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Das Thema Umweltschadstoffe ist in letzter Zeit in den Fokus gerückt und dürfte in Zukunft noch mehr Aufmerksamkeit erregen, da die Gefahren, die einige Chemikalien für die Gesundheit von Mensch und Umwelt darstellen, immer deutlicher werden. Wir haben mit Dr. Leon Barron und Dr. Helena Rapp Wright vom Imperial College London darüber gesprochen, wie sie mit dem LCMS-8060 und dem LCMS-9030 von Shimadzu groß angelegte, schnelle Analysen von Abwasser und Flusswasser durchführen und wie die gewonnenen Erkenntnisse zu einem besseren Verständnis der Tausenden von nicht regulierten Chemikalien beitragen, über die nur wenig bekannt ist – sogenannte „neuartige chemische Kontaminanten“.
Aufklärung der Umweltbelastung durch chemische Schadstoffe
Dr. Leon Barron begeistert sich schon sein ganzes Leben lang für die analytische Chemie: „Ich glaube, mein Interesse für das Thema wurde geweckt, als ich noch zur Schule ging und ein Praktikum in einem Labor absolvierte, in dem Düngemittel analysiert wurden. Und obwohl die Geräte, die ich heute verwende, viel leistungsfähiger sind als damals, ist der Prozess im Grunde gleich geblieben: Ich verwende Analyseverfahren, um Informationen aus physikalischen Substanzen zu gewinnen.“
In seiner jetzigen Tätigkeit am Imperial College London tragen diese Informationen dazu bei, die Auswirkungen des Menschen auf die Umwelt besser zu verstehen. „Mit den uns zur Verfügung stehenden Geräten versuchen wir, das Wasser in einem bislang unerreichten Detailgrad chemisch zu charakterisieren – und zwar nicht nur die regulierten Chemikalien auf den Ziellisten, sondern alles, was im Wasser enthalten ist, insbesondere die nicht regulierten Chemikalien und diejenigen, über die wir sehr wenig wissen“, sagt er. „All dies ist Teil der Bemühungen, herauszufinden, wie viel diese Chemikalien zur Umweltbelastung beitragen und um wie viel wir die ‚planetare Grenze‘ für sogenannte ‚neuartige Stoffe‘ überschreiten, die 2009 von einem Team an der Universität Stockholm definiert wurde.“
Dr. Barron leitet das Emerging Chemical Contaminants Team am Imperial College, das eines von neun Teams der Environmental Research Group ist, die wiederum zum Institute of Public Health gehört. Dabei handelt es sich um eine führende Quelle von Informationen zur Luft- und Wasserqualität in Großbritannien. Mit verschiedenen Ansätzen werden die Auswirkungen der Umweltverschmutzung ermittelt und Maßnahmen zur Abschwächung dieser Auswirkungen gefördert.
Dr. Barron demonstriert an der Themse in London die einfachen, aber effektiven Geräte, die das Team zum Auffangen des Wassers verwendet.
Dr. Barron ist seit 2020 am Imperial College, beschäftigt sich aber eigentlich schon seit über 20 Jahren mit diesem Thema: „Mein allererstes Forschungsprojekt, das ich 2001 abgeschlossen habe, befasste sich mit der Überwachung von Trinkwasser mittels Ionenchromatographie. Darauf folgte meine Promotion über Desinfektionsnebenprodukte. Seitdem war ich in vielen verschiedenen Bereichen tätig, unter anderem in der Forensik am King’s College London. Mit der Arbeit im Team am Imperial College und der Erforschung von Umweltschadstoffen schließt sich der Kreis jetzt wieder.“
Errichtung eines zukunftssicheren Labors am Imperial College
Eigentlich ist Dr. Barron gar nicht zu einem Team bei Imperial gestoßen. Vielmehr hat er es von Grund auf neu aufgebaut. „Hier am Imperial College bekamen wir die großartige Gelegenheit, eine neue Forschungsgruppe mit besonderem Schwerpunkt auf chemischer Verschmutzung einzurichten. Das war der bisher spannendste Teil meiner Karriere, muss ich sagen. Im Grunde entwarfen wir eine neue Forschungseinrichtung in einem brandneuen Gebäude auf dem Campus des Imperial College in White City, inklusive Büroräumen und Laboren. Dann arbeiteten wir aus, welche Geräte wir brauchten, um zukunftssicher arbeiten zu können, und stellten schließlich auch Personal ein. Ich bin sehr stolz darauf, was wir gemeinsam erreicht haben.“
Eine der Mitarbeiterinnen ist Dr. Helena Rapp Wright, die Dr. Barron bereits durch ihre Masterarbeit über Forensik am King’s College kennt. Seit ihrer Einstellung im Jahr 2021 ist sie eines von 12 Teammitgliedern im Labor von Dr. Barron und eine der Hauptanwenderinnen der LCMS-Geräte von Shimadzu für die Analyse von organischen Chemikalien im Wasser.
