利用目标筛选和非靶向筛选高分辨率质谱相结合的工作流程识别跨氟和多氟化学物种
Summary
在这里, 我们提出了一个协议, 用于连续有针对性的定量和非靶向分析水中的氟化化合物的质谱。该方法提供了已知氟化合物的定量水平, 并在相关样品中确定了未知化学品, 并对其丰度进行了半定量估计。
Abstract
历史和新兴的全氟和多氟烷基物质 (Pfas) 引起了从地方到联邦各级的公众和政府机构的极大兴趣。PFAS 化学品的持续发展对环境监测提出了挑战, 因为有针对性的方法的不断发展必然落后于新化合物的发现。因此, 有必要制定前瞻性方法, 能够发现新出现的意外化合物, 随着时间的推移监测这些物种, 并解决其化学结构的细节, 以便今后能够在人类健康方面开展工作。为此, 高分辨率质谱的非靶向分析提供了一种广泛的基础检测方法, 几乎可以与任何样品制备方案结合使用, 并为检测后的化合物识别提供了重要的功能。在此, 我们描述了一种基于固相萃取 (SPE) 的样品浓度方法, 该方法适用于较短的链和更多的亲水性 PFAS 化学物质, 例如每氟醚酸和磺酸盐, 并描述了以这种方式制备的样品的分析。有针对性的和非目标的模式。有针对性的方法在有参考标准的情况下提供了卓越的量化, 但在执行分析时, 这些方法本质上仅限于预期的化合物。相反, 非目标方法可以识别存在意想不到的化合物, 并提供一些关于其化学结构的信息。有关化学特征的信息可用于将样品位置的化合物关联起来, 并跟踪随着时间的推移的丰度和发生率。
Introduction
全氟和多氟烷基物质 (Pfas) 是具有重大公共卫生问题的持久性有机污染物。全氟辛烷磺酸 (pfoa) 和全氟辛烷磺酸 (pfos) 的特定化合物具有环保局第1、2和2所规定的饮用水健康咨询水平, 其美国主要生产在2000年代停止 3、4.为了对 PFAS 材料在纺织和消费品制造领域的特性有了很大的了解, 已经开发了数百种 (如果不是数千种的话) 替代 PFAS 化学品, 以填补产品的空白, 包括替代弃用化合物5,6,7,8。目前需要监测直链全氟化羧酸和磺酸盐的环境水平, 如全氟辛烷磺酸、全氟辛烷磺酸及其相关同源系列, 但环保局等既定方法不涵盖新出现的化合物方法 5379,往往缺乏传统有针对性分析的分析标准。因此, 该议定书的意图是双重的。它为有分析标准的水中含氟化学物质进行有针对性的 LC-MSMS 分析提供了一条途径, 并详细介绍了基于数据分析的非目标、高分辨率质谱方法的无缝整合使检测到相同样品中未知或意外的化合物。
固相萃取 (SPE) 是一种已建立的样品清理和浓缩技术, 应用于许多分析物和样品基质10,11。在 pfas 分析中, 包括非极性、功能化极性和离子交换柱在内的多个固体保留阶段已被用于各种基质 9、12中的氟化物种亚类的不同程度. 13,14,15,16。使用在线设置进行 SPE 样品分析的进展大大提高了该方法的吞吐量, 提高了样品处理的重现性, 但基本过程保持不变.还作出了一些努力, 利用大量注射消除 spe 的离线浓度, 但这些努力需要对色谱进行修改, 使其处于随意分析的范围之外18、19.我们的样品分析采用聚合物弱阴离子交换 (WAX) 保留相, 将酸性 PFAS 材料与传统有机污染物彻底分离, 同时实现大量的样品浓度因素。此 WAX 相对于捕获全氟辛烷磺酸 (PFBS) 或全氟醚 (如六氟环氧丙烷二聚体) 等短链全氟酸非常重要, 后者比传统的全氟此年链更极性物种 20,21。由于在最近的 PFAS 化学5中, 已发生了向较短的氟化链和乙醚含量的重大转变, 因此, 这种相选择能够更彻底地回收用于 ms 分析的新型化合物。
使用经过认证的标准和稳定的同位素标记内部标准进行有针对性的 LC-MCYMS 定量, 为定量分析提供了无与伦比的特异性和敏感性。虽然这种方法在许多情况下是可取的, 但在分析中非常常见的情况下, 这种方法是不切实际的。有针对性的方法只适用于样本中预期的物种, 以及以前已经为其确定的方法的物种。对于新的和新出现的化合物, 这种方法甚至无法检测到可能感兴趣的物种, 无论其化学或浓度如何, 低分辨率质谱仪几乎无法提供足够的信息来制造未知化合物的明确化学分配。因此, 出现了非目标分析领域, 利用高分辨率现代质谱仪的力量, 在没有预先假设的情况下对样品进行分析, 并追溯地将化学品分配给样品中可检测的特征。这种方法已广泛应用于生物学领域的22、23、24和环境科学25、26、27类化学品。在这种方法中, 全氟化学品的识别特别简单, 因为它们具有独特的质谱模式, 仅在过去几年中就描述了数百种化合物。
这里讨论的协议旨在使有针对性的 LC-MSAMS PFAS 定量与识别和半定量监测新出现的感兴趣的化合物的需要保持一致。SPE 相选择和样品制备技术旨在确保从水中捕获更多亲水新兴的 PFAS 酸, 可能不太适合较长链聚合物物种和非离子物种。此外, 非目标分析产生的数据密集且多维度高, 因此需要使用数据分析软件。此类软件包通常是特定于供应商的, 需要进行修改才能在仪器平台之间运行。在可能的情况下, 分析过程以通用的方式进行了描述, 并引用了开源/免费软件备选方案, 但任何软件方法的效率和准确性都必须单独评估。
Protocol
1. 收集水样 PFAS 标准股票的准备 在甲醇中制备含有任何有针对性的化合物 (例如全氟辛烷磺酸、全氟辛烷磺酸、HFPO-DA) 的 PFAS 标准混合物, 价格为 1 ngμl。这是本地 PFAS 混合物。商业制备的混合物也可获得 (即 PFAC 混合 a 和混合 B)。 准备一种标准混合物, 其中含有标记为 (SIL) PFAS 化合物的匹配稳定同位素 (例如, 13c 4-全氟辛烷磺酸、 13c 8-Ffos、13 c3Hfpo-da),价格为 1 ngμμl。这是 IS PFAS 混合物。商业制备的混合物也可提供 (即 MPAFC 混合 A 和混合 B)。注: 如果没有目标 PFAS 的 SIL 版本, 则可以使用结构和链长相似的代理 (例如, 13 C2-ffhxa 用于 HFPO-DA) 现场空白 (FB)、尖刺空白 (SB) 样品的制备 填充两个, 干净的高密度聚丙烯 (HDPE) 或聚丙烯 (PP) 瓶与1000毫升的实验室去离子 (DI) 水, 已知是免费的 PFAS。