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Fresenius Z. Anal. Chem. 298, 337-348 (1979) Fresenius Zeitschrift fiir

�9 by Springer-Verlag 1979

Einsatzmiiglichkeiten der Massenspektrometrie bei der Uberwachung von Lebensmitteln und Bedarfsgegenst inden. II*

Dieter Jahr 1 ** und Peter Binnemann 2

1 Landesnntersuchungsamt fiir das Gesundheitswesen Siidbayern, Fachbereich Chemie, Lothstr. 21, D-8000 M/inchen 40 2 Chemische Landesuntersuchungsanstalt Offenburg, Gerberstr. 24, D-7600 Offenburg

Application of Mass Spectrometry in the Control of Food and Consumer Articles. II

Summary. A review is given on the numerous possibi- lities of applying mass spectrometry in the control of food and consumer articles. In part I the investigation of essential components of food and food additives has been discussed. Now in part II, the mass spectral analysis of the most important contaminants and hazardous pollutants in food and the investigation of some consumer articles is reviewed.

Zusammenfassung. Es wird ein l~)berblick fiber die Vielzahl der Anwendungsm6glichkeiten massenspek- trometrischer Analysenverfahren im Bereich der Ober- wachung yon Lebensmitteln und Bedarfsgegenst~inden gegeben. Nachdem in Teil I auf die Untersuchung wichtiger Lebensmittelbestandteile und Zusatzstoffe eingegangen wurde, wird nun die massenspektrometri- sche Analytik der wichtigsten Verunreinigungen und Schadstoffe in Lebensmitteln und die Untersuehung von Bedarfsgegenst~inden dargestellt.

Key words: Untersuchung yon Lebensmitteln, Bedarfs- gegenstfinden; Massenspektrometrie; Verunreinigun- gen, Schadstoffe, l~berblick

5. 3 Verunreinigungen und Schadstoffe in Lebensmitteln

Wfihrend der letzten 20 Jahre wurden in Lebensmitteln eine Reihe gesundheitlich geffihrlicher oder bedenkli- cher Verunreinigungen und Schadstoffe entdeckt. Mit

* I. Mitteilung: Fresenius Z. Anal. Chem. 297, 341 (1979) ** Korrespondenz-Anschrift 3 Numerierung im Anschluf3 an Teil I

der Untersuchung auf derartige Substanzen erwuchsen dem Lebensmittelchemiker neue, aber auch oft mfihsa- me Aufgaben. Mtihsam deshalb, da diese Stoffe in Spuren von I ppm oder gar 1 ppb im komplexen Naturstoffgemisch eines Lebensmittels quantitativ nachzuweisen sind. Dabei treten hfiufig Schwierigkei- ten durch St6rsubstanzen aus Lebensmitteln oder ver- wendeten Reagentien auf, so dab gerade in der Spuren- analytik der Einsatz der Massenspektrometrie beson- ders lohnend ist. Das wichtigste Werkzeug ist dabei die Massenfragmentographie, die eine Empfindlichkeits- steigerung in den Bereich von 1 0 - 100 pg (10 12 g) und damit in den Bereich z.B. des Elektroneneinfang- detektors gestattet. Zum Nachweis im fiul3ersten Spu- renbereich kann dabei allerdings eine Anreicherung der Mel316sung unter Verwendung eigens entwickelter Konzentrierungsverfahren notwendig sein [1, 2].

5.1. Pesticide und polychlorierte Umweltchemikalien

Nach langer unbedenklicher Anwendung yon Pestici- den und einigen anderen Chlorkohlenwasserstoffen erkannte man in den letzten Jahren auf Grund verfei- nerter Analysenmethoden die ubiquitS.re Verbreitung dieser Stoffe und deren Gefahr ffir Mensch und Um- welt. Beim Menschen, der am Ende der Nahrungskette steht, wurde eine bedenkliche Anreicherung an Pestici- den [3, 4], aber auch an Polychlorbiphenylen (PCB's) und Polychlorterphenylen (PCT's) festgestellt [3-8] . Wtirde man z. B. an Humanmilch die gleichen Anforde- rungen stellen, wie sie nach einschlfigigen Rechtsver- ordnungen an Kuhmilch zu stellen sind, so w/ire sie in der Regel als >>nicht zum Verzehr geeignet<< zu beurtei- len [ 3 - 5]. Untersuchungen in Bayern ergaben durch- schnittliche 13berschreitungen des vonder Weltgesund- heitsorganisation vorgeschlagen ADI-Wertes (t/ig- lich zumutbare H6chstdosis) bei Humanmilch um alas Ffinffache [4].

0016-1152/79/0298/0337/$02.40

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Tabelle 1. Literaturzusammenstellung fiber massenspektrometrische Untersuchungen yon Pesticiden und polychlorierten Umweltchemikalien

Verbindungsklassen Lite- Beschreibung yon ratur

Massen- GC-MS-Kopplung Massen- spektren fragmento-

Gep. Capillar- graphie S/iulen s/iulen

1. Pesticide

1.1. Sammlung aller wichtigen Pesticide

1.2. Chlorkohlenwasserstoffe 1.2A. Diphenylderivate

1.2.2. Polycyclische mit Brtickenbindung

1.2.3. Aromaten

1.2.4. Cyclohexanderivate

1.3. Org. Phosphorverbindungen

1.4 Triazine

1,5. Carbamate 1.5.1. N-Alkylcarbamate

1.5.2. N-Arylcarbamate

1.5.3. N-Acetyl-O-Arylcarbamate 1.5.4. Thio- und Dithiocarbamate

1.6. Nitroaniline

1.7 Harnstoffverbindmagen

[271 + [28] + + + +

[15] + + ~291 + + [3o] + [311 + [32] + [33] + [291 + + [32] + {341 + [351 4- + [32] + [36] + [37] + + [38] + [29] + + [321 + [331 +

[30] [33] [39] [401 [4111 [42]

[30] [43] [44] [45]

[46] [47] [48] [49] [46] [481 [49] [501 [48] [51] [52] [53] [54]

[55] [56]

[48] [57] [58] I59]

4. 4-

4-

+ 4-

4,

+

4.

