Analyse von Schwermetallverunreinigungen in Cannabisblüten mit dem Shimadzu ICPMS-2030
Die jüngste Entwicklung der Gesetzgebung in den Vereinigten Staaten von Amerika und anderen Ländern hat den Anbau und Verkauf von Cannabis und verwandten Produkten für den medizinischen und Freizeitgebrauch in einer Vielzahl von Bundesstaaten und Gemeinden geöffnet. Mit der Verfügbarkeit von Cannabis als kommerzielles Produkt kommt der Bedarf an der Analyse und Regulierung von Wirkstoffgehalt, Pestiziden, biologischen Verunreinigungen und Schwermetallen u.a.
Die Konzentration von Schwermetallen in Pflanzen, die für den Konsum bestimmt sind, ist aufgrund der potenziell gefährlichen Auswirkungen dieser Metalle im Zusammenhang mit ihrer Toxizität besorgniserregend. Während des Wachstums können Pflanzen in ihren Geweben Metalle bioakkumulieren, die aus dem Boden und dem Wasser stammen, in denen sie wachsen. Diese Metalle können aufgrund des Mineralgehalts des Bodens oder der Wasserquelle natürlich im Boden und im Wasser vorkommen, oder sie können künstlich in Form von Düngemitteln, Pestiziden, Herbiziden und Fungiziden eingebracht werden, die üblicherweise zur Steigerung der Ernteerträge eingesetzt werden.
Einige dieser in den Pflanzen enthaltenen Metalle haben eine günstige metabolische Verwendung, wie Eisen in Bohnen und Blattgrün, während andere, wie Blei, schädliche Wirkungen wie Toxizität und Karzinogenität haben können. Hier untersuchen und diskutieren wir die Anwendbarkeit des ICPMS-2030 von Shimadzu für den Nachweis der „Big Four“ Schwermetalle (d.h. As, Cd, Hg und Pb) in verdauten Cannabisblütenproben zur Einhaltung lokaler und staatlicher Vorschriften
Grenzwerte der Belastung
Die Grenzwerte für die zulässige tägliche Belastung (PDE) mit Schwermetallen in der Cannabisblüte sind locker definiert; viele Staaten übernehmen jedoch Vorschriften, wie sie im Manuskript Cannabis Inflorescence 2004 des American Herbal Pharmacopoeia dargestellt sind. Diese Grenzwerte sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Zulässige tägliche Belastung für Schwermetallverunreinigungen in Cannabis pro 5 g täglicher Konsum und die äquivalente Konzentration im Rohmaterial in μg/g (ppm).
| Element | μg / 5 g Tagesdosis | μg / g (ppm) |
|---|---|---|
| Anorganisches Arsen | 10,0 | 2 |
| Kadmium | 4,1 | 0,82 |
| Blei | 6,0 | 1,2 |
| Methylquecksilber | 2,0 | 0,4 |
Weder ICP-OES- noch ICP-MS-Analyseverfahren können Informationen über die Spezies eines Elements liefern. Da bei der Verwendung von ICP-OES oder ICP-MS keine Informationen über die Spezies eines Elements verfügbar sind, geht der Analytiker davon aus, dass die Gesamtkonzentration dieses Elements unter dem PDE-Wert für die toxischeren anorganischen Formen dieser Elemente liegen muss, um innerhalb der akzeptablen Grenzen zu liegen.
Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Probenkonzentrationen durch Kopplung eines inerten Shimadzu-HPLC-Systems an das ICPMS-2030 quantitativ bestimmt werden können. Mit Hilfe der HPLC kann der Analytiker Metalle auf der Grundlage ihres Oxidationszustandes und/oder der assoziierten Komplexe trennen und sie zur Konzentrationsanalyse in das ICPMS-2030 eluieren. Shimadzu bietet sowohl die Hardware als auch die Software, um solche Analysen zu ermöglichen.