注意: PFAS 材料经常具有未定义的毒性和致癌性。应注意避免口腔或皮肤接触标准或库存解决方案。 在最终浓度相当于预期样品浓度 (例如 100 ngl) 的瓶子中添加一定数量的 PFAS 标准混合物。这是尖刺空白 (SB)。 在尖刺空白中加入5毫升的35% 硝酸防腐剂。 将 SB 样本和未刺字段作为控件作为控件作为采样位置作为空白。 现场取样注: 样品收集器应尽可能佩戴丁腈手套和流动系统的样品。在取样前, 应允许轻触样品流动和平衡 (2-3分钟)。 收集500-1000 毫升的水从现场位置在一个干净的高密度聚乙烯或 PP 瓶。 在样品瓶和田间空白处加入5毫升的35% 硝酸防腐剂。注意: 硝酸具有腐蚀性和强氧化剂 2. 样品提取 注: PFAS 无处不在且持续存在。确保所有溶剂都是最高等级的, 并已对低水平的 PFAS 污染进行了分析。在准备空白和样品之前, 彻底冲洗用于准备标准的所有实验室设备。 样品预处理 将每个样品倒入一个单独的、预先清洁的 1 L HDPE 刻度缸, 并记录确切的体积。 在清空的样品瓶中加入10毫升甲醇, 封盖, 摇匀冲洗从瓶内吸附的 PFAS。 用甲醇冲洗将测量到的水样送回冲洗瓶。 定量的标准曲线 用无 pfasdi 水填充 8, 1 升 hpepeapp 瓶。 选择8个均匀分布的浓度, 覆盖所需的定量范围。例如:10、25、50、100、250、500、750和 1, 000 ngl, 范围为 10-1000 Ng\ l。 在每个瓶子中添加一定数量的原生 PFAS 混合物, 以产生2.2.2 中的最终 PFAS 浓度 (例如, 100μl PFAS 混合物 A 至 1l di 水 = 100 ngl)。 内部标准添加注: 只有在非目标分析之外需要定量结果的情况下, 才有必要添加标记为内部标准 (IS) 的稳定同位素。 在接近校准曲线中点的浓度下将 IS PFAS 混合物添加到每个样品中 (例如, 25μl IS PFAS 混合物 = 250 ngl) 过滤 过滤样品通过 gfn 玻璃纤维过滤器 (47 毫米, 1.6 微米孔径) 在温和的真空下进入预先清洁的1升 HDPE 真空瓶。 如果颗粒物仍存在于瓶子中, 请用额外的去离子水冲洗至过滤器中。将过滤后的水返回样品瓶或新容器进行固相萃取。 固相萃取 (SPE)注: 此处描述的墨盒浓度使用恒流柱塞泵。使用真空歧管20或使用在线 spe-lc-ms17设置的替代浓缩方法是可能的, 但没有讨论。 用25毫升甲醇调理弱阴离子交换 (WAX) 墨盒。 使用额外的25毫升去离子水为 WAX 墨盒提供条件。 将泵在过滤样品瓶中抽根管材, 并在 SPE 墨盒上贴上相应的样品名称。 以 10 mlmin (共500毫升) 的稳定流量通过墨盒泵送500毫升样品水, 丢弃流经液体产生废物。注: 根据预期样品浓度的不同, 可以集中较大或较小的体积。 从柱塞泵上取下墨盒进行洗脱。注: 如果使用相同的泵浓缩额外的样品, 在安装下一个墨盒进行平衡之前, 应使用25毫升甲醇冲洗柱泵。 将 SPE 墨盒转移到真空歧管, 并配备外部玻璃储罐。 在温和的真空条件下, 用4毫升 25 mm 的 SPE 滤芯, pH 4.0 醋酸钠缓冲液冲洗。丢弃流经。用4毫升中性甲醇清洗 SPE 墨盒。注: 如果需要特定的非离子极性分析物, 则可以收集中性洗涤分数。否则, 丢弃浪费 在每个 SPE 墨盒下放置一个15毫升的聚丙烯离心管, 以收集洗脱液。甲醇中含有4毫升0.1% 氢氧化铵的弹性样品。 在水浴中的干氮气流下, 在稍微升高的温度 (40°c) 下蒸发, 将洗脱管和洗脱体积减少到 500-1, 000μl。 浓缩样品提取物可以在室温下分析之前储存。 靶向 LC-MSMS 定量 用300μl 的 2 Mm 醋酸铵缓冲液将样品提取物的100μl 稀释到高效液相色谱样品瓶中。 根据制造商的说明校准和平衡高效液相色谱和 MS 系统。注: 由于大多数 LC 系统和样品瓶隔膜中使用了含氟聚合物成分, 通常会检测到背景 PFAS。在使用前确认空白处的可检测到的水平可以忽略不计。在可能的情况下, 建议修改 LC 系统以取代特氟龙组件。还建议使用与 lc 混合阀相邻的分析 “滞留” 柱。 准备一份由标准曲线、样本和标准曲线的附加复制组成的分析工作列表, 以评估仪器在运行过程中的漂移。表 1显示了一个示例工作列表。 使用为目标化合物建立的 LC 和 MS 方法对样品进行分析。示例 LC 梯度如表 2所示, ms 方法参数显示在表 3和表 4中。进一步详细的讨论见 McCord 等人. 使用分析物与内部标准的峰值面积比与分析物的浓度从标准样品中生成标准曲线。为浓度预测9生成具有半权重的二次回归公式. 使用为每个测量准备好的标准曲线和面积比 (标准面积) 对每个样品中的目标分析物进行定量。 如果浓度超过校准范围, 则用适当的 IS 浓度稀释原样品, 然后再提取, 使浓度达到适当的范围。 非目标 LC-MMSMS 数据收集 用300μl 的 2 Mm 醋酸铵缓冲液将样品提取物的100μl 稀释到高效液相色谱样品瓶中。 根据制造商的说明, 校准和平衡高效液相色谱和高分辨率 MS。 按照2.6.2 准备分析工作清单。 利用仪器软件, 在数据相关模式下, 用宽扫描 MS1 收集 LC-MS 数据, 以收集 msms. 表5中的 lc 梯度示例。关于仪器设置的进一步讨论见 Strynar 等人30和Newton等人.注: 为了改进 mmsms 质量数据依赖性分析, 可以在 2.8.1 2.8.8 中使用数据处理后剩余要素子集的首选离子列表进行数据依赖分析。 非目标数据处理注: 数据分析可以使用广泛的软件执行, 这些方法并不反映任意数据集的唯一或最佳方法。在可能的情况下, 步骤提供了可在备用软件中执行的通用说明。本手稿中使用的示例数据的处理是使用特定于供应商的软件 (软件1和软件 2) 进行的, 详见 Newton 等人。31.使用几个开源软件包32、33或供应商软件之一对化学特征进行分子特征提取, 以识别化学的单同位素质量、保留时间和集成峰值区域特征。 