High Throughput Multi-Residue Screening of Drinking Water using the SPE-DEX and Pegasus GC-TOFMS

Význam tématu

Rychlé a spolehlivé monitorování kontaminantů ve vodě je klíčové pro zabezpečení pitné vody, včasné odhalení havárií a splnění regulatorních požadavků. Kombinace automatizovaného SPE s fyzikálním sušením extraktů a vysokorychlostní GC-TOFMS umožňuje významné zkrácení doby analýzy a zvýšení průchodnosti laboratoří bez zásadních kompromisů v kvalitě kvalitativních výsledků.

Cíle a přehled studie / článku

Autoři prezentují ověření workflow pro screening více tříd pesticidů a organických kontaminantů v pitné vodě, založené na automatickém extrakčním systému SPE-DEX s DryDisk sušením a vysokorychlostním TOFMS (Pegasus III). Cílem bylo ukázat možnosti rychlého kvalitativního screeningu sloučenin v hladinách řádově 1–10 µg/L a demonstrovat šíři detekovaných skupin látek v krátkém analytickém čase.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika

• Vzorek: 1 L dechlorované kohoutkové vody navozené přídavkem testovaných látek (1–10 µg/L).
• Příprava: okyselení na pH 2, průtok přes 50 mm hydrofilní SPE disk v automatickém SPE-DEX systému; disk byl před extrakcí kondicionován dichlormethanem (DCM), acetone a vodou.
• Eluce: analyty eluovány DCM; sušení extraktu provedeno fyzikálním sušením přes DryDisk (Gore-Tex membrána) bez použití chemického sušidla.
• Varianty: část extraktu byla metylována pro analýzu kyselých látek; v jednom případě bylo po prvním průtoku odfiltrována voda, upraveno pH na 12 a vzorek znovu projit diskem (dvouetapová extrakce).
• Injekce: 1 µL cold splitless.

GC-TOFMS podmínky (základní parametry použití)

• GC: Agilent 6890, kolona DB-5 20 m × 0.18 mm × 0.18 µm, program: 40 °C (3 min) → 80 °C/min → 280 °C (3.5 min), celkový běh 9.5 min, nosné plyn He, průtok ~1.8 mL/min.
• Injektor: ATAS GL Optic 2 splitless liner; splitless time 2.5 min, tlakový profil z 31.3 psi na 60.4 psi.
• MS: LECO Pegasus III TOFMS s ChromaTOF software; rozsah 30–500 m/z, solvent delay 200 s, scan rate použité analýzy ~30 spekter/s (technicky až stovky až 500 full spectra/s), teplota ionizační komory 230 °C, transfer line 260 °C.

Použitá instrumentace

• Horizon Technology SPE-DEX 4790 (automatizované SPE)
• Horizon Technology DryDisk (Gore-Tex sušení)
• ATAS GL Optic 2 Programmable Injector
• ATAS GL Focus Robotic Sample Processor
• Agilent 6890 GC
• LECO Pegasus III TOFMS
• LECO ChromaTOF pro automatické hledání píků a dekonvoluci spekter

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky ukázaly, že kombinace SPE-DEX + DryDisk + GC-TOFMS je vhodná pro rychlý kvalitativní screening širokého spektra analyzovaných skupin: fenoly, triaziny, kyseliny, organochlorované a organofosfátové pesticidy, včetně velmi těkavých halogenovaných trihalomethanů (THMs) a velmi nevolatilních látek (např. squalane). Klíčová zjištění:

• Analytická průchodnost: chromatografický běh 9.5 min, automatizované zpracování dat obvykle ≤2 min; autoři uvádějí zkrácení celkového času analýzy na přibližně 30 minut včetně extrakce a přípravy.
• Senzitivita a identifikace: kvalitativní detekce a identifikace sloučenin ve spikovaných hladinách 1–10 µg/L. U vybraných látek byly dosaženy vysoké shody s knihovními spektry (příklady: dibromochloromethane ~80 %, fenol >87 %, dichlorvos ~90 %; u některých azinphos látek cca 75 %).
• Rozlišení koelujících složek: díky vysoké hustotě spektrálních dat a dekonvolučnímu algoritmu ChromaTOF bylo možné extrahovat čistá spektra i pro koeluující nebo skryté píky.
• Kompatibilita širokého rozsahu látek: metoda zvládla jak velmi těkavé, tak velmi nevolatilní látky bez zjevného zhoršení výkonu.
• Omezení: studie byla zaměřena na kvalitativní screening; konečný objem extraktu nebyl kontrolován ani koncentrován, takže kvantitativní výsledky nebyly validovány. Dále je třeba komplexnější validace pro limity detekce a přesnost v reálných matricích.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda přináší několik praktických výhod pro rutinní monitorování vod:

• Výrazné snížení doby analýzy na jednotky desítek minut, což zvyšuje kapacitu laboratoře a rychlost rozhodování při incidentním monitoringu.
• Plná automatizace SPE-DEX minimalizuje rukopisné chyby, zvyšuje reprodukovatelnost extrakcí a zkracuje dobu přípravy.
• DryDisk fyzikální sušení eliminuje potřebu chemických sušidel (např. Na2SO4) a s tím spojené variability a následné manipulace.
• TOFMS s vysokou frekvencí skenování a dekonvolučním softwarem umožňuje spolehlivý screening i při rychlých GC bězích a v přítomnosti složitých matic.

Budoucí trendy a možnosti využití

Pro další rozvoj a širší implementaci lze očekávat a doporučit:

• Plnohodnotnou kvantitativní validaci workflow: kontrolované koncentrační kroky, interní standardy, kalibrační křivky a posouzení mezí detekce a kvantifikace pro jednotlivé látky.
• Optimalizaci rychlosti: použití ještě kratších kolon (např. 10 m) a vyšších scan rate TOFMS za účelem dalšího zkrácení doby analýzy.
• Rozšíření panelu validovaných látek a testování reálných vzorků z různých zdrojů s různou matricí a interferencemi.
• Integrace se sofistikovaným zpracováním dat a strojovým učením pro rychlejší a robustnější identifikaci neznámých stopových kontaminantů.
• Vypracování SOP a mezinárodních protokolů pro rutinní použití v monitoringu pitných vod a v rámci pohotovostních plánů.

Závěr

Představené řešení založené na automatizovaném SPE-DEX, fyzikálním DryDisk sušení a vysokorychlostním Pegasus III TOFMS prokázalo slibné výsledky jako rychlý kvalitativní screening pitné vody. Metoda vhodně kombinuje vysokou průchodnost, schopnost analyzovat široké spektrum látek a pokročilé softwarové nástroje pro dekonvoluci. Pro přechod do rutinní kvantitativní praxe je však nezbytné provést doplňující validace, optimalizovat kvantifikační kroky a ověřit výkon v širším spektru reálných subjektních vzorků.

Reference

1. Scott S., Turner D., LECO Corporation; High Throughput Multi-Residue Screening of Drinking Water using the SPE-DEX and Pegasus GC-TOFMS, LECO Corporation whitepaper, 2008.