+ 4-

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Tabelle 1. (Fortsetzung)

Verbindungsklassen Lite- ratur

2. PCB's

3. PCT's

4. PCN's

Beschreibung von

Massen- GC-MS-Kopplung spektren

Gep. Capillar- SS.ulen s~iulen

[601 + [61] + + [62] + + [631 + [64] + [65] + [66] + [671 + +

[71 + + [61] + + [68] + +

[61] + + [69] + +

Massen- fragmento- graphie

+

+

Zum Nachweis von Pesticiden wird heute im allge- meinen die Gas-Chromatographie herangezogen. Die Gas-Chromatographie stellt jedoch prim/Jr ein Trenn- verfahren dar und nur bedingt - auch in Verbindung mit spezifischen Detektoren - ein Identifizierungsver- fahren [9]. Fehlinterpretationen sind durchaus m6glich, da die Trennleistung gepackter S~ulen begrenzt ist und spezifische Detektoren durchaus nicht so spezifisch sind, wie oft ffilschlicherweise geglaubt wird. Zum Beispiel reagiert der Elektroneneinfangdetektor (ECD) zwar besonders empfindlich auf Chlorkohlenwasser- stoffe, zeigt aber insgesamt alle Stoffe mit hoher Elektronenaffinitfit an [10]. So treten bei der Pesticid- analytik pflanzlicher Lebensmittel bei Verwendung des ECD St6rungen durch Pflanzeninhaltsstoffe auf, z.B. bei der M6hre, dem Pfirsich oder verschiedenen A1- lium-Arten [11].

Es werden aber auch St6rpeaks beschrieben, die auf Weichmacher, wie z.B. auf das aus Polyvinylacetat stammende Dibutylphthalat, zurtickzuffihren sind [11, 12]. Derartige Weichmacher werden aber nicht selten auch fiber Reagentien, Spfilmittel u. a. eingeschleppt [12].

Bei tierischen Lebensmitteln, insbesondere bei Fi- schen, ist bei der gas-chromatographischen Rfick- standsanalyse unter Verwendung des ECD mit Uberla- gerungen der Chlorkohlenwasserstoff-Pesticide durch andere halogenhaltige Stoffe zu rechnen. So wird h/iufig fiber St/Srungen durch PCB's beim Nachweis von DDE aber auch z.B. von Mirex berichtet [13-19]. Diese IJberlagerungen lassen sich zwar beseitigen durch zu- sfitzliche sfiulen-chromatographische Abtrennungen [15, 20, 21], Verwendung spezieller Detektoren [22] oder

chemische Umwandlung in besser zu trennende Stoffe [23, 24], doch sind solche Mal3nahmen mit zusfitzlichem Aufwand, aber auch mit Ungenauigkeiten [25, 26] und Substanzverlusten verbunden. Dagegen ist durch Ein- satz der Massenspektrometrie in Verbindung mit der Gas-Chromatographie eine einwandfreie Identifizie- rung der Pesticide bzw. PCB's m6glich.

Neben empfehlenswerten umfassenden Sammlun- gen yon Massenspektren der Pesticide [27, 28] gibt es zahlreiche detaillierte Einzelpublikationen fiber mas- senspektrometrische Untersuchungen yon Pesticiden sowie von PCB's, PCT's und PCN's (Polychlornaph- thaline), wie aus der Zusammenstellung in Tabelle 1 hervorgeht.

Die Anwendung der Massenfragmentographie ge- stattet die Simultanbestimmung yon PCB's und Pestici- den. Besonders gute Ergebnisse lassen sich hierbei durch Verwendung von Glascapillaren erzielen. In der rechten Spalte von Tabelle 2 ist am Beispiel einiger h/iufig vorkommenden Chlorkohlenwasserstoffe dar- gestellt, welche Ionen sich nach unserer Erfahrung und nach Angaben in der Literatur [64] besonders gut f~r einen st6rungsfreien Nachweis eignen.

Durch massenspektrometrische Bestimmung von PCB's erh/ilt man Informationen fiber deren Chlorie- rungsgrad. Dadurch ist z.B. eine sonst sehr schwierige Bestimmung von mehreren, gleichzeitig vorliegenden PCB-Gemischen mit verschiedenem Chlorgehalt m6g- lich. Derartige PCB-Gemische kommen zuweilen bei Fischen vor.

Darfiber hinaus sind Informationen fiber den Chlo- rierungsgrad auch deshalb erwtinscht, da einerseits

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Tabelle 2. Massenfragmentographie einiger Chlorkohlenwasserstoff- Pesticide neben PCB's

Verbindung Geeignetes Ion bei m/e

c~-,/3-, 7-HCH 219 HCB 284 Heptachlorepoxid 353 o,p'- u. p,p'-DDT 235 o,p'- u. p,p'-DDD 235 o,p'- u. p,p'-DDE 246 Aldrin 263 Dieldrin 263 Endrin 263 c~- u. 7-Chlordan 373

PCB mit 2 Chlor 222 PCB mit 3 Chlor 256 PCB mit 4 Chlor 292 PCB mit 5 Chlor 326 PCB mit 6 Chlor 360 PCB mit 7 Chlor 394 PCB mit 8 Chlor 430

(181,217) (249)

(279)

( ) = Bei St6rungen durch PCB's oder andere Pesticide kann auf die in Klammern angegebenen Ionen ausgewichen werden.

mit zunehmendem Chlorgehalt die Persistenz und damit die chronische Toxicitfit dieser Verbindungen zunimmt [70-72], andererseits solche Unterscheidun- gen auch rechtserheblich bei der Beurteilung z.B. von Verpackungsmaterial sein k6nnen (s. Abschn. 6).

