Accurately Identify Emerging Environmental Chemical Contaminants - Application Compendium

Význam tématu

Moderní environmentální analýza čelí rostoucím nárokům na citlivost, spolehlivost a šíři pokrytí při detekci stopových organických kontaminantů a jejich transformačních produktů v matricích jako voda, půda a biologické vzorky. Farmaka, pesticidy, PFAS či další toxické látky často unikají konvenčním metodám cílené analýzy, přičemž tisíce potenciálně toxických sloučenin zůstávají v životním prostředí neregulovány z důvodu omezených toxikologických dat. Vysoce přesná hmotnostní spektrometrie (HRAM) na platformách LC/Q-TOF a GC/Q-TOF spolu s moderními softwarovými nástroji a databázemi umožňuje komplexní screening známých, podezřelých i úplně neznámých kontaminantů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem popsaných prací je ukázat end-to-end workflow pro:

• cílenou kvantifikaci zvolených pesticidů, farmak a dalších mikro­kontaminantů,
• suspected screening na základě databází PCDL (pesticidy, voda, toxikologie),
• necílené identifikace neznámých transformačních produktů pomocí in silico fragmentace (MSC, CFM-ID),
• biologicky orientovanou „effects-directed“ analýzu toxických účinků kombinací SeaHorse analýzy a MS identifikace.

Vybrané studie zahrnují analýzu povrchových vod v deltě Sacramento-San Joaquin, podzemních vod u řeky South Platte, řeky Ammer, vliv ozonace odpadních vod a screening čtyř čistíren odpadních vod v Evropě.

Použitá metodika a instrumentace

Všechna měření probíhala na systémové kombinaci UHPLC nebo GC a vysoce přesného kvadrupól-time-of-flight spektrometru. Klíčové přístroje:

• Agilent 6500/6530/6550/Q-TOF LC/MS s Agilent Jet Stream ESI, All Ions MS/MS a Auto MS/MS módy,
• Agilent 7200 Series GC/Q-TOF pro semivolatilní a termostabilní látky,
• Agilent 1290 Infinity LC s kolonkami C18, C8 či Polar-RP; Agilent 1260 Infinity LC pro SPE a large-volume injekce,
• Agilent MassHunter Qualitative Analysis, Quantitative Analysis, Molecular Structure Correlator, Mass Profiler Professional, Personal Compound Database & Library (PCDL), METLIN, Mass Feature Generator, CFM-ID software.

Sběr vzorků zahrnoval SPE extrakci (mixed-mode, HLB, ENBV+), velkoobjemovou injekci, přímé injekce neředěné vody, on-line a off-line koncentrační metody. Pro cílenou kvantifikaci byly použity vícečetné kvadrupólové standardy a vnitřní standardy, pro neznámé identifikace in silico generované databáze transformačních produktů (EAWAG-PPS) s >1 400 kandidátními strukturami.

Hlavní výsledky a diskuse

• Cílenou metodikou bylo validováno 32 pesticidů v povrchových vodách s MDL 0,1–13 ng/L, přesností a precizností <20 %; z 51 vzorků bylo detekováno 25 pesticidů.
• Suspect screening rozšířil přehled na 85 možných polutantů (73 potvrzeno standardem/MS/MS). MS/MS koeluce fragmentů s precursor ions umožnila vysokou jistotu bez standardů.
• Workflow pro neznámé identifikoval 5 nových transformačních produktů pesticidů (např. dithiopyr-TP) pomocí MSC a CFM-ID s přesností >90 % match skóre.
• Screening odpadních vod po ozonaci s Mass Profiler Professional rozčlenil 13 996 funkcí na skupiny: odstraněné kontaminanty, rezistentní látky a nově vzniklé produkty. Hierarchická cluster analýza a PCA odhalily specifické „fingerprinty“ pro jednotlivé dávky ozonu.
• V podzemních vodách u South Platte River byly detekovány konzervativní markery (sucralose, gabapentin) s minimální degradací, zatímco atenolol a diphenhydramine vykazovaly 90–99 % sorpční odstranění.
• Ve výtoku čtyř WWTP v Evropě bylo detekováno >300 cílených xenobiotik: diethyltoluamid, metolachlor, isoproturon, farmaka (iomeprol, iopromid, atenolol, tramadol) a jejich metabolity; koncentrace reflektovaly zemědělské vs. městské zdroje.
• Vysoce přesná data umožňují archivaci výsledků a opakované dolování historických dat.

Přínosy a praktické využití metody

Unikátní kombinace HRAM Q-TOF LC/MS a sofistikované softwarové podpory přináší:

• komplexní screening známých a neznámých kontaminantů v jedné analýze,
• rychlé nasazení workflow pro cílené i neřízené analýzy,
• možnost efektivního sledování účinnosti či toxicitních dopadů čistících procesů,
• podporu regulací monitoringu kvality povrchových a pitných vod,
• identifikaci transformačních produktů, které mohou být toxičtější než matečné sloučeniny.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj vysoce přesné MS analýzy a databází bude směřovat k:

• rozšíření PCDL s vyšší pokrytostí transformation products a neregulovaných látek,
• pokročilejším in silico predikcím fragmentace s umělou inteligencí,
• integraci biologicky orientovaných testů (toxicoinformatika, SeaHorse) se spektrální identifikací,
• on-line QC/QA v reálném čase pro kontinuální monitorování vodních zdrojů,
• masovému nasazení vysokoobjemových injekcí a on-line SPE pro nízkonákladové rutinní testování.

Závěr

Využití Agilent LC/Q-TOF MS systémů spolu s pokročilými softwarovými nástroji a rozsáhlými databázemi přináší revoluci ve sledování a identifikaci environmentálních kontaminantů. Komplexní workflow pro cílené stanovení, suspect screening a neřízenou identifikaci umožňuje získat ucelený pohled na chemický profil vzorku a účinnost čisticích technologií. Archivace vysokopřesných dat umožňuje opětovné dolování dat a zpětné vyhodnocení nově objevených látek. Metody HRAM Q-TOF jsou tak klíčovým nástrojem pro ochranu veřejného a ekosystémového zdraví.

Reference

• EU Directive 2013/39/EU – Priority Substances in Water Policy.
• US EPA Method 1694 – Pharmaceuticals and Personal Care Products in Water.
• G. Moschet, et al. Environ. Sci. Technol. 51, 1553–1561 (2017).
• I. Ferrer, E.M. Thurman. J. Chromatogr. A 1259, 148–157 (2012).
• E.M. Thurman, I. Ferrer. Chemosphere 86, 9653–9661 (2014).
• B.I. Escher, et al. Environ. Sci. Technol. 47, 7012–7023 (2013).
• K. Ikehata, S.A. Snyder. Ozone-Science & Engineering 30, 21-26 (2008).
• M. Zedda, C. Zwiener. Anal. Bioanal. Chem. 403, 2493-2502 (2012).
• Agilent MassHunter Water Screening PCDL, G6882CA.