Development and Validation of an Automated Online SPE Kit Coupled to Xevo TQ-S micro for the Identification and Quantification of 48 PFAS in Environmental Water Matrices

Vývoj a validace automatizovaného online SPE kitu spojeného s Xevo TQ‑S micro pro identifikaci a kvantifikaci 48 PFAS ve vodních matricích

Význam tématu:
Per‑ a polyfluorované alkylové látky (PFAS) jsou vysoce perzistentní kontaminanty s širokým rozsahem chemických vlastností a nutností sledování v ultranízkých koncentracích. Spolehlivá, citlivá a automatizovaná analytika je klíčová pro regulaci a monitorování pitných a povrchových vod, minimalizaci rizika kontaminace během přípravy vzorků a zvýšení laboratorní propustnosti v souladu s EU a britskými požadavky (DWI, WFD).

Cíle a přehled studie / článku:
Cílem studie bylo vyvinout a ověřit 2D online SPE (trap‑and‑elute) workflow integrované s LC–MS/MS (Xevo TQ‑S micro) pro současné stanovení 48 PFAS definovaných v britských DWI pokynech. Metoda má zajistit nízké LOQ (sub ng/L), reprodukovatelnost, snížené riziko kontaminace a možnost dlouhodobého bezobslužného provozu pro vysoký průtok vzorků.

Použitá metodika a instrumentace:
Popis metody:
- Automatizované online SPE (trap‑and‑elute 2D‑LC) s optimalizovaným pH a ionickou silou pro aktivaci WAX mechanismu na pasticím sloupci.
- Load solvent: voda upravená na pH 3.0 (±0.3) pro aktivaci retence aniontů na WAX; wash: 2 mM ammonium acetát v pH 5.5; analytická mobilní fáze A: 10 mM ammonium acetát pH 5.4, B: acetonitril s 0.1 % ammonium hydroxide (pH ~10).
- Gradient back‑flush eluce a chromatografie na analytickém sloupci, doba analýzy 24 minut na vzorek; injekční objem 3000 µL; průtok analytickým sloupcem 0,350 mL/min; teplota anal. sloupce 40 °C.

Použitá instrumentace:

• Waters Online SPE UPLC‑MS/MS Kit s dvěma ACQUITY UPLC solvent managery (HClass QSM a I‑Class Plus) a Flow‑Through Needle modifikovanými pro PFAS‑free linky
• CTC PAL‑3 RSi vzorkovač upravený PFAS‑free díly (včetně dilutor tool a speciálního režimu Online SPE Single Column)
• Trap column: vlastní Oasis™ WAX Direct Connect spojený s XBridge™ BEH C8 Direct Connect
• Isolator column: Atlantis Premier BEH C18 AX 5 µm, 2.1 x 50 mm
• Analytický sloupec: Atlantis Premier BEH C18 AX, 1.7 µm, 2.1 x 100 mm
• Mass spectrometer: Xevo TQ‑S micro s UniSpray ionizací (pozitivní/negativní režim), MRM akvizice
• Informatika: waters_connect for Quantitation (obsahuje AME, MS Quan atd.)

Další aspekty:
- Použito 24 stabilně značených 13C interních standardů (ILIS) v fixním objemu do autosampler vialů pro korekci matrix efektů.
- Optimalizace použití acetonitrilu (lepší tvar píku, nižší tlak a šum vs methanol) a nastavení ionické síly mobilní fáze (10 mM ammonium acetát pro lepší tvar píku).

Hlavní výsledky a diskuse:
- Linearita: pro všech 48 PFAS byla dosažena R2 > 0,99 na rozsahu 0,05–20 ng/L.
- LLOQ: v rozsahu 0,05–0,2 ng/L; kriterium LLOQ zahrnovalo S/N > 10 pro kvantifikátor i kvalifikátor a ion‑ratio v ±30 %.
- Preciznost: opakovatelnost v dospívané vodě (spiked river water, n = 8) ukázala RSD < 15 % pro všechny analyty; retenční časní stabilita < 0,3 %.
- Accuracy: analýza CRM IRMM‑428 (pitná voda) ukázala shodu s certifikovanými hodnotami; Z‑score pro testované PFAS v přijatelné oblasti (±2).
- Matrice: metoda byla ověřena v pitné, říční a podzemní vodě; v kontrolních vzorcích řek byly detekovány některé PFAS nad 1 ng/L (PFBS, L‑PFOS, PFPeA, PFOA, PFHxS).
- Carryover a pozadí: použití PFAS‑free částí, izolátorového sloupce a optimalizovaných wash postupů vedlo k nepostřehnutelnému systémovému pozadí; po injekci nejvyššího standardu (20 ng/L) nebyly v blanku PFAS > 30 % LLOQ dle EPA 1633 kritérií.