Manche PCB's [70 - 73] und Pesticide [74- 77] sind mit hochtoxischen Polychlordibenzofuranen und Po- lychlordibenzodioxinen verunreinigt. Dabei ist beson- ders die Verbindung 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-di- oxin, die u.a. bei der Synthese der Pesticide Hexachlo- rophen und 2,4,5-Trichlorophenoxyessigs/iure entsteht, durch das Explosionsunglfick und die damit verbunde- ne Verseuchung in Seveso/Oberitalien bekannt gewor- den. Darfiber hinaus bestehen Pesticide, wie z. B. Toxa- phen oder Chlordan aus mehreren Komponenten oder enthalten zahlreiche Synthesenebenprodukte. Der ein- wandfreie Nachweis derartiger Verunreinigungen oder giftigen Begleitstoffe ist nut mittels GC-MS-Kopplung m6glich. Die Anwendung der Massenspektrometrie ist dabei sowohl beim Nachweis der o.g. ~iuBerst giftigen Begleitstoffe [73- 79] als auch bei der Identifizierung von Nebenbestandteilen bei Pesticiden [35] mehrfach beschrieben worden, wobei auch die Trennung mittels Glascapillaren [79 - 82] und die Massenfragmentogra- phie [76, 77, 79, 80] bereits angewandt worden ist.

Neben Pesticiden und PCB's kommen als chlorhal- tige, toxische Umweltkontaminenten auch sog. PCT's [7, 8, 83] und PCN's [73] vor. Bei diesen Stoffen handelt es sich wie bei den PCB's um technische Produkte mit einer groBen Zahl von Einzelkomponenten. Zum ein- wandfreien Nachweis ist auch bei diesen Stoffen die

GC-MS-Kopplung (s. Tabelle 1) die Methode der Wahl, da einerseits bei Verwendung der Gas-Chroma- tographie und des ECD mit Uberlagerungen durch andere Stoffe gerechnet werden mug [69, 84], anderer- seits sich dutch Metabolisierung die ursprtingliche Zusammensetzung/indern kann, so dab ein Vergleich mit einem Handelsprfiparat fragwtirdig wird [85].

5.2. Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe

Die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe finden wegen ihrer zum Teil cancerogenen Wirkung und wegen der ubiquit~iren Verbreitung ein groBes Interesse in Umweltforschung und Umweltschutz. Die Analytik der weit fiber hundert Einzelverbindungen dieser Gruppe, die in den Extrakten aus Luftfiltern und Abwfissern gefunden werden, ist schwierig und aufwen- dig. Sie ist nur mit hochwirksamen Trenn- und Nach- weismethoden wie der Kombination Capillar-Gas- Chromatographie / Massenspektrometrie / Datenverar- beitungssystem befriedigend zu 16sen [86- 89]. Bei Le- bensmitteln sind polycyclische aromatische Kohlen- wasserstoffe vor allem in ger/iucherten und gegrillten Fleischwaren und Fischen, Rfiucherkfise, flfissigen Rauchkonzentraten, Rauchgewfirzen u. ft. zu erwarten. In den entsprechenden gesetzlichen Verordnungen [90, 91] ist f/Jr das Benz(a)pyren (3,4-Benzpyren) als Leit- substanz und typischer Vertreter der polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe eine H6chstmenge von 1 ~g/kg (1 ppb) festgelegt. F/Jr die Uberwachung ist also die analytische Erfassung dieses Stoffes vorran- gig gegentiber einer Profilanalyse aller polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe [92-94].

Neben den Methoden der Fluorescenz- oder UV- Spektrometrie nach dfinnschicht- oder hochdruckflfis- sig-chromatographischer Auftrennung und der Gas- Chromatographie bietet die Massenfragmentographie im Hinblick auf Nachweisempfindlichkeit und -sicher- heir deutliche Vorteile. Da in den Verordnungen aus- drficklich nur das cancerogene Benz(a)pyren angege- ben ist, mfissen die beiden Isomeren Benz(a)pyren und Benz(e)pyren analytisch getrennt erfaBt werden. Ffir GC-MS-Analyse gibt es in diesem Falle zwei M6glich- keiten: Entweder man bestimmt die gas-chromatogra- phisch ungetrennten Isomeren massenspektrometrisch dutch Ausmessen von Ionen, die sich bei den Isomeren in ihren relativen Intensit/iten unterscheiden [95], oder man trennt die beiden Isomeren gas-chromatogra- phisch auf und bestimmt sie einzeln mittels Massen- fragmentographie. Eine gas-chromatographische Tren- nung ist m6glich mit bestimmten /iuBerst selektiven Hochtemperatur-Flfissigkristallen als stationfirer Pha- se [96], mit gepackten Hochleistungssfiulen auf der Basis konventioneller Silicon-Phasen [92] oder mit Diinnfilm-Glascapillaren [93].