在 “软件 1” 中, 选择 “添加示例文件” ≫ “添加文件” , 然后从非目标实验中选择原始数据, 然后单击”确定”。 在 “软件 1” 中, 选择”批量递归功能提取 > 打开方法…”以加载预建立的方法, 或手动编辑软件设置。特征提取的探查器设置见表 6。 在软件 1中, 在功能提取后, 选择”文件 > 导出为 csv…”、”文件 > 导出为 cef…”或 “文件 > 导出为 pfa… ” 以进行进一步处理。假定 CEF 文件为说明的其余部分。 在 “软件 2 (MPP)” 中, 使用 “类型未知”和 “工作流类型数据导入向导” 创建新实验,然后单击”确定”。 在 MPP中选择数据文件, 并找到导出的软件1结果 (CEF 或 pfa) 导入;, 然后单击”下一步” , 直到显示”对齐参数” 选项。 在 MPP 中, 将 “复合对齐” 值设置为 0.0 (在软件1的功能提取中已经执行了对齐, 2.8.1.2), 然后单击 “下一步” 完成 ” , 直到” 完成 “可用. 基于分析重现性的筛选器标识。在有多个复制样本的情况下, 应在单个复制的 gt;80% 的特征中显示, 并具有 < 30% 的分析变异系数 (CV) 在 MPP 中选择”实验安装程序 ≫ 实验分组”, 并为每个原始文件分配一个与其原点示例相对应的组 (即, 来自同一源的复制应在同一组中)。可以创建与嵌套变量相对应的多个组 (例如, 仪器复制与技术复制)。 在 MPP 中, 选择”实验设置 ≫ 创建解释” , 然后选择实验参数 (即分组), 然后单击”下一步” , 直到”完成” 可用.这将创建将来筛选可以操作的类别。 在 MPP 中, 选择”质量控制 ≫ 按频率筛选”。将实体列表设置为”所有实体”, 将 “解释” 设置为 “2.8.2.2 中创建的示例组 (非平均), 然后单击” 下一步 “。 对于输入参数, 将实体保留设置为至少在一个条件下采样的 80%, 然后单击”下一步” , 直到”完成” 可用.命名列表频率筛选功能 在 MPP 中, 选择”质量控制 ≫ 筛选样本变化”。将 “实体列表” 设置为2.8.2.4 的 “频率筛选” 功能, 并将解释设置为 “组” (非平均值), 然后单击”下一步”。 选择原始数据的单选按钮和 “感兴趣系数 < 30%"。单击”下一步 ≫ 完成”,并将列表另存为 Cv 筛选功能。 删除没有样品比现场空白 (FB) 样品有显著高 (和 gt;3 折叠) 丰度的特征。 在 MPP 中, 选择”分析 ≫ 折叠更改”。将实体列表设置为Cv 筛选功能, 然后点击 “对示例组的解释”。选择折叠更改选项为”针对单个条件的全部” , 并选择条件fb或空白处理示例的组名称。 在下面的屏幕上, 将 “文件夹更改截止时间” 设置为 3.0, 然后单击到提示的末尾。将列表另存为Fc 筛选列表。 根据适当的背景样本 (例如, 点源的上游与下游) 对单个感兴趣的样本进行二进制比较, 以确定单个化学特征的折叠变化。 在 MPP 中, 选择”火山地块上的分析 ≫ 筛选器”。将实体列表设置为”Fc 筛选列表” , 将 “解释” 设置为 “组”。 对于折叠变化条件对, 选择两个样本进行比较 (例如, 配对的上游和下游样本), 并选择测试曼恩-惠特尼未配对。 对于初步分析, 请不要在以下屏幕上选择多个测试校正的值, 请单击到结果图。 在结果屏幕上, 选择3.0 的折叠更改截止时间和 0. 1 的 p 值截止时间。然后完成并导出列表作为预预生成. 对于过滤后剩余的每个特征, 从精确的质量和复合质谱中生成预测的化学式。 在 MPP 中, 选择”结果解释 ≫ Id 浏览器标识” 和”预生成结果” 实体列表。 在 Id 浏览器中, 选择使用分子式生成器 (MFG) 作为识别方法的 “识别所有化合物”。 在 “生成公式” 选项中, 将 F 添加到 “元素” 列中, 并将 “最大值” 设置为 50, 然后选择”完成”。以下公式生成选择”保存并返回” 返回到 mpp。 在 MPP 中, 右键单击筛选和 MFG 匹配的实体列表, 然后选择”导出列表”。保存结果。 检查减少的重要化学特征清单中含有表明氟化的质量缺陷的物种的单同位素质量;看见种类和 Fiehn34。 注意含有普通多氟图案的化学系列 (cf 2 (m/z 49.968)、cf 2 o (m/z 65 9917)、ch 2cf2 o (m/z 80.0074) 等), 使用质量缺陷图或软件算法;见讨论部分, Liu 等人, 第17人, loos等人, 35 人, dimzon 等人。 根据 EPA 化学仪表板数据库和/或其他数据库搜索预测的化学公式或中性质量, 以返回潜在的化学结构。 打开 Epa Comptox 化学品仪表板批量搜索工具 (https://comptox.epa.gov/dashboard/dsstoxdb/batch_search), 并在选择标识符类型 (即 ms 就绪) 后, 将标识符列表 (公式或质量) 粘贴到标识符框中惯例或单同位素质量)。 选择”下载化学数据…” , 并从下拉列表中选择潜在匹配所需的任何物理化学/毒理学数据。 利用化学直觉和现有参考数据, 根据化学稳定性、可电离性或疏水性等物理性质、存在等原因, 从每个公式的潜在化学结构清单中删除不可能的匹配从附近来源制造化学品等。在没有额外数据的情况下, 可以纯粹根据文献的流行程度对光谱可行性进行排名;见 McEachran 等人。 使用现有标准和/或有针对性的高分辨率 mmsms 对碎片与数据库的光谱进行的结构识别,在硅胶理论光谱或手动管理中。
Representative Results
