Polychlorinated dibenzo-p-dioxins/furans analysis in food and feed at regulatory limits using the Orbitrap Exploris GC S mass spectrometer

Význam tématu

Analýza polychlorovaných dibenzo-p-dioxinů a furanů (PCDD/F) v potravinách a krmivech je kritická z hlediska veřejného zdraví vzhledem k extrémní toxicitě těchto látek při velmi nízkých koncentracích. Regulační požadavky (např. EU 2017/644) stanovují přísná kritéria pro citlivost, selektivitu a kvantitativní přesnost. Vývoj instrumentace, která umožní dosáhnout těchto kritérií s nižšími provozními náklady a jednodušší obsluhou než tradiční magnetické sektorové HRMS, je proto pro rutinní laboratoře zásadní.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem této aplikace bylo ukázat schopnost hmotnostního spektrometru Thermo Scientific Orbitrap Exploris GC S (dále Orbitrap Exploris GC S MS) dodat regulačně vyhovující výkon pro analýzu PCDD/F v potravinách a krmivech. Studie porovnává výsledky s klasickým GC-HRMS na magnetickém sektorovém přístroji a hodnotí splnění požadavků EU 2017/644 (rozlišení, LOQ, iontové poměry, lineární kalibrace, měřicí nejistota).

Použitá metodika a instrumentace

Metodika (shrnutí):

• Vzorky: potraviny (máslo, tuk z nosnic, slunečnicový a rybí olej) a krmiva (jedlé květy, koprové špičky) plus laboratorní spike.
• Příprava: extrakce pomocí ASE (Thermo Scientific Dionex ASE 350) pro krmiva; degradace lipidů sírovou kyselinou u tuků/olejů; zpětná extrakce do hexanu; automatizované vícekolonové čištění (kyselá silica, alumina, karbon) na DEXTech Plus (LCTech); koncentrace na 50 µL v nonanu.
• Standardy: 13C-izotopově značené interní standardy (EN1948 soubory); šestibodové kalibrační křivky po 10x ředění pokrývající rozsahy odpovídající tetra- až octa-chlorovaným kongenerům.
• Akvizice: timed SIM (tSIM) s HRAM přesností; izotopická ředěná kvantifikace.

Použitá instrumentace (samostatná sekce):

• Orbitrap Exploris GC S mass spectrometer (Resolving power 60 000 @ m/z 200, interní korekce přesnosti hmotnosti <1 ppm)
• NeverVent Advanced Electron Ionization (AEI) zdroj (350 °C) – pro zvýšenou citlivost (tzv. NeverVent AEI)
• Thermo Scientific TRACE 1610 GC s kolonu TraceGOLD TG‑Dioxin 60 m × 0,25 mm × 0,25 µm
• Thermo Scientific iConnect PTV (velkoobjemová injekce 5 µL, splitless) a TriPlus RSH autosampler
• DEXTech Plus (LCTech) pro automatizované multi‑column čištění
• Chromeleon CDS s přednastaveným HRAM Dioxin eWorkflow v1.0 pro automatizaci akvizice, zpracování (isotopická diluce) a reportování

Klíčové instrumentální parametry (vybrané):

• Přenosová linka 300 °C, ionizační zdroj NeverVent AEI 350 °C, EI ionizace
• Rozlišovací schopnost 60 000 (FWHM @ m/z 200) — pro těžší kongenery (např. OCDD, m/z ~455.7401) poskytuje efektivně ~39–40 000, tj. nad požadavkem ~23 000 simulovaným pro splnění R ≥10 000 na 5% výšky píku
• Akvizice v režimu tSIM, emisní proud 50 µA, přesnost na lock mass ~5 ppm
• LOQ kategorie kongenerů v pracovních jednotkách: 0.002–0.016 pg/µL (přibližné rozsahy podle chlorace)

Hlavní výsledky a diskuse

Lineární a přesná kvantifikace:

• Lineární odpověď pro všechny kongenery s R2 > 0,999 a %RSD ≤ 2,25 %.
• Kvantifikace přesně dosažitelná až do 2 fg/µL ve standardu (odpovídá 10 fg na koloně při 5 µL injekci).

Shoda s regulačními kritérii:

• Ion‑ratio (poměr kvantifikační/konfirmační ionty) a jejich odchylka splnily kritérium ±15 % pro standardy i kontroly na fg úrovních.
• Kontrolní standardy (4 fg/µL a 20 fg/µL) byly v rámci ±25 % tolerance odpovědi (požadavek EU 2017/644 pro měřicí nejistotu).