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Bei geeigneter Vorbehandlung der Lebensmittel- extrakte und Beschr/inkung auf den qualitativen Spu- rennachweis von Benz(a)pyren lfigt sich auch die Massenspektrometrie mit Direkteinlal3 verwenden. Auf diese Weise wurden in Fisch- und Muschelproben aus einem 61verseuchten Meeresgebiet Benz(a)pyren nachgewiesen [97].

5.3. Stqffe mit pharmakologischer Wirkung

Beim Nachweis von Rtickstfinden pbarmakologisch wirksamer Stoffe in Lebensmitteln ist grunds/itzlich eine enge Zusammenarbeit zwischen dem veterinfirme- dizinischen und dem chemisch-analytischen Sachver- st/indigen sinnvoll und wfinschenswert. Nnr so k6nnen die aufwendigen chemischen Bestimmungsmethoden gezielt eingesetzt werden.

5.3.1. Hormone als Masthilfsmittel

Die verbreitete Anwendung von Stoffen mit sexualhor- monaler und anaboler Wirkung als Masthilfsmittel stellt die Lebensmitteltiberwachung vor die Aufgabe, eventuelle Riickst/inde dieser Wirkstoffe in Fleisch, Leber und Niere sicher und mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen [98, 99]. Grunds/itzlich sind daftir biolo- gische, chemische und immunologische Methoden ein- setzbar. Der M/iuse-Uterus-Test, das bekannteste bio- logische Verfahren, ist von begrenzter Empfindlichkeit und weist nur eine 6strogene Wirkung nach. Anabolica mit geringer 6strogener Wirkung wie Zeranol und Trenbolon sind damit kaum erfal3bar. Aul3erdem kSn- nen Phyto6strogene wie die Isoflavone, die den Tieren dt~rch Granfutter und Klee zugef/ihrt werden, einen positiven Uternstest ergeben [100]. Der Radioimmu- noassay (RIA) zeigt dagegen eine unfibertroffene Nachweisempfindlichkeit. Jedoch gibt es noch grol3e Probleme mit der Spezifit/it [101, 102] und es ist ein entsprechend eingerichtetes radiochemisches Labor mit den zu berficksichtigenden beh6rdlichen Auflagen nach dem Strahlenschutzgesetz erforderlich,

Die chemischen Methoden gestatten es, die sexual- hormonal und anabol wirksamen Stoffe direkt nachzu- weisen, Bei der Reinigung der aus dem Lebensmittel gewonnenen Extrakte und bei der Bestimmung der Wirkstoffe kommen haupts/ichlich chromatographi- sche Methoden zur Anwendung, die yon Ryan zusam- menfassend dargestellt wnrden [103]. Ftir die Vielzahl der m6glichen Stoffe (Ostrogene, Androgene, Gestage- ne, Anabolica und Isoflavone), die bei einer vollstS_ndi- gen und grfindlichen Anatytik alle nebeneinander er- fagbar sein mtissen, hat GCmther einen umfassenden Trennungsgang entwickelt [104, 105]. Die einzelnen Stoffe werden dabei auf diinnschicht- und gas-chroma- tographischem Wege bestimmt.

Die Massenspektrometrie 1/il3t sich auf diesem Ge- biet in folgender Weise vorteilhaft einsetzen:

Gas-chromatographisch und dfinnschicht-chroma- tographisch gewonnene Befunde kSnnen durch Auf- nahme yon Massenspektren bestfitigt und abgesichert werden.

Durch massenfragmentarische Technik kann die Empfindlichkeit und die Nachweissicherheit im Ver- gleich zur Detektion mit dem Flammenionisationsde- tektor erheblich gesteigert werden.

Neu entwickelte, bisher noch wenig bekannte oder angewandte Wirkstoffe k6nnen identifiziert und be- stimmt werden.

Metaboliten, die Mufig in gr613erer Menge auftre- ten, als die R/ickst/inde des angewandten Wirkstoffs, k6nnen erfagt werden [106, 107].

Die GC-MS-Untersuchung von Steroidhormonen ist ein vor allem auf dem Gebiet der klinischen Chemie /ibliches und ausgereiftes Verfahren [108- 117]. Da in Lebensmittelextrakten u. U. eine grol3e Zahl von natfir- lichen und synthetischen Hormonen auftreten kann, ist eine Hochleistungs-Gas-Chromatographie mit Glasca- pillars/iulen sehr yon Nutzen [118-123]. Bei Verwen- dung yon Glascapillar-GC kann man auf die in dem oben erw/ihnten Trennungsgang [104] vorgesehene Gruppentrennung in Ostrogene und Androgene ver- zichten. Aul3erdem wirkt sich die hohe Trennleistung und die schmale Peakform der Capillar-GC sehr vor- teilhaft auf die Nachweisempfindlichkeit und die Quail- t/it der Massenspektren aus, wobei ein geeignetes Interface fiir die GC-MS-Kopplnng Voraussetzung ist [124].

Ftir die Oas-Chromatographie der Steroide und StiIbene ist in tier Regel eine Derivatisierung, z.B. eine Trimethylsilylierung, erforderlich. Bei der GC-MS- Untersuchung insbesondere mit massenfragmentogra- phischen Techniken sind die tert.-Butyldimethylsilyl- ether als Derivate besonders vorteilhaft, wegen der vor- herrschenden Bildung von (M-57)-Ionen [125-127].

Neben umfassenden Trennungsg/ingen werden in der Literatur auch massenspektrometrische Bestim- mungsverfahren ftir einzelne oder Gruppen von Wirk- stoffen angegeben. So lassen sich Ostrogene mit pheno- lischen Hydroxylgruppen wie DiethylstilbSstrol (DES), Dien6strol, HexSstrol u~d ()stradiol als Trimethylsilyl- ether mit ionenspezifischem Nachweis bestimmen [128]. DES wurde auch als Dichloracetat mit einer massenspektrometrischen Scantechnik gemessen [129].

