نقدم هنا، بروتوكول متسلسلة الكمي المستهدفة وغير المستهدفة تحليل المركبات المشبعة بالفلور في المياه من الطيف الكتلي. يوفر مستويات كمية من مركبات كيميائية فلورية المعروفة هذه المنهجية وتحدد المواد الكيميائية غير معروف في عينات ذات صلة مع التقديرات شبه كمي لما وفرة.
التاريخية والناشئة للواحد-والمواد polyfluoroalkyl (فاس) قد حصل على اهتمام كبير من الجمهور والحكومة الوكالات من المستوى المحلي إلى المستوى الاتحادي. التطور المستمر لكيمياء مقترحات العمل تحديا للرصد البيئي، حيث يتخلف التطوير المستمر لأساليب تستهدف بالضرورة اكتشاف مركبات كيميائية جديدة. ولذلك، هناك حاجة، يكون تطلعي المنهجيات التي يمكن الكشف عن المركبات الناشئة وغير متوقعة، ورصد هذه الأنواع على مر الزمن، وحل التفاصيل المتعلقة التركيب الكيميائي لتمكين المستقبل تعمل في مجال الصحة البشرية. تحقيقا لهذه الغاية، يقدم نهجاً الكشف عن قاعدة عريضة يمكن أن تكون جنبا إلى جنب مع تقريبا أي مخطط لإعداد نموذج تحليل غير المستهدفة الاستبانة الطيف الكتلي وتوفر إمكانيات هامة لتحديد المركب بعد الكشف عن. هنا، يمكننا وصف طريقة تركيز عينة الصلبة-مرحلة استخراج (SPE) على أساس ضبطها لسلسلة أقصر وأكثر كيمياء مقترحات العمل ماء، مثل كل الأحماض الاثير المفلورة والالكيل، ووصف تحليل العينات التي أعدت في هذا الشكل في وسائط المستهدفة وغير المستهدفة. توفير أساليب هادفة الكمي متفوقة عند معايير مرجعية متوفرة ولكن تقتصر جوهريا للمركبات المتوقعة عند إجراء التحليل. على النقيض من ذلك، يمكن تحديد وجود المركبات غير متوقعة نهجاً غير المستهدفة وتوفير بعض المعلومات عن بنيتها الكيميائية. يمكن استخدام المعلومات حول الخصائص الكيميائية للربط بين المركبات عبر مواقع عينة وتعقب وفرة والتواجد مع مرور الوقت.
الفئة من كل–وهي المواد polyfluoroalkyl (فاس) الملوثات العضوية الثابتة بقلق كبير في مجال الصحة العامة. حمض اوكتاني مركبات محددة (الأوكتاني) وبيرفلوروكتانيسولفوناتي المشبعة بالفلور بمياه الشرب الصحية الاستشارية مستويات تحددها وكالة حماية البيئة1،2 وإنتاجها الرئيسية الولايات المتحدة توقف في القرن الحادي والعشرين3،4 . للحصول على فهم كبير لخصائص مقترحات العمل وضعت مواد في المنتج النسيج والمستهلك تصنيع المجالات، مئات، أن لم يكن الآلاف، من كيمياء مقترحات بديلة لسد منافذ المنتج، بما في ذلك بدائل مركبات مهملة5،6،،من78. هناك حاجة لرصد المستويات البيئية للأحماض الكربوكسيلية المشبعة بالفلور سلسلة مستقيمة استمرار وسولفوناتيس مثل سلفونات الأوكتين المشبع الفلورة والاوكتاني، وسلسلة المتجانسة ذات الصلة بهم، ولكن لا تغطيها المركبات الكيميائية الناشئة الأساليب المتبعة مثل وكالة حماية البيئة 537 الأسلوب9 وكثيراً ما نقص المعايير التحليلية لتحليل المستهدفة التقليدية. القصد من هذا البروتوكول هكذا شقين. فإنه يوفر مساراً لتحليل المادة الكيميائية الفلورية الأنواع في المياه التي تتوفر فيها المعايير التحليلية LC-MS/MS المستهدفة وتفاصيل اندماج النهج الشامل القائم على قياس الطيف الكتلي غير المستهدفة، وعالية الدقة لتحليل البيانات أن يتيح الكشف عن المركبات غير معروف أو غير متوقعة في العينات نفسها.