Bei der Arbeit mit der Shimadzu-Ausstattung liegt der Schwerpunkt auf neu aufkommenden bedenklichen Chemikalien. Dr. Rapp Wright erklärt, worum es sich dabei handelt: „Es werden ständig neue Chemikalien zur Verwendung zugelassen, aber darüber hinaus wurden Zehn- oder sogar Hunderttausende von nicht regulierten Metaboliten und Transformationsprodukten in der Umwelt nachgewiesen. Das Problem ist, dass wir einfach nicht viel über diese Chemikalien wissen – und weil es so viele sind, brauchen wir besonders leistungsstarke Geräte, um sie zu isolieren, zu identifizieren und zu quantifizieren.“
Maximierung von Sensibilität, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit
An dieser Stelle kommen die Geräte von Shimadzu ins Spiel, erklärt Dr. Barron: „Wir haben zwei LCMS-8060 Systeme von Shimadzu, die wir für unsere routinemäßigen Zielanalysen und die Zielforschung verwenden. Außerdem haben wir kürzlich ein LCMS-9030 erworben, das wir hauptsächlich für das Suspect-Screening einsetzen.“
Er erläutert zudem, wie die Systeme die Herausforderungen bewältigen, die die Proben mit sich bringen: „Um unsere Forschungsziele zu erreichen, benötigen wir Sensibilität, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit. Besonders erfreulich für uns ist, dass die Systeme 8060 und 9030 in allen drei Kategorien hervorragend abschneiden.“
Dr. Rapp Wright mit dem LCMS-9030 System von Shimadzu, das für das Suspect-Screening von neuartigen chemischen Kontaminanten in Fluss- und Abwasser verwendet wird.
„Was die Sensibilität angeht, so können wir sowohl mit dem 8060 als auch mit dem 9030 routinemäßig bis auf wenige Nanogramm pro Liter heruntergehen, was einem niedrigen ppt-Wert entspricht und für den Nachweis kleinster Spuren von Substanzen unerlässlich ist. Daher analysieren wir jetzt in der Regel nur noch 10 µl einer gefilterten Probe. Dies wirkt sich wiederum auf die benötigte Probenmenge aus und erspart in vielen Fällen das Einfrieren mehrerer Liter an Proben. Stattdessen können wir Tausende von Proben in einem einzigen doppeltürigen Gefrierschrank unterbringen“, so Barron.
„Zuverlässigkeit ist ein weiteres wichtiges Thema für uns, denn wir möchten unbehandeltes städtisches Abwasser injizieren, ohne irgendeine andere Form der Reinigung als die Filtration“, erläutert er. „Die meisten Wissenschaftler wären darüber entsetzt, aber dank der Hilfe von Shimadzu bei der Methodenentwicklung machen wir das jetzt schon seit fast drei Jahren … und wir haben immer noch die gleichen Geräte!“
Das Wichtigste für ihre Forschungskapazität sei aber wohl die Geschwindigkeit: „Beim 8060 haben wir zum Beispiel eine Laufzeit von etwas mehr als 5 Minuten und können damit etwa 260 Injektionen pro Tag durchführen. Bei Berücksichtigung der Quantifizierung in dreifacher Ausführung für 200 Chemikalien plus matrixabgestimmte Kalibrierungslinien können wir zwischen 30 und 60 Proben pro Tag bearbeiten. Damit können wir viele Proben in einem geografischen Gebiet oder über einen bestimmten Zeitraum hinweg nehmen und erhalten so äußerst detaillierte Daten über die Verteilung der festgestellten Chemikalien.“
Das Team nutzt das System 9030 seit Oktober 2021 und konnte damit die Anzahl der nachweisbaren Chemikalien erweitern, fügt er hinzu: „Da es sich um ein Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometer (QTOF) handelt, verfügt es über die hochauflösende Massenkapazität, die für das Suspect-Screening benötigt wird“, erklärt Dr. Barron. „Derzeit analysieren wir etwa 1.200 Verbindungen – und das bei einer Laufzeit von etwa 17 Minuten!“
Benutzerfreundliche Software für optimierte Arbeitsabläufe
