Un approccio innovativo per l’analisi dei PFAS a catena ultra-corta nei campioni di acqua
Determinazione diretta e simultanea dei PFAS a catena ultra-corta, alternativi e tradizionali
Abstract
Alla luce del crescente interesse per il monitoraggio di una gamma più ampia di PFAS nell’acqua potabile e non potabile, diventa sempre più importante utilizzare una metodologia efficiente. Per questo motivo abbiamo sviluppato un approccio unico che offre un’analisi simultanea dei PFAS a catena ultra-corta e dei PFAS alternativi e tradizionali, permettendo di analizzare insieme i composti alternativi e i C2, C3, C4, C6 e C8, anziché utilizzare metodi differenti. Di seguito verranno presentati i risultati della validazione sperimentale.
Introduzione
Le sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) a catena ultra-corta, anche dette C2 e C3, sono composti piccoli estremamente polari che rappresentano almeno il 40% dei PFAS totali rilevati nelle acque ambientali (per esempio acqua piovana, fiumi e acque sotterranee) [1,2,3]. I PFAS a catena ultra-corta comprendono l’acido trifluoroacetico (TFA), che è il più abbondante e anche il più difficile da analizzare cromatograficamente, l’acido perfluoropropionico (PFPrA), l’acido perfluoroetansolfonico (PFEtS) e l’acido perfluoropropansolfonico (PFPrS). A causa dell’insufficiente ritenzione delle normali colonne a fase inversa (RP), le procedure attualmente in uso per il monitoraggio dei PFAS non prevedono l’analisi di questi composti a catena ultra-corta che sono ora ampiamente diffusi. Per contro, i metodi analitici che sfruttano la cromatografia a scambio anionico mostrano spesso una ritenzione eccessiva e prestazioni cromatografiche inadeguate per i PFAS a catena ultra-corta. La procedura diventa ancora più impegnativa quando si tratta di monitorare contemporaneamente e con un solo metodo i PFAS a catena ultra-corta, alternativi e tradizionali.
Per superare queste limitazioni abbiamo utilizzato un’unica colonna ibrida a scambio ionico/HILIC, la Raptor Polar X, per sviluppare un metodo LC-MS/MS semplice e veloce per l’analisi completa di PFAS C2, C3, C4, C6, C8 e alternativi. Tale colonna utilizza meccanismi di ritenzione multimodale ed equilibrata, così che i PFAS a catena ultra-corta e a catena lunga possano essere analizzati in un’unica corsa isocratica. Questo metodo di iniezione diretta è stato valutato tramite l’analisi di precisione e accuratezza di campioni di acqua fortificata, fra cui acqua di rete, di fiume e di falda e acqua proveniente da impianti pubblici per il trattamento delle acque reflue (POTW, effluenti fognari). Come qui illustrato, questo metodo offre una configurazione pratica e condizioni di alto rendimento per i laboratori di analisi dell’acqua che desiderano inserire l’analisi dei PFAS a catena ultra-corta sullo stesso flusso di lavoro già utilizzato per la misurazione di PFAS tradizionali e alternativi.
Studio sperimentale
Metodo cromatografico:
Di seguito si riportano le condizioni cromatografiche. Le transizioni e gli standard interni utilizzati per ogni analita sono riportati nella Tabella I.
| Colonna: | Raptor Polar X (2.7 µm, 50 mm x 2.1 mm ID [n° cat 9311A52]) | |
| Temperatura colonna: | 40 °C | |
| Volume iniezione: | 10 µL | |
| Fase mobile A: | Acqua, formato di ammonio 10 mM, acido formico 0,05% | |
| Fase mobile B: | Acetonitrile:metanolo (60:40), acido formico 0,05% | |
| Tempo (min.) | %B | |
| 0.00 | 85 | |
| 8.00 | 85 | |
| Velocità flusso: | 0.5 mL/min | |
| Modalità ioni: | ESI(-) | |
| Modalità: | MRM | |
Tabella I: Transizioni MS degli analiti per l’analisi simultanea di PFAS a catena ultra-corta, tradizionali e alternativi in campioni di acqua.
