Single Quadrupole LC-MS with Line-Shape Calibration Enhancement as an Economical Alternative for PFAS Screening

Význam tématu

Per- a polyfluorované alkylové látky (PFAS) představují persistentní, široce rozšířené kontaminanty s významnými environmentálními a zdravotními riziky. Spolehlivá a dostupná analytika PFAS je proto klíčová pro monitorování vod, půd, biot a potravin. Tradičně se pro analýzu nevolatilních PFAS používá triple-quadrupole LC-MS/MS (TQ-LCMS), avšak náklady a provozní nároky omezují dostupnost této techniky. Použití single-quadrupole LC-MS (SQ-LCMS) v kombinaci s metodami zlepšujícími určení přesné hmotnosti — konkrétně line-shape kalibrací (MassWorks) — nabízí ekonomickou alternativu pro screening PFAS, která může významně rozšířit kapacitu laboratoří provádějících rutinní monitorování.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo vyvinout a ověřit SQ-LCMS metodu schopnou screenovat 40 cílových PFAS látek s použitím line-shape kalibrace pro zlepšení přesnosti m/z a tím zvýšení spolehlivosti identifikace. Metoda byla navržena tak, aby byla kompatibilní s koncentracemi a přístupy používanými v EPA Method 1633A. K hodnocení účinnosti kalibrace a identifikace byly porovnány různé kalibrační podmínky pomocí funkce Target Analysis v softwaru MassWorks.

Použitá metodika a instrumentace

Popis vzorku a standardů:

• 40 cílových PFAS a 31 interních standardů připraveno v souladu s požadavky EPA Method 1633A.
• Koncentrační rozsah neat standardů: 0.2–1560 ppb (v různých kalibračních bodech).

Chromatografie a MS (souhrn parametrů):

• Systém: Nexera XR s detektorem LCMS-2050 (Shimadzu).
• Kolony: Shim-pack Scepter C18-120, 3 µm; analytická 2.1×50 mm; delay 2.1×100 mm.
• Ionizace: ESI v negativním režimu (interface voltage -0.5 kV indicativně pro negativní ionizaci).
• Mobilní fáze: A = 2 mM amonná sůl v H2O; B = acetonitril; průtok 0.4 mL/min; teplota kolony 40 °C; injekční objem 5 µL.
• Podmínky spraye: desolvation temp 250 °C; DL temp 200 °C; nebulizační plyn 2.0 L/min; heating gas 7.0 L/min; probe position +2 mm.

Datová akvizice a kalibrace:

• Softwarová podpora pro line-shape kalibraci a cílovou analýzu: MassWorks (Cerno Bioscience).
• Testovány byly různé kalibrační podmínky (Condition 1–6) lišící se počtem a typem kalibračních sloučenin a kritérii pro akceptaci (masová přesnost v mDa, spektrální přesnost, S/N).
• Kriteria pro určení LOQ: přesnost 70–130 %, S/N > 10, %RSD < 20 a %RSE < 20. IDL (Instrument Detection Limits) počítány z 11 replik podle přístupu obdobného MDL v CFR Appendix B to Part 136.

Hlavní výsledky a diskuse

Separační výkon a chromatografie:

• Chromatogram všech analyzovaných látek v polovinném kalibračním bodě vykazoval dobře rozlišené píky rozprostřené v čase, což indikuje vhodné chromatografické rozlišení pro většinu cílových PFAS.

Citlivost a limity kvantifikace:

• Metoda dosáhla nízkých LOQ srovnatelných s požadavky EPA pro řadu analyzovaných PFAS; IDL stanovené z replik byly v souladu s přístupy pro MDL v regulacích.
• Pro některé sloučeniny byla identifikace omezena nízkým S/N nebo vyšší chybou m/z (>50 ppm), tyto případy nebyly spolehlivě identifikovány.

Masová přesnost a účinnost kalibrace:

• Distribuce masové přesnosti pro nejvyšší kalibrační úroveň ukázala, že použití většího počtu kalibračních sloučenin (Condition 4 — zahrnutí cílových PFAS s dostatečným S/N) poskytlo celkově nejlepší masové přesnosti.
• Přísnější kritéria (Condition 5 a 6: mass accuracy ≤ 20/10 mDa a spektrální přesnost ≥ 90–95 %) samozřejmě vedla k nižšímu počtu akceptovaných identifikací, ale zvyšují jistotu potvrzení tam, kde byla splněna.

Praktické pozorování:

• Line-shape kalibrace pomocí MassWorks výrazně zlepšila schopnost SQ-LCMS přibližovat se k аналитickým výsledkům, které by jinak vyžadovaly vyšší řadu (TQ nebo HRMS).
• Optimalizace kalibrace (vyvážení počtu kalibračních sloučenin a kvalitativních kritérií) je klíčová pro maximální pokrytí cílových analy­tů při zachování přijatelné spolehlivosti.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy:

• Ekonomická alternativa: SQ-LCMS je dostupnější investičně i provozně než TQ-LCMS nebo HRMS, což umožňuje širší nasazení screeningu PFAS v menších laboratořích.
• Zvýšená spolehlivost identifikace: použití line-shape kalibrace zlepšuje přesnost m/z a spektrální shodu, sníží riziko falešných pozitivních identifikací u vhodně kalibrovaných analýz.
• Kompatibilita s regulatorními přístupy: metodika byla vyvíjena v kontextu koncentrací a postupů blízkých EPA Method 1633A, což zvyšuje její relevanci pro environmentální monitorování.

Omezení a doporučení pro praxi:

• SQ-LCMS zůstává méně selektivní než TQ-LCMS; pro definitivní kvantitativní potvrzení nízkých koncentrací a pro analýzu matričně složitých vzorků bude často nutné doplnit metodu o MRM přístup nebo HRMS.
• Silný vliv mají interní standardy a počet kalibračních sloučenin — doporučuje se rozsáhlá sada ISTD a optimalizovaná kalibrace pro konkrétní třídou PFAS.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje:

• Další zdokonalování softwarových metod pro line-shape kalibraci a dekonvoluci píkových tvarů může dále zvyšovat schopnost SQ-LCMS poskytovat výsledky blízké HRMS.
• Integrace rozsáhlejších sád interních standardů a referenčních materiálů pro různé matrice povede k robustnějšímu kvantitativnímu screeningu.
• Standardizace postupů pro potvrzovací kritéria (masová přesnost, spektrální přesnost, S/N) by podpořila širší akceptaci těchto přístupů regulátory a v monitorovacích sítích.
• Možnost nasazení jako předřazený screening (triage) v sítích laboratorní analýzy: SQ-LCMS by mohla sloužit k rychlé selekci vzorků, které vyžadují detailní analýzu na TQ-LCMS nebo HRMS.

Závěr

Studie ukazuje, že kombinace single-quadrupole LC-MS a line-shape kalibrace představuje prakticky použitelnou a nákladově efektivní strategii pro screening cílových PFAS. Při vhodné kalibraci a ponechání dostatečného počtu interních standardů je možné dosáhnout nízkých LOQ a dobrých masových přesností pro většinu analyzovaných látek. Metoda není univerzální náhradou za vysokoselektivní TQ- nebo HRMS přístupy, ale nabízí hodnotný kompromis pro rutinní screening a předvýběr vzorků vyžadujících další potvrzení.

Reference

1. U.S. Environmental Protection Agency. Method 1633A: Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Aqueous, Solid, Biosolids, and Tissue Samples by LC-MS/MS. January 2024.
2. CFR Appendix B to Part 136, Title 40 — Definition and Procedure for the Determination of the Method Detection Limit—Revision 2.