Das Team erhält eine riesige Menge an Informationen, weshalb eine einfache Datenverarbeitung ebenfalls sehr wichtig ist. Dr. Rapp Wright nutzt die Systeme täglich und schildert uns ihre Sichtweise: „Wir müssen so viele Daten verarbeiten, dass dies leicht die Grenze des analytischen Durchsatzes darstellen könnte. Die Software von Shimadzu erleichtert allerdings alles. Die Diagramme sind leicht zu verstehen und liefern genau die Informationen, die wir benötigen. Was den Daten-Explorer betrifft, gefällt mir vor allem das in der Bibliothek verwendete Markierungssystem: Ich kann einen Signal-Rausch-Pegel mit einem bestimmten Schwellenwert festlegen und die Farbcodierung zeigt mir sofort an, wenn eine Probe die Nachweiskriterien nicht erfüllt.“
Die mit dem 9030 bereitgestellte Bibliothek von Verbindungen ist laut Dr. Rapp Wright von entscheidender Bedeutung: „Shimadzu hat für uns eine umfangreiche Bibliothek mit MS-Daten mit Schwerpunkt auf Pharmazeutika und Pestiziden erstellt, an denen wir hauptsächlich interessiert sind“, sagt sie. „Wenn der Umfang unserer Projekte weiter wächst, möchten wir diese Bibliothek natürlich noch weiter ausbauen. Daher ist es gut zu wissen, dass Shimadzu uns dabei behilflich sein wird“, erklärt sie.
Und nicht nur das – ein nahtloser Datenfluss zwischen verschiedenen Shimadzu Geräten sei für ihre Arbeit unerlässlich, sagt sie: „Die Geräte sind voneinander abhängig. Wir verwenden das 8060 zum Beispiel häufig, um eine punktuelle Verschmutzungsquelle oder das Eindringen einer Chemikalie in ein Gewässersystem schnell zu identifizieren. Anschließend überprüfen wir mit dem 9030, was sonst noch vorhanden ist, und einige dieser Chemikalien können dann für die quantitative Überwachung mit dem 8060 markiert werden. Es handelt sich also um eine ständige Rückkopplungsschleife zwischen diesen Methoden, wodurch wir den Detailgrad unserer Analysen präzisieren und verbessern können.“
Benutzerfreundliche Software für optimierte Arbeitsabläufe
Das Team erhält eine riesige Menge an Informationen, weshalb eine einfache Datenverarbeitung ebenfalls sehr wichtig ist. Dr. Rapp Wright nutzt die Systeme täglich und schildert uns ihre Sichtweise: „Wir müssen so viele Daten verarbeiten, dass dies leicht die Grenze des analytischen Durchsatzes darstellen könnte. Die Software von Shimadzu erleichtert allerdings alles. Die Diagramme sind leicht zu verstehen und liefern genau die Informationen, die wir benötigen. Was den Daten-Explorer betrifft, gefällt mir vor allem das in der Bibliothek verwendete Markierungssystem: Ich kann einen Signal-Rausch-Pegel mit einem bestimmten Schwellenwert festlegen und die Farbcodierung zeigt mir sofort an, wenn eine Probe die Nachweiskriterien nicht erfüllt.“
Die mit dem 9030 bereitgestellte Bibliothek von Verbindungen ist laut Dr. Rapp Wright von entscheidender Bedeutung: „Shimadzu hat für uns eine umfangreiche Bibliothek mit MS-Daten mit Schwerpunkt auf Pharmazeutika und Pestiziden erstellt, an denen wir hauptsächlich interessiert sind“, sagt sie. „Wenn der Umfang unserer Projekte weiter wächst, möchten wir diese Bibliothek natürlich noch weiter ausbauen. Daher ist es gut zu wissen, dass Shimadzu uns dabei behilflich sein wird“, erklärt sie.
Und nicht nur das – ein nahtloser Datenfluss zwischen verschiedenen Shimadzu Geräten sei für ihre Arbeit unerlässlich, sagt sie: „Die Geräte sind voneinander abhängig. Wir verwenden das 8060 zum Beispiel häufig, um eine punktuelle Verschmutzungsquelle oder das Eindringen einer Chemikalie in ein Gewässersystem schnell zu identifizieren. Anschließend überprüfen wir mit dem 9030, was sonst noch vorhanden ist, und einige dieser Chemikalien können dann für die quantitative Überwachung mit dem 8060 markiert werden. Es handelt sich also um eine ständige Rückkopplungsschleife zwischen diesen Methoden, wodurch wir den Detailgrad unserer Analysen präzisieren und verbessern können.“
Während des gesamten Prozesses – von der Laborkonfiguration über die Methodenentwicklung bis hin zum kontinuierlichen Support – stand das Shimadzu Team stets unterstützend zur Seite.