Die Stilbenderivate, die eventuell im Harn von Schlachttieren vorkommen, sind nach geltender Ver- ordnung [1301 in dansylierter Form d~innschicht-chro- matographisch nachzuweisen. Nach DC-MS-Transfer [131] lassen sich diese Derivate zum Zweck der Absiche- rung massenspektrometrisch identifizieren [132]. Zera- nol kann als Trimethylsilylether ebenfalls mit GC-MS-

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Technik bestimmt werden [103]. Ffir die TMS-Derivate von Ostradiol und Testosteron wurde ein massenfrag- mentographisches Verfahren mit hoher MS-Auflfsung angegeben [133]. Progesteron in Milch lfil3t sich nach DC- und GC-Vortrennung mit hoher Spezifit/it mas- senspektrometrisch nachweisen [134].

In diesem Zusammenhang ist auch das Verfahren der massenspektrometrischen Isotopenverd/innungs- analyse zu nennen. (Diese Methode wurde bereits in Tell I, Abschnitt 3.3. erlfiutert.) Auf diesem Weg wurde beispielsweise Ostradiol und C)striol [135], Testosteron [110] und 5c~-Androst-16-en-3-on [136] bestimmt.

5.3.2. Antibiotica

F fir die Uberprfifung von Lebensmitteln tierischen Ursprungs, insbesondere yon Milch, auf Rfickstfinde von Antibiotica ist der biologische Hemmstofftest eine welt verbreitete und einfache Methode. In Einzelf/illen, insbesondere bei Verdacht auf StSrungen des Hemm- stofftests durch Futtermittelzusfitze, kann es von Inter- esse sein, den chemischen Nachweis zu ffihren mit dem Ziel der Identifizierung und Bestimmung des ange- wandten Antibioticums.

Daf/ir stehen vor allem dfinnschicht-chromatogra- phische [ 137-145] und gas-chromatographische [146- 153] Methoden zur Verffigung [154]. Auch die Hoch- druckfliissig-Chromatographie wurde eingesetzt [155]. Eine Absicherung der Ergebnisse dutch Massenspek~ trometrie ist dabei h~iufig mfglich. Rinehart und van Lear [1561 geben eine Zusammenfassung der massen- spektrometrischen Eigenschaften der Antibiotica. Ffir die Rfickstfinde von Chloramphenicol und Isoxazolyl- penicillinen in Milch wurde ein GC-MS-Bestimmungs- verfahren angegeben [157, 158].

5.4. Nitrosamine

Seit 1964 erstmalig Dimethylnitrosamin in Nitrit-be- handeltem Fischmehl als Ursache ffir Vergiftungser- scheinungen bei Haustieren erkannt wurde [159], setzte eine intensive Suche nach Nitrosaminen in Lebensmit- teln ein, wobei man sich aus anafytischen Gr(inden zungchst auf die fltichtigen Nitrosamine beschr/inkte. Das Auftreten der stark cancerogenen Nitrosamine ist im Prinzip immer dann zu erwarten, wenn im Lebens- mittel vorhandene sekundfire Amine (Fleisch, Fisch, K/ise) mit NO-Gruppen-haltigen Verbindungen wie Restnitrit aus dem Pfkelprozet3 oder Nitrosylverbin- dungen aus dem Rgucherrauch unter geeigneten Reak- tionsbedingungen in Kontakt treten k6nnen.

Die frfiher publizierten Ergebnisse fiber Nitros- amingehalte in Lebensmitteln wurden mit nicht genii- gend spezifischen Detektionsmethoden erzielt und fiihrten wegen der Anwesenheit zahlreicher stfrender Begleitstoffe h/iufig zu falschen positiven Befunden. Als

nicht genfigend spezifisch erwiesen sich dabei Dtinn- schicht-Chro matographie, Colorimetrie, Polaro- graphie und selbst die Gas-Chromatographie mit stick- stoffspezifischen Detektoren.

Seit 1971 besteht deshalb die internationale Uber- einkunft, dab alle positiven Nitrosamin-Befunde durch kombinierte Gas-Chromatographie/Massenspektro- mettle mOglichst bei hoher Auflgsung des Massen- spektrome/ers abgesichert werden sollten. Die hoch- auflfsende Massenspektrometrie wurde deshalb empfohlen, da kaum Stfrungen durch Begleitsubstan- zen auftreten kfnnen. Dabei kann man entweder das Ion NO + bei einer Auflfsung yon 15000 zur Re- gistrierung heranziehen [160-162] oder man kann die Messung mit etwas hfherer Empfindlichkeit fiber die Molekfilionen bei einer Aufl6sung von 7000-12000 unter Verwendung der Peakmatch-Tech- nik [163-168] durchffihren. Diese Methode liefert die sichersten Ergebnisse in der Nitrosaminanalytik [169].

Der Einsatz yon hochauflfsenden Massenspektro- metern fibersteigt im allgemeinen die Mfglichkeiten der Untersuchungsfimter. Inwieweit 1N3t sich deshalb der Nachweis yon Nitrosaminen auch mit einfachfokussie- renden Massenspektrometern durchffihren und wel- chef Art sind die hierbei auftretenden analytischen Schwierigkeiten ?

