A Combined Method for Anionic, Cationic, and Zwitterionic PFAS using a Direct Injection UPLC™-MS/MS Method for Environmental Water Samples

Význam tématu

Per- a polyfluoralkylové látky (PFAS) jsou perzistentní znečišťující látky s vysokou mobilitou v prostředí a významnými ekologickými i zdravotními riziky. Zatímco většina dosavadního monitoringu se soustředila na aniontové PFAS, v posledních letech narůstá zjištěný podíl kationtových a zwitteriontových forem (např. 6:2 FTAB) zejména v lokalitách kontaminovaných hasicími pěnami (AFFF). Rozšíření analytického pokrytí o tyto třídy je klíčové pro spolehlivé monitorování, posuzování rizik a účinnost remediací.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikace bylo rozšířit existující přímou injekční UPLC-MS/MS metodu tak, aby v jedné chromatografické separaci a jedné analytické dávce pokryla aniontové, kationtové i zwitteriontové PFAS. Metoda měla umožnit kvantifikaci 58 nativních PFAS a 23 izotopově značených interních standardů (ILIS) s rychlým přepínáním polarity a dosáhnout sub ng/L LLOQ odpovídajících regulacím v EU a U.K. Zároveň bylo cílem udržet vysokou propustnost a robustnost při přímé injekci velkých objemů vzorku.

Použitá metodika a instrumentace

Obecný princip:

• Přímá injekce environmentalních vod (50 µL injekce) po jednoduché přípravě vzorku; ILIS byly přidány před přípravou ke korekci matrice a umožnění kvantifikace vůči rozpouštědlovým standardům.
• Chromatografie: ACQUITY I-Class PLUS s kolonkou ACQUITY Premier BEH C18 (1.7 µm, 2.1 x 100 mm); gradient do 16 minut, celkový čas běhu 20 minut pro čištění a reekvilibraci.
• Mobilní fáze: A = 2 mM acetát amonný ve vodě:methanol 95:5; B = 2 mM acetát amonný v methanolu.
• Standardy pro kvantifikaci ve složení 50:25:25 voda:methanol:acetonitril s 0,1% kyseliny mravenčí v rozsahu 0.12–240 ng/L (konkrétně nastaveno v softwaru podle čistoty standardů).
• Ionizace a MS: UniSpray pozitivní/negativní režim s rychlým přepínáním polarity, akvizice v MRM módu; Xevo TQ Absolute XR s StepWave XR ion transfer (proti znečištění Q1), N2 jako kolizní plyn (nastaven průtok 0.3 mL/min pro udržení fragmentace nízkomasových produktů), konverzní faktor CE 1.4 pro přepočet z argonu na dusík.

Použitá instrumentace

• ACQUITY I-Class PLUS UPLC systém (BSM, FTN, Sample Manager s PFAS kitem)
• Kolony: Atlantis Premier BEH C18 AX 5 µm isolator; ACQUITY Premier BEH C18 1.7 µm, 2.1 x 100 mm
• Množství vzorku a vialy: Polypropylenové 12 x 32 mm 700 µL s PTFE/silikon septem
• Mass spektrometr: Xevo TQ Absolute XR Triple Quadrupole MS se StepWave XR Ion Transfer Device
• Ionizační zdroj: UniSpray (pozitivní/negativní režim)
• Kolizní plyn: Dusík
• Software: waters_connect pro Quantitation (Advanced Method Editor, MSQuan, MS ToolKit, Sample Submission)

Hlavní výsledky a diskuse

• Rozsah metody: Kvantitativní MRM metoda pro 58 nativních PFAS a 23 ILIS, zahrnující aniontové, kationtové i zwitteriontové sloučeniny v jedné analýze.
• Senzitivita: LLOQ v povrchové vodě 0.04–0.6 ng/L (v závislosti na analytech), tedy pod požadavky EU a U.K. pro pitnou vodu.
• Linearity a dynamický rozsah: R2 > 0.996 pro všechny analyty; minimálně tři dekády lineárního dynamického rozsahu, u některých analyzovaných látek až pět dekád.
• Přesnost a přesnost opakování: Intra-batch RSD pro peak area <14 % (n=21) při 2 ng/L; retenční časy RSD <0.3 % a %RSD pro vypočtené koncentrace <15 % v souboru 63 injekcí (tři matice).
• Recovery: Apparent recovery v povrchové vodě po 72 h skladování 70–109 %; delší řetězce a více hydrofóbní PFAS vykazovaly nižší recoveries, očekávaně ztráty souvisejí s adsorpcí a omezenou rozpustností.
• Carryover a pozadí: Použití FTN sample manageru s HPS jehlou a mycí směsí (ACN:methanol:voda:isopropanol) udrželo carryover pod kritériem (žádný PFAS >30 % plochy nejnižšího kalibračního bodu).
• Matrice a korekce: Příklady potlačení signálu ~20 % mezi různými vodami ukazují na význam matrice; doporučeno použití ILIS nebo „kompozitních“ ILIS v MSQuan pro korekci.
• Aplikace na reálný vzorek: Trade effluent ukázal 16 identifikovaných PFAS s koncentracemi až 172 ng/L (L‑PFHxS), L‑PFOS 134 ng/L, L‑PFOA 119 ng/L; 6:2 FTAB detekována ~82 ng/L — potvrzení významného zastoupení kationtových/zwitteriontových forem v odpadních vodách.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní monitoring: Jedna analytická metoda dokáže kvantifikovat široké spektrum PFAS typů včetně nově sledovaných kationtových a zwitteriontových forem, což usnadňuje plnění monitorovacích požadavků.
• Vysoká propustnost a robustnost: Přímá injekce 50 µL s krátkým během (20 min) a dlouhou dobou provozu bez časté údržby díky StepWave XR zvyšuje laboratorní produktivitu.
• Regulační shoda: Senzitivita a přesnost odpovídají požadavkům EU/UK (např. DWI, Drinking Water požadavky), metoda je použitelná pro sledování zdrojové i pitné vody.
• Efektivita datového zpracování: Integrace s waters_connect a MSQuan urychluje vývoj metody, zpracování a review dat, včetně nástrojů pro kontrolu ILIS, ion ratio a QC statistik.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření ILIS pokrytí: Pro úplnou korekci matrice je potřeba více izotopově značených standardů pro nové/emergentní PFAS; dočasně lze využít kompozitní ILIS.
• Sledování nových struktur: Metoda je škálovatelná — lze přidávat nové MRM přechody pro nové PFAS vznikající degradací nebo použitím v AFFF.
• Vědecká a regulační integrace: Vyšší povědomí o kationtových/zwitteriontových PFAS pravděpodobně povede k rozšíření monitorovacích seznamů a limitů; analytika bude hrát roli při vyhodnocení účinnosti remediací.
• Technologické inovace: Další zlepšení ionizačních zdrojů, sofistikovanější softwarové korekční algoritmy a metody pro snížení pozadí/carryover zvýší citlivost a robustnost přímých injekcí.
• Remediační testování: Kvantitativní data pro všechny tři třídy PFAS podpoří vývoj cílených technologií odstraňování (adsorpce, elektrooxidace, termické a biologické procesy).

