MDF-Based Workflow for Non-Targeted Screening for Per- and Polyfluoroalkyl Substances

Význam tématu

Analýza per- a polyfluoroalkylových látek (PFAS) je v praxi klíčová vzhledem k jejich rozsáhlému používání od 40. let 20. století a stoupajícím environmentálním a zdravotním rizikům.

Tradiční cílené metody zahrnují LC-MS/MS se standardy, ale pro tisíce známých i dosud neznámých PFAS je nutný přístup nesměřovaný (non-targeted). Vysoce-rozlišovací hmotnostní spektrometrie (HRMS) nabízí možnost objevovat neznámé composity bez předchozí znalosti standardů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie je vyvinout a ověřit datovou analýzu založenou na filtrování podle hmotnostního defektu (mass defect filtering, MDF) pro nesměřované vyhledávání PFAS v DDA datech získaných na přístroji LCMS-9030 a potvrdit ji na směsi 29 PFAS standardů.

Použitá metodika a instrumentace

Instrumentace:

• LC-MS: Shimadzu LCMS-9030 Q-TOF s ESI heated injekcí
• Kolona: Shim-pack Velox C18 (2,1×100 mm, 2,7 μm) s C18 delay kolonkou (2,1×50 mm)
• Mobilní fáze A: 5 mM acetát amonný ve vodě, B: acetonitril, gradient 20→80→20 % B v 12 min
• Průtok 0,4 mL/min, teplota kolony 40 °C, objem injekce 1 μL
• MS módy: full scan m/z 100–1000, DDA m/z 50–1000 s CE 35 V a spread ±15 V

Workflow MDF:

1. Extrahovat seznam prekurzorů z DDA dat
2. Vypočítat hmotnostní defekt každého prekurzoru
3. Filtrovat složky s MD mezi -10 a -120 mDa jako kandidáty PFAS
4. Predikce vzorce se speciálními nastaveními pro PFAS (C, F, H, O, N, S; případně P, Cl, Br; preferované DBE 0–1; 1 H nebo méně)
5. Identifikace pomocí MS/MS knihovny (MSDIAL-PFAS, interní) a Assign-MOL vyhledávání v databázích ChemSpider, PubChem, EPA PFAS Master List

Hlavní výsledky a diskuse

Při testu na směsi 29 PFAS:

• Všechny standardy byly úspěšně zachyceny v MDF kroku (MD od -17,7 do -106,1 mDa)
• Pro každý prekurzor se získal jeden či několik vzorců; volba správného vzorce byla podpořena kritérii DBE a počtu H atomů

Navíc bylo objeveno 42 dříve neznámých PFAS složek. Assign-MOL poskytl navrhované struktury pro 30 z nich, zatímco MS/MS knihovna často neobsahovala odpovídající spektra.

Přínosy a praktické využití metody

Workflow založený na MDF umožňuje rychlé a systematické prohledání HRMS dat na PFAS bez nutnosti autentických standardů pro každý analyzovaný izomer.
Metoda je vhodná pro environmentální monitoring, kontrolu pitné vody, analýzu biologických vzorků i průmyslovou QA/QC.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření a standardizace MS/MS knihoven PFAS pro lepší potvrzení struktur
• Integrace cílových i nesměřovaných přístupů s předpovědí fragmen­tů pomocí strojového učení
• Využití datově-intenzivních módu DIA (data independent acquisition) a automatizované anotace fragmentů
• Prekurzorové filtry podle hmotnostního defektu rozšířené o chemometrické hodnocení

Závěr

Vyvinutý MDF-workflow na LCMS-9030 pro nesměřované screening PFAS efektivně identifikoval všech 29 testovaných standardů a odhalil 42 nových složek. Kombinace MDF, restrikcí vzorců a vyhledávání v databázích umožňuje rychlé zúžení kandidátů, přičemž potvrzování zůstává limitováno dostupností MS/MS spekter.

Reference

1. Wang Z. et al., A Never-Ending Story of PFASs?, Environ. Sci. Technol., 51(5), 2017, 2508–2518.
2. Liu Y. et al., High-resolution mass spectrometry methods for non target discovery and characterization of PFASs in environmental and human samples, Trends Anal. Chem., 121, 2019, 115420.
3. Bugsel B. et al., Nontarget screening strategies for PFAS prioritization and identification by high resolution mass spectrometry: A review, Trends Environ. Anal. Chem., 40, 2023, e00216.
4. Charbonnet J. A. et al., Communicating Confidence of Per- and Polyfluoroalkyl Substance Identification via High-Resolution Mass Spectrometry, Environ. Sci. Technol. Lett., 9, 2022, 473–481.
5. Lee J. X. et al., Development of Screening Analysis Method for PFAS in Surface Water on LC-Q-TOF, Shimadzu Application News AD-0200A, 2020.
6. Zhan Z. et al., Untargeted Screening of PFAS by HRAM-DIA method on LCMS-9030, Shimadzu Application News 04-AD-0280-en, 2022.
7. PFAS Master list (retired), CompTox Chemicals Dashboard, US EPA.