استخراج المرحلة الصلبة (SPE) أسلوب المنشأة لتنظيف العينة وتركيز مع التطبيقات للعديد من التحاليل وعينه المصفوفات10،11. لتحليل مقترحات العمل، متعددة المراحل متذكر متين بما في ذلك غير القطبية، فونكتيوناليزيد القطبية، وقد استخدمت الأعمدة التبادل الأيوني بدرجات متفاوتة للفئات الفرعية للأنواع المفلورة في مجموعة متنوعة واسعة من مصفوفات9،12، 13،14،،من1516. السلف في جمعية مهندسي البترول تحليل العينات باستخدام الأجهزة على شبكة الإنترنت إلى حد كبير زيادة إنتاجية النهج وتحسين إمكانية تكرار نتائج التعامل مع العينة، ولكن العملية الأساسية تظل متسقة17. كما بذلت بعض الجهود لإزالة التركيز غير متصل لجمعية مهندسي البترول باستخدام حقن حجم كبير، ولكن تتطلب هذه التعديلات اللوني التي وضعها خارج نطاق التحليل عارضة18،19 . لدينا تحليل عينة يستخدم مرحلة متذكر صرف (شمع) البوليمر شاردة ضعف دقة فصل المواد الحمضية في مقترحات العمل من الملوثات العضوية التقليدية مع تحقيق عوامل تركيز عينة كبيرة. هذه المرحلة الشمع المهم للقبض على أحماض مشبعة بالفلور قصيرة السلسلة مثل مشبعة بالفلور أوكتين (أوكتين) أو إثيرات المشبعة بالفلور مثل حمض ديمر أكسيد هيكسافلوروبروبيليني (هفبو-دا) والقطبية أكثر مما أطول سلسلة القديمة المشبعة بالفلور الأنواع20،21. كما كان هناك تحولاً كبيرا نحو أقصر المفلورة سلاسل وإدراج خماسي البروم ثنائي الفينيل في الكيمياء مقترحات العمل الأخيرة5، يتيح هذا التحديد مرحلة الانتعاش أكثر شمولاً من مركبات جديدة لتحليل مرض التصلب العصبي المتعدد.
كوانتيتيشن LC-MS/MS المستهدفة باستخدام المصادقة على المعايير والنظائر المستقرة المسمى المعايير الداخلية يوفر مستوى لا مثيل لها من خصوصية وحساسية للتحليل الكمي. مع هذا النهج أمر مرغوب فيه في كثير من الحالات، من غير العملي لحالات كل شائع جداً في التحليل. العمل النهج الموجهة فقط للأنواع التي من المتوقع في العينة، وعن الأساليب التي وضعت سابقا. للمركبات الجديدة والناشئة، عاجزاً عن هذا النهج حتى الكشف عن الأنواع التي قد تكون موضع اهتمام، بغض النظر عن الكيمياء أو تركيز، ومطيافات أسلحة ذات الدقة المنخفضة تقريبا غير قادرة على توفير ما يكفي من المعلومات لجعل لا لبس فيه تعيينات الكيميائي للمركبات غير معروف. ونتيجة لذلك، نشأ مجال التحليل غير المستهدفة، حشد القوة من الاستبانة مطيافات أسلحة حديثة لتحليل عينات دون فرضية المنطلقات وتعيين المواد الكيميائية بأثر رجعي لميزات لا يمكن اكتشافها في العينة. وقد استخدمت هذا النهج على نطاق واسع في ميادين البيولوجيا22،،من2324 والعلوم البيئية25،،من2627 على أصناف عديدة من المواد الكيميائية. المواد الكيميائية المشبعة بالفلور لا سيما مباشرة لتحديد في هذا الأسلوب بسبب أنماط الطيفية كتلة فريدة من نوعها، وقد وصف مئات مركبات في مجرد الماضية بضع سنوات5،28.
البروتوكول مناقشتها هنا المقصود بمحاذاة كوانتيتيشن LC-MS/MS “مقترحات” هادفة مع الحاجة إلى تحديد ورصد شبه كمي المركبات الناشئة ذات الأهمية. المرحلة جمعية مهندسي البترول التحديد وتقنيات إعداد عينة تهدف إلى ضمان القبض على ماء أكثر الأحماض مقترحات العمل الناشئة من المياه، وقد تكون أقل ملاءمة لأطول سلسلة البوليمر الأنواع والأنواع غير الأيونية. علاوة على ذلك، البيانات الناتجة عن تحليل غير المستهدفة كثيفة ومن أبعاد عالية، مما يتطلب استخدام برمجيات تحليل البيانات. حزم البرمجيات مثل كثيرا ما المورد محددة وتحتاج إلى تعديل تعمل بين منصات الصك. حيثما كان ذلك ممكناً، وقد وصفت عملية التحليل بطريقة عامة والبدائل مفتوحة المصدر/مجانية يتم الرجوع إليها، ولكن يجب تقييم كفاءة ودقة من أي نهج البرامج كل على حدة.