Equipment, Reagenzien und Laborgeräte
Für alle Analysen wurde ein Shimadzu ICPMS-2030 in Verbindung mit einem Shimadzu AS-10 Autosampler verwendet. Die Inline-Zugabe von internen Standards zur Kalibrierung und unbekannten Proben wurde mit dem Shimadzu Internal Standard Addition Kit durchgeführt. Auf der Grundlage des Innendurchmessers der Peristaltikschläuche, die für die Proben- und interne Standardeinspritzung verwendet wurden, betrug die ungefähre Verdünnung der internen Standardlösung 90%.
Bei der Probenvorbereitung und Verdünnung wurden hochreine Reagenzien verwendet, um eine minimale Kontamination zu gewährleisten. Für alle Verdünnungen und Ansäuerungen wurde ultrareines Wasser (≥ 18.1 MΩ∙cm; Millipore) zusammen mit Salpetersäure in Spurenmetallqualität verwendet. Der Kürze halber bezeichnen wir diese hier einfach als „Wasser (oder H2O)“ und „Salpetersäure (oder HNO3)“.
Alle Laborgeräte wurden in einer Lösung von 20%iger Salpetersäure gereinigt, dreifach mit Wasser gespült und trocknen gelassen. Alle Standards und unbekannten Proben wurden in gereinigten Einwegbehältern vorbereitet, um jegliche Kreuzkontamination zwischen den Analyseläufen zu minimieren.
Probenvorbereitung
Da die Proben als Flüssigkeit in das ICPMS-2030 eingebracht werden, ist ein Mikrowellenaufschlussverfahren mit geschlossenem Behälter erforderlich, um Cannabisblütenproben so aufzulösen, dass die darin enthaltenen Metalle zugänglich werden. Um eine angemessene Wiedergewinnung der Analyten sowie die Wirksamkeit des Mikrowellenaufschlussverfahrens zu gewährleisten, haben wir vier Proben vorbereitet:
1. Blindprobe – besteht nur aus den für den Aufschluss und die Verdünnung verwendeten Reagenzien
2. angereicherte Blindprobe – identisch mit der Blindprobe, jedoch mit 5 ppb As, Cd, Hg und Pb
3. Matrix – Reagenzien für Verdauung und Verdünnung sowie ~0,5 g Cannabisblüten
4. angereicherte Matrix – identisch mit der Matrix-Probe, jedoch mit 5 ppb As, Cd, Hg und Pb versetzt
Jede der oben genannten Proben wurde in Aufschlussgefäßen hergestellt, die 10 mL 20%iges HNO3 enthielten. Die Matrixproben enthielten auch ~0,5 g Cannabisblüte. Angereicherte Proben wurden mit 5 ppb As, Cd, Hg und Pb angereichert. Die Aufschlussgefäße wurden dicht verschlossen und in einem Rotor in der Mikrowelle platziert.
Das Aufschlussverfahren beinhaltete eine stufenweise Erhöhung der Mikrowellenleistung (und damit der Probentemperatur und des Gefäßdrucks) über einen Zeitraum von 40 Minuten, gefolgt von einer Zeit, in der die Proben auf Umgebungstemperatur abkühlen konnten.
10 mL des aufgeschlossenen Materials wurden aus den Aufschlussgefäßen in saubere Zentrifugenröhrchen gegossen. Die Aufschlussgefäße wurden mit Wasser gespült, um eine vollständige Rückgewinnung des Materials aus ihnen zu gewährleisten, und dieses Spülwasser wurde den Proben in den Zentrifugenröhrchen zugesetzt. Die 10 mL Proben wurden durch Verdünnung mit Wasser auf ein Endvolumen von 25 mL gebracht. Vor der Analyse mit dem ICPMS-2030 ist keine weitere Verdünnung der Proben erforderlich.
Analytische Methodik
Probelösungen wurden mit dem Shimadzu ICPMS-2030 analysiert. Die Betriebsbedingungen für das Gerät und die Analytelemente, Massen und Kalibrierkonzentrationen sind in den Tabellen 2 und 3 angegeben. Vor der Quantifizierung wurden verschiedene Parameter wie Brennerposition und Fokussierlinsenspannungen als Teil eines routinemäßigen Abstimmungsverfahrens automatisch optimiert.
