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Poly- und perfluorierte Alkylverbindungen (PFAS), auch als „ewige Chemikalien“ bekannt, sind mittlerweile in vielen unterschiedlichen Proben nachweisbar. Es handelt sich dabei um Substanzen mit unterschiedlichen Strukturen, die ca. 5.000 verschiedene Verbindungen umfasst.
Wir stellen eine Methode zur Bestimmung von 24 PFAS vor. Diese sind in der Regel die am häufigsten vorkommenden Verbindungen, die auch in Lebensmittelverpackungen zu finden sind.
Zum Nachweis dieser Verbindungen wurde eine Kombination aus Lösemittelextraktion mit anschließender Trennung und Detektion mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie und Triple Quadrupol Massenspektrometrie gewählt.
Poly- und perfluorierte Alkylverbindungen, kurz PFAS, sind synthetische Chemikalien, die bei verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen. Dies reicht von wasser- und schmutzabweisenden Kleidungsstücken über Antihaftbeschichtungen von Kochgeschirr bis hin zu Lebensmittelverpackungen. Diese häufig als „ewige Chemikalien“ bezeichneten Substanzen besitzen als Strukturmerkmale fluorierte Alkylketten mit weiteren unterschiedlichen funktionellen Gruppen. Neben der fluorierten Alkylkette enthalten die Verbindungen eine terminale funktionelle Gruppe wie Carboxylat, Sulfonamid, Phosphonat oder Alkohol.
Die Bindung zwischen Kohlenstoff (C) und Fluor (F) gehört zu den stärksten bekannten chemischen Bindungen. Dadurch weisen diese Verbindungen eine starke Hydrophobizität auf, was zu einer schmutz-, wasser- und fettabweisenden Wirkung führt. [1]
Diese Stabilität wirkt sich allerdings stark nachteilig aus, weil die Verbindungen nur sehr schwer in der Umwelt abgebaut werden können. Sie können sich daher durch Bioakkumulation anreichern und sind zum Teil toxisch. So können mittlerweile PFAS in unterschiedlichsten Proben wie Wasser, Böden aber auch in tierischen und menschlichen Organismen nachgewiesen werden. In der Folge gab etwa die flämische Regierung in Belgien 2021 eine Warnung an die Einwohner heraus, kein Obst und Gemüse aus dem eigenen Garten mehr zu verzehren, weil Wasser, Böden und Lebensmittel in gewissen Regionen eine hohe PFAS-Konzentration aufwiesen.
Im schwedischen Ronneby wiederum verklagten die Einwohner ihren Trinkwasserversorger wegen Körperverletzung infolge des Konsums von PFAS-kontaminiertem Wasser. In Maine in den USA haben einige Bauern wegen PFAS-Kontamination der Böden ihre Lebensgrundlage verloren. Ebenso wurden PFAS auch in diversen Lebensmittelverpackungen, wie zum Beispiel von Fast Food Schachteln nachgewiesen.[2]
Mittlerweile gibt es eine Reihe von Regularien und Verordnungen, die die Gehalte von PFAS regulieren beziehungsweise verbieten. Bisher wurden allerdings nur wenige der Verbindungen von der European Food Safety Authority (EFSA) oder der Environmental Protection Agency (EPA) einer Risikobewertung unterzogen.[3, 4] Derzeit gibt es verschiedene regulatorische Initiativen, die akzeptable Grenzwerte für einige PFAS festlegen. Dies betrifft jedoch hauptsächlich Umweltmatrices.
Beurteilung der PFAS-Gefahr in Lebensmittelverpackungen
Die Aufnahme von PFAS kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, geschieht jedoch am häufigsten durch den Verzehr von Lebensmitteln.[5] Daher liegt einer der Schwerpunkte auf der Untersuchung von PFAS, die in Verpackungsmaterialien mit direktem Lebensmittelkontakt zu finden sind. PFAS sind nicht von Natur aus in frischen Papierfasern vorhanden, sondern werden häufig in eine Schicht eingebracht, mit der Papier und Karton versehen werden, damit die Verpackung kein Wasser und Fett aufsaugt. Außerdem können sie während des Recyclingprozesses in das Endprodukt eingebracht werden.
Für die Bestimmung von PFAS gibt es eine Reihe von Analysemethoden, die unterschiedliche Informationen liefern können. Die vielleicht einfachste Methode ist die Bestimmung des Gesamtfluorgehaltes nach Verbrennung, was jedoch keine Differenzierung von organischem und anorganischem Fluor ermöglicht. Die Bestimmung des gesamten extrahierbaren organischen Fluors gibt keine Information über einzelne Verbindungen. Die detaillierteste Information liefert der sogenannte „targeted approach“, die Bestimmung von einzelnen Verbindungen, wie bei der Kopplung von Hochdruckflüssigkeitschromatographie mit Tandem-Massenspektrometrie.
Am Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie der Technischen Universität Graz beschäftigt man sich im Rahmen eines Forschungsprojektes mit der Bestimmung von PFAS in Lebensmittelkontaktmaterialien. Die Methode besteht aus einer Extraktion (accelerated solvent extraction, ASE) mit anschließender flüssigchromatographischer Trennung mit Detektion mittels Tandem-Massenspektrometrie.
