Analýza fytosanitárních přípravků v povrchových a podzemních vodách pomocí GCxGC-TOFMS

Nadužívání fytosanitárních přípravků pro zemědělské i nezemědělské účely mělo za následek vyplavování těchto sloučenin a jejich derivátů do povrchových a podzemních vod.

Přítomnost fytosanitárních přípravků ve vodě je regulována různými směrnicemi, které povolují maximální koncentraci 0,1 µg/l pro jednotlivé složky a 0,5 µg/l pro celkový součet jejich koncentrací.

V této studii byly vzorky environmentální vody extrahovány pomocí extrakce na pevné fázi (SPE) a charakterizovány a kvantifikovány na přítomnost 51 fytosanitárních produktů.

Vývoj a validace metody byly prováděny pomocí komplexní dvourozměrné plynové chromatografie spojené s hmotnostní spektrometrií s časem letu (GCxGC-TOFMS). Ukazujeme, že tyto typy analytů je obtížné chromatograficky oddělit jednorozměrnými přístupy. S multidimenzionálním systémem se separace výrazně zlepšuje a také se zvyšuje citlivost, což je důležité pro stopovou analýzu.

ÚVOD

Pesticidy jsou chemické sloučeniny, které se používají hlavně v zemědělství ke kontrole zamoření škůdci (hlodavci, hmyz nebo rostliny) a nemocí.

Zbytky těchto chemikálií se mohou dostat do vodních útvarů různými cestami, jako je úlet postřiku, odtok vody, vítr, eroze, vyluhování, odpařování a následná suchá depozice.

Evropská unie stanovila pokyny pro nezávadnou pitnou vodu pro lidskou spotřebu.

Maximální přípustná koncentrace pesticidů a jejich degradačních produktů v povrchových a podzemních vodách je 0,1 µg/l a 0,5 µg/l pro jednotlivé a celkový součet jejich koncentrací.

V této studii byla k charakterizaci a kvantifikaci složek přítomných ve vzorku použita purifikace a extrakce fytosanitárních sloučenin pomocí SPE a následně GCxGC- TOFMS.

Tato studie popisuje vývoj a validaci metody GCxGC-TOFMS pro kvantifikaci 51 fytosanitárních produktů různých chemických struktur.

LECO: Analýza fytosanitárních přípravků v povrchových a podzemních vodách pomocí GCxGC-TOFMS

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

SPE byl použit k extrakci cílových analytů ze vzorků následovně: 500 ml výchozího vzorku bylo přidáno k 250 ul procesního standardu (atrazin-d5, 100 ug/l v methanolu), naloženo na patronu OASIS HLB 6 cc 200 mg SPE (Waters Corporation, Milford, MA, USA) a eluován 2,5 ml ethylacetátu. Vysušený zbytek byl rozpuštěn ve 250 ul ethylacetátového roztoku obsahujícího 250 ug/l vnitřního standardu (azobenzen). Pro kvantifikaci byly vzorky kalibrační křivky připraveny provedením ředění standardní směsi (tato také obsahovala procesní standard), vysušením 250 ul této směsi a rozpuštěním zbytku ve 250 ul roztoku vnitřního standardu (250 ug/l v ethylacetátu).

Konečné koncentrace těchto standardů byly 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1 a 0.15 ug/l. Standardy byly získány od O2Si Smart Solution (North Charleston, SC, USA), Dr. Ehrenstorfer (Augsburg, Německo) a A2S Analytical Standard Solutions (Saint Jean d'Illac, Francie). Rozpouštědla byla zakoupena od společnosti Merck (Darmstadt, Německo). Vývoj metody a validace metody GCxGC-TOFMS prováděné na Pegasus BT4D Systém GCxGC-TOFMS byl ® (LECO Corporation, MI, USA) vybavený Agilent 7890 GC a automatickým vzorkovačem kapalin (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA ).

