Identification of microplastic particles in environmental water and food using pyrolysis GC with high resolution Orbitrap mass spectrometry

Význam tématu

Plastové mikročástice se hromadí v životním prostředí a potravinách, ohrožují ekosystémy a lidské zdraví. Spolehlivá detekce a identifikace těchto částic je nezbytná pro hodnocení expozice a rizik spojených s mikroplasty.

Cíle a přehled studie

Cílem technické poznámky bylo předvést metodiku pyrolýzy spojené s plynovou chromatografií a vysokorozlišovací Orbitrap hmotnostní spektrometrií (py-GC-Orbitrap MS) pro detekci a identifikaci běžných syntetických polymerů v potravinových a environmentálních vzorcích.

Použitá metodika a instrumentace

Systém

• Multi-Shot Pyrolyzer (Frontier EGA/PY-3030D) s Auto-Shot Sampler
• TRACE 1310 GC s kolonou TraceGOLD TG-5SilMS 30 m × 0,25 mm × 0,25 µm
• Orbitrap Exploris GC 240 MS v režimu full–scan při 60 000 FWHM, EI, m/z 40–600

Vzorky a příprava

• Stormwater (1 L) se filtrováním přes skleněné filtrační membrány 1 µm a 0,7 µm, doplněné o standard D5-polystyren
• Mléko a hovězí maso: lyofilizace, mletí, extrakce dichlormethanem ve 180 °C a 1500 psi
• Double-shot analýza: termodesorpce (TD) při 100–300 °C následovaná pyrolýzou při 650 °C

Datová analýza

• Thermo Scientific Compound Discoverer pro screening a dekonvoluci
• Chromeleon CDS pro cílené extrakce iontů (±5 ppm) a potvrzení markerů

Hlavní výsledky a diskuse

• Test standardních polymerů ukázal charakteristické pyrolyzáty:

• PS: styren, dimery, trimery, α-methylstyren, toluen
• PP: rozvětvené alkanové fragmenty
• PVC: benzen, naftalen, fluorén
• Další polymery: PMMA, PET, PC

• Ve vzorku dešťové vody byly detekovány fragmenty PVC (poměry fragmentů odpovídaly standardu).
• V potravinových vzorcích se objevily pyrolyzáty polystyrenu, ale absence dimerů a trimerů neumožnila definitivní potvrzení PS kontaminace.
• Srovnání HRAM (±5 ppm) a simulace jedné kvadrupóly (±0,5 amu) ukázalo výrazně vyšší selektivitu a čistotu iontových chromatogramů při použití Orbitrapu.

Přínosy a praktické využití metody

• Vysoká selektivita a citlivost pro komplexní vzorky, včetně částic pod limitem mikroskopie
• Automatizované zpracování vzorků a cílená analýza pyrolyzátů včetně TD pro předčistění
• Možnost kvantifikace bulkového obsahu polymerů v environmentálních a potravinových matricích

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření HRAM knihoven pyrolyzátů a vylepšení dekonvolučních algoritmů
• Integrace termodesorpce jako standardního kroku před pyrolýzou pro snížení matricových interferencí
• Aplikace v monitorování pitné vody, odpadních vod a potravinových řetězcích
• Vývoj standardizovaných protokolů pro kvantitativní analýzu mikroplastů

Závěr

Py-GC-Orbitrap MS je robustní a vysoce selektivní nástroj pro detekci a identifikaci mikroplastů v různých matricích. Kombinace termodesorpce, automatizovaného vzorkování a cílené HRAM analýzy umožňuje spolehlivou charakterizaci polymerních fragmentů i v silně znečištěných vzorcích.

Reference

1. He D. et al. Microplastics in terrestrial ecosystems: a scientometric analysis. Sustainability 2020, 12, 8739.
2. Okoffo E.D. et al. Identification and quantification of selected plastics in biosolids by PLE and double-shot py-GC-MS. Sci Total Environ 2020, 715, 136924.
3. Akdogan Z. et al. Microplastics in the environment: critical review and future research. Environ Pollut 2019, 254, 113011.
4. Cai Y. et al. Migration and transformation of microplastics in inland water systems. Int J Environ Res Public Health 2022, 19, 148.
5. Dris R. et al. Microplastic contamination in urban area: case study Greater Paris. Environ Chem 2015, 12, 592.
6. Rauert C. et al. Concentrations of tire additives and road wear particles in urban tributary. Environ Sci Technol 2022, 56, 2421.
7. Tsuge S.; Ohtani H.; Watanabe C. Pyrolysis-GC/MS data book of synthetic polymers. Elsevier 2011.