Eine Schwierigkeit ist, dab Lebensmittelextrakte ffir die Nitrosaminbestimmung selbst nach grfindlicher Vorreinigung noch potentMle Stfrsubstanzen enthal- ten. Eine andere Schwierigkeit besteht darin, dab die flfichtigen Nitrosamine relativ niedrige Molekfil- und Fragmentmassen haben. Die Massenfragmentographie ist aber bei solch leichten Ionen erheblich stfranffilliger als bei schweren Ionen. Aul3erdem arbeiten alle Trfiger- gas-Separatoren, die auf dem Diffusionsprinzip beru- hen, wie z.B. der Biemann-Watson-Separator, der Spaltseparator oder der Jet-Separator bei leichten Molekfilmassen mit schlechtem Wirkungsgrad. Gfin- stiger sind ffir diesen Anwendungsbereich der Mem- branseparator [163-166] oder die direktgekoppelte Capillar-GC-MS [170, 171].

Zur direkten Nitrosaminbestimmung am einfachfo- kussierenden Massenspektrometer mug die gas-chro- matographische Trennung mit Capillarsfiulen und die Massenfragmentographie mit einer MS-Auflfsung von etwa 4000 durchgeffihrt werden [172-177]. Die letzte Forderung halten wir aus Grgnden der Justierungssta- bilit~it und Empfindlichkeit ftir problematisch. F/it die Massenfragmentographie mit einer MS-Aufl6sung yon Nitrosaminen intensiv ausgeprfigten Molekiilionen, das Ion NO + und einige weitere charakteristische Fragmente [178-191].

Unter den Derivatisierungsverfahren f/it Nitros- amine ist eine Methode hervorzuheben, bei der die Nitrosamine nach Denitrosierung in die Heptafluor-

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butters~iureamide fiberffihrt werden und als solche massenfragmentographisch fiber das Ion C3F~- (m/e 169) bestimmt werden [192]. Nach diesem Verfahren gewonnene Lebensmittelextrakte sind sehr sauber und lassen sich gut bei niedriger MS-Aufl6sung vermessen. Nachteilig ist die unvermeidliche Einschleppung von sekundfiren Aminen w~ihrend der zeitaufwendigen Auf- arbeitung.

Bei den Nitrosaminen handelt es sich um hoch- cancerogene Stoffe. Es ist deshalb wtinschenswert, so wenig wie m6glich mit diesen Verbindungen umgehen zu m/~ssen. In der Tat l~if3t sich die Feineinstellung des Massenspektrometers auf die Molekfilionen der Nitrosamine auch mit ungiftigen isomeren durchffih- ten [193].

Neben den Nitrosaminen wnrden auch ffir Nitroso- aminosS_uren [194] und Nitrosophenole [195] massen- spektrometrische Bestimmnngsverfahren angegeben. Diese Verbindungen sind vor allem deshalb yon Interesse, da sie u.U. zur Bildung yon Nitrosaminen beitragen k6nnen.

5.5. Mycotoxine

1960 wurde nach einem Massensterben von Haustieren das Gift des Schimmelpilzes Aspergillus flavus, Aflato- xin, entdeckt. Daraufhin setzte eine intensive Suche nach weiteren toxischen Stoffwechselprodukten aus verschiedenen Pilzarten, den sog. Mycotoxinen [196], in Lebensmitteln ein. Bei der Erforschung und Struktur- aufklfirung der Mycotoxine und ihrer Metaboliten spielt die Massenspektrometrie neben anderen spek- troskopischen Methoden eine wichtige Rolle [197, 198].

~n der Lebensmittelfiberwachung mfissen einige bekannte Toxine, wie z.B. die Gruppe der Aflatoxine, nachgewiesen und quantitativ erfaBt werden [199]. Dies geschieht in der Regel durch mehrdimensionale Dtinn- schicht-Chromatographie [200] oder durch Hoch- druck-flfissig-Chromatographie [201-203]. Bei posi- riven Befunden ist es empfehlenswert, eine Bestfitigung dutch die Massenspektrometrie anzuschliel3en.

Eine kombinierte GC-MS-Untersuchung ist nicht m6glich, da die Aflatoxine neben einer geringen F1/ich- tigkeit einen starken Zerfall an Metalloberflfichen und eine betr/ichtliche Adsorption auf Glas zeigen. Dage- gen ist die Aufnahme von Massenspektren aus eluierten d~nnschicht-chromatographischen Flecken m6glich [204]. Dabei ist auf St6rungen durch Begleitstoffe aug L6sungsmitteln und aus der Dfinnschichtplatte zu ach- ten. Auch hochdruckflfissig-chromatographisch iso- lierte Aflatoxin-Fraktionen lassen sich massenspektro- metrisch untersuchen [205]. Die Registrierung charak- teristischer Ionen der Aflatoxine bei h6herer Aufl6sung des Massenspektrometers wfihrend der Probenaufhei- zung kann die Nachweissicherheit noch erheblich stei-

gern [206]. Ktirzlich wurde an einigen Beispielen ge- zeigt, dab die sichere Identifizierung von Aflatoxin M1 in Milch und Milchprodukten nur durch zusfitzliche Massenspektrometrie m6glich ist [207].

F fir die Bestimmung yon Sterigmatocystin wurde ebenfalls ein massenspektrometrisches Verfahren mit Registrierung des Molek~lpeaks wfihrend der Proben- verdampfung angegeben [208]. Dieses Toxin lfiBt sich auch durch GC-MS-Technik mit Massenfragmento- graphie nachweisen [209], jedoch k6nnen auch hier Probleme durch Adsorption im GC-System auftreten. Ohne Schwierigkeiten lfil3t sich dagegen Patulin in trimethylsilylierter [210] oder acylierter [210] Form mit GC-MS-Technik und Massenfragmentographie be- stimmen. Die Methode wurde bei der Untersuchung yon Apfelsaft bzw. Apfelweinessig verwendet. Auch positive Befunde von Penicillinsfiure in Mais und Boh- nen wurden durch GC-MS-Untersuchung des entspre- chenden Trifluoracetats bestfitigt [212].

