Assessing Relative Response of Four European-Regulated PFAS in Human Serum Using Cyclic Ion Mobility MS

Význam tématu

Per- a polyfluorované alkylové látky (PFAS) jsou perzistentní a bioakumulativní kontaminanty s prokázanými toxickými účinky. Regulace v Evropě směřuje k omezení expozice hromadně používaným sloučeninám jako PFOS, PFOA, PFNA a PFHxS. Monitorování hladin PFAS v lidských biologických matricích, zejména v séru, je klíčové pro posouzení expozičních cest, hodnocení rizik a pro spojování environmentálních dat s možnými zdravotními dopady. Ion mobility separace (IM) a hodnoty collision cross section (CCS) přidávají další identifikační rozměr, zlepšují selektivitu v komplexních maticích a zvyšují důvěryhodnost detekcí při stopových koncentracích.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce bylo vyhodnotit relativní analytickou odpověď čtyř evropsky regulovaných PFAS (PFOS, PFOA, PFNA a PFHxS) v lidském séru za použití chromatografie v kombinaci s cyklickou iontovou mobilitou a hmotnostní spektrometrií (LC-Cyclic-IMS-MS). Studie zahrnula reálné vzorky odebrané od ghanských hasičů a pracovníků s e-odpadem, přičemž se posuzovala detekovatelnost, kvantifikované koncentrace a přínos CCS/IM pro zvýšení specifity identifikace v přítomnosti komplexního matrice.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Chromatografie: Reverzní fáze UPLC s gradientem 22 minut, průtok 0,3 mL/min, injekční objem 10 µL, teplota kolonky 35 °C.
• Mobilní fáze: A = 95:5 voda:methanol s 2 mM acetátem amonným; B = methanol s 2 mM acetátem amonným.
• Kolonka: ACQUITY UPLC BEH C18, 100 × 2.1 mm, 1.8 µm; v adaptované konfiguraci použit také Atlantis Premier BEH C18 AX Isolator Column (2.1 × 50 mm, 5 µm) spolu s PFAS-free konverzním setem.
• Příprava vzorků: SPE 96-well µElution desky s polymerním reversním fázovým sorbentem obsahujícím slabě aniontovou část pro obohacení PFAS.
• Interní standardy: Izotopově značené interní standardy pro korekci ztrát a kvantifikaci při stopových hladinách.

Instrumentace:

• Quadrupole - Cyclic Ion Mobility - Time-of-Flight hmotnostní spektrometr (SELECT SERIES Cyclic IMS). Rozlišení cyklické IM: přibližně R ~65–145.
• Modifikované ACQUITY i-Class chromatografické komponenty s PFAS-free konverzním kit.

Hlavní výsledky a diskuse

Detekce a identifikace:

• Pro čtyři sledované PFAS byla stanovena kombinovaná míra detekce 83 % ve vyšetřovaných lidských sérech a NIST referenčních standardech.
• CCS hodnoty získané pomocí cyklické IM vykazovaly dobrou shodu s knihovními hodnotami, čímž zvyšovaly důvěru při identifikaci analytů v přítomnosti koelutujících matricových signálů.

Kvantifikované koncentrace (rozsahy zjištěné ve vzorcích):

• E-waste pracovníci: PFOS 0,008–0,064 ng/mL; PFHxS 0,001–0,012 ng/mL; PFOA 0,005–0,04 ng/mL; PFNA 0,004–1,513 ng/mL.
• Hasiči: PFOS 0,006–2,979 ng/mL; PFHxS 0,001–0,088 ng/mL; PFOA 0,002–0,324 ng/mL; PFNA 0,003–5,713 ng/mL.

Pozoruhodné je relativně vyšší rozpětí koncentrací u hasičů, což ukazuje na významné profesní expozice u této skupiny. PFNA vykazoval nejširší disperzi, s extrémně vyššími maximálními hodnotami u některých subjektů.

Specifika ionizace a fragmentace:

• Přestože metoda využívala relativně měkké ionizační podmínky, u karboxylových PFAS (PFCAs) byla přítomna typická ztráta neutrálního fragmentu CO2H, což vedlo k převládajícím fragmentům [M–CO2H]–. Tyto fragmenty však stále vykazují charakteristické ATD (arrival time distribution) profily v IM a umožňují spolehlivou klasifikaci a selektivitu identifikace.
• IM-ATD profily byly reprodukovatelné mezi nativními a označenými interními standardy, což podporuje využitelnost IM pro odlišení PFCAs v matrice.