定量 LC-MSMS 结果的形式是总离子色谱图 (TIC) 和被测量化学品特定化学过渡的提取离子色谱图 (EIC) (图 1)。化学过渡的综合峰值面积与化合物丰度有关, 可用于使用归一化为内部标准的校准曲线计算精确浓度 (图 2)。单个分析物的低或平响应表明校准范围超出了质谱仪的线性范围, 或者仪器需要调整/校准。复制的精度低表明样品注射或色谱不一致存在问题, 需要修改 LC 参数。 使用完整 MS1 扫描进行的非目标分析为样品生成 TIC (图 3), 从而允许为单个离子临时生成 Ic (图 4)。任何给定的色谱时间点都包含化学物种的信号, 当使用高分辨率质谱仪时, 则是化合物的同位素指纹。Ms1 扫描中的化合物识别是通过使用以下几种方法之一的方法 38、39、40以编程方式执行的。峰值采摘产生的化学特征具有测量的精确质量和色谱保留时间, 以及离子的质谱和色谱峰面积。此信息通常以数字数据库格式存储, 以便进一步处理和筛选, 但可以从概念上理解数据的嵌套和相互关联的性质 (图 5)。 对于符合要进一步研究的若干标准之一的化合物, 将对特征列表进行筛选。第一个也是最直接的是通过质量缺陷 (特征的确切质量和标称质量之间的差异) 进行过滤。Pfas 化合物由于其氟原子的优势, 具有负质量缺陷 (图 6), 而多氟化合物的质量缺陷为正, 但与同源有机材料31、34 相比, 质量缺陷要小得多..第二个方法过滤步骤是识别包含 pfas 物种共有的重复单元的同源序列, 如 cf2或 cf 2o.可以使用 kendrick 质量缺陷图17、36或软件包, 如 R 的非目标软件包35 (图 7)。 在过滤之后, 可以开始在高度观察到的和/或暂时的全氟化物种的短名单上分配化学特性。精确的质量提供了一个相对较小的潜在化学公式的匹配列表, 但不足以识别, 而不添加光谱匹配的同位素模式的质谱41。从高分辨率 MS1 数据中, 一个或多个假定化学公式与质谱的同位素指纹匹配并打分 (图 8)。匹配的公式可以从一开始就使用定义的原子池生成, 也可以从文献报道的化合物和一个或多个数据库的内容的组合中获得。美国环保局化学仪表板 (https://comptox.epa.gov/dashboard/) 拥有该机构确定的 PFAS 化合物的不断更新的列表, 以及 NORMAN Network42等其他组织汇编的列表。 化学配方可以进一步确认, 一些结构信息可以从 msms 光谱中获得 (图 9)。候选结构可从大型化学数据库中获得, 如 EPA 化学仪表板、Pubchem、CAS 注册表等。预测的光谱可以使用各种碎裂程序生成或获取, 并分配,43或 msms 光谱可以手动解释。 补充信息中提供了一个示例数据矩阵, 其中包含从一个含氟化学点源上游和下游收集的10个样本 (5个上游、5个下游) 的整体特征矩阵。每行代表一个化学特征, 每个样品都有相关的保留时间、中性质量、质谱和原始丰度。(补充表格 , 第1页)。对于负质量缺陷的初始滤波 (补充表,表 2), 在上游和下游之间的未配对 t 检验中具有统计意义, 可将 “有趣” 的化学特征数量减少到 ~ 120。从安捷伦 Id 浏览器获得了预测的化学配方, 并根据 EPA Comptox 化学品仪表板进行了搜索, 该仪表板返回了可能的匹配项 (补充表,第3页)。根据数据来源37分配了每个化学公式的 “最高打击” (补充表,第4页)。请注意, 一半以上的剩余功能没有高质量的匹配项。没有匹配的已识别特征可能是源内碎片形成、公式分配不当或源数据库中找不到的 Pfas 标识的结果。解释原始光谱, 以验证任务超出了本手稿的范围, 但更多的信息可以在引用的作品15,30,31, 44, 45岁 Id 样品名称 样品类型 Std Conc 瓶 LC 方法 MS 方法 1 DB_001 空白 1: A1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 2 DB_002 空白 1: A1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 3个 DB_003 空白 1: A1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 4个 DB_004 空白 1: A1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 5 DB_005 空白 1: A1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 6 Fb 空白 1: A1-2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 7。 10 std 标准 10 1: A1-3 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 8 25 std 标准 25 1: A 4 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 9 50 std 标准 50 1: Aa5 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 10 100 std 标准 100元 1: Aa6。1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 11 250 std 标准 250人 1: A·7 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 12 500 std 标准 500元 1: A 8 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 13 750 std 标准 750 1: B-1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 14 1000 std 标准 1000元 1: b, 2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 15 DB_006 空白 1: b. 3 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 16 SB_DUP1 分析仪 1: b, 4 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 17 SB_DUP2 分析仪 1: b. 5 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 18 SW 站点03 分析仪 1: b, 6 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 19 SW 站点16 分析仪 1: b. 7 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 20 软件站点30 分析仪 1: b. 8 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 21 DB_007 分析仪 1: C。