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Gleichzeitige Analyse von Pestiziden in Wasser mit KI-basierter Peak-Integration

Peakintelligence™ for GCMS

Waldemar Weber, Shimadzu Europa GmbH

Waldemar WeberShimadzu Europa GmbH

Wasserverschmutzung ist ein globales Problem und gefährdet die Gesundheit der gesamten Gesellschaft. Wenn umweltschädliche Substanzen wie Chemikalien oder Mikroorganismen in Meere, Seen, Flüsse oder andere Gewässerarten gelangen, sinkt die Qualität des Wassers und es kann giftig für Menschen, Tiere oder die übrige Umwelt werden. Die GC-MS (Gaschromatographie-Massenspektrometrie) wird zur gleichzeitigen Analyse mehrerer Komponenten eingesetzt, um die Vielzahl der Pestizide und Toxine im Wasser zu messen. Zu den Aufgaben von Chromatographen gehört auch die Peak-Integration, eine eher knifflige Angelegenheit. Bei den meisten veröffentlichten Methoden oder offiziellen Analysedokumenten ist selten eine strenge Regel für die Peak-Integration definiert. Der Prozess der Peak-Integration birgt daher das Risiko, dass die analytische Objektivität nicht ausreicht. Peakintelligence™ ist eine optionale Software für die GCMS mit LabSolutions Insight™, und ihr Zweck ist es, die professionelle Peak-Integration nachzubilden. Das Ganze geschieht völlig personenunabhängig, da es keine Parameter für die Peak-Integration gibt.

Schutz der menschlichen Gesundheit als oberste Priorität

Die Regulierung von chemischen Stoffen in natürlichen Gewässern und Trinkwasser ist von globaler Bedeutung, um die menschliche Gesundheit sowie die von Tieren und Pflanzen zu schützen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Agrochemikalien, wobei sich dieser Begriff sowohl auf Biozide (Pestizide, darunter Insektizide, Herbizide, Fungizide und Nematizide) als auch auf synthetische Düngemittel bezieht. Diese landwirtschaftlichen Chemikalien werden weltweit zur Bekämpfung von Unkraut und Schädlingen eingesetzt und können in die Böden und Gewässer gelangen. Die GC-MS eignet sich dank ihrer überragenden Leistung bei der gleichzeitigen Analyse mehrerer Komponenten für die Messung zahlreicher Pestizide in Wasser. Die neue, gesteigerte Effizienz erhöht auch die Leistungsfähigkeit und ist angesichts von Personalmangel und niedrigeren Schulungsbudgets das neue Standardprodukt im modernen Geschäftsumfeld. Das GCMS-QP2050 steht stellvertretend für eine neue Generation von GCMS mit einem völlig neuen optischen Ionensystem und zeichnet sich durch seine hohe Empfindlichkeit, quantitative Analyseleistung und Widerstandsfähigkeit aus. Die hohe Produktivität und die Zuverlässigkeit unterstützen die Bediener bei ihrer Arbeit.

Es folgt ein Beispiel für die Analyse von landwirtschaftlichen Chemikalien in Wasser unter Verwendung des Einstiegsmodells GCMS-QP2050, das sich durch ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und KI-basierte Peak-Integration auszeichnet.

Proben und Analysebedingungen

Gemischte Standardlösungen mit Konzentrationen von 0,003, 0,005, 0,01, 0,025, 0,05, 0,1 und 0,5 mg/l wurden durch die Verdünnung von Standardproben mit 140 Arten von landwirtschaftlichen Chemikalien in Wasser hergestellt. Die zu diesem Zeitpunkt verwendeten internen Standardproben waren Anthracen-d10, 9-Bromanthracen und Chrysen-d12. Die Analysegenauigkeit wurde wiederholt bei einer Konzentration von 0,005 mg/l geprüft. Das GCMS-QP2050 Entry Model wurde mit einem AOC-30i als Autoinjektor verwendet (Abbildung 1). In Tabelle 1 sind die für diese Analyse verwendeten Bedingungen dargestellt.

