Detection of PFAS in Aqueous Samples by Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation Time-of-Flight (MALDI-TOF) Mass Spectrometry

Význam tématu

Per- a polyfluorované alkylové látky (PFAS) jsou perzistentní organické kontaminanty rozšířené v prostředí i v organismech. Mají negativní dopady na zdraví (kancerogenita, oslabení imunitního systému, hormonální poruchy) a představují významnou výzvu při monitoringu a sanaci vodních zdrojů. Rychlé, robustní a jednoduché screeningové metody pro detekci PFAS v akvatických matricích umožní cílené další vyšetřování a úsporu nákladů v rozsáhlém monitoringu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo ověřit možnost použití benchtop lineárního MALDI-TOF (MALDI-8030) pro rychlou detekci vybraných PFAS ve vodných vzorcích jako proof-of-principle. Studie optimalizovala volbu matrix, přípravu vzorku, režimy akvizice a prostorové zobrazení (MALDI-MSI), stanovila orientační limity detekce pro zástupce PFAS podskupin a porovnala nálezy s potvrzením pomocí SPE a LC-QTOF MS/MS (DIA).

Použitá metodika a instrumentace

Metodika zahrnovala jednoduché míchání vzorku s interním standardem a MALDI matrixou a přímé nanesení 1 µL na MALDI-target. Testovaly se běžné MALDI matrixy (CHCA, DHB, DHAP, DAN, norharman a TMGN); pro další vývoj byly vybrány norharman a TMGN. Konečná příprava zahrnovala například 5 mg/mL TMGN v 70 % acetonitrilu, který byl míchán 1:1 (v/v) se vzorkem v UHQ vodě; u norharmanu se používalo 1 mg/mL v MeOH:H2O 70:30. Jako interní standard pro PFOS byl použit 13C-PFOS. Akviziční podmínky na MALDI-8030: negativní polarita, m/z 100–1000, 5 střel na profil při 200 Hz, blanking 200, pulsed extraction 400, 196 profilů.

Použitá instrumentace

• MALDI-8030 EasyCare, Shimadzu (benchtop lineární MALDI-TOF)
• Matrixy: norharmane, 1,8-bis(tetramethylguanidino)naphthalene (TMGN); testovány též CHCA, DHB, DHAP, DAN
• IonView software pro MALDI-MSI (Shimadzu)
• Chromabond WAX SPE kolony (Avantor) pro předkoncentraci
• SpeedVac (Thermo Fisher) pro koncentrování eluátů
• LCMS-9050 Q-TOF (Shimadzu) pro potvrzující DIA MS/MS analýzu a porovnání s PFAS knihovnou v LabSolutions Insight Explore

Hlavní výsledky a diskuse

- Sensitivita: orientační LOD byly zjištěny pro čtyři zástupce PFAS: PFOA 5 ng/mL (5 ppb), PFOS 250 pg/mL (250 ppt), PFHxA 200 pg/mL (200 ppt) a PFBS 1 ng/mL (1 ppb). Citlivost se významně liší mezi sloučeninami a závisí na volbě matrixy.
- Volba matrixy a homogenita: norharmane i TMGN poskytly detekci, avšak distribuce analyzátů ve skvrnách byla rozdílná. MALDI-MSI (30 µm krok) ukázala často koncentraci PFAS směrem k periferii skvrn, zejména u norharmanu; TMGN vykazoval homogennější rozložení, což vedlo k lepší reprodukovatelnosti signálu.
- Datové strategie: použití annulárního rasteru (pohyb laseru v prstencovém vzoru) zvýšilo S/N u norharmanu, avšak vyžaduje přesné umístění skvrn (manuální nebo pomocí speciálních slide jako FlexiFocus) nebo použití datových filtrů (data quality) pro zajištění minimální intenzity analyzovaných iontů.
- Analýza reálných vzorků: testovány byly dvě balené vody a dva vzorky rybníkové vody. MALDI-TOF detekoval v některých vzorcích odpovídající m/z signály: obě balené vody obsahovaly signál pro PFOA (jedna z balených vod též PFBS); rybník 2 obsahoval PFHxA a PFOS, rybník 1 neobsahoval signály odpovídající těmto standardům.
- Potvrzení LC-QTOF MS/MS: po SPE (Chromabond WAX, 50 mL vzorku, eluace MeOH, koncentrace a rekonstituce) byla přítomnost podezřelých PFAS potvrzena datově nezávislou akvizicí (DIA) a porovnáním s PFAS knihovnou v LabSolutions Insight Explore. Library similarity scores (SI) u potvrzených signálů byly vysoké (PFOS 98–100; PFOA ~80–91; PFBS 81–96; PFHxA 77–85), což dodalo důkazy o správné identifikaci.

Přínosy a praktické využití metody

- Rychlé screeningové výsledky: metoda umožňuje získat indikativní výsledky v řádu minut s minimální přípravou vzorku, což je vhodné pro předběžný screening velkého množství vzorků.
- Nízké požadavky na infrastrukturu: použití kompaktního benchtop MALDI-TOF umožní implementaci v menších laboratořích bez potřeby komplexních LC systémů pro první fázi monitoringu.
- Široká použitelnost: metoda může sloužit jako úvodní krok před cílenou analýzou (SPE + LC-MS/MS) a lze ji adaptovat na různé typy vzorků po odpovídajícím zpracování (koncentrace, odstranění interferencí).

Budoucí trendy a možnosti využití

• Optimalizace homogenity nanesení: zlepšení reproducibility lze dosáhnout lepším řízením depozice (specializované slidy, robotics) nebo modifikací matrixy/pufru.
• Kvantifikace: pro kvantitativní použití budou nutné vícebodové interní standardy (více izotopicky značených standardů) vzhledem k heterogenitě rozložení analytu ve skvrně.
• Předkoncentrace a automatizace: integrace jednoduchých SPE kroků před MALDI či automatické nanášení vzorků pro zvýšení citlivosti a průchodnosti.
• Rozšíření spektra analyzovaných PFAS: aplikace na širší soubor per- a polyfluorovaných látek včetně nově se objevujících náhradních látek.
• Hybridní workflow: kombinace rychlého MALDI screeningu s LC-QTOF DIA jako standardním potvrdicím krokem pro monitoring a sledování trendů ve vodách.

Závěr

Studie ukazuje, že entry-level MALDI-TOF (MALDI-8030) může sloužit jako rychlý a jednoduchý screeningový nástroj pro indikaci přítomnosti vybraných PFAS v akvatických vzorcích. Metoda vyžaduje minimální přípravu a poskytuje orientační limity detekce v rozsahu ppt–ppb v závislosti na sloučenině a matrixě. Pro potvrzení a kvantifikaci však zůstává nezbytné použití konvenčních LC-MS/MS postupů s předkoncentrací a více interními standardy. Další vývoj by měl cílit na homogenitu skvrn, standardizaci nanášení a rozšíření validace pro kvantitativní nasazení.

Reference

• Jones C. Detection of PFAS in Aqueous Samples by Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation Time-of-Flight (MALDI-TOF) Mass Spectrometry. Shimadzu Application News. First Edition Apr 2026.
• Shimadzu Corporation. MALDI-8030 EasyCare benchtop linear MALDI-TOF mass spectrometer. Produktová dokumentace.
• Shimadzu Corporation. LCMS-9050 Q-TOF mass spectrometer; použit pro DIA MS/MS a porovnání s PFAS knihovnou.
• Avantor. Chromabond WAX SPE kolony — použití pro extrakci PFAS z vodných vzorků.