1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 22 SW 站点19 分析仪 1: C-2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 23 SW 站点48 分析仪 1: C1-3 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 24 SW 站点49 分析仪 1: C4-4 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 25 SW 站点05 分析仪 1: C5 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 26 SW 站点47 空白 1: C6。1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 27 DB_008 分析仪 1: C·7 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 28 软件站点19_DUP 分析仪 1: C8 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 29 SW 站点20 分析仪 1: d, 1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 30 SW 站点21 分析仪 1: D-2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 31 SW 站点46 分析仪 1: d, 3 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 32 SW 站点47 分析仪 1: Dt PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 33 DB_009 空白 1: D-5 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 28 SW 站点32 分析仪 1: d, 6 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 29 软件站点50 分析仪 1: d. 7 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 30 SW 站点25 分析仪 1: d, 8 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 31 软件站点21_DUP 分析仪 1: E1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 32 软件站点52 分析仪 1: E-2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 33 DB_010 空白 1: E1-3 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 34 Fb 空白 1: A1-2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 35 10 std 标准 10 1: A1-3 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 36 25 std 标准 25 1: A 4 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 37。 50 std 标准 50 1: Aa5 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 38 100 std 标准 100元 1: Aa6。1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 39 250 std 标准 250人 1: A·7 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 40 500 std 标准 500元 1: A 8 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 41 750 std 标准 750 1: B-1 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 42 1000 std 标准 1000元 1: b, 2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 43 DB_011 空白 1: b, 2 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 44 DB_012 空白 1: E4 PFAS 研究生400Ullleme-9 分钟运行 PFCMXA + HFPO-DA MS\-9分钟 表 1: 使用 LC-MSMS 进行 Pfas 目标分析和定量的工作清单 时间(分钟)0 % A(2.5 mm 醋酸铵 5% MeOH)90 % B(95 mm 醋酸铵, 95% 的 MeOH)10 5 15 85 5。