Abbildung 1: Die verwendeten Instrumente (GCMS-QP 2050,
AOC-30i/20s U)

	System
GCMS Modell	GCMS-QP2050 Entry Model
Autosampler	AOC-30i
Säule	SH-1-5Sil MS (30 m x 0,25 mm ID x 0,25 µm); Teile-Nr. 221-75940-30
Einsatz	Topaz-Einsatz mit splitlosem Einzelkonus; Teile-Nr. 227-35008-01
	GC-Bedingungen
Injektionsmodus	Splitlos
Injektionsvolumen	2 µL
Trägergas	He
Trägergaskontrolle	Konstante Geschwindigkeit (44,5 cm/s)
Säulentemperatur	80 °C (2 min) → 20 °C/min → 180 °C → 5 °C/min → 300 °C (3 min)
	MS-Bedingungen
Quellentemperatur Ionen	230 °C
Schnittstellentemperatur	250 °C
Datenerfassungsmodus	SIM

Tabelle 1: Analysebedingungen

Abbildung 2: Integration mit Peakintelligence für GCMS in Labsolutions Insight Software

Peakintelligence for GCMS

Die Multianalyt-Quantifizierungssoftware LabSolutions Insight wurde für die Datenanalyse genutzt, und Peakintelligence wurde als Algorithmus für die Peak-Wellenformverarbeitung verwendet. Peakintelligence ist ein neuer KI-Algorithmus für die Peak-Integration, der maschinelles Lernen nutzt, um die Peak-Integration erfahrener Bediener zu simulieren. Bei der Peak-Integration mit Peakintelligence müssen die Parameter nicht vom Bediener eingestellt werden, und es können Peak-Integrationsergebnisse erzielt werden, die denen von erfahrenen Bedienern entsprechen (Abbildung 2).

Ergebnisse der quantitativen Analyse

In Abbildung 3 sind die SIM-Chromatogramme bei 0,005 mg/l und die Kalibrierungskurven von repräsentativen Pestiziden dargestellt.
Selbst bei dieser niedrigen Konzentration wurden mit dem GCMS-QP2050 eine ausreichende Empfindlichkeit und eine zufriedenstellende Linearität der Kalibrierkurven erreicht. In Tabelle 2 ist die Wiederholgenauigkeit (%RSA, n = 5) des Flächenverhältnisses der untersuchten Pestizide in dieser Analyse dargestellt. Für die Wiederholgenauigkeit aller Verbindungen wurden gute Ergebnisse mit einer Toleranz von 5 % erzielt.

Komponenten	%RSD	Komponenten	%RSD	Komponenten	%RSD	Komponenten	%RSD	Komponenten	%RSD	Komponenten	%RSD
Dichlorvos (DDVP)	1,8	Tolclofos-methyl Oxon	1,8	Esprocarb	2,3	Captan	2,3	Buprofezin	2,1	Indanofan	2,7
Dichlobenil (DBN)	1,5	Benfuresate	0,8	Malathon (Malathion)	2,4	Dimepiperate	1,8	Isoxathion	2,1	Bifenox	1,7
Etridiazole (Echlomezol)	2,4	Fenitrothion Oxon	3,0	Chlorpyrifos Oxon	2,9	Procymidone	1,9	Cyproconazole	1,5	Anilofos	3,3
Trichlorfon (DEP)	3,3	Dichlofenthion (ECP)	2,3	Quinoclamine (ACN)	1,8	Butamifos Oxon	1,7	MPP Sulfoxide	2,2	Orysastrobin	2,5
Chloroneb	1,3	Propanil (DCPA)	2,8	Metolachlor	0,8	Triflumizole	2,4	(Z)-Pyriminobac-methyl	2,9	Furametpyr	2,6
Isoprocarb (MIPC)	2,0	Terbucarb (MBPMC)	1,0	Chlorpyrifos	2,9	Methidathion (DMTP)	3,2	Endosulfan β	2,0	(5Z)-Orysastrobin	2,9
Molinate	1,3	Metribuzin	2,8	Thiobencarb	1,3	Propaphos	2,0	MPP Sulfone	3,3	Iprodione Metabolite	2,5
Fenobucarb (BPMC)	1,6	Bromobutide	2,7	(Z)-Dimethylvinphos	1,6	Tetrachlorvinphos (CVMP)	3,6	Mepronil	2,5	Phosalone	2,3
Propoxur (PHC)	1,3	Chlorpyrifosmethyl	2,6	Cyanazine	2,0	Paclobutrazol	1,0	Chlornitrofen (CNP)	2,5	Pyriproxyfen	1,6
Trifluralin	3,2	Malaoxon	2,3	Fenthion (MPP)	2,0	Butachlor	1,9	Ediphenfos	1,9	Mefenacet	0,4
Benfluralin (Bethrodine)	3,2	Simeconazole	2,8	Chlorthal-dimethyl (TCTP)	1,3	Endosulfan α	1,9	Endosulfate	1,9	Cyhalofop-butyl	3,6
Cadusafos	2,5	Tolclofos-methyl	2,1	Isofenphos Oxon	3,3	Butamifos	2,7	Propiconazole -1	2,6	Pyraclofos	1,7
Pencycuron	1,7	Alachlor	1,9	Tetraconazole	2,7	Napropamide	0,6	(E)-Pyriminobac-methyl	2,6	Etobenzanid	1,3
Dimethoate	2,6	Simetryn	1,6	Fthalide	1,9	Flutolanil	2,6	Propiconazole -2	3,2	Cafenstrole	1,8
Simazine (CAT)	2,9	Ametryn	2,4	Fosthiazate -1	2,8	(E)-Metominostrobin	1,9	EPN Oxon	2,8	Boscalid	2,1
Atrazine	1,8	Metalaxyl	1,7	Fosthiazate -2	1,9	Prothiofos	1,8	Thenylchlor	3,3	Etofenprox	1,0
Diazinon Oxon	2,7	Prometryn	2,6	Thiamethoxam	2,6	Isoprothiolane (IPT)	1,4	Tebuconazole	0,8	Thiacloprid	1,2
Cyanophos (CYAP)	2,4	Cinmethylin	2,5	Pendimethalin	2,3	Isoxathion Oxon	2,5	Pyributicarb	1,7	Difenoconazole-1	2,6
Propyzamide	1,8	MPP Oxon	3,4	Cyprodinil	2,1	Pretilachlor	1,7	Acetamiprid	1,7	Difenoconazole-2	2,4
Diazinon	1,7	Dithiopyr	1,2	Dimethametryn	2,7	Uniconazole-P	2,0	Pyridaphenthion	2,0	Pyrazoxyfen	3,4
Pyroquilon	2,0	Pirimiphos-methyl	2,4	Isofenphos	1,8	MPP Oxon Sulfoxide	2,0	Iprodione	2,2
Chlorothalonil (TPN)	1,8	Fenitrothion (MEP)	2,3	Methyldymron	1,5	Thifluzamide	3,4	EPN	2,8
Disulfoton (Ethylthiomethon)	4,4	Bromacil	2,8	Prothiofos Oxon	1,7	MPP Oxon Sulfone	1,9	Cumyluron	2,9
Iprobenfos (IBP)	3,3	(E)-Dimethylvinphos	2,6	Phenthoate (PAP)	2,1	CNP-amino	2,4	Piperophos	2,2