Dr. Rapp Wright fand den Einarbeitungsprozess für das 9030 sehr gründlich: „Da nicht jeder im Labor schon einmal mit einem QTOF gearbeitet hatte, fanden wir es wirklich hilfreich, dass das Team von Shimadzu die Grundlagen von Anfang an erläuterte. Im Hinblick auf die Software verarbeitete das Team einige Beispiele aus der Praxis für uns. Das war großartig, denn so konnten wir uns ein klares Bild davon machen, was uns bei unserer täglichen Arbeit erwartet.“ Aber auch nach der Schulung war das Labor keineswegs auf sich allein gestellt: „Bei Fragen bekamen wir innerhalb von einer Stunde eine Antwort – ob per E-Mail, Telefon oder Teams.“
Gleiches gelte im Allgemeinen, sagt Dr. Barron: „Im Rahmen unserer Forschungsarbeit müssen wir eine große Anzahl von Probenanalysen durchführen, weshalb unsere Geräte nahezu rund um die Uhr in Betrieb sind. Bei Shimadzu beeindruckt mich vor allem die Qualität des Supports, sogar während der Pandemie. Das Team war jederzeit hilfsbereit.“
Neue Visionen für erreichbare Ergebnisse dank LCMS
Wie sieht es mit den Ergebnissen aus? Dr. Barron betont die Bedeutung der Arbeit seines Labors: „Dank Shimadzu konnten wir die Laufzeit und das Probenvolumen für diese Art von Analysen deutlich reduzieren und so den für groß angelegte Überwachungsprojekte erforderlichen Probendurchsatz erzielen. So überwachten wir kürzlich mehr als 100 Probenahmestellen an der Themse auf über 200 neu aufkommende bedenkliche Chemikalien. Wir analysierten alle Proben und Daten mit dem 8060 und erstellten innerhalb eines Monats eine Risikobewertung. Vor ein paar Jahren hätte ich noch gesagt, dass dies nicht möglich ist.“
Er relativiert die Arbeit des Labors, indem er hinzufügt: „Ich glaube, es ist das erste Mal, dass jemand eine Analysemethode für Hunderte von Chemikalien in Rohabwasser aus einem Forschungsprojekt als Werkzeug für die Routineüberwachung mit hohem Durchsatz übertragen hat, obwohl die erforderlichen Probenvolumina nur wenige zehn Mikroliter betragen.“
Auch die Qualität der Daten ist laut Dr. Rapp Wright hervorragend: „Da wir die Rohprobe injizieren, gehen während des Extraktionsprozesses keine Analyten aus unseren Proben verloren. Daher sind unsere Kalibrierungslinien bei unserer Quantifizierungsarbeit mit dem 8060 in den meisten Fällen vollkommen gerade, mit R²-Werten, die absolut genau stimmen, und das bei einer doppelt-logarithmischen Darstellung über drei Größenordnungen!“
Diese Analyse von 652 Pestiziden mit einem Shimadzu LCMS-8060 in etwas mehr als 10 Minuten ist ein gutes Beispiel für die Leistung, die im Labor von Dr. Barron routinemäßig erzielt werden kann. Die verwendete Methode (siehe Barron & Loftus, 2019) eignet sich auch für das Suspect-Screening mit dem LCMS-9030.