| Analita | Ione precursore |
Ione prodotto |
SI per quantificazione |
| TFA | 113.03 | 69.01 | 13C2-PFHxA |
| PFPrA | 163.03 | 119.01 | 13C2-PFHxA |
| PFBA | 212.97 | 168.97 |
13C2-PFHxA |
| PFHxA | 312.97 | 268.90 |
13C2-PFHxA |
| PFOA | 412.90 | 368.91 | 13C2-PFOA |
| HFPO-DA | 284.97 | 168.92 | 13C2-PFOA |
| ADONA | 376.90 | 250.93 | 13C2-PFOA |
| PFEtS | 198.98 | 79.92 | 13C3-PFBS |
| PFPrS | 248.97 | 79.98 | 13C3-PFBS |
| PFBS | 298.97 | 79.97 | 13C3-PFBS |
| PFHxS | 398.90 | 79.97 | 13C3-PFBS |
| PFOS | 498.84 | 79.97 | 13C4-PFOS |
| 9Cl-PF3ONS | 530.78 | 350.85 | 13C4-PFOS |
| 11Cl-PF3OUdS | 630.78 | 450.80 | 13C4-PFOS |
| 13C2-PFHxA | 314.97 | 269.93 | - |
| 13C2-PFOA | 414.90 | 369.87 | - |
| 13C3-PFBS | 301.90 | 79.97 | - |
| 13C4-PFOS | 502.84 | 79.97 | - |
Preparazione del campione
In un vial in propilene (utilizzato per limitare la contaminazione di fondo) sono stati mescolati 250 µL di ogni campione di acqua con 250 µL di metanolo e 5 µL di soluzione di standard interno (10 ng/mL di 13C2-PFHxA, 13C2-PFOA, 13C3-PFBS, 13C4-PFOS in metanolo). Per l’iniezione e l’analisi, il vial è stato chiuso con un tappo in polietilene (ancora una volta per ridurre la contaminazione di fondo).
Sono stati preparati gli standard di calibrazione con acqua deionizzata (prodotta con un sistema Thermo Scientific Barnstead E-Pure) e fortificata con 14 analiti in un range di 10–800 ng/L. Le soluzioni degli standard di calibrazione sono state poi diluite 1:1 in metanolo, seguendo la procedura di preparazione del campione descritta in precedenza.
Sono stati fortificati a 40 e 160 ppt un campione dell’acqua di rete dello stabilimento Restek e tre campioni di acqua forniti dall’Agenzia statunitense per la protezione dell'ambiente (EPA) provenienti da Chicago (acqua di fiume, di falda e acqua di effluente di un impianto pubblico per il trattamento delle acque reflue). I campioni bianchi e di acqua fortificata sono stati diluiti 1:1 in metanolo come descritto sopra per l’analisi cromatografica e sono stati quantificati con gli standard di calibrazione. Per le misurazioni del TFA nell’acqua di falda, a causa dell’alta concentrazione dell’acido il campione è stato diluito cinque volte con acqua deionizzata prima di procedere con la fortificazione a 40 e 160 ppt.
Risultati e discussione
Prestazione cromatografica
È stata definita un’ eluizione isocratica che ha prodotto un’ analisi semplice e veloce dei PFAS a catena ultra-corta insieme a quelli tradizionali e alternativi nei campioni di acqua. Tutti gli analiti sono stati eluiti in 4 minuti con ritenzione equilibrata e ottime forme del picco (Figura 1). Utilizzando un ciclo di 8 minuti non sono state rilevate interferenze della matrice in nessuno dei campioni di acqua. Come illustreremo in seguito, si è rivelato necessario un tempo di mantenimento di circa 4 minuti dopo l’ultimo composto eluito per evitare possibili interferenze della matrice.
Linearità
Il range di calibrazione è di 20–800 ppt per il TFA e di 10–800 ppt per tutti gli altri analiti. Sono stati valutati 4 standard interni per determinare la curva di calibrazione più adeguata per i diversi analiti. Tutti i composti hanno mostrato una linearità accettabile con valori di R2 >0,996 e deviazioni <20% utilizzando una regressione quadratica pesata 1/x.