Mithilfe des Interner-Standard-Additionskits und der im Lieferumfang des Geräts enthaltenen Peristaltikpumpe wurden die internen Standards Y und Tl automatisch hinzugefügt. Somit wurden die internen Standards mit konstanter Geschwindigkeit und Konzentration zu allen Kalibrierstandards und unbekannten Proben beigemischt. Die Endkonzentration der internen Standards betrug 10 ppb.
Unmittelbar vor der Analyse wurden Kalibrierkurven erstellt, um eine möglichst genaue Quantifizierung zu gewährleisten. Das Kalibrierungsschema für das Instrument ist in Tabelle 3 dargestellt, und repräsentative Kurven sind in Abbildung 1 dargestellt.
Um einen angemessenen dynamischen Bereich des Instruments bis zu den ppm-Werten zu demonstrieren, bei denen die gesetzlichen Grenzwerte festgelegt sind, wurde ein zweiter Satz von Kalibrierungen erstellt (Abbildung 2A-D), der die Linearität bei höheren Konzentrationen als die in dieser Anwendungsnotiz für die Quantifizierung verwendeten Kalibrierkurven zeigt.
Tabelle 2: Betriebsbedingungen für das Shimadzu ICPMS-2030
| Torch | Shimadzu Mini Torch |
| Zerstäuber | Gekühlter Zyklon |
| Sprühkammer Temp. | 5°C |
| RF-Leistung | 1,20 kW |
| Beprobungstiefe | 5 mm |
| Plasmagasfluss | 8,0 L/min |
| Hilfsgasfluss | 1,1 L/min |
| Trägergasstrom | 0,70 L/min |
| Gesamter Ar-Fluss | 9,8 L/min |
| Kollisionszellen-He-Fluss | 6 mL/min |
| Anzahl der Scans | 10 |
| Scan-Zeit | 0,2 Sekunden |
| Gesamte Integrationszeit | 2 Sekunden |
Tabelle 3: Analytische Elemente und Massen, interne Standards und Kalibrierkonzentrationen
| Element / Masse | Int. Std. | Kal 1 | Kal 2 | Kal 3 | Kal 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| 75As | 89Y | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 111Cd | 89Y | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 112Cd | 89Y | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 114Cd | 89Y | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 200Hg | 205Tl | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 202Hg | 205Tl | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 206Pb | 205Tl | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 207Pb | 205Tl | 0 | 1 | 5 | 10 |
| 208Pb | 205Tl | 0 | 1 | 5 | 10 |
Abbildung 1A-D: Bei 0, 1, 5 und 10 ppb konstruierte Kalibrierkurven für As, Cd, Hg und Pb
Ergebnisse
Die Ergebnisse der Probenanalysen sind in den Tabellen 4 und 5 dargestellt.
Tabelle 4: Ergebnisse, in ppb, der ICPMS-2030-Analysen von Leerwert-, angereicherten Leerwert-, Matrix- und angereicherten Matrixproben sowie Wiederfindungsraten, in Prozent. Es ist zu beachten, dass Wiederfindungsraten von 2 ppb zu erwarten sind, wenn die Proben während der Vorbereitung um das 2,5-fache ihrer ursprünglichen Konzentration von 5 ppb verdünnt werden.