Erweiterung der Grenzen des Suspect-Screenings
Wie sieht die Zukunft aus? Dr. Barron ist zuversichtlich: „Mit dem 8060 haben wir bereits Fluss- oder Abwasserbecken auf der Grundlage einer multivariaten Analyse ihres chemischen Gehalts voneinander unterschieden. Allerdings haben wir die Anwendung noch nicht auf hochauflösende MS-Daten ausgeweitet. Ich würde das gerne mit dem 9030 testen und sehen, welche zusätzlichen Erkenntnisse wir gewinnen können.“
Das Team arbeitet außerdem an der Integration von maschinellem Lernen in den Analyseprozess, um den Abgleich von Verbindungen nicht nur anhand der Massenspektren, sondern auch der Chromatographie zu optimieren. „Ein aktuelles Projekt ist der Einsatz von maschinellem Lernen zur Vorhersage von Retentionszeiten für unbekannte Verbindungen unter Verwendung einer Vielzahl von LC-Modi. Wenn wir diese Daten in den Algorithmus zum Abgleich von Verbindungen einspeisen, können wir die Liste der potenziellen Übereinstimmungen um zwei Drittel reduzieren und so die benötigten Referenzmaterialien priorisieren.“
Solche Methoden könnten laut Dr. Barron die Bandbreite der Verbindungen, die routinemäßig überwacht werden können, drastisch verändern: „Derzeit können wir etwa 1.200 Chemikalien im Rahmen unseres Suspect-Screening untersuchen, aber im Idealfall würden wir diese Zahl gerne um ein oder zwei Nullen erhöhen, um Transformationsprodukte, Metaboliten usw. einzubeziehen. Unsere Geräte von Shimadzu könnten uns in Verbindung mit maschinellem Lernen genau das ermöglichen.“
LCMS: Ein unverzichtbares Werkzeug zur Bewältigung neuartiger chemischer Kontaminanten
Betrachtet man die Arbeit des Teams im weiteren Sinne, so ist offensichtlich, dass die Nachfrage nach dieser Kombination aus Fachwissen und analytischer Leistung weiter steigen wird. Dr. Barron bringt den Stand der Dinge auf den Punkt: „Das Problem der neuartigen chemischen Kontaminanten verschwindet nicht einfach. Erst kürzlich machten polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) Schlagzeilen. Daher denke ich, dass der Bedarf an genauester Überwachung von Fließgewässern, der Ermittlung von Expositionswegen, dem Verständnis der Rolle von Synergieeffekten zwischen Chemikalien und vielem mehr zunehmen wird.“
Bis vor kurzem schienen derartige Möglichkeiten noch undenkbar, aber Dr. Barron stellt klar, dass sich dies geändert hat: „Die Systeme 8060 und 9030 von Shimadzu sind heute ein wesentlicher Bestandteil unserer Geräteausstattung für schnelle und hochempfindliche Analysen. Auf diese Weise tragen wir dazu bei, ein umfassenderes Verständnis von chemischen Schadstoffen zu gewinnen, und helfen so, den ökologischen Fußabdruck der Menschheit zu verringern. Dieser gesamte Themenbereich dürfte in den kommenden Monaten und Jahren immer mehr Beachtung finden, insbesondere angesichts der aktuellen Vorschläge zur Einrichtung eines wissenschaftlichen Gremiums der Vereinten Nationen für chemische Verschmutzung nach dem Vorbild der Gremien für Klima und Biodiversität.“
Während der gesamten Arbeit konnte sich Dr. Barrons Team auf die Unterstützung von Shimadzu verlassen: „Shimadzu war immer interessiert, neue Herausforderungen anzunehmen, Gerätekonfigurationen zu optimieren und neue Methoden zu entwickeln. Das unterscheidet das Unternehmen für mich von anderen Herstellern. Ohne diese Begeisterung und harte Arbeit hätten wir unsere Ergebnisse nicht erreicht, das steht fest!“
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L.P. Barron und N.J. Loftus, Gradient retention time prediction for 653 pesticides on a biphenyl LC column using machine learning, Chromatography Today, August/September 2019, https://www.chromatographytoday.com/article/columns-lc/37/shimadzu-uk-ltd/gradient-retention-time-prediction-for-653-pesticides-on-a-biphenyl-lc-column-using-machine-learning/2596.
M. Egli, A. Hartmann, H. Rapp Wright, K.T. Ng, F.B. Piel und L.P. Barron, Quantitative determination and environmental risk assessment of 102 chemicals of emerging concern in wastewater-impacted rivers using rapid direct-injection liquid chromatography—tandem mass spectrometry, Molecules, 2021, 26: 5431, https://doi.org/10.3390/molecules26185431.
K.T. Ng, H. Rapp Wright, M. Egli, A. Hartmann, J.C. Steele, J.E. Sosa-Hernández, E.M. Melchor-Martínez, M. Jacobs, B. White, F. Regan, R. Parra-Saldivar, L. Couchman, R.U. Halden und L.P. Barron, High-throughput multi-residue quantification of contaminants of emerging concern in wastewaters enabled using direct injection liquid chromatography-tandem mass spectrometry, Journal of Hazardous Materials, 2020, 398: 122933, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122933.
A paper describing river water analysis using the Barron lab’s LCMS-9030 is also in preparation and expected for publication in 2022 – watch this space!