Citlivost a LOQ v reálných vzorcích:

• Všechny testované potravinářské vzorky měly stanovené LOQ (Sum Upperbound) pod hodnotou 1/5 ML relevantní pro danou matrici (požadavek EU 2017/644).
• Příklad: vzorky krmiv (jedlé květy, kopr) měly LOQ ≈ 0,061–0,062 pg WHO‑PCDD/F‑TEQ/g vs 1/5 ML = 0,15 pg/g pro krmiva s ML =0,75 pg/g.

Porovnání s GC‑HRMS (magnetický sektor):

• Dobrá shoda výsledků mezi Orbitrap Exploris GC S a tradičním GC‑HRMS pro matice jak nad, tak pod regulačními prahy.
• Orbitrap analýza dosáhla srovnatelné nebo lepší citlivosti i přes nižší injektované množství výsledného extraktu (GC‑HRMS injektoval asi dvojnásobek objemu), což ilustruje vyšší citlivost AEI zdroje a HRAM Orbitrap detekce.

Selektivita (resolving power):

• Orbitrap provozovaný na 60 000 (m/z 200) poskytuje pro nejvyšší analyty (např. OCDD) rezoluci výrazně nad limitem nutným k eliminaci izobarických interferencí podle EU (prakticky ~39 700 pro OCDD vs potřebných ~23 000), čímž je zajištěna vysoká selektivita a důvěryhodnost signálů při ultra‑trace analýze.

Přínosy a praktické využití metody

• Orbitrap Exploris GC S MS poskytuje regulačně vyhovující alternativu k dražším a provozně náročnějším magnetickým sektorovým HRMS systémům.
• Přednastavené eWorkflow a integrace do Chromeleon CDS zrychlují tvorbu metod, vyhodnocení dat a reporting v souladu s EU požadavky, což snižuje časovou náročnost a riziko chyb při zpracování ultrastopových dat.
• Automatizované čištění a použití 13C‑izotopové diluce zajišťují reprodukovatelné zotavení interních standardů a robustní kvantifikaci napříč různými matricemi (tuky, oleje, rostlinné materiály).

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další zvyšování požadavků na nižší ML v krmivech a potravinách bude vyžadovat přístroje kombinující extrémní citlivost s vysokou selektivitou; Orbitrapy s AEI zdroji představují vhodný směr.
• Rozšíření přednastavených HRAM pracovních postupů (eWorkflow) na širší okruh kontaminantů (např. dioxin‑like PCB, další persistentní organické látky) zlepší efektivitu laboratoří pro komplexní monitorování bezpečnosti potravin.
• Integrace pokročilých datových nástrojů (automatické kontroly ion‑ratio, interní recovery, interaktivní reporty) usnadní splnění regulatorních auditů a zpřesní interpretaci dat při velmi nízkých koncentracích.

Závěr

Studie demonstruje, že Orbitrap Exploris GC S MS s NeverVent AEI zdrojem a HRAM tSIM akvizicí plní kritéria EU 2017/644 pro analýzu PCDD/F v potravinách a krmivech. Přístroj dosahuje vysoké citlivosti (kvantifikace do fg rozsahů), vynikající lineárnosti a selektivity (rezoluce podstatně nad požadavkem pro těžší kongenery), přičemž výsledky jsou v dobré shodě s tradičním magnetickým sektorovým GC‑HRMS. Kombinace automatizované přípravy vzorků, isotopické diluce a přednastavených datových workflow činí metodu prakticky použitelnou pro rutinní regulační monitoring.

Reference

1. Commission Regulation (EU) 2017/664. Laying down methods of sampling and analysis for the control of levels of dioxins, dioxin-like PCBs and no-dioxin-like PCBs in certain foodstuffs and repealing Regulation (EU) No 589/2014.
2. Commission Regulation (EU) 2017/771. Amending Regulation (EC) No 152/2009 as regards the methods for the determination of the levels of dioxins and polychlorinated biphenyls.
3. Commission Regulation (EU) 2023/915 of 25 April 2023 on maximum levels for certain contaminants in food and repealing Regulation (EC) No 1881/2006.
4. Directive 2002/32/EC of the European Parliament and of the Council of 7 May 2002 on undesirable substances in animal feed.
5. World Trade Organization. Committee on Sanitary and Phytosanitary measures (2023). Document on planned changes to feed limits (WTO NEU703).