Accuratezza e precisione
Nei nostri esperimenti iniziali, è stata osservata un’interferenza della matrice per il segnale del TFA per l’analisi dei campioni di acqua effettuata utilizzando una corsa isocratica di 5 minuti. Sono stati testati diversi tempi di analisi ed è stato stabilito che è necessario un tempo di corsa di 8 minuti per evitare le interferenze della matrice per tutti gli analiti. Potrebbe essere necessario modificare il tempo di mantenimento isocratico sulla base della strumentazione utilizzata e/o dei campioni analizzati.
I campioni bianchi di acqua hanno mostrato livelli diversi di TFA, PFAS C3, C4, C6 e C8, in assenza di ADONA, HFPO-DA, 9Cl-PF3ONS e 11Cl-PF3OUdS rilevabili (Tabella II). La Figura 2 mostra un esempio di cromatogramma per l’analisi di PFAS a catena ultra-corta con determinazione simultanea di PFAS tradizionali e alternativi in un campione bianco di acqua proveniente da un impianto pubblico per il trattamento delle acque reflue.
Tabella II: Analiti rilevabili nei campioni bianchi di acqua.
| Concentrazione rilevata (ng/L) | ||||||||||||||
| Samples | TFA | PFPrA | PFBA |
PFHxA |
PFOA | HFPO-DA | ADONA | PFEtS | PFPrS | PFBS | PFHxS | PFOS | 9Cl-PF3ONS | 11Cl-PF3OUdS |
| Acqua di rete |
164.2 |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
| Acuq di fiume |
193.3 |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
NR |
| Acqua di falda |
1425 |
NR |
NR |
NR |
5.4 |
NR |
NR |
NR |
NR |
6.7 |
3.9 |
NR |
NR |
NR |
| Acqua da POTW |
352.8 |
9.6 |
15.3 |
93.5 |
20.4 |
NR |
NR |
NR |
NR |
6.8 |
6.7 |
9.6 |
NR |
NR |
NR: non rilevabile
Per determinare l’accuratezza (recupero percentuale), le quantità misurate nei campioni fortificati sono state adeguate per tener conto della concentrazione nei campioni bianchi. I campioni di acqua sono stati fortificati a bassa e alta concentrazione in duplicato per ogni batch analitico. In totale sono stati analizzati 3 batch analitici in giorni diversi. La Tabela III mostra i risultati di accuratezza e precisione calcolati sui dati raccolti in tutti e tre i batch. L’accuratezza del metodo è stata dimostrata dai valori di recupero, che sono rimasti entro il 30% della concentrazione nominale dei livelli fortificati e di LLOQ nei campioni di acqua. L’RSD <20% indica una precisione del metodo accettabile per l’analisi simultanea dei PFAS a catena ultra-corta e dei composti alternativi e tradizionali in acqua.