Závěr

Studie prokázala, že rozšířená přímá injekční UPLC-MS/MS metoda na platformě ACQUITY I-Class PLUS / Xevo TQ Absolute XR s UniSpray ionizací dokáže spolehlivě a citlivě (sub ng/L) kvantifikovat aniontové, kationtové i zwitteriontové PFAS v různých typech environmentálních vod. Metoda nabízí požadovanou linearitu, přesnost, opakovatelnost a robustnost pro monitorování a regulační účely, přičemž je škálovatelná pro zařazování nových sloučenin. Hlavní praktickou přidanou hodnotou je schopnost vysokoprocesní analýzy s minimální údržbou a efektivním zpracováním dat.

Reference

1. Davies J., Adams S., Hird S., Organtini K.L., Rosnack J. Extending PFAS coverage and sensitivity in a direct injection UPLC-MS/MS method for water matrices. Waters Application Note, 2023.
2. Li J.G. Perfluorinated organic compounds: Emerging environmental pollutants with potential health risks. Chinese Journal of Preventive Medicine, 2015;49:467–469.
3. Xiao F. Emerging poly- and perfluoroalkyl substances in the aquatic environment: A review. Water Research, 2017;124:482–495.
4. Place B.J., Field J.A. Identification of novel fluorochemicals in aqueous film-forming foams. Environmental Science & Technology, 2012;46(13):7120.
5. Backe W.J., Day T.C., Field J.A. Zwitterionic, cationic, and anionic fluorinated chemicals in AFFF formulations and groundwater. Environmental Science & Technology, 2013;47(10):5226–5234.
6. Mabury S.A., D’Agostino L.A. Identification of novel fluorinated surfactants in AFFF and commercial concentrates. Environmental Science & Technology, 2014.
7. Zhang X., Fang M., Bai Z., Zong Y., Zhao S., Zhan J. Bioaccumulation, biotransformation and oxidative stress of 6:2 FTAB in earthworms. Toxics, 2025;13:337.
8. Gomez-Ruiz B., Gómez-Lavín S., Diban N., et al. Efficient electrochemical degradation of PFAS from industrial wastewater effluents. Chemical Engineering Journal, 2017;322:196–204.
9. Gomez-Ruiz B., Gómez-Lavín S., Diban N., et al. Boron doped diamond electrooxidation of 6:2 fluorotelomers and PFCAs. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2017;798:51–57.
10. Bruton T.A., Sedlak D.L. Treatment of AFFF by heat-activated persulfate under conditions representative of in situ oxidation. Environmental Science & Technology, 2017;51(23):13878–13885.
11. Directive (EU) 2020/2184 on the quality of water intended for human consumption. European Parliament and Council, 2020.
12. Drinking Water Inspectorate. Requirements for PFAS monitoring by water companies in England and Wales. Information Letter DWI, 2021.
13. Plumb R. Xevo TQ Absolute XR: Maximum Robustness and Sensitivity for High-Throughput Bioanalysis. Waters Application Note, 2025.
14. Hancock P., Adams S., Gould D. Enhanced Reliability for Long-Term PFAS Analysis with the Xevo TQ Absolute XR. Waters Application Note, 2025.
15. EURL for Halogenated POPs. Guidance Document on Analytical Parameters for the Determination of PFAS in Food and Feed. Version 2.0, 2024.
16. Directive 2008/105/EC on environmental quality standards in the field of water policy, 2008.
17. Schulz K., Silva M.R., Klaper R. Distribution and effects of branched versus linear isomers of PFOA, PFOS and PFHxS: A review. Science of The Total Environment, 2020;733:139186.