Weiterhin wurden die Toxine T-2 und HT-2 in Milch- und Maisproben durch Massenfragmentogra- phie der Trimethylsilylester bestimmt [213]. PR-Toxin wurde nach d/innschicht-chromatographischer Isotie- rung massenspektrometrisch nachgewiesen [214, 215]. Die Felddesorption-Massenspektrometrie der Mycoto- xine liefert besonders einfache Massenspektren mit intensiven Molek/ilionen und eignet sich daher auch f/Jr die Analyse von Gemischen aus mehreren Mycotoxi- hen [216]. Jedoch ist diese Technik nicht ffir die Routine geeignet.

5.6. Fliichtige organische Verunreinigungen in Trinkwas- s e t

Durch UnRille oder Fahrlfissigkeit gelangen immer wieder gr613ere Mengen von Mineral61, L6sungsmittel oder Chemikalien in die Umwelt. Geschieht dies im Einzugsbereich einer Trinkwassergewinnungsanlage, so besteht die Gefahr einer Trinkwasserverschmut- zung. Schon 1 mg ()1 in einem Liter Wasser (1 ppm) kann das Trinkwasser geschmacklich sehr beeintrfichti- gen. Manche Benzine und Chemikalien sind bereits in einer Verd~nnung von 1:109 bis 1:1012 (ppb-ppt) geruchlich wahrnehmbar [217, 218]. Daraus geht her- vor, dab f~r die Analytik dieser Verunreinigungen nut empfindliche Nachweismethoden sinnvoll sind und eine vorausgehende Anreicherung unumg/inglich ist.

Die Methode, nach der die organische Substanz im Wasser nach Extraktion mit einem kohlenwasserstoff- freien L6sungsmittel (Tetrachlorkohlenstoff) durch In- frarotabsorption bestimmt wird, hat den Nachteil, dab Rfickschltisse auf die Art der Verunreinigung nicht oder nur schwer m6glich sind [217]. Die gas-chromato- graphische Untersuchung hat dagegen den Vorteil, dab die verschiedenen flfichtigen Wasserkontaminanten ge-

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344 Fresenius Z. Anal. Chem., Band 298 (1979)

trennt registriert werden [219, 220]. Bei der Vielzahl der m6glichen Stoffe, die als Verunreinigungen in Frage kommen, ist aber die Identifizierung mit der Gas- chromatographie allein in der Regel nicht m6glich. Die Methode der Wahl ffir dieses Analysenproblem ist die kombinierte Gas-Chromatographie/Massenspektro- metrie. Eine Direkteinspritzung von Wasser in das GC- MS-System ist zwar mSglich, doch liegt die Nachweis- grenze hier bei 1 ppm im gfinstigsten Fall [221]. Dage- gen lassen sich bei Verwendung von geeigneten Anrei- cherungstechniken und Capillar-GC-MS Einzelstoffe in einer Verdfnnung yon 1 : 109 bis 1 : 1012 (ppb-ppt) nachweisen [222-229]. Beim Nachweis von bestimm- ten Verbindungen mit bekannten Massenspektren lfil3t sich durch Massenfragmentographie die Empfindlich- keit noch erheblich steigern.

Auf diese Weise wurden in Grundwasser, Leitungs- wasser und Oberfl~ichenwfissern u.a. Benzinkohlen- wasserstoffe, Tetrachlorethylen und Weichmacher als Umweltkontaminanten gefunden. Manche Kohlen- wasserstoffe, Terpene und Schwefelverbindungen sind dagegen natfrlichen Ursprungs [223, 228]. Auch der Ubergang von organischen Stoffen aus Kunststoffroh- ren auf Trinkwasser wurde mit der GC-MS-Methode untersucht [230].

Als Anreicherungstechni'ken werden insbesondere die Flfissig-flfissig-Extraktion [229], die Fltissig-fest- Adsorption auf Polymeren [224, 226, 230] und das Ausblasen der organischen Stoffe (gas phase stripping) mit hochreinem Trfigergas [222, 223, 225, 231] oder im geschlossenen Kreislauf (closed-loop-stripping [227- 229]) verwendet. Das Ausblasen der Wasserprobe bei Raumtemperatur hat natfrlich seine Grenze bei orga- nischen Stoffen mit zu hohem Molekulargewicht oder zu grol3er Polarit/it. Durch Erh6hung der Wassertem- peratur kann diese Grenze stark erweitert werden, wobei ein fliel3ender Ubergang zum Verfahren der Wasserdampfdestillation vorliegt [227, 232].

In diesem extremen Spurenbereich werden an die Sauberkeit und Inertheit der verwendeten Anreiche- rungs- und GC-MS-Systeme hohe Anforderungen ge- stellt. Auch die Reinheit der Tr~igergase und LSsungs- mittel mug durch geeignete Blindversuche hfiufig fiber- priift werden.

6. Bedarfsgegenst~inde, kosmetische Mittel und Tabakerzeugnisse

In diesem Anwendungsbereich ist weniger die hohe Nachweisempfindlichkeit der Massenspektrometrie als vielmehr ihre hervorragende Eignung zur Identifizie- rung von unbekannten Inhaltstoffen von Bedeutung. Das Spektrum der Bedarfsgegenst~inde ist sehr vielf~il- tig und unterschiedlich. Es k6nnen deshalb nur einige

Beispiele aus einer breiten Palette von Anwendungs- m6glichkeiten herausgegriffen werden.

