Comprehensive PFAS screening in food contact materials using combustion ion chromatography and high-resolution mass spectrometry

Význam tématu

Per- a polyfluorované alkylové látky (PFAS) se běžně používají ve výrobcích určených k přímému styku s potravinami pro zajištění odolnosti proti tuku a vodě. Kvůli jejich perzistenci, bioakumulaci a toxikologickým rizikům je nezbytné spolehlivě kvantifikovat celkový obsah organického fluoru v materiálech pro balení potravin. Regulace, např. limit 100 ppm pro celkový organický fluor (TOF) v Kalifornii, vyžadují metody schopné zachytit nejen extrahovatelné PFAS, ale i formy silně vázané či polymerní, které konvenční LC–MS často postrádají.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo komplexně zhodnotit obsah fluoru v materiálech pro styk s potravinami (FCM) kombinací spalovací iontové chromatografie (CIC) pro stanovení TF/TOF/EOF a nontargeted LC–HRMS pro molekulární identifikaci PFAS v extraktech. Konkrétní cíle zahrnovaly: přesné určení TOF a EOF, posouzení podílu anorganického fluoru (TIF), kvantifikaci extrahovatelné frakce fluoru a identifikaci jednotlivých PFAS ve vzniklých extraktech pro odhad identifikované části EOF.

Použitá metodika

Metodika kombinovala tři vzájemně doplňující kroky:

• Příprava vzorků: materiály (kompostovatelné misky, pekařské pytlíky, papírové talíře, obaly na sendviče, krabice na pizzu a další vláknité obaly) byly nahrubo nakrájeny a kryogenně rozemlety (Freezer/Mill model 6770) pro homogenizaci a zvýšení účinnosti extrakce.
• CIC pro TF, TIF, TOF a EOF: TF měřená spalováním 10–50 mg vzorku v kyslíko-argonovém prostředí; produkty spalování absorbované do vody a fluorid separován aniontovou chromatografií s potlačenou vodivostní detekcí. TIF stanoven přímou injekcí vodných extraktů cryo-mletých vzorků. TOF vypočten jako rozdíl TF − TIF. EOF měřeno po zrychlené extrakci rozpouštědlem (accelerated solvent extraction, ASE) použitím 80 % metanol / 20 % acetonitrilu a následnou analýzou CIC.
• LC–HRMS pro nontargeted analýzu EOF: extrakty EOF analyzovány UHPLC–HRMS (reverzní C18 kolona, HESI v negativním módu) v režimu vysokého rozlišení a datově závislého MS/MS (full scan 240 000 FWHM při m/z 200, ddMS2 se stepped kolizními energiemi a top-N strategií) pro detekci a anotaci PFAS.

Použitá instrumentace

Klíčové přístroje a analytické komponenty použitá ve studii:

• CIC: Thermo Scientific Dionex Integrion HPIC system
• Spalovací jednotka: Nittoseiko Automatic Combustion Unit Model AQF-2100H
• Kolona pro separaci fluoridu: Thermo Scientific Dionex IonPac AS24 (AG24 guard) s hydroxidovým eluentem a potlačenou vodivostní detekcí
• Alternativní CIC platforma pro verifikaci: Thermo Scientific Cindion CIC System (metoda přenositelná; výsledky 98–101 % konzistence)
• LC–HRMS: Thermo Scientific Orbitrap Exploris 240 spojený s Vanquish Flex UHPLC, HESI zdroj
• Software: Chromeleon CDS pro akvizici a Chromeleon/Compound Discoverer pro zpracování dat; knihovny a nástroje pro anotaci zahrnovaly mzCloud, NIST, PFAS-specifické seznamy a in silico fragmentaci.