1 0 100元 7。 0 100元 7。1 90 10 9 90 10 表 2: 有针对性的分析中 LC 分离的实例梯度 毛细管电压 (kv) 1.97 锥体电压 (V) 15 萃取电压 (V) 3个 射频镜头 (V) 0。3 源温度 150人 脱温 40 脱硫气体流量 (L/hr) 300元 锥体气体流量 (L/hr) 2 表 3: 用于有针对性分析的电离源参数 Cmp 前兆 产品 干时间 锥体电压 (V) 碰撞能源 (eV) PFBA 22.80 168.75 0.01 15 10 13C4-PFBA IS 26.80 171.75 0.01 15 10 PFPeA 262.85 218.75 0.01 15 9 PFBS °1 298.70 79.90 0.01 40 30 PFB°2 298.70 98.80 0.01 40 28 Pfhx°1 312.70 118.70 0.01 13 21 Pfhx°2 312.70 268.70 0.01 13 10 13C2-pfhxa IS IS 314.75 269.75 0.01 13 9 HFPO-DA 1° 329.16 168.90 0.01 10 12 HFPO-DA 2° 329.16 284.90 0.01 10 6 HFPO-DA 是1° 332.16 168.90 0.01 10 12 HFPO-DA 是2° 332.16 286.90 0.01 10 6 Pfhpa/1 362.65 168.65 0.01 14 17 Pfhpa/2 362.65 3.8.70 0.01 14 10 Pfhxs°1 398.65 79.90 0.01 50 38 Pfhxs°2 398.65 98.80 0.01 50 32 13C4-pfhxs IS 402.65 83.90 0.01 50 38 全氟辛烷磺酸1号 412.60 168.70 0.01 15 18 全氟辛烷磺酸2 412.60 368.65 0.01 15 11 13C4-FOA IS 416.75 371.70 0.01 15 11 PFN°1 462.60 218.75 0.01 15 17 PFN°2 462.60 418.60 0.01 15 11 PFNA IS 467.60 422.60 0.01 15 11 全氟辛烷磺酸1 498.65 79.90 0.01 60 48 全氟辛烷磺酸°2 498.65 98.80 0.01 60 38 13C4-FOS IS 502.60 79.70 0.01 60 48 PFD°1 512.60 218.75 0.01 16 18 PFD°2 512.60 468.55 0.01 16 12 13C2-PFDA IS 514.60 469.55 0.01 16 12 表 4: PFAC-MXA 含量的过渡表和 msms 参数示例, 以及 HFPO-DA 时间(分钟) % A(2.5 mm 醋酸铵 5% MeOH) % B(95 mm 醋酸铵, 95% 的 MeOH) 0 90 10 0。5 90 10 3个 50 50 3。5 50 50 5。5 40 60 6 40 60 7。 0 100元 11 0 100元 表 5: 非目标分析中 LC 分离的实例梯度 探测仪参数 设置值 提取峰值高度筛选器 800个计数 允许的离子 -H/+ H 特征提取同位素模型 常见的有机分子 允许的充电状态 1月2日 复合离子计数阈值 两个或两个以上离子 对齐 RT 公差 0.40分钟 + 0.0% 对齐质量公差 20.00 ppm + 2.0 毫米 后处理绝对高度滤波器 > = 一个样本中的10000计数 后处理 MFE 分数滤波器 > = 一个样本中的75 峰值集成算法 敏捷2 峰值积分高度滤波器 > = 5000 计数 通过离子绝对高度滤波器查找 > = 一个样本中的7500计数 通过离子分数筛选器查找 > 在一个样本中 = 50.00 表 6: 探测仪软件的分子特征提取和对齐设置。所有未列出的值都保留其用于数据处理的默认设置。 离子丰度 功能阈值 复制阈值 (n = 5) 运行时间 特征 通过复制阈值 通过 CV 阈值 90% 的 TIC 功能 1x sn 2000年 没有 8.15 987 505 421 91 2x sn 5000元 没有 5.02 707 357 313 93 3x sn 10000 没有 2。3 308 249 230 93 1x sn 2000年 100% 3。3 603 339 297 92 2x sn 35000 100% 1.58 310 248 229 93 3x sn 10000 100% 1.45 202 190 182 92 表 7: 不同特征提取阈值的样品处理时间和化学特征鉴定的比较。 图 1: 全氟醚标准子集的总离子色谱和提取的离子色谱图.请点击这里查看此图的较大版本. 图 2: 具有代表性的化合物校准曲线, 显示分析曲线结构质量下降.最左侧面板表示高质量的校准;中间面板表示在制备重复物中精度较差的化合物, 特别是在浓度较高的情况下;右面板指示精度低、线性动态范围低的曲线, 导致校准范围高端的平坦响应, 低端没有可检测信号。请点击这里查看此图的较大版本. 图 3: 用于地表水提取物的覆盖总离子色谱图 (tic) 收集了含氟化学生产地点的上游和下游.请点击这里查看此图的较大版本. 图 4* 从含有多个氟化学类别的地表水样本中提取所有已确定的化学特征的离子色谱图 (EIC)。每一种化学痕量都是不同的分化颜色.请点击这里查看此图的较大版本. 图 5: 被确定为六氟环氧丙烷二聚体酸 (HFPO-DA) 的化学特征的原始和预测信息的概念图.化学特征是从从 MS 测量数据中提取原始数据的软件提取中编译的, 其中包含色谱 (例如保留时间 (RT) 和质谱信息。预测的公式、结构和化学标识是根据每个特征的原始测量数据生成的。请点击这里查看此图的较大版本. 图 6: 在制造出水口 (红色、左侧) 和参考地表水 (蓝色、右) 中确定的化学特征的质量缺陷图.含氟化合物落在虚线零线附近和下方。注意背景表面水样中的持久性全氟辛烷磺酸系列 (右)。请点击这里查看此图的较大版本. 图 7: 非目标r 包的同源系列, 用于表面水样中未知化学特征的质量与质量缺陷图。请点击这里查看此图的较大版本. 图 8: 具有三种可能的化学式的预测同位素强度的未知化学特征的质谱, 具有相同的单同位素质量.请点击这里查看此图的较大版本. 图 9: 具有注释片段峰的全氟醚化合物的碎裂谱.请点击这里查看此图的较大版本. 图 10: 过滤阈值的图形表示.从左到右, 化学特征质谱的离子丰度阈值, 提取色谱特征的特征丰度阈值, 以及三段式注射实验中特征检测频率的复制阈值。请点击这里查看此图的较大版本.
