Multiresidue screening and quantitation of pesticides...
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Routine multiresidue screening and quantitation of pesticidesin waters by LC-MS/MS
RESIDUE ANALYSIS MEETINGTuesday, 28th March 2006 - Bern
Didier ORTELLI – Patrick EDDER – Emmanuelle [email protected]
Service de Protection de la Consommation22 quai Ernest Ansermet, 1211 Genève-4
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Service de Protection de la Consommation
History
Bureau de la salubrité1892
Institut d'hygiène
2006
Laboratoire Cantonal
Service de protectionde la consommation
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Service de Protection de la Consommation
Pesticides residue analysis
Food control ~1800 samples/yearFruits and vegetablesCerealsAnimal foodstuff (meat, fish, honey, …)Processed products (oil, wine, babyfood, …)
Water analysis ~100 samples/yearDrinking water (tap water, mineral water, …)Geneva lake surveyRiver pollution
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Service de Protection de la Consommation
Pesticides residue analysis
Three major challengesDetectionIdentificationQuantification
Required performancesHigh sensitivityHigh specificityReproducibilityRobustness
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Service de Protection de la Consommation
Identified or unknown analytes?Identified analytes
Specific analytical methodDedicated sample preparation
selective SPE (ex : cation exchange)Immuno-affinity cartridgeMIP
LC or GC analysisGC-ECD, GC-NPD, GC-MSLC-DAD
Unknown analytesTheoretical approachAnalytical approach
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Service de Protection de la Consommation
Theoretical approach
PropertiesSolubilityStabilitySoil adsorptionToxicity…
UsageAgricultural practiceDomestic usageIndustrial productionUrban usage...
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Service de Protection de la Consommation
Analytical approach
Mutiresidue methods are the required tools for risk assessment and monitoring of a great number of chemical compounds.
ObjectivesTo develop a multiresidue method for the determination of as much as possible pesticides in waters
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Service de Protection de la Consommation
Analytical approach
LC-MS/MS is the method of choice due to its capacity to detect analytes at ng/L range associated with high selectivity
Sample preparationLow selectivity : solid phase extractionHigh concentration factor
LC-MS/MS analysisEfficient chromatographyMRM detection
Mutiresidue screening: 1 precursor and 1 product ionConfirmation : 1 precursor and at least 2 products ions
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Service de Protection de la Consommation
LC-MS/MS
Mass filter Q1 Collision cell Q2 Mass filter Q3
Collision gas(Argon)
Detection
10 µL
V
LC System : Acquity UPLC (Waters)Column : Atlantis dC18 3µm 2.1 x 100 mm (Waters)Mobile phase : Gradient with water and methanol containing 0.1 % of formic acidIonisation source : Electrospray (positive and negative ionisation modes) MSMS system : QuattroMicro QqQ (Waters)Acquisition : mode MRMLC : 25min, 2 injections per extract (herbicides and fungicides/insecticides)
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Service de Protection de la Consommation
Optimisation of MS/MS conditionsCyproconazole, 10 µg/ml, 10 µl/min, cone 25 V; Collision 30V
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400m/z0
100
%
0
100
%
CYPROCONAZOLE 1 (0.505) Scan ES+ 3.05e860
56
292
1588570141117
214236
294
CYPROCONAZOLE3 1 (0.505) Daughters of 292ES+ 1.23e770
125
139
N
N
N
ClOH
CH3
CyproconazoleMH+292
Daughter scanof 292
MS scan
12570
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Service de Protection de la Consommation
Optimisation of MS/MS conditions
More than 250 compounds have been tested
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Service de Protection de la Consommation
Chromatography
Column: Atlantis dC18 3µm 2.1 x 100 mm (Waters)Mobile [A] 0.1% of formic acid in waterphase [B] 0.1% of formic acid in MeOHFlow rate: 300 µl/minInjection: 10 µL
% B
Time [min]0 1 4 15 21 250
40
80
100Gradient
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Service de Protection de la Consommation
Acquisition MS/MS pour le dépistage
43 MS/MStransitions
simultanées
Cycle time: ~2.5 sec
Acquisition is carried out in 12 acquisition groups1 MS/MS transition per substancesDwell time of 40ms for each MS/MS transitions
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Service de Protection de la Consommation
ChromatographyAb
unda
nce
Abun
danc
e
88Herbicides
146Fungicides
InsecticidesAcaricides
Time 0 105 15 20 25 min.
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Service de Protection de la Consommation
Sample preparation
Adapted for a large number of substancesFast, simple, robustConcentration factor : 5000x
Sample EvaporationExtraction ReconstitutionElution
MeOH
Elution
100 µLMeOH/H2O
500 ml
40°C
NITR
OG
EN
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Solid phase extraction
CartridgesOasis HLBChromabond C18-ECVarian BondElut C18Varian BondElut C8MN C18-hydra MN HR-PBaker Florisil
MethodEnrichment of 500 ml of water spiked et 20 ng/L of each pesticides. Elution with 4 ml of MeOH. Evaporation under N2. Reconstitution in 100 µl of MeOH/H2O.
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Service de Protection de la Consommation
Solid phase extraction
-
50
100
150
200
250
Nom
bre
de p
estic
ides
C8 C18 C18ec C18hydra HR-P Oasis SiOH
nb 0-20%
20-50%
50-70%
>70%
Results for 234 pesticides
Recovery
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Service de Protection de la Consommation
Validation results
Validation scheme: 5 QC level [2 - 200 ng/L], 2 repetitions, 5 days88 herbicides + 146 insecticides, acaricides and fungicidesResults
Recovery %(n=2, k=5, j=5)
Herbicides Insecticides fungicides
50 -120 % 65 9120 - 50 % 7 27
< 20 % 16 28
Fidelity : RSD intra-day 8 -18 %; RSD between-days 11 - 38 %Limit of detection : 1 ng/L for 72%, between 5 and 20 ng/L for 21% and between 20 and 100 ng/L for 7% of compounds
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Matrix effects
Effets de matrice lors de la préconcentration (réduction de la capacité) et à la détection par les phénomènes de suppression d'ionisation dues à des substances co-éluantes.