Praktická výhoda kombinace parametrů (retence, přesná hmotnost, izotopové standardy a CCS) je zdůrazněna pro dosažení jisté identifikace i na stopových úrovních.

Přínosy a praktické využití metody

• Vyšší selektivita identifikace PFAS v komplexních biologických matricích díky přidané dimenzi iontové mobility a získaným CCS hodnotám.
• Možnost spolehlivé detekce a kvantifikace na úrovni ng/mL a pod touto hodnotou, což je relevantní pro environmentální a expoziční biomonitoring.
• Užitečné pro necílené (non-target) screeningové přístupy při hledání známých i nových PFAS sloučenin ve vzorcích s náročnou matricí.
• Praktické použití v epidemiologických studiích, profesním zdravotnictví a při sledování expozice rizikových skupin (např. hasiči, pracovníci s e-odpadem).

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření datových knihoven CCS hodnot a ATD profilů pro širší spektrum PFAS analogů a jejich metabolitů zlepší automatickou identifikaci a umožní robustnější non-target analýzy.
• Integrace LC-Cyclic-IMS-MS do rutinního monitoringu a regulačních projektů pro poskytování doplňkových potvrzovacích kritérií (CCS vedle RT a přesné hmotnosti).
• Další práce na standardizaci protokolů přípravy vzorků, kontroly hladin backgroundu PFAS (PFAS-free hardware) a mezi-laboratorní srovnatelnosti IM-CCS měření.
• Vývoj metodik pro korelaci analytických výsledků s toxikologickými daty a studií vzorců populace za účelem lepšího hodnocení zdravotních rizik a zdrojů expozice.

Závěr

Studie demonstruje, že LC-Cyclic-IMS-MS představuje mocný analytický nástroj pro zvýšení identifikační jistoty PFAS v lidském séru. Kombinace chromatografie, přesné hmotnosti, izotopových interních standardů a iontové mobility (CCS/ATD) umožnila detekci a kvantifikaci čtyř regulovaných PFAS v reálných vzorcích s vysokou mírou detekce (83 %). Výsledky ukazují vyšší expozici u hasičů oproti pracovníkům s e-odpadem a zároveň potvrzují užitečnost IM pro rozlišení analytů v přítomnosti složitého matrice. Metoda má potenciál pro širší aplikaci v biomonitoringu a ne-cílených environmentálních studiích.

Reference

1. United States Environmental Protection Agency. Method 1633: PFAS in Aqueous, Non-potable and Wastewater Solids, 2024.
2. European Union Reference Laboratory on Persistent Organic Pollutants: PFAS working group materials, (EURL-POPS), 2024.
3. Drinking Water Inspectorate: Information letter – PFAS monitoring, 2021.
4. Maine Department of Environmental Protection: PFAS products guidance, (state report), 2021–2024.
5. French National Assembly – text on PFAS regulatory measures, 2024.
6. U.S. EPA. Body Weight Data for IRIS PFNA Assessment. Washington (DC): EPA; 2024.
7. Conley JM et al. Hexafluoropropylene oxide-dimer acid (HFPO-DA or GenX) alters maternal and fetal metabolism and produces neonatal toxicity in Sprague–Dawley rat. Environment International. 2021;146:106204.
8. Waters Corporation. Application note: Enhanced Identification Confidence and Specificity for PFAS Analysis Using Cyclic Ion Mobility Mass Spectrometry Collision Cross Sections. 2024. Waters Application Note 720008536.
9. Waters Corporation. PFAS Analysis Kit for ACQUITY UPLC Systems User Guide. Document 720006689, 2024.
10. McCullagh M. et al. The utility of Cyclic ion mobility to improve selectivity and analysis efficiency of environmental PFAS contamination and exposure. Poster, ASMS 2024.

Poznámka: Studie byla financována a podpořena několika organizacemi (Schlumberger Faculty for the Future, TWAS-UNESCO/SG-NAPI/BMBF, Royal Society of Chemistry) a získala etické schválení Ghana Health Service Ethics Review Committee (ref: GHS-ERC 023/01/25).