Non-Targeted Screening of Biosolids with the Xevo™ MRT Mass Spectrometer Reveals New Isoforms of PFAS

Význam tématu

Biosolids, průsakové vody a povrchové vody obsahují per- a polyfluorované látky (PFAS), které jsou persistentní a regulace jejich obsahu se zpřísňuje. Komplexita těchto matric a velký počet možných PFAS (včetně neznámých izomerů a transformačních produktů) omezuje tradiční cílené metody. Nontarget screening (NTS) s vysokým rozlišením hmotnostní spektrometrie (HRMS) nabízí širší záběr pro odhalení známých i dosud neznámých PFAS, což je klíčové pro úplnější hodnocení environmentální expozice a pro řízení rizik.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo demonstrovat schopnosti HRMS‑NTS platformy (Xevo MRT Mass Spectrometer + waters_connect software) pro identifikaci a kvantifikaci PFAS v referenčních a environmentálních matricích (biosolidy, landfill leachate, řeka). Studie integruje kvantitativní workflow založené na EPA Method 1633 s NTS postupy (Pattern Analysis Application) za účelem rozšíření zjištění nad rámec standardního seznamu analyzovaných látek a objevení nových izomerů PFAS.

Použitá metodika a instrumentace

• Vzorky: biosolid (NIST 2781), landfill leachate (LGC 6177), povrchová voda (River Tay, Škotsko). Příprava podle US EPA 1633: extrakce a SPE; objemy/počty: 250 mL voda, 0.5 g biosolid, 25 mL leachate; kombinace replikátů a 1:10 ředění biosolidu před analýzou.
• Chromatografie: ACQUITY Premier LC (PFAS kit), analytický sloupec ACQUITY Premier BEH C18 1.7 µm (2.1 x 100 mm) + izolátor Atlantis Premier BEH C18 AX; teplota kolony 35 °C; injekční objem 2 µL; mobilní fáze voda/methanol (95:5) s 2 mM acetátamonným a methanol s 2 mM acetátamonným; tok 0.3 mL/min.
• Hmotnostní spektrometrie: Xevo MRT Mass Spectrometer (multi‑reflecting TOF) v negativním ESI; režim akvizice MSE (data independent acquisition); m/z 50–1200; akviziční rychlost 10 Hz; lock mass leucine enkephalin; nízká energie 6 V, vysoká energie ramp 20–70 V; zdrojové podmínky: kapilární 0.5 kV, konus 10 V, desolvační 250 °C.
• Informatika: waters_connect Platform obsahující UNIFI Application pro cílené screening/kvantifikaci a Pattern Analysis Application pro NTS; použití Kendrick Mass Defect (KMD), normalizace na počet C, Bugsel/Kaufman plottů a NIST PFAS knihovny pro podpůrné přiřazení.

Hlavní výsledky a diskuse

• Kvantifikace: V rámci kvantitativního workflow bylo identifikováno a kvantifikováno 40 PFAS (součást EPA 1633); systém dosahoval konzistentní RMS přesnosti hmotnosti ≤ 0,59 ppm, což redukovalo počet kandidátů při přiřazování vzorců.
• Matice: River water byla původně bez PFAS, testovaná se spike; leachate a biosolid obsahovaly PFAS a po extrakci bylo u biosolidu provedeno 1:10 ředění. Identifikace v leachate: 11 sloučenin (úrovně důvěry 1–2). Biosolid: 12 sloučenin (úrovně důvěry 1–3), některé detekovány jen v jednom z duplikátů kvůli ředění a abundanci.
• Nontarget výsledky: Z přibližně 10 000 detekovaných komponent v biosolidech Pattern Analysis přefiltroval a vyselektoval 11 PFAS‑like komponent. Tři z nich odpovídaly empirické sumě C10HF21O3S (molekulový vzorec PFDS) s mass error ~0 až −0,6 ppm a různými retenčními časy (13.88, 13.98, 14.08 min).
• Interpretace izomerů: Komponenta při 14.17 min byla potvrzena jako lineární PFDS (standard). Další tři komponenty téhož m/z elutovaly v blízkých retenčních časech; ta při 13.98 min vykazovala diagnostické fragmenty sulfonátu (SO3- a FSO3-), což naznačuje PFSA typ (pravděpodobně větvený izomer). Komponenty při 13.88 a 14.08 min neměly jasné sulfonátové fragmenty; 13.88 min může odpovídat sulfonát‑esterovému izomeru nebo ne‑terminálnímu sulfonátu; 14.08 min mohl být velmi nízké abundanční PFSA izomer bez detektovatelných fragmentů. Celkově bylo z 11 PFAS‑like detekováno 3 putativních izomery PFDS (dvě větvené formy a jeden ester‑like izomer) se stupněm důvěry 3 (Schymanski/Charbonnet klasifikace).
• Omezení a doporučení: Identifikace zůstává putativní pro vybrané neznámé a vyžaduje další MS/MS (preferenčně data‑dependent acquisition) a komparaci s autentickými standardy pro definitivní potvrzení polohy větvení a struktury esterů.