Aktuell umfasst die Methode die quantitative Bestimmung von 24 PFAS-Verbindungen – eine Liste, die laufend erweitert wird. Die Details über die Übergänge (Precursor und Product Ions) und die Retentionszeiten sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Tabelle 1: Liste der Analyten, Retentionszeiten (RT) und MRM-Übergänge
Der Kalibrationsbereich wurde in zwei unterschiedliche Konzentrationsbereiche aufgeteilt. Für die Kalibration im oberen Bereich wurden 8 verschiedene Konzentrationen im Bereich 100, 50, 25, 15, 10, 5, 2,5 und 1,25 pg/µl hergestellt.
Der untere Konzentrationsbereich wurde über 9 Kalibrationspunkte mit Konzentrationen von 20, 10, 5, 2,5, 0,5, 0,25, 0,1, 0,05 und 0,01 pg/µl hergestellt. Um Matrixeinflüsse zu testen, wurde ein unbedrucktes A4-Papier (70 g/m²) verwendet, das vorher auf PFAS untersucht wurde.
Wie wurde die Probe aufbereitet?
Das Papier wurde in kleine Stücke geschnitten und je 2 g für die Extraktion verwendet. Vor der Extraktion wurden definierte Mengen an PFAS in folgenden Konzentrationen zugesetzt – 100, 50, 20, 10, 5, 2,5, 1, 0,5 und 0,1 ng/g.
Anschließend wurden die Proben mit Methanol mittels ASE extrahiert. Die Extrakte wurden mit Stickstoff zur Trockene eingeengt und dann mit einem definierten Volumen in Methanol : Wasser (50 : 50) (v/v) rekonstituiert. Vor der Injektion wurden die Extrakte noch durch 0,22 µm Filter aus regenerierter Zellulose filtriert und in Autosamplervials aus Polypropylen abgefüllt.
Shimadzu LCMS-8050 System mit den in den Tabellen 2 und 3 aufgeführten Parametern. Die Trennung erfolgte an einer Restek Raptor C18 Säule bei einem Injektionsvolumen von 5 uL. Zur Vermeidung von Blindwerten aus Teilen der Anlage wurde eine sogenannte Delay Säule (Restek) verwendet. Diese wird zwischen dem Mixer und dem Autosampler installiert und trennt so PFAS, die von der Probe oder aus dem System stammen.
LC System und Parameter
Restek Raptor C18 2,7µm 50 x 2,1 mm
Restek PFAS Delay Column 5 µm x 50 mm x 2,1 mm
A: 5 mM ammonium acetate
Tabelle 2: Parameter des LC-Systems
Tabelle 3: Parameter des MS-Systems
Jeder Kalibrierstandard wurde fünffach injiziert. Der Regressionskoeffizient (R2) sowohl beim hohen als auch beim niederen Kalibrationsbereich liegt bei den meisten Analyten über 0,99. Die Standardabweichungen steigen im niederen Konzentrationsbereich und auch bei Verbindungen mit höheren Retentionszeiten. Details sind der Tabelle 4 zu entnehmen.
Extraktion – Linearität und Wiederfindung
Auch die Extrakte der Proben wurden auf den unterschiedlichen Niveaus der Standardaddition fünffach gemessen und die Linearität und die Wiederfindungsraten für jeden Analyten bestimmt. Die durchschnittliche Wiederfindungsrate über alle Analyten beträgt 88,8 %, was innerhalb des vom EU-Referenzlabor für halogenierte POPs liegt (80–120 %). [6]
Abbildung 1: Shimadzu LCMS-8050
Tabelle 4: Linearität im hohen und niedrigen Konzentrationsbereich
Tabelle 5: Extraktion – Linearität und Wiederfindungsraten
Für die Sicherheit jedes einzelnen Menschen und unseres ganzen Planeten ist eine korrekte Messung von Kontaminanten essenziell. Nur so können Risiken richtig bewertet werden und entsprechende Maßnahmen zur Risikominderung ergriffen werden.
Die entwickelte Methode ist in der Lage 24 PFAS in papierbasierten Lebensmittelkontaktmaterialien bei einer Bestimmungsgrenze von 0,1 µg/kg zu erfassen. Die einfache und schnelle Probenvorbereitung und Bestimmung ermöglicht einen hohen Probendurchsatz. Das LCMS-8050 ermöglicht eine empfindliche und robuste Bestimmung von ausgewählten PFAS in Lebensmittelkontaktmaterialien aus Papier und Karton.
D. X. Trier, C. Taxvig, A. K. Rosenmai et al., PFAS in Paper and Board for Food Contact: Options for Risk Management of Poly- and Perfluorinated Substances, Nordic Council of Ministers, Copenhagen K, 2018.
“Revealed: the dangerous chemicals in your food wrappers,” The Guardian, 24.3.2022.
US EPA, “PFAS Laws and Regulations | US EPA,” 7/12/2021, https://www.epa.gov/newsreleases/epa-identifies-drinking-water-contaminants-potential-regulation.
“Order on food contact materials and on provisions for penalties for breaches of related EU legislation,” European Commission.
R. B. Jain, “Contribution of diet and other factors to the levels of selected polyfluorinated compounds: data from NHANES 2003-2008,” International journal of hygiene and environmental health, vol. 217, no. 1, pp. 52–61, 2014.
European Union Reference Laboratory for halogenated POPs in Feed and Food, “Guidance Document on Analytical Parameters for the Determination of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Food and Feed,” Union Reference Laboratory for halogenated POPs in Feed and Food.