Discussion
样品处理和准备
包含引用标准对于任何有针对性的分析都是至关重要的, 因为它们为检查分析有效性提供了支持。缺乏质量控制样本会妨碍对结果的准确性进行任何评估;氟化学品的普遍存在意味着现场样品、加工材料或 LC-MS 系统的偶然性污染并不少见, 必须加以说明。此外, 它还允许验证协议, 而不考虑日常样品处理的变化, 因为许多步骤可以是高度可变的, 特别是 SPE 和样品浓度步骤。遗留化学品和新型全氟化学物质的提取在很大程度上受到选择固定相的浓度以及源样品的成分, 如 pH 值和盐度46的严重影响.如果对特定类别的含氟化学品感兴趣, 则应考虑样品条件的影响。如果有实验室设置, 而且下游数据分析保持相似, 则可以使用水提取物的替代样品制备方案。
有针对性的数据分析
对于具有可用标准和匹配的、稳定的同位素标记内部标准的化合物, 数据分析的主要问题是重要的, 可以在实验室实验室使用标准方法, 如来自低级标准峰值47 的信噪比。在没有匹配的内部标准的情况下, 可能会出现不匹配矩阵效应的误差, 并且可以使用准确的尖刺样本反向预测来估计测量的准确性。当缺乏准备曲线的标准时, 可以通过将未知物与紧密匹配的标准化合物相同地处理它来对其进行定量估计, 但估计中的误差约为 10倍, 量化不确定性的能力有限, 见麦科德、牛顿和斯特瑞纳21。在这些情况下, 仍然可以收集趋势数据, 但浓度估计数本质上是不可靠的。
非目标数据分析
峰值拾取设置对已识别的化学特征数量有很大影响, 但特征选择的质量也受到很大影响。对峰值采摘感兴趣的决定是 1) 要包括在光谱中的单个质量的强度, 离子丰度阈值 2) 提取色谱峰的强度被认为是特征, 特征丰度阈值 3) 特征检测频率、复制阈值和 4) 分析变化、CV 阈值 (图 10)。
为峰值领料设置不切实际的低阈值会导致采样时间呈指数级增长, 以解决丰度越来越低的其他特征 (表 7)。离子丰度阈值在足够多的单个同位素丰度未超过阈值的情况下, 可过滤质量谱特征。这理想的选择只选择具有质量 MS 光谱的特征, 确保它们是真正的化学特征, 而不是仪器噪声, 并允许在下游处理中进行公式预测。适当的阈值基于仪器噪声, 理想情况下至少为 MS1 扫描的噪声阈值的3倍。特征丰度阈值根据提取的色谱特征的强度或面积过滤化学特征。此步骤可拒绝低丰度峰值, 这些峰通常是色谱质量差、差异较高或是其他不良软件提取的结果。必须根据可接受的不良特征生成水平 (例如, 低于阈值的特征显示出令人无法接受的不良色谱), 确定每个实验和每个矩阵的适当阈值。进一步的分析 QC 可用于根据分析和准备复制 (复制阈值) 中的不一致识别或基于重复的重复性差 (CV 阈值) 来拒绝色谱级的特征。适当的水平取决于所使用的峰值集成软件和所调查的化学实体的质量。对于水溶性全氟化合物和稍微优化的集成协议, 应在80% 以上的分析复制中确定特征, Cv 预计将低于 30%, 详情见方法部分。
从非目标分析中检测到的峰值不能对检测到的材料浓度进行定量估计。此外, 由于公开的数据库中没有新的化合物, 因此很难确认真正未知数的身份。新的结构测定需要用多种方法进行广泛的分析, 需要质谱和化学方面的专业知识。然而, 使化学特征的峰区正常化可以提供已知物种21的未知数浓度的半定量估计.如果采用一致的取样和制备步骤, 就可以生成个别物种的时间趋势信息, 以监测化学品在未来的持久性, 因为除非有大量的反应, 否则个别物种的反应应该是一致的在矩阵21的变化。
这种方法的主要优点是样本处理的可扩展性, 以便进行有针对性和非目标分析。虽然有针对性的分析提供了同等或优越的定量信息, 但在处理新的和正在出现的材料时, 它严重缺乏所需的分析广度, 以及它们与矩阵材料的关系。采用有针对性的方法, 甚至是只基于已知材料和有限数据库的可疑筛选方法, 对以前未观测到的物种完全视而不见, 即使它们可能对健康产生重大影响。随着软件的改进和数据库变得更加强大, 未知身份识别的准确性将继续提高, 同时分析由此产生的多维数据所需的投资时间和专门知识水平也将随之减少。方法。然而, 目前生成的数据具有重要的未来价值, 因为数据银行允许使用新开发的软件进行事后分析, 并能够进行跨时间的比较, 即使检测到的化合物的身份目前尚不清楚。
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
美国环保局通过其研究与发展办公室资助和管理了这里描述的研究。本文件已由美国环境保护署研究开发办公室审查, 并获准出版。本文所表达的观点是作者的观点, 不一定代表美国环保局的观点或政策。这项研究得到了国家接触研究实验室博士后研究方案的部分支持, 该项目由橡树岭科学和教育研究所管理, 通过机构间协议 DW89992431601。美国能源部和美国环境保护署。
Materials
| Acqity ultra-high performance liquid chromatography system | Waters Corporation | Modified with PFCs analysis kit (176001744); equivalent UPLC system is acceptible if PFAS background is checked and confirmed to be low | |
| Ammonium acetate | Fluka | 17836 | Mass spectrometry grade >99% pure |