Tabella III: Accuratezza e precisione del metodo
| Accuratezza percentuale media (%RSD) | |||||||||
| Matrici | Acqua di rete | Acqua di fiume | Acqua di falda** | Acqua da POTW | Acqua deionizzata | ||||
|
Conc. (ng/L) |
40 |
160 |
40 |
160 |
40 |
160 |
40 |
160 |
10* |
|
TFA |
106 (16.9) |
97.9 (7.10) |
97.4 (10.8) |
97.6 (6.12) |
97.5 (14.5) |
103 (8.87) |
102 (17.1) |
96.4 (7.33) |
107 |
|
PFPrA |
95.1 (4.08) |
105 (3.48) |
94.5 (6.85) |
104 (2.36) |
103 (9.37) |
105 (8.34) |
91.8 (4.90) |
104 (7.09) |
109 |
|
PFBA |
106 (6.80) |
117 (3.18) |
105 |
114 (4.91) |
111 (2.48) |
120 (3.27) |
106 (6.58) |
114 (4.85) |
104 |
|
PFHxA |
93.3 (7.41) |
111 (2.61) |
91.8 (11.34) |
103 (4.55) |
102 (6.62) |
109 (7.11) |
103 (8.37) |
108 (3.13) |
115 |
|
PFOA |
100 (4.24) |
107 (3.14) |
103 |
105 (2.64) |
92.6 (3.85) |
107 (3.09) |
102 (4.57) |
109 (3.64) |
106 |
|
HFPO-DA |
95.7 (11.9) |
108 (9.05) |
86.6 (8.97) |
104 (5.45) |
94.1 (18.6) |
105 (9.35) |
95.2 (8.49) |
106 (9.23) |
102 |
|
ADONA |
106 (3.75) |
116 (2.38) |
100 |
110 (4.59) |
104 (4.91) |
113 (5.23) |
111 (5.26) |
115 (2.65) |
105 |
|
PFEtS |
94.8 (9.68) |
110 (5.39) |
89.4 (7.43) |
102 (9.76) |
96.5 (4.09) |
108 (6.11) |
104 (8.18) |
109 (5.23) |
99.8 |
|
PFPrS |
104 (4.97) |
115 (4.19) |
95.0 (3.87) |
107 (4.26) |
106 (10.6) |
114 (3.36) |
111 (4.88) |
114 (2.96) |
108 |
|
PFBS |
97.4 (10.1) |
113 (3.97) |
93.6 (5.24) |
104 (4.19) |
97.8 (4.47) |
107 (4.23) |
94.1 (10.7) |
108 (4.48) |
100 |
|
PFHxS |
99.4 (15.7) |
114 (3.56) |
94.3 (9.79) |
104 (5.28) |
95.2 (5.63) |
112 (3.20) |
104 (8.19) |
111 (4.07) |
107 |
|
PFOS |
104 (7.54) |
107 (7.69) |
103 |
105 (7.23) |
97.3 (14.9) |
110 (4.84) |
109 (7.47) |
108 (7.53) |
102 |
|
9Cl-PF3ONS |
98.7 (3.52) |
105 (8.35) |
91.8 (7.66) |
103 (5.68) |
94.7 (9.83) |
105 (8.90) |
105 (6.76) |
107 (8.27) |
107 |
|
11Cl-PF3OUdS |
106 (10.1) |
113 (3.54) |
95.0 (3.52) |
113 (8.15) |
107 (6.61) |
112 (4.54) |
119 (4.25) |
120 (9.10) |
98.2 |
*20 ng/L LLOQ per il TFA
**L'acqua di falda è stata diluita cinque volte solo per il TFA
Conclusioni
È stato sviluppato e validato un metodo isocratico semplificato per l’analisi simultanea dei PFAS a catena ultra-corta e dei composti tradizionali e alternativi nei campioni di acqua. Grazie alla ritenzione bilanciata e multimodale di questi analiti su una colonna Raptor Polar X (2,7 µm, 50 x 2,1 mm), il metodo analitico si è dimostrato rapido, affidabile e sensibile presentando accuratezza e precisione accettabili. Questo metodo è indicato per i laboratori analitici che desiderano includere nelle analisi dei PFAS in acqua potabile e non potabile attualmente condotte anche i composti C2 e C3.
Bibliografia
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- J. Janda, K. Nodler, H-J. Brauch, C. Zwiener, F.T. Lange, Robust trace analysis of polar (C2-C8) perfluorinated carboxylic acids by liquid chromatography-tandem mass spectrometry: method development and application to surface water, groundwater, and drinking water, Environ. Sci. Pollut.R. 26 (2018) 7326-7336. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29557039/
- K.Y. Kwok, S. Taniyasu, L.W.Y. Yeung, M.B. Murphy, P.K.S. Lam, Y. Horii, K. Kannan, G. Petrick, R.K. Sinha, N. Yamashita, Flux of perfluorinated chemicals through wet deposition in Japan, the United States, and other countries, Environ. Sci. Technol. 44 (2010) 7043-7049. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20795671/