Data byla shromážděna a analyzována pomocí softwaru ChromaTOF s Target Analyte® Finding (TAF) pro rychlé zpracování a stanovení cílových fytosanitárních sloučenin. Tabulka 1 uvádí instrumentální metodu a parametry zpracování dat použité v této studii.

LECO: Tabulka 1. Instrumentální parametry a parametry zpracování dat

Metoda vyvinutá v naší studii byla ověřena (linearita, citlivost, pravdivost, přesnost a výtěžnost extrakce) podle pokynů Eurachem. Analytické křivky byly sestrojeny pomocí šesti kalibračních úrovní, z nichž každá byla analyzována celkem devětkrát během tří různých dnů (3 replikáty za den). K odhadu regresních linií byla použita metoda nejmenších čtverců a linearita byla dále hodnocena pomocí Mandelova prokládacího testu. Limity detekce a kvantifikace byly odhadnuty z kalibrační křivky. Přesnost byla hodnocena na nejnižších a nejvyšších kalibračních úrovních (0,01 a 0,15 µg/l), a to jak v průběhu dne, tak v průběhu dne. Pravdivost byla hodnocena na dvou úrovních (0,03 a 0,125 ug/l) výpočtem zkreslení. Výtěžnost extrakce byla odhadnuta na 0,01 a 0,15 ug/l, přidáním slepého vzorku vodovodní vody a kvantifikací cílových analytů po procesu SPE pomocí konečné metody GCxGC-TOFMS.

VÝSLEDKY A DISKUSE

Počáteční chromatografická separace byla provedena na primární nepolární koloně za použití GC-TOFMS.

Po 20 minutách běhu však bylo vidět, že se ve vzorcích vyskytlo mnoho koelucí. Vzorek byl poté znovu analyzován pomocí dvourozměrné chromatografie (GCxGC-TOFMS). Kombinace nepolární primární kolony spojené s polární sekundární kolonou umožnila úspěšnou separaci 51 cílených analytů. Jsou ukázány rozdíly v separaci cílových fytosanitárních sloučenin, když byly vzorky analyzovány pomocí 1D GC-TOFMS a 2D GCxGC-TOFMS (obrázek 1).

LECO: Obrázek 1. 1a. Zvětšený 1D chromatogram standardní směsi fytosanitárních sloučenin (1-51), vnitřního standardu (IS) a procesu standardní (PS); 1b. Přiblížený 2D chromatogram stejné standardní směsi. Čísla špiček naleznete v Tabulce 2.

Některé sloučeniny, které nejsou rozděleny chromatograficky v 1D separaci, mohou být spektrálně dekonvoluovány pomocí softwaru ChromaTOF. Analyty 1) chlorpyrifos-methyl a 2) vinclozolin se eluuje v téměř přesně stejném retenčním čase 1. dimenze (Obrázek 2a). Díky shromažďování dat v plném hmotnostním rozsahu při rychlých rychlostech akvizice umožnila dekonvoluce, aby byly tyto 2 složky vyřešeny a identifikovány s dobrou podobností knihovny hmotnostních spekter (806/1000 a [8] 841/1000 v tomto pořadí). Použití GCxGC umožnilo úplnou separaci těchto dvou analytů ve 2. dimenzi (Obrázek 2b). To také vedlo ke zlepšení shod hmotnostních spektrální podobnosti (875/1000 a 899/1000).

LECO: Obrázek 2. 2a. Přiblíženo v 1D koeluci s celkovým iontovým chromatogramem (TIC) (černá čára) a extrahovaným iontovým chromatogramem (XIC) 1) chlorpyrifos-methylu (modrá čára, m/z 125) a 2) vinclozolinu (zelená čára, m/z 187) . 2b. Kompletní 2D oddělení stejných součástí

Další příklad poskytuje Obrázek 3, kde se 3 druhy eluují velmi těsně u sebe. V tomto případě dekonvoluce umožňují rozlišení těchto druhů v 1D (obrázek 3a), ale použití GCxGC umožnilo mnohem lepší separaci na obrázku 3b, zcela rozložil Ametryn a významně zlepšil jasnost hmotnostního spektra všech 3 analytů. Podobnost skóre se zlepšilo z 663/1000, 670/1000 a 706/1000 na 809/100, 812/100 a 907/1000 pro Ametryn, Alachlor a Heptachlor, resp.