| 75As | 111Cd | 112Cd | 114Cd | 200Hg | 202Hg | 206Pb | 207Pb | 208Pb | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Leerwert | 0,0091 | 0,0053 | 0,0075 | 0,0063 | 0,62 | 0,59 | 0,102 | 0,099 | 0,101 |
| angereicherter Leerwert | 1,91 | 1,968 | 1,92 | 1,976 | 2,53 | 2,62 | 2,14 | 2,16 | 2,17 |
| Wiederfindungsrate | 95,0 % | 98,1 % | 95,6 % | 98,5 % | 95,5 % | 101,5 % | 101,9 % | 103,1 | 103,5 % |
| Matrix | 0,0016 | 0,43 | 0,39 | 0,41 | 0,46 | 0,84 | 0,262 | 0,258 | 0,248 |
| angereicherte Matrix | 1,97 | 2,51 | 2,44 | 2,39 | 2,493 | 2,791 | 2,2 | 2,18 | 2,17 |
| Wiederfindungsrate | 98,4 % | 104,0 % | 102,5 % | 99,0 % | 101,7 % | 97,6 % | 96,9 % | 96,1 % | 96,1 % |
Tabelle 5: Ergebnisse, in ppb, der Konzentration für Rohmaterial, rückgerechnet für Verdünnung und ~0,5 g Ausgangsmasse der Cannabisblüte. Die untere Zeile zeigt die Konzentrationsgrenzen für jedes Element, wie in Tabelle 1 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Ergebnisse eine Empfindlichkeit und eine angemessene Erholung weit unterhalb der Konzentrationsgrenzen zeigen.
| 75As | 111Cd | 112Cd | 114Cd | 200Hg | 202Hg | 206Pb | 207Pb | 208Pb | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Matrix | 0,1 | 21,5 | 19,5 | 20,5 | 23,0 | 42,0 | 13,1 | 12,9 | 12,4 |
| angereicherte Matrix | 98,5 | 125,5 | 122,0 | 119,5 | 124,7 | 139,6 | 110,0 | 109,0 | 108,5 |
| Grenzen | 2000 | 820 | 820 | 820 | 400 | 400 | 1200 | 1200 | 1200 |
Abbildung 2A-D: Kalibrierkurven, die bis zu 5 ppm (As, Cd, Pb) und 1 ppm (Hg) erstellt wurden und einen erweiterten dynamischen Bereich des ICPMS-2030 bis zu und einschließlich der Konzentrationen zeigen, bei denen gesetzliche Grenzwerte festgelegt sind.
Diskussion
Die in Tabelle 4 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit des ICPMS-2030, eine säureverdaute Cannabismatrix zu handhaben und Wiederfindungen innerhalb des allgemein akzeptierten Bereichs von ±10% für Analyten im niedrigen Konzentrationsbereich von Teilen pro Milliarde zu liefern.
Bei der Rückberechnung der hypothetischen Konzentrationen in der Cannabisblüte in den aufgestockten Proben (Tabelle 5) liefert das ICPMS-2030 eine Empfindlichkeit, die weit unter den derzeit akzeptierten Grenzwerten für die Konzentration von Schwermetallen in Cannabis liegt.
Darüber hinaus zeigt Abbildung 2A-D, dass das ICPMS-2030, obwohl diese Anwendung bei Konzentrationen weit unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte durchgeführt wurde, in der Lage ist, Linearität in Kalibrierkurven über einen größeren dynamischen Bereich, in diesem Fall bis zu ppm-Werten, zu erzeugen.
Fazit
Das ICPMS-2030 von Shimadzu bietet die Empfindlichkeit und Genauigkeit, um die geltenden Vorschriften über Schwermetalle in Cannabisprodukten zu erfüllen und zu übertreffen.
Wie bereits in der Einführung erwähnt, konzentriert sich diese Anwendung ausschließlich auf Schwermetalle im Cannabisblütenmaterial, obwohl die Schwermetalle aus dem Boden und dem Wasser stammen, in dem die Pflanze angebaut wird. Das ICPMS-2030 von Shimadzu kann auch zur Bewertung von Schwermetallen in diesen Matrizes verwendet werden, insbesondere im Grundwasser nach der EPA-Methode 200.8.
Das ICPMS-2030 von Shimadzu ermöglicht Ihrem Cannabislabor einen effizienten Betrieb und die vollständige Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften, zusammen mit einer breiten Palette anderer Analyseinstrumente von Shimadzu, wie GC, GC/MS, HPLC und LC/MS.