Přínosy a praktické využití metody:

• Vysoká citlivost (sub ng/L) umožňuje splnění regulačních požadavků (DWI, EU Drinking Water Directive) pro skupinu 48 PFAS.
• Automatizovaná online SPE výrazně snižuje hands‑on čas, riziko kontaminace a variabilitu mezi operátory oproti offline SPE.
• Nižší spotřeba rozpouštědel a jednorázových SPE kazet = nižší náklady a ekologická zátěž laboratoře.
• Možnost nepřetržitého provozu a vyšší propustnost (až ~60 vzorků/24 h) s minimálním dohledem.
• Integrovaná softwarová podpora (waters_connect) zrychluje vývoj metody, kalibraci a zprávování výsledků.

Budoucí trendy a možnosti využití:

• Rozšíření pokrytí metody na ultra‑kraté řetězce PFAS a další (zwitterionické/neutrální) struktury vylepšením sorbentů a elucních režimů.
• Propojení s další automatizací (např. plně integrované ACD pumpy) za účelem ještě lepšího „solvent‑match“ a zlepšení fokusu raných eluovaných analytů.
• Širší nasazení v monitoringu zdrojů pitné vody a v dokumentaci prostoru kontaminace pro remediační rozhodování.
• Možné kombinace s jinými analytickými platformami pro screenování neznámých PFAS a neenzymatické frakcionalizace.

Závěr:
Automatizovaný online SPE postup spojený s Xevo TQ‑S micro poskytuje robustní, citlivou a vysoce průtočnou metodu pro kvantifikaci 48 PFAS v různých vodních matricích. Metoda splňuje kritéria linearity, citlivosti, přesnosti a opakovatelnosti potřebná pro regulační monitorování a nabízí významné provozní výhody oproti tradičním offline SPE workflow.

Reference:

1. Li J.G. Perfluorinated Organic Compounds: Emerging Environmental Pollutants with Potential Health Risks. Chin. J. Prev. Med. 2015;49:467–469.
2. Xiao F. Emerging Poly‑ and Perfluoroalkyl Substances in the Aquatic Environment: A Review of Current Literature. Water Research. 2017;124:482–495.
3. Mabury S.A., D’Agostino L.A. Identification of Novel Fluorinated Surfactants in Aqueous Film Forming Foams and Commercial Surfactant Concentrates. Environ. Sci. Technol. 2014.
4. Directive (EU) 2020/2184 on the Quality of Water Intended for Human Consumption, 2020.
5. Drinking Water Inspectorate. Requirements for PFAS Monitoring by Water Companies in England and Wales. Information Letter 05/2021.
6. Organtini K.L., Renner B., Lame M.E., Brinster K.R. Oasis WAX for Extraction of PFAS from Drinking Water per EPA Method 533. Waters Application Note 2020.
7. Shoemaker J., Tettenhorst D. Method 537.1: Determination of Selected PFAS in Drinking Water by SPE and LC‑MS/MS. USEPA, 2020.
8. Zou J. et al. Rapid and Simultaneous Determination of Ultrashort‑, Short‑ and Long‑Chain PFAS by a Novel LC Method. J. Chrom. A. 2024;1734:465324.
9. De la Serna Calleja M.Ă., Bolado S., Jiménez J.J., López‑Serna. Performance Critical Comparison of Offline SPE, Online SPE, and Direct Injection for CECs. Microchemical Journal. 2023;187:108395.
10. European Commission, JRC. Certified Reference Material IRMM‑428 Certificate of Analysis (PFAS in drinking water).
11. U.S. EPA. Method 1633A: Analysis of PFAS in Aqueous, Solid, Biosolids, and Tissue Samples by LC‑MS/MS. Office of Water. 2024.