LECO: Obrázek 3. 3a. Přiblíženo 1D koeluce s celkovým iontovým chromatogramem (TIC) (černá čára) a extrahovaným iontovým chromatogramem (XIC) 1) Ametryn (oranžová čára, m/z 212), 2) alachlor (zelená čára, m/z 188) a 3) heptachlor (modrá čára, m/z 100). 3b. Vylepšené 2D oddělení stejných součástí

Tabulka 2 popisuje cílové fytosanitární sloučeniny spolu s jejich kvantifikačními ionty a relativním poměrem signálu k šumu (S/N) na nejnižší kalibrační úrovni, pro jednorozměrnou i dvourozměrnou analýzu. Další výhodou provádění dvourozměrné chromatografie s tepelnou modulací je to, že je citlivější než jednorozměrná chromatografie, kvůli studené (kryo) fokusaci během modulace. To je také demonstrováno v Tabulce 2, kde se vyšší hodnoty S/N při použití 2D techniky pohybovaly od 1,7 (heptachlorepoxid) do 6,2 (trans-chlordan) násobného zvýšení ve srovnání v 1D.

LECO: Tabulka 2. Seznam fytosanitárních látek s retenčními indexy (RI z 2D separace a rozdíl od databáze), kvantifikátor iontů a jejich poměrů S/N v 1D a 2D analýzách.

Metoda vyvinutá pro tento projekt byla ověřena z hlediska linearity, přesnosti, pravdivosti, limitů detekce a kvantifikace a tyto hodnoty pro validaci metody jsou shrnuty v Tabulce 3.

LECO: Tabulka 3. Číselné hodnoty validace metody

Po validaci bylo odebráno a analyzováno čtrnáct vzorků vody (7 povrchových a 7 podzemních). Kvantitativní výsledky jsou znázorněny na obrázku 4. Vzorky podzemních vod jsou podle očekávání méně náchylné ke kontaminaci rostlinnými produkty než vzorky povrchových vod, kde jejich průměrná koncentrace je 0,070 µg/l a 0,314 µg/l.

LECO: Obrázek 4. Kvantifikace fytosanitárních produktů ve 14 environmentálních vodách. Analyty uváděné jednotlivě mají, alespoň v jednom vzorku s koncentrací vyšší než 0,01 µg/l (nejnižší kalibrační úroveň).

ZÁVĚR

• Metoda zahrnující SPE purifikaci následovanou GCxGC-TOFMS analýzou byla zde aplikována a validována pro stanovení 51 fytosanitárních sloučenin v povrchových a podzemních vodách.

• Při jednorozměrné chromatografii bylo pozorováno, že ve vzorku je přítomno mnoho koelucí. To bylo vyřešeno pomocí komplexní dvourozměrné plynové chromatografie, která umožnila chromatografické oddělení všech cílových analytů.

• Další důležitou výhodou použití GCxGC-TOFMS je zvýšení citlivosti, jak bylo pozorováno od 1,7 do 6,2 zvýšení S/N, což je výhodné pro stanovení stopových množství.

• V této aplikaci byla data z vodních extraktů zpracována pomocí metody target analysis finding (TAF). To umožnilo rychlou identifikaci cílených analytů.

• Kromě zvýšené separační síly a citlivosti poskytuje zde vyvinutá metoda GCxGC-TOFMS možnosti post-targeting analýzy, což je vlastnost, kterou lze využít ke screeningu dříve získaných vzorků na nově regulované nebo aposteriorně se objevující kontaminanty.