Non-Targeted Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Environmental Extracts by Microflow LC-QToF Coupled with Multi-spray ESI

Význam tématu

Per- a polyfluoroalkylové látky (PFAS) tvoří rozsáhlou a dynamicky se vyvíjející skupinu antropogenních sloučenin s významným environmentálním i zdravotním dopadem. Tradiční cílené metody sledují známé látky, avšak nedokáží plně pokrýt nové, vznikající nebo transformační produkty. Non-targeted analysis (NTA) umožňuje objevovat a charakterizovat neočekávané PFAS v komplexních matrikách, přičemž citlivost a kvalita fragmentačních dat jsou klíčové pro spolehlivou identifikaci neznámých sloučenin.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo demonstrovat, že kombinace mikroproudové kapalinové chromatografie (microflow LC) s multi-nozzle ESI a vysokorozlišovacím QToF v režimu data-independent acquisition (DIA) zvyšuje citlivost a umožňuje efektivní NTA PFAS v environmentálních extraktech. Studie zpracovala vzorky kontaminované AFFF (NIST interlaboratorní studie) a odpadní skládkovou vodu a ukázala workflow pro zpracování dat pomocí softwarových nástrojů pro filtraci, vizualizaci a statistickou analýzu.

Použitá metodika

Vzorky: Metanolem extrahované AFFF-impaktované půdní vzorky a extrakty skládkového prosáknutí.

Chromatografie a injekce: Přímá injekce (direct injection) na C18 kolonu (Shim-pack MC C18, 0.175 mm × 50 mm, 1.9 µm) bez delay/trap kolony, aby se minimalizovala selektivita způsobená retenční pastí. Pracovní průtok byl 5 µL/min a objem injekce 1 µL; gradient přecházel z nízkého podílu organiky na vysoký během analýzy a následně reequilibraci.

Ionizace a MS akvizice: Negativní režim ESI s multi-nozzle emiterem (DuoESI / M3) optimalizovaný pro lepší odsolvování a zvýšení citlivosti. QToF akvizice v rozsahu m/z 100–1000, režim DIA s izolačním oknem ~34.6 Da, loop time ~0.93 s a vyhodnocením dekonvoluovaných MS/MS spekter. Kolizní energie (CE) byla nastavena jako střední hodnota s rozsahy pro fragmentaci (25 ± 17 V).

Datové zpracování: Víceúrovňové workflow zahrnovalo Insight Explore (screening, KMD filtry, library search, Assign feature), Insight Discovery (hromadné zpracování, výběr feature, screening) a Profiler (zarovnání feature, statistika, volcano plot, PCA). K jako referenční jednotka pro Kendrick Mass Defect (KMD) byla použita CF2 opakující se jednotka s tolerancí KMD 80 mDa pro identifikaci PFAS homologických sérií.

Použitá instrumentace

• Shimadzu Nexera Mikros LC (microflow)
• Newomics DuoESI zdroj s M3 multi-nozzle emitterem
• Shimadzu LCMS-9050 Quadrupole Time-of-Flight (QToF) MS
• Shimadzu softwarová sada: Insight Explore, Insight Discovery, Profiler

Hlavní výsledky a diskuse

- Zvýšená citlivost: Kombinace microflow LC a multi-nozzle ESI zlepšila desolvaci a signál pro PFAS, což přineslo lepší detekovatelnost stopových a neznámých komponent v extraktech.

- Efektivní NTA workflow: DIA akvizice umožnila získat konzistentní MS/MS fragmenty pro větší počet iontů bez předchozího výběru, přičemž dekonvoluce DIA spekter poskytla diagnostické fragmenty (např. ion FSO3-), které podporují strukturální hypotézy pro sulfátované PFAS.

- KMD filtr a identifikace sérií: Použití CF2-KMD filtru pomohlo redukovat komplexitu dat a rychle vyselektovat homologické série PFAS; konkrétně byl nalezen chromatograficky čistý signál m/z 499.0033 s diagnostickým fragmentem FSO3-, který nebyl v knihovně.

- Multivariační statistika: PCA umožnila rozlišit vzorky a identifikovat příspěvky specifických feature (např. 6:2 FTS s m/z 426.966, RT 10.74 min významně ovlivňující PC2). Profiler zarovnal 641 feature mezi vzorky a volcano plot ukázal rozdíly mezi dvěma typy WAX SPE cartridgí – 302 feature výrazně vyšší u cartridge 2 a 129 u cartridge 1, což ilustruje vliv čistících kroků na profil detekovaných sloučenin.

Přínosy a praktické využití metody

- Rozšířené pokrytí PFAS: Metoda umožňuje screening známých i neznámých PFAS v komplexních environmentálních matricích bez nutnosti selektivního trapu.
- Rychlé navázání na knihovny: Potvrzené feature lze přidávat do interních knihoven pro budoucí rutinní screening.
- Podpora rozhodování o přípravě vzorku: Statistická analýza umožňuje srovnání extrakčních a čistících postupů (SPE) a volbu optimálních cartridge pro konkrétní cíle analýzy.
- Škálovatelnost: Kombinace Explore/Discovery/Profiler umožňuje zpracování více datových souborů a hromadné filtrování potenciálních cílů.

Budoucí trendy a možnosti využití

- Integrace s rozsáhlými suspect listy a veřejnými databázemi pro rychlejší anotaci nových PFAS.
- Rozvoj kvantitativních přístupů založených na mikroproudech a rozšíření validace pro rutinní monitorování (QA/QC), včetně mezi-laboratorních studií.
- Kombinace různých ionizačních režimů (pozitivní/negativní) a orthogonalních separačních technik (např. ion mobility) pro lepší rozlišení izomerů a komplementární fragmentační informace.
- Automatizované machine-learning postupy pro prioritizaci feature a predikci struktur na základě fragmentačních vzorců a KMD vzorů.

Závěr

Studie ukazuje, že microflow LC spojené s multi-nozzle ESI a QToF MS v režimu DIA představuje silný přístup pro NTA PFAS v komplexních environmentálních vzorcích. Softwareové nástroje pro KMD filtrování, dekonvoluci DIA a multivariační statistiku zefektivňují identifikaci a priorizaci potenciálních PFAS. Metodika umožňuje objevit dosud nezdokumentované PFAS a poskytuje robustní workflow pro následnou konstrukci interních knihoven a systematické sledování kontaminace.

Reference

1. Place, Benjamin J., et al. Per-and Polyfluoroalkyl Substances-Non-Targeted Analysis Interlaboratory Study Final Report. US Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, 2024.
2. Place, Benjamin. Suspect List of Possible Per- and Polyfluoroalkyl Substances. National Institute of Standards and Technology, 2021. DOI: 10.18434/mds2-2387 (verze 1.7).