Test des effets de matrice sur des eaux clairesRéseauNappeLacRivière
La dispersion due aux effets de matrice est similaire à la fidélité inter-jour, sauf en cas de forte turbidité de l'échantillon.
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Pesticides residue in commercial mineral waters
Somme des résidus de pesticides trouvés dans 30 eaux minérales
0102030405060708090
100
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
Rés
idus
de
pest
icid
es [
ng/L
]
Echantillons
LMR substance individuelle 100 ng/LLMR pesticides totaux 500 ng/L
13 (43 %) sans pesticides17 (57 %) avec pesticides
Mise en évidence de 19 pesticides différentsMajoritairement des triazines, des phényl-urées et quelques fongicides
Valeur individuelle max : 25 ng/L
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Service de Protection de la Consommation
River pollution
Pollution of the river Allondon occuringafter an important rain in july 2005
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Service de Protection de la Consommation
Pesticides monitoring in Geneva lake
Commission International pourla Protection des Eaux du Léman
The main role of the CIPEL is to survey the evolution of the water quality of lake Geneva and its tributaries. It issues recommendations to Swiss and French governments, encouraging them to take measures to fight sources of pollution. It contributes towards the coordination of water policy for the lake Geneva basin and promotes public awareness of the importance of water protection.
Basin of Geneva lake~8'000km2
~1'500'000 inhabitants
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Service de Protection de la Consommation
Recherche des pesticides dans les eaux du lac Léman
Point SHL2 – 30 m du 10 octobre 2005
Foramsulfuron (H) 81 ng/LMetalaxyl (F) 52 ng/LAtrazine (H) 27 ng/LAmidosulfuron (H) 19 ng/LAtrazine-deséthyl (H) 21 ng/LMetolachlor (H) 13 ng/LAtrazine-deisopropyl (H) 17 ng/LFenarimol (F) 15 ng/LTerbutylazine (H) 11 ng/LSimazine (H) 17 ng/LPropiconazole 11 ng/LPymetrozine 10 ng/LIodosulfuron-methyl (H) 10 ng/L
+ 23 autres substances < 10 ng/L
Somme : 401 ng/L
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Service de Protection de la Consommation
Example of chromatograms
Eau du lac – surfaceSeptembre 200571 ng/L
25 ng/L 19 ng/L
16 ng/L
13 ng/L
13 ng/L
21 ng/L
5 ng/L
9 ng/L
6 ng/L
4 ng/L
2.6 ng/L
0.5 ng/L
1.6 ng/L
1.8 ng/L
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Service de Protection de la Consommation
Recherche des sources de pollutionSélection de pesticides
0.000
0.020
0.040
0.060
0.080
0M 1M 5M 7.5M 10M 30M 100M 305M FondProfondeur
Con
cent
ratio
n [µ
g/L] Zone d’insertion
du Rhône
Concentration en foramsulfuronmesurée dans le lac = 165 ansd’usage agricole selon les volumes utilisés actuellement, même en estimant que la totalité se retrouve dans le lac
+
Présence d'industries sur le bassin versant produisant ou conditionnant ces substances
+
La preuve par l'analyse des eaux de sortie des STEP industrielles :Utilisation de la même méthodeRésultats semi-quantitatifsIdentification sans équivoque des produits incriminésAvantage de l'utilisation d'une méthode robuste dont la
sélectivité est basée sur la détection !
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And tap water ?Geneva lake water accounts for 80% of the drinking water resources for the Canton of Geneva and for 600'000 inhabitants around the lake.
GenèveBellevue
CoppetFounex
Nyon
Rolle
St-Sulpice Lutry
Vevey
EvianYvoire
PreoxydationAcidification
FloculationSand filtration
OzonationCharcoal filtration
Steps of waterprocessing
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Service de Protection de la Consommation
Efficacité de la potabilisation
0.30
0.22
0.10
0.0020.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
Sum
of p
estic
ides
resi
dues
Tota
l con
cent
ratio
n [µ
g/L]
Tapwater
Service Industrielsde Genève
StationLe Prieuré
PreoxydationAcidificationFloculation
Sand filtrationOzonation
Charcoalfiltration
In collaboration with
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Service de Protection de la Consommation
Autres stations de potabilisationRégion Vevey
Teneur totale (somme des pesticides)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
Brute - Vevey Traitée -Vevey/Gonelles
Traitée - Lutry Traitée - St-Sulpice
[µg/
L]
Région EvianTeneur totale (somme des pesticides
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
Brute - Evian Traitée - Evian Traitée - Yvoire
[µg/
L]
Région NyonTeneur totale (somme des pesticides)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
Brute - Nyon Traitée -Nyon
Traitée -Rolle
Traitée -Coppet
Traitée -Founex
Traitée -Yvoire
[µg/
L]
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Service de Protection de la Consommation
Avantages de la méthodologie développée
Vision globale des problèmes de pollutionIncrémentation aisée de la méthode avec de nouvelles substances d'intérêtCapacité de réaction élevéeBonnes performances quantitatives Identification des substances assurée
Possibilité de procéder à des analyses semi-quantitatives dans des matrices plus complexes