| Ammonium Hydroxide | Sigma-Aldrich | 338818 | |
| Balance | Mettler | AB204S | |
| BEH C18 reverse phase UPLC column, 2.1×50 mm, 1.7 μm | Waters Corporation | 186002350 | |
| Dual piston syringe pump | Waters Corporation | SPC10-C | |
| Glacial Acetic Acid | Sigma-Aldrich | ARK2183 | |
| Glass Microfiber Filters | Whatman | 1820-070 | |
| High density polyethelye sample bottle | Nalgene | 2189-0032 | |
| High Resolution Mass Spectrometer | Various | Mass Spectrometer should be capable of providing accurate mass to <10ppm and collecting MS/MS data. Agilent 6530 qTOF and Thermo Fisher Orbitrap Fusion were used in this work | |
| Methanol | Sigma-Aldrich | ||
| Nitric Acid (35% w/w) | Thermo Fisher Scientific | SVCN-5-1 | Can be prepared in house using concentrated nitric acid and reagent water |
| Polypropylene Buchner funnel | ACE Glass | 12557-09 | |
| Polypropylene cenitrfuge tube and cap | BD Falcon | 352096 | |
| Polypropylene Vacuum Flask (1 L) | Nalgene | DS4101-1000 | |
| Quattro Premier XE triple quadrupole mass spectrometer | Waters Corporation | Equivalent triple-quadrupole or better system can be used instead, should provide high sensitivity and stability for targeted analysis | |
| Reagent Water | Any source determined to be PFAS free | ||
| Sodium Acetate | Sigma-Aldrich | W302406 | |
| TurboVap nitrogen evaporator | Caliper Life Sciences | 103198 | Equivalent systems or rotary vacuum evaporator may be used instead |
| Weak anion exchange SPE cartridge (Oasis WAX Plus) | Waters Corporation | 186003519 | |
| Standard Solutions | |||
| 2,3,3,3-Tetrafluoro-2-(1,1,2,2,3,3,3-heptafluoropropoxy)propanoic acid (HFPO-DA) | Wellington | HFPO-DA | |
| Additional targeted compound standards of interest | to be determined based on preliminary analysis and standard availability | ||
| Mass labeled HFPO-DA | Wellington | M2HFPO-DA | |
| Native PFCA/PFAS Mixture (2 ug/mL) | Wellington | PFAC-MXA | or PFAC-MXB; or individually prepared mixture containing compounds of interest |
| Stable Isotope Labeled PFCA/PFAS Mixture (2 ug/mL) | Wellington | MPFAC-MXA | or MPFAC-MXB; or individually prepared mixture containing compounds of interest as appropriate for Native PFASs |
| Software | |||
| Mass Profiler Professional | Agilent | Or open source software packages | |
| Profinder | Agilent | Or open source software packages |
Referenzen
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McCord, J., Strynar, M. Identifying Per- and Polyfluorinated Chemical Species with a Combined Targeted and Non-Targeted-Screening High-Resolution Mass Spectrometry Workflow. J. Vis. Exp. (146), e59142, doi:10.3791/59142 (2019).