Die Massenspektrometrie kann z. B. bei der Analyse yon Antibeschlagmitteln ffir Brillen (Trikresylphos- phat [233]), Fensterreinigungsmitteln, Flammschutz- mitteln (bromierte Biphenyle [234-237]), Holzimprfi- gnierungsmitteln (Pentachlorphenol), Insektenstrips (Dichlorphos), Poliermitteln und Fteckenentfernern eingesetzt werden. Bei Scherzartikeln und Spielwaren wie Trfinengas-Ampullen, Niespulver (o-Dianisidin), Luminescenz-Leuchten, Plastik-Klebern u.a. wurde diese Methode von uns bereits angewandt. Besonders empfehlenswert ist die GC-MS-Technik jedoch bei der Untersuchung yon Sprays aller Art (Schuhpflege, Luft- verbesserung [238], Haarfestigung u. a.) mit ihren vielen Wirkstoffen, LSsungsmitteln und Treibgasen.

Bei Verpackungsmaterial von Lebensmitteln aus Kunststoff, Pappe oder Papier wurden in den letzten Jahren gesundheitlich bedenkliche Stoffe aufgefunden, die auf Lebensmittel fibergehen k6nnen (Migration). So wurden z.B. in Pappe und Papier polychlorierte Biphenyle [239- 244] und Terphenyle [245, 246] nach- gewiesen. Das Bundesgesundheitsamt begrenzte des- halb in einer Empfehlung [247] die HSchstmengen an PCB in Packstoffen, wobei der Grenzwert f~r die h6her chlorierten und toxischeren Komponenten niedriger angesetzt worden ist. Der deshalb zu berfcksichtigende Chlorierungsgrad 1N3t sich besonders gut mit massen- fragmentographischen Methoden bestimmen (Ab- schnitt 5.1.). Auch der Nachweis von Restmonomeren wie Vinylchlorid [248-250] Vinylidenchlorid [251] und Styrol [252] in Kunststoffverpackungen lfil3t sich gut auf massenfragmentographischem Weg durchffhren.

Darfiber hinaus ist bei der Untersuchung und Klas- sifizierung von Kunststoffen auch die Kombination Pyrolyse-Gas-Chromatographie/Massenspektrometrie [253 - 257] ein wertvolles Hilfsmittel. Neben der Hoch- temperaturpyrolyse sehr kleiner Probenmengen ist eine Technik hervorzuheben, bei der die flfichtigen Kompo- nenten des Kunststoffs bei mittlerer Temperatur analy- siert werden [258]. Diese niedermolekularen Kunst- stoffbestandteile wie Weichmacher, Antioxidantien, Stabilisatoren und LSsungsmittel sind ja gerade ffir die fJberwachung von besonderem Interesse.

Die kiirzlich erlassene Kosmetik-Verordnung [259] nennt eine grol3e Zahl von Stoffen, die nicht oder nur beschrfinkt zugelassen sind. Das stellt die Uberwa- chung vor neue grol3e anatytische Aufgaben, bei denen auch die Massenspektrometrie hilfreich eingesetzt wer- den kann. Ist bei der Analyse von Vielstoffgemischen wie Parffms die GC-MS-Technik unentbehrlich [260], so ist sie bei der Untersuchung von Deodorantien (Bactericide), Nagellackentfernern (LSsungsmittel) und Zahnpasten (Chloroform, Alkohol) zumindest yon grogem Nutzen. Auch die Identifizierung von Polyme-

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D. Jahr und P. Binnemann: Massenspektrometrie bei der {)berwachung yon Lebensmitteln lI 345

ren in kosmetischen Produkten durch Abbau-Massen- spektrometrie wurde bereits ausfiihrlich beschrieben [261].

Die Analyse von Tabak-Aromastoffen sowie von Tabakrauch-Bestandteilen ist nur mit Capillar-Gas- Chromatographie/Massenspektrometrie befriedigend zu bewerkstelligen [262-264]. Die cancerogenen Be- gleitstoffe des Tabakrauchs, die polycyclischen aroma- tischen Kohlenwasserstoffe und die Nitrosamine, und ihre massenspektrometrische Analytik wurden bereits unter Abschnitt 5.2 und 5.4. beschrieben. Die GC-MS- Bestimmung von N-Nitrosonornicotin in Tabak wurde ktirzlich angegeben [265]. Rtickstfinde von Chloraniso- len in einer bestimmten Tabakcharge wurden ebenfalls mit Massenspektrometrie identifiziert [266],

7. SchluIlwort

Durch diese Zusammenstellung sollte nicht der falsche Eindruck erweckt werden, dab eine chemische Untersu- chung der Lebensmittel ohne Massenspektrometrie unm6glich wfire oder dab die Massenspektrometrie gar eine Art Wunderwaffe sei, mit der alle bisher vorhande- nen Analysenprobleme bei Lebensmitteln und Bedarfs- gegenst/inden gel6st werden k6nnten. Vielmehr sollte gezeigt werden, dab massenspektrometrische Techni- ken eine wertvolle und betrfichtliche Erweiterung der analytischen M6glichkeiten bei der chemischen Unter- suchung yon Lebensmitteln und Bedarfsgegenst/inden darstellen und dab ein geeignetes Massenspektrometer zur apparativen Ausrfistung jedes gr63eren Untersu- chungsamtes geh6ren sollte.

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