Fast and Accurate Determination of Algal Toxins in Water Using Online Preconcentration and UHPLC-Orbitrap Mass Spectrometry

Význam tématu

Analýza toxinů produkovaných sinicemi v pitné i povrchové vodě je klíčová pro ochranu veřejného zdraví a ekosystémů. Cyanotoxiny jako microcystiny a nodularin mohou způsobit jaterní i neurologické poškození u zvířat i lidí. Rychlá a přesná detekce v nízkých koncentracích umožňuje včasné varování a odstranění kontaminace ve vodárenských zařízeních.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo vyvinout a validovat metodu pro stanovení microcystinů (LR, RR, YR) a nodularinu v surové i upravené vodě kombinací online pre­koncentrace s column-switching technikou a vysokorozlišující UHPLC-Orbitrap hmotnostní spektrometrií. Metoda byla aplikována na vzorky z řek a vodárenských provozů v Koreji.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda online prekoncentrace využívá kolonu Thermo Scientific Hypersil GOLD aQ jako pastovací kolonu a Hypersil GOLD analytickou kolonu pro separaci. Vzorek vody (1 mL) je in­jekčně adsorbován na pastovací kolonu při mobilní fázi 0,1 % kyseliny mravenčí ve vodě/acetonitrilu (98:2), poté se roztok přepne a eluát je odváděn na analytickou kolonu při 98 % acetonitrilu. Analytické stanovení probíhá v režimu full-scan na Thermo Scientific Exactive Orbitrap MS s rozlišením 50 000 (FWHM, m/z 200). Kalibrace byla provedena externím standardem v rozsahu 100–1000 pg/mL.

Hlavní výsledky a diskuse

Retentionní časy microcystinů a nodularinu se pohybovaly mezi 2,6 a 2,8 min. Kalibrační křivky vykázaly korelační koeficienty 0,9971–0,9996 a reprodukovatelnost ±15 %. Detekční limity (MDL) dosáhly 0,009–0,035 ng/mL a praktické kvantitační limity (PQL) 0,03–0,11 ng/mL. Recovery pro microcystin-LR, -RR, -YR a nodularin se pohybovaly mezi 70,3 % a 113,7 % s RSD 2,5–10,9 %. Metoda výrazně zkrátila dobu analýzy (z 12,3 hodin na 2 hodiny) a snížila potřebu vzorku a organických rozpouštědel.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá online prekoncentrace bez offline SPE šetří čas i pracovní síly.
• Vysoká citlivost a nízké detekční limity pod současnými vodními standardy WHO.
• Možnost současné identifikace a kvantifikace více variant microcystinů a nodularinu z jednoho vstřiku.
• Úspora organických rozpouštědel a minimalizace odpadů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozvoj vysokorozlišující full-scan MS umožní retrospektivní analýzu nových či neočekávaných cyanotoxinů. Integrace automatizace vzorkování a on-site analýzy přispěje k realtime monitoringu vodních zdrojů. Kombinace s datovými platformami a umělou inteligencí umožní předpověď a sledování trendů sinicových květů.

Závěr

Navržená metoda spojuje online prekoncentraci s Orbitrap MS pro rychlé, citlivé a robustní stanovení algálních toxinů v pitné a povrchové vodě. Vysoké rozlišení, nízké limity detekce a zkrácený pracovní postup z ní činí efektivní nástroj pro rutinní monitoring a krizové situace ve vodárenských provozech.

Reference

• WHO. Toxic Cyanobacteria in Water, A Guide to Their Public Health Consequences, Monitoring and Management, 1999.
• Henriksen A.S., Olli K. Sedimentation and Buoyancy of Aphanizomenon cf. flos-aquae (Nostocales, Cyanophyta) in a Coastal Area of the Baltic Sea. Phycologia, 1996, 35, 94–101.
• Repavich W.M., Meisner L.F., Sonzogni W.C., Standridge J.H., Wedepohl R.E. Cyanobacteria in Wisconsin Waters: Toxicity. Water Research, 1990, 24, 225–231.
• Lee J.J. et al. Assessment of Microcystin Analysis Methods for Convenient Monitoring. Korean Soc. Water (2010), 643–644.
• Sivonen K. Cyanobacterial Toxins. Encyclopedia of Microbiology, 3rd ed., 2009, 290–307.
• Jang J.-H., Kim Y.-S., Choi J.-W. Journal of Korean Soc. on Water Environment, 2012, 28(6), 843–850.
• Lawton L.A., Codd G.A., Edwards C. Extraction and HPLC Method for Microcystins in Waters. Analyst, 1994, 119, 1525–1530.
• Harada K., Matsuura K., Suzuki M. Analysis of Toxic Peptides from Cyanobacteria by RP-HPLC. J. Chromatogr. A, 1988, 448, 275–283.
• Yu S.J. et al. Analysis of Microcystins in Daecheong Reservoir by HPLC. J. Korean Soc. Water Environ., 1999, 15(4), 517–526.
• Petrovic M., Barcelo D., Tavazzi S. Column-switching with Pre-column Packing for Cleanup and LC-MS of Alkylphenolics. J. Chromatogr. A, 2002, 971, 37–45.
• Zweigenbaum J.A., Beattie K.A., Codd G.K., Henion J.D. Direct Analysis of Microcystins by Microbore LC-ESI-Ion Trap MS/MS. J. Pharm. Biomed. Anal., 2000, 23(4), 723–733.
• Cong L. et al. Determination of Trace Microcystins by LC-MS/MS. Anal. Chim. Acta, 2006, 569, 157–168.
• Kim J.H., Kim H.C., Yun M.A. Simultaneous Determination of Cyanotoxins in Water by LC-MS/MS. J. Korean Soc. Water Environ., 2009, 25(4), 597–605.
• Fastner J., Flieger I., Neumann U. Optimized Extraction of Microcystins: Solvents and Procedures. Water Research, 1998, 32(10), 3177–3181.