A comprehensive software workflow for non-targeted analysis of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) by high-resolution mass spectrometry (HRMS)

Význam tématu

Perfluoroalkylované látky (PFAS) jsou skupinou vysoce perzistentních molekul s širokým průmyslovým využitím a prokázanou toxicitou. Jejich rozsáhlé uplatnění vedlo k jejich globální distribuci v různých typech vzorků od pitných vod po biologické tkáně. Tradiční kvantitativní metody cílí na omezený počet známých PFAS, což nestačí vzhledem k tomu, že bylo identifikováno více než 9000 struktur. Není proto možné spoléhat pouze na cílené strategie, a to z důvodu nedostupnosti certifikovaných standardů a stále rostoucího počtu neznámých PFAS. Netargetovaná analýza pomocí vysoce přesné hmotnostní spektrometrie představuje nezbytný krok k úplnější charakterizaci těchto látek.

Cíle a přehled studie / článku

Autoři představují nový pracovní tok pro netargetovanou analýzu PFAS zabudovaný do softwaru Thermo Scientific Compound Discoverer verze 3.3 SP2. Cílem je sjednotit různé techniky z literatury – například filtraci hmotnostní defekty, vyhledávání produktových iontů, homologie jezer a molekulové sítě – do jedné přizpůsobitelné sekvence kroků podporující komplexní screening v různých matricech.

Použitá metodika a instrumentace

Pro separaci a měření byly využity:

• UHPLC Thermo Vanquish Core Binary s PFAS Retrofit Kit pro minimalizaci kontaminace
• Orbitrap Exploris 120 HRAM MS s plným MS/dd-MS2 akvizicí v negativním módu

Vzorky byly analyzovány po zahrnutí jednoho blanku a minimálně tří replik na vzorek. Software Compound Discoverer provádí:

• předpověď sumárních vzorců s omezením na maximu 50 atomů fluoru
• vyhledávání ve spectrální knihovně mzCloud a ve vlastních databázích FluoroMatch Suite
• filtrace pomocí předem definovaných hmotnostních defektů a logických filtrů fragmentů
• orthogonální diskriminaci na základě A0/A1 izotopových poměrů a m/C, md/C
• vizualizace výsledků včetně chromatogramů, hmotnostních spekter, Kendrickovy MD plotů a molekulových sítí

Hlavní výsledky a diskuse

Pracovní tok byl ověřen na vzorcích vody s 13 standardy PFAS v koncentracích EPA. Sensitivita dosáhla 91 procent. V komplexním průmyslovém odpadním vzorku došlo ke snížení počtu kandidátů z 14 000 na méně než 100 díky kombinaci fragmentačního filtru a orthogonální diskriminace. Kendrickovy MD ploty odhalily homologní série PFAS s rozdíly o 50 Da odpovídající CF2 jednotce a bylo potvrzeno očekávané zvyšování retenční doby s délkou řetězce. Molekulová síť dále seskupila PFAS podle fragmentační podobnosti a chemických transformací, což usnadnilo identifikaci neznámých analogů.

Přínosy a praktické využití metody

Integrovaný přístup poskytuje:

• rozšířenou detekci PFAS na rozsáhlou databázi známých i teoretických sloučenin
• zvýšenou specifitu díky ručně kurátorovaným fragmentům a filtrům hmotnostních defektů
• efektivní potlačení pozadí a snížení počtu falešně pozitivních výsledků
• podporu pro různé typy vzorků od pitné vody po biologické materiály

Budoucí trendy a možnosti využití

Dále se očekává rozšíření spektrálních i hmotnostních knihoven, integrace umělé inteligence pro automatickou anotaci a využití iontové mobility pro lepší rozlišení izomerů. Standardizace netargetovaných workflow mezi laboratořemi a rozvoj validních metrologických přístupů posílí environmentální monitoring a regulační opatření.

Závěr

Navržený netargetovaný workflow v Compound Discoverer verzi 3.3 SP2 představuje komplexní a flexibilní nástroj pro screening PFAS. Spojením více ortogonálních metod a bohatých vizualizačních funkcí umožňuje rychlou identifikaci známých i neznámých PFAS v široké škále vzorků.

Reference

• Liu Y. et al. High-Resolution Mass Spectrometry Methods for Nontarget Discovery and Characterization of PFAS in Environmental and Human Samples. TrAC Trends in Analytical Chemistry 2019.
• Getzinger G.J. et al. Structure Database and in Silico Spectral Library for Comprehensive Suspect Screening of PFAS. Analytical Chemistry 2021.
• Gonzalez de Vega R. et al. Simultaneous Targeted and Non-Targeted Analysis of PFAS by LC-IM-QTOF-MS and Mass Defect Analysis. Journal of Chromatography A 2021.
• Jia S. et al. Recent Advances in Mass Spectrometry Analytical Techniques for PFAS. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2022.
• Koelmel J.P. et al. Toward Comprehensive PFAS Annotation Using FluoroMatch and HRMS. Analytical Chemistry 2020.
• Koelmel J.P. et al. FluoroMatch 2.0—Automated and Comprehensive Non-Targeted PFAS Annotation. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2021.
• Kaufmann A. et al. Simplifying Nontargeted Analysis of PFAS in Complex Food Matrices. Journal of AOAC International 2022.
• Jacob P. et al. Evaluation of Suspect Screening Workflows for PFAS Characterization in Water. Environmental Science: Processes & Impacts 2021.