Wasserdurchfluss bei diesen Proben die Scheiben-Membranfilter vor dem Filtern der 250 ml Wasser mit Methanol vorbenetzt. Die hydrophilen PP-Scheiben-Membranfilter mussten nicht vorbenetzt werden.
Ergebnisse
Wie auch bei den Millex®-Spritzenvorsatzfiltern festgestellt, fanden sich in den Polypropylen-Scheibenfiltern gemäß der modifizierten EPA-Methode 537.1 oberhalb der Meldegrenze zwischen 0,0020 und 0,0080 ppb bzw. oberhalb der Nachweisgrenze zwischen 0,0010 und 0,0020 ppb (Tabelle 3) keine nachweisbaren PFAS-Verunreinigungen. Das weist darauf hin, dass diese Membranen keine PFAS-Extractables mit diesen Grenzwerten aufweisen und für PFAS-Anwendungen, bei denen zur Probenvorbereitung eine Filtration erforderlich ist, eingesetzt werden können.
Allerdings gab es nur bei den hydrophoben Polypropylenmembranen vier Verbindungen (Perfluor-n-Dodecansäure (PFDoDA), Perfluor-n-Tridecansäure (PFTrDA), Perfluor-n-Tetradecansäure (PFTeDA) und N-Ethyl-Perfluoroctan-Sulfonamidessigsäure (N-EtFOSAA)), die keine nachweisbaren PFAS-Verbindungen enthielten; die auf 13C2-PFDoA, 13C2-PFTeDA und D5-NEtFOSAA anwendbaren Standards zeigten jedoch Wiederfindungsraten außerhalb der Kontrollgrenzen zwischen 40–140 %, 30–130 % bzw. 40–140 %. Diese Verbindungen zeigten durchschnittliche Wiederfindungsraten von etwa 15–25 % (PFDoDA, PFTrDA und PFTeDA) und 30–33 % (N-EtFOSAA). Dies deutet darauf hin, dass die unspezifische Adsorption dieser Verbindungen auf hydrophobem Polypropylen in Wasser signifikant sein kann. Angesichts der langen Kettenlängen und großvolumigen funktionellen Gruppen dieser Verbindungen besteht ein gewisses Potenzial an hydrophoben und sterischen Wechselwirkungen mit den Filtrationsmedien und anderen Verbrauchsmaterialien. Interessanterweise blieben die Wiederfindungraten im hydrophilen Polypropylen bei allen Verbindungen innerhalb der Kontrollgrenzen, was darauf hindeutet, dass die Hydrophilisierung des Membranmaterials jegliche unspezifischen Wechselwirkungen mit PFAS-Standards reduziert.
Wiederfindung
Hydrophobe gegenüber hydrophilen Polypropylenmembranen
Bei Wasserproben wiesen die getesteten hydrophilen Polypropylenmembranen eine Wiederfindungsrate interner Standards innerhalb des QK-Bereichs auf, die hydrophoben Membranen hingegeben nicht (Abbildung 3). Die Wiederfindungsrate für 13C2-PFDoDA, 13C2-PFTeDA und D5-EtFOSAA lagen bei hydrophobem Polypropylen konsistent außerhalb des QK-Bereichs, was die Quantifizierung des tatsächlichen PFAS-Gehalts für diese Verbindungen erschwerte. Da es sich bei PFDoDA, PFTeDA und PFTrDA um langkettige PFCA-Moleküle handelt, kann der festgestellte Verlust auf eine sterische Hinderung und hydrophobe Wechselwirkungen mit dem Membranmaterial oder mit dem Swinnex®-Gehäusematerial zurückzuführen sein.
Abbildung 3.Durchschnittliche prozentuale Wiederfindungsrate von C-13-markierten Standards für hydrophile vs. hydrophobe Polypropylen-Membranfilter in Wasser, nur für die PFAS-Klasse der Perfluorcarbonsäuren Die Werte sind Mittelwerte ±Standardabweichung, n = 3 Geräte Der QK-Bereich für die Standards variiert je nach Verbindung von links nach rechts: 35–135 % (13C4-PFBA), 50–150 % (13C5-PFPeA bis 13C6-PFDA), 40–140 % (13C2-PFDoDA), 30–130 % (13C2-PFTeDA).
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