التعامل مع العينات وإعداد
يتم إدراج المعايير المرجعية/سبايك أهمية قصوى لأي تحليل المستهدفة، كما أنها توفر مساندة للتحقق من صحة التحليل. عدم وجود عينات مراقبة الجودة يمنع أي تقييم دقة النتائج؛ طبيعة المواد الكيميائية الفلورية في كل مكان يعني أن فرصة تلوث العينات الميدانية، تجهيز مواد، أو نظام LC-مرض التصلب العصبي المتعدد ليس من غير المألوف، ويجب أن تكون مسؤولة. علاوة على ذلك، فإنه يسمح للمصادقة على البروتوكول بغض النظر عن التباين في العينة اليومية تجهيز، العديد من الخطوات التي يمكن أن يكون متغير جداً، لا سيما في الدائرة وخطوات تركيز العينة. استخراج المواد الكيميائية المشبعة بالفلور القديمة والجديدة على حد سواء يمكن أن يتأثر بشدة باختيار المرحلة ثابتة للتركيز، ومكونات العينات المصدر، مثل درجة الحموضة والملوحة46. ينبغي النظر في تأثير ظروف العينة إذا كانت فئات معينة من المواد الكيميائية بيفلوريناتيد للفائدة. يمكن استخدام مخططات إعداد نماذج بديلة للمياه مقتطفات إذا يتوفر إعداد المختبر وتحليل البيانات المتلقين للمعلومات لا يزال مماثلة.
تحليل البيانات المستهدفة
للمركبات مع المعايير المتاحة والنظائر المتطابقة، مستقرة المسمى المعايير الداخلية، هي الشواغل الرئيسية لتحليل البيانات الآلي وتحديد أسلوب الكشف عن الحدود، ويمكن تحديد نطاقات الإبلاغ مناسبة على أساس المختبر بالمختبر باستخدام نهج قياسية، مثل نسبة الإشارة إلى الضوضاء من مستوى منخفض المستوى التموج47. في حالة عدم تطابق المعايير الداخلية يمكن أن تحدث الأخطاء من آثار مصفوفة غير متطابقة، ودقيقة مرة أخرى–التنبؤ بعينات ارتفعت يمكن استخدامها لتقدير دقة القياسات. عندما تفتقر إلى المعايير لإعداد منحنى، تقدير كمي للمجهول يمكن أن تقدمها علاج أنه مطابق لمعيار مطابقة عن كثب مجمع، ولكن أخطاء في التقدير بناء على أمر من 10 + إضعاف مع قدرة محدودة على تحديد مقدار عدم اليقين، انظر ماكورد ونيوتن سترينار21. وفي هذه الحالات، يمكن لا يزال جمع البيانات المتعلقة بالاتجاهات، ولكن التقديرات تركيز لا يعول عليها أصلاً.
تحليل البيانات غير المستهدفة
إعدادات الانتقاء ذروة له أثر كبير على عدد الخصائص الكيميائية المحددة، ولكن أيضا بشدة تأثر نوعية تحديد الميزة. قرارات الفائدة في ذروة الانتقاء هي 1) كثافة الجماهير الفردية التي ستدرج في الأطياف، على عتبة وفرة أيون قمم 2) كثافة chromatogram المستخرجة اعتبار الميزات، ميزة وفرة عتبة 3) ميزة الكشف عن التردد وعتبة تكرار 4) تحليلي التباين، عتبة السيرة الذاتية (الشكل 10).