Tabelle 2: Wiederholgenauigkeit des Flächenverhältnisses (%RSA, n = 5)

Abbildung 3: SIM-Chromatogramme bei 0,005 mg/l und die Kalibrierungskurven von repräsentativen Pestiziden

Peak-Integration mit Peakintelligence for GCMS

Die Ergebnisse der Peak-Integration mit der KI-basierten Software Peakintelligence for GCMS und der herkömmlichen Peak-Integration mit Shimadzu Chromatopac wurden verglichen (Abbildung 4). Bei der herkömmlichen Peak-Integration kam es vor, dass die Integration nicht korrekt war, beispielsweise im Bereich niedriger Konzentrationen und bei kleinen angrenzenden Peaks. Im Gegensatz dazu war eine korrekte Peak-Integration mit Peakintelligence selbst bei diesen Chromatogrammen möglich. Die Peak-Integration mit Peakintelligence reduziert also nicht nur den Zeitaufwand für die Korrektur der Peak-Integration, sondern ermöglicht auch höchst zuverlässige quantitative Analyseergebnisse durch die Vermeidung individueller Unterschiede zwischen den Bedienern.

Ausgezeichnete Ergebnisse dank hervorragender Empfindlichkeit und Peakintelligence

Mit dem Einstiegsmodell GCMS-QP2050 wurden bei einer simultanen Mehrkomponentenanalyse von Pestiziden in Wasser eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine sehr hohe quantitative Analysegenauigkeit erzielt. Die Peak-Integration lieferte hochpräzise Ergebnisse, wobei die Verarbeitungszeit durch den Einsatz der KI-basierten Software Peakintelligence for GCMS erheblich reduziert werden konnte. Außerdem ist das GCMS-QP2050 äußerst leistungsfähig, wenn Wasserstoff als Trägerstoff verwendet wird. In diesem Fall empfiehlt sich die Wahl einer Turbomolekularpumpe (TMP), die eine höhere Evakuierungsrate ermöglicht. Das GCMS-QP2050 mit seiner überragenden Leistung bei der gleichzeitigen Analyse mehrerer Komponenten und seiner höheren Effizienz trägt dazu bei, Pestizide im Wasser zu identifizieren. So entsteht eine Grundlage für dessen Reinigung und letztendlich für eine sauberere und sicherere Umwelt.