Přínosy a praktické využití metody

• Platforma kombinuje citlivou HRMS analýzu s robustním softwarovým workflow, které umožňuje současné cílené kvantifikace a NTS v jediném prostředí — zvýšená produktivita a konzistentní dohledatelnost dat.
• Vysoká přesnost měření hmotnosti a MSE akvizice poskytují silné podklady pro odlišení izomerů a klasifikaci PFAS‑like signálů v komplexních matricích jako jsou biosolidy a leachate.
• Metoda umožňuje odhalit dosud přehlížené izomery PFAS v reálných vzorcích, což je důležité pro úplnější environmentální inventuru a při zvažování fluorové bilance.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozvoj celistvých softwarových řešení integrujících KMD analýzu, rozsáhlé spektrální knihovny a automatizované anotace povede k rychlejší a spolehlivější NTS interpretaci.
• Širší dostupnost komerčních standardů pro větvené izomery a ester‑like PFAS podpoří validaci putativních nálezů; cílené syntézy standardů mohou být nutné.
• Kombinace HRMS NTS s DDA (MS/MS na vybraných komponentech) a ortogonálními technikami (např. ion mobility, NMR při větších izolacích) zlepší strukturální potvrzení.
• Regulatorní rámce (např. rozšíření metod jako EPA 1633) by mohly postupně akceptovat NTS doplněné o vhodné validační kritéria pro širší sledování „neznámých“ PFAS v monitoringu.
• Integrace datových přístupů pro fluorovou bilanci (total fluorine) s NTS výsledky umožní lepší kvantifikaci „neznámých“ frakcí PFAS v komplexních matricích.

Závěr

Studie prokázala, že Xevo MRT Mass Spectrometer v kombinaci s waters_connect (UNIFI + Pattern Analysis) představuje robustní řešení pro současné cílené kvantifikace a NTS PFAS v biosolidech, leachate a povrchových vodách. Platforma dosahuje vysoké přesnosti hmotnosti (RMS ≤ 0,59 ppm) a odhalila 40 kvantifikovaných PFAS plus 11 PFAS‑like komponent, z nichž tři byly putativně přiřazeny k izomerům PFDS (včetně možného sulfonát‑esteru). Doplňující MS/MS a dostupnost standardů jsou klíčové pro definitivní strukturální potvrzení těchto izomerů.

Reference

1. Koelmel J. P., et al. Toward Comprehensive Per- and Polyfluoroalkyl Substances Annotation Using FluoroMatch Software and Intelligent High-Resolution Tandem Mass Spectrometry Acquisition. Anal. Chem. 92:11186–11194, 2020.
2. Zweigle J., Bugsel B., Zwiener C. FindPFΔS: Non-Target Screening for PFAS─Comprehensive Data Mining for MS2 Fragment Mass Differences. Anal. Chem. 94:10788–10796, 2022.
3. Bowers B.B., et al. Nontarget analysis and fluorine atom balances of transformation products from UV/sulfite degradation of perfluoroalkyl contaminants. Environ Sci Process Impacts. 25:472–483, 2023.
4. Megson D., et al. A systematic review for non-targeted analysis of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS). Science of The Total Environment. 960:178240, 2025.
5. Hancock P., Adams S., Gould D. Enhanced Reliability for Long-Term PFAS Analysis with the Xevo TQ Absolute XR Mass Spectrometer. Waters Application Note. 2025.
6. Organtini K., Rosnack K., Hancock P. Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Accordance With EPA 1633 Part 1: Establishing and Assessing the Method. Waters Application Note. 2023.
7. Organtini K., et al. Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Accordance with EPA 1633 Part 2: Analysis of Aqueous Matrices. Waters Application Note. 2023.
8. Khoury-Hollins H., Stead S., Kirk J., Lock R. Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Groundwater by Direct Injection Using the Benchtop Multi-Reflecting Time-of-Flight Xevo MRT Mass Spectrometer. Waters Application Note. 2025.
9. Schymanski E. L., et al. Non-target Screening with High-Resolution Mass Spectrometry: Critical Review Using a Collaborative Trial on Water Analysis. Anal. Bioanal. Chem. 407:6237–6255, 2015.
10. Charbonnet J. A., et al. Communicating Confidence of Per- and Polyfluoroalkyl Substance Identification via High-Resolution Mass Spectrometry. Environ Sci Technol Lett. 9:473–481, 2022.
11. Khoury-Hollins H., et al. Nontarget Screening Workflow (NTS) for the Analysis of Per and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Animal Products Using Xevo G3 QTof. Waters Application Note. 2024.
12. Bugsel B., Zweigle J., Zwiener C. Nontarget screening strategies for PFAS prioritization and identification by high resolution mass spectrometry: A review. Trends in Environmental Analytical Chemistry. 40:e0016, 2023.
13. Kaufmann A., et al. Simplifying Nontargeted Analysis of PFAS in Complex Food Matrixes. Journal of AOAC INTERNATIONAL, 105:1280–1287, 2022.
14. U.S. EPA CompTox Chemicals Dashboard – PFAS lists. (public databases cited in study)
15. NIST Suspect List of Possible Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS). NIST Public data repository.
16. Wang Z., DeWitt J., Higgins C., Cousin I. A Never-Ending Story of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFASs). Environ. Sci. Technol. 51:2508–2518, 2017.
17. PubChem database entries for formula C10HF21O3S (srovnání možných izomerů).