تحديد عتبات منخفضة إلى حد غير واقعي لنتائج الانتقاء الذروة في زيادة هائلة في الوقت عينة حل ميزات إضافية لوفرة متزايدة منخفضة (الجدول 7). كتلة الفلاتر العتبة أيون-وفرة الخصائص الطيفية فيها ما يكفي من وفرة النظائر الفردية لا يجتاز العتبة. ومن الناحية المثالية يحدد هذا فقط للميزات مع نوعية مرض التصلب العصبي المتعدد الأطياف، ضمان هي ميزات حقيقية الكيميائية بدلاً من الضوضاء مفيدة، والسماح للتنبؤ الصيغة في التجهيز النهائي. يستند عتبة مناسبة الضوضاء مفيدة، من الناحية المثالية فحص على الأقل 3 × الضوضاء عتبة MS1. عتبة وفرة ميزة تصفية الميزات الكيميائية استناداً إلى كثافة أو مجال الميزة الكروماتوغرافي المستخرجة. يتيح هذه الخطوة رفضا للقمم وفرة منخفضة، والتي عادة ما تكون رديئة النوعية الكروماتوغرافي، الفروق عالية، أو هي نتيجة لاستخراج البرمجيات الفقيرة الأخرى. يجب أن تحدد عتبة مناسبة كل تجربة، وكل مصفوفة استناداً إلى مستوى مقبول من جيل ميزة الفقراء (مثل الميزات أدناه عتبة المعرض اللوني الفقيرة غير مقبولة). كذلك يمكن استخدامها رفض ميزات على الصعيد الكروماتوغرافي استناداً إلى الهوية غير متناسقة في replicates التحليلية و/أو التحضيرية (نسخ متماثل العتبة) مراقبة الجودة التحليلية أو استناداً إلى إمكانية تكرار نتائج الفقراء عبر replicates (عتبة السيرة الذاتية). المستويات المناسبة تعتمد على نوعية ذروة التكامل البرمجيات المستخدمة والكيانات الكيميائية قيد التحقيق. للمركبات المشبعة بالفلور للذوبان في الماء، وبروتوكولات التكامل الأمثل طفيفة، ينبغي تحديد الميزات في 80 + % للتحليل وإنشاء نسخ متماثلة ومن المتوقع أن تقل عن 30 في المائة، كما هو مفصل في المقطع طرق السير الذاتية.
قمم الكشف عن من التحليل غير المستهدفة لا تسفر عن تقديرات كمية لتركيزات المواد التي اكتشفت. علاوة على ذلك، يمكن أن تكون هوية المجهولة صحيح صعوبة تأكيد لأن المركبات رواية غائبة من قواعد البيانات المتاحة للجمهور. رواية التصميم الهيكلي يتطلب تحليلاً مكثفا مع أساليب متعددة وتتطلب خبرة في الطيف الكتلي والكيمياء. ومع ذلك، يمكن أن توفر تطبيع مجالات الذروة الميزات الكيميائية التقديرات شبه كمي لتركيزات المجاهيل من الأنواع المعروفة21. إذا أخذ العينات متسقة وخطوات إعداد موظفا، يمكن إنشاء معلومات الاتجاه والوقت للأنواع الفردية لرصد استمرار وجود مادة كيميائية في المستقبل كالاستجابة لأنواع فردية ينبغي أن تكون متسقة فيما عدا كبير الاختلافات في مصفوفة21.
أن الفائدة الأساسية من هذا الأسلوب هو القابلية للتوسعة لعلاج عينة للسماح بتحليل المستهدفة ونونتارجيتيد على السواء. بينما تحليل هادفة توفر معلومات كمية تعادل أو تفوق، إلى حد كبير يفتقر إلى اتساع نطاق التحليل المطلوب عند التعامل مع المواد الجديدة والناشئة، فضلا عن علاقتها بالمواد المصفوفة. تطبيق منهجية هادفة، أو حتى المشتبه فيه فحص أسلوب استناداً فقط إلى المواد المعروفة وقواعد البيانات المحدودة أعمى تماما للأنواع مخفي مسبقاً، حتى ولو أنها قد يكون لها آثار كبيرة على صحة. كما يحسن من البرمجيات وقواعد البيانات أصبحت أكثر قوة، الدقة غير معروف الهوية سيستمر في الزيادة، مع ما يصاحب ذلك انخفاض في استثمار الوقت ومستوى الدراية الفنية اللازمة لتحليل البيانات متعددة الأبعاد التي تم إنشاؤها بواسطة هذا النهج. ومع ذلك، البيانات التي تم إنشاؤها في الوقت الحاضر ذات قيمة كبيرة في المستقبل نظراً لأن البيانات المصرفية يسمح لتحليل الوظائف المخصصة مع البرمجيات المطورة حديثا ويتيح المقارنة عبر الزمن حتى لو من مجمع للكشف عن الهوية غير معروف حاليا.
The authors have nothing to disclose.
وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة، من خلال مكتب للبحوث والتنمية، وتمويل وإدارة البحوث الموصوفة هنا. هذا المستند قد تم استعرضت “الوكالة الأمريكية لحماية البيئة” و “مكتب للبحوث” والتنمية، والموافقة على المنشور. الآراء التي أعرب عنها في هذا المقال هي آراء المؤلفين ولا تمثل بالضرورة وجهات نظر أو سياسات “وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة”. أيد هذا البحث في جزء منه موعد “برنامج أبحاث ما بعد الدكتوراه” في “المختبر الوطني للأبحاث التعرض” يديره معهد أوك ريدج للعلم والتعليم من خلال DW89992431601 الاتفاق المشترك بين الوكالات بين وزارة الطاقة في الولايات المتحدة ووكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة.
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 |