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní pozorování ze šesti až osmi analyzovaných FCM:

• Senzitivita CIC: dosažen limit detekce pro TOF 1,86 ppm, což pokrývá požadavky současných regulací.
• Rozsah TF/TOF: u tří ze osmi vzorků byly zaznamenány vysoké TOF hodnoty v rozmezí přibližně 1082–2142 ppm, výrazně nad regulačním prahem 100 ppm; ostatní vzorky vykazovaly mnohem nižší fluorizaci.
• Podíl anorganického fluoru: v těchto vysokých TOF vzorcích byla frakce anorganického fluoru marginální; TOF tedy dominoval celkovému obsahu fluoru.
• Extrahovatelnost: EOF představoval pouze asi 3–13 % TOF v materiálech s vysokým TOF, což znamená, že většina organofluoru je nerozpustná nebo silně vázaná v matrici (např. polymerní PFAS nebo vázané fluorové komponenty).
• LC–HRMS identifikace: nontargeted analýza EOF vedla k nalezení a anotaci 46 PFAS napříč několika třídami; nejčetnější skupinou byly perfluorokarboxylové kyseliny (PFCAs). Přítomnost jak plně perfluorovaných, tak polyfluorovaných prekurzorů naznačuje směs terminálních PFAS i prekurzorových sloučenin.
• Hodnocení hmotnostní bilance: kombinace CIC a LC–HRMS ukázala, že molekulárně identifikované PFAS pokrývají jen zlomek EOF a velmi malou část celkového organofluoru (TOF), což podtrhuje omezení extrakčních a cílených molekulárních metod pro kvantifikaci celkového rizika.

Přínosy a praktické využití metody

Významné přínosy kombinovaného přístupu:

• CIC poskytuje kvantitativní a robustní měření TOF, které je vhodné pro regulační screening materiálů, protože zachytí i nevyplyvatelné a polymerní formy fluoru.
• EOF měří extrahovatelnou frakci, která doplňuje TOF a umožňuje následnou molekulární analýzu.
• LC–HRMS přináší strukturální informace a identifikace PFAS v extraktech, užitečné pro zdrojové vyšetření, rizikové hodnocení a volbu nápravných opatření.
• Přenositelnost metody byla prokázána mezi CIC platformami (Integrion a Cindion), což usnadňuje implementaci v různých laboratořích.

Budoucí trendy a možnosti využití

Navrhované směry dalšího rozvoje a aplikací:

• Rozvoj surových postupů pro dekonvoluci nerozpoznaného organofluoru – kombinace CIC s rozkladem/derivatizací a cílenými LC–MS metodami může zvýšit podíl identifikovatelných látek.
• Vylepšení extrakčních protokolů a vývoje metod pro analýzu vázaných/polymerních PFAS, např. chemické depolymerizace či termického rozkladu s následnou analýzou produktů.
• Standardizace metodiky TOF/EOF pro regulace a referenční materiály, včetně mezilaboratorních zkoušek a validace limitů v různých maticích FCM.
• Rozšíření nontargeted databází a zlepšení in silico nástrojů pro přesnější anotaci PFAS prekurzorů.
• Integrace dat z CIC a HRMS do rutin pro řízení kvality výroby obalových materiálů a pro posuzování expozice spotřebitelů.

Závěr

Kombinace spalovací iontové chromatografie a LC–HRMS nabízí komplementární přístup k hodnocení fluorizace materiálů pro styk s potravinami: CIC kvantifikuje celkový organický fluor (TOF) a odhalí rozsah problémů spojených s nerozpustnými či polymerními PFAS, zatímco LC–HRMS poskytuje molekulární identifikaci pouze té části fluoru, která je extrahovatelná. V praxi to znamená, že regulační a rizikové posouzení by mělo zahrnovat měření TOF/EOF, protože cílené LC–MS rutiny samy o sobě podceňují celkový fluorový obsah a tím i potenciální riziko.

Reference

1. Hu J.; Cochran R. E.; Grim C. M.; Rumachik N. G. Comprehensive Screening of PFAS in Food Contact Materials Using Combustion Ion Chromatography for TOF Analysis. J. AOAC Int., 2025.
2. Hu J.; Rumachik N. Application Proof Note 003822: TOF determination using the Cindion CIC system, Thermo Fisher Scientific, 2025.