Phân tích PFAS trong nước bề mặt với hệ thống LC-MS/MS Sciex 7500

Đây là một phương pháp phân tích có độ nhạy và độ tin cậy cao đối với các hợp chất per- và polyfluoroalkyl (PFAS)</strong> trong nước bề mặt, được xây dựng dựa trên Chỉ thị EU 2020/2184 và tiêu chuẩn kỹ thuật WAC/IV/A/025, đồng thời đã được công nhận theo tiêu chuẩn ISO 17025. Phương pháp sử dụng hệ thống SCIEX 7500 để phát triển một quy trình phân tích toàn diện đối với 40 hợp chất PFAS. Trong đó, giới hạn phát hiện (LOD) trong khoảng từ 0,5 đến 5 ng/L và giới hạn định lượng (LOQ) từ 1 đến 10 ng/L trong mẫu nước bề mặt.

Nghiên cứu xác nhận phương pháp cho thấy độ chính xác (accuracy) và độ lặp lại (precision) tốt, đồng thời độ ổn định trong 4 tuần đối với tất cả các hợp chất PFAS. Một chương trình kiểm soát chất lượng (QC) nghiêm ngặt đã được triển khai để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu trong quá trình phân tích thường xuyên. Ví dụ, biểu đồ kiểm soát Shewhart đối với hợp chất PFBS cho thấy kết quả chính xác và thiết bị ổn định khi sử dụng dung dịch chuẩn 60 ng/L (xem Hình 1). Việc áp dụng các cột tính toán và quy tắc đánh dấu tùy chỉnh trong phần mềm SCIEX OS đã giúp tăng hiệu quả xử lý và đánh giá dữ liệu, mang lại quy trình làm việc nhanh chóng và hiệu quả.

Hình 1: Biểu đồ kiểm soát Shewhart của PFBS 60 ng/L trong nước bề mặt

1. Giới thiệu

PFAS là các hợp chất hóa học tổng hợp, được biết đến bền vững trong môi trường và độc tính tiềm ẩn, từ đó gây ra những nguy cơ đối với môi trường và sức khỏe con người. Trước tình hình đó, các quốc gia thành viên Liên minh Châu Âu (bao gồm cả Bỉ) đã ban hành các quy định pháp lý nhằm kiểm soát nồng độ PFAS trong nước bề mặt.

Tại Bỉ, hệ thống quy chuẩn đã được xây dựng chi tiết trong Tài liệu hướng dẫn lấy mẫu, đo lường và phân tích nước WAC/IV/A/025, đồng thời phù hợp với Chỉ thị EU 2020/2184, yêu cầu giám sát 42 hợp chất PFAS trong nước. Trong đó: 33 hợp chất được định lượng; 9 hợp chất cần được phân tích với giới hạn báo cáo cao hơn 50 ng/L; 6 hợp chất khác phải được báo cáo dưới dạng tổng của đồng phân mạch thẳng và mạch nhánh.

Kế thừa và mở rộng từ các nghiên cứu trước đó, phương pháp hiện tại đã được phát triển bao gồm 40 hợp chất PFAS, bổ sung thêm các chất phân tích như 10:2 FTS và 4:2 FTS. Quy trình đã được tối ưu hóa nhằm giảm thiểu nguy cơ nhiễm PFAS trong quá trình chuẩn bị mẫu và chuẩn.

Bên cạnh đó, các cột tính toán và quy tắc đánh dấu tùy chỉnh trong phần mềm SCIEX OS đã giúp tăng hiệu quả phân tích dữ liệu. Điều này bao gồm một chương trình kiểm soát chất lượng toàn diện, đảm bảo quá trình xử lý dữ liệu nhanh chóng và có độ tin cậy cao. Phương pháp này đã được công nhận theo phạm vi linh hoạt của tiêu chuẩn ISO 17025.

2. Phương pháp

2.1. Kiểm soát nhiễm bẩn PFAS từ bên ngoài

Để giảm thiểu nhiễm bẩn PFAS từ bên ngoài, thao tác thí nghiệm tiến hành trong một tủ có dòng khí đã được làm sạch với acetone trước và sau khi sử dụng. Tất cả dung môi và vật tư đều được kiểm tra để đảm bảo nồng độ nền của PFAS thấp hơn LOD. Tất cả vật tư tiêu hao và thiết bị (bao gồm đầu tip của pipet, ống ly tâm và dụng cụ thủy tinh) đều được làm sạch 3 lần với dung dịch methanol/acetonitrile 50:50 (v/v), sau đó rửa lần cuối bằng dung môi dùng cho vật tư tiêu hao.

Hệ thống LC được trang bị cột delay và tiền cột. Mỗi lô mẫu phân tích đều được cân bằng hệ thống trước 3h (sử dụng pha động A/B 50:50 v/v, dòng 0.05 mL/phút, thể tích tiêm 1μL) để giảm nhiễm bẩn từ pha động và phần cứng thiết bị.

2.2. Chuẩn bị dung dịch chuẩn

Dung dịch chuẩn ban đầu được hòa tan trong methanol và mẫu chuẩn cuối cùng được chuẩn bị trong hỗn hợp dung môi bao gồm nước/methanol/acetonitrile/acid formic 55,5:22,2:22,2:0,1 (v/v/v/v). Đường chuẩn được xây dựng từ nồng độ 1 đến 120 ng/L và nồng độ nội chuẩn là 20 ng/L.

2.3. Chuẩn bị mẫu

Các mẫu nước bề mặt được bảo quản trong 24h bằng cách thêm 4690 μL của dung môi acetonitril/methanol 50:50 (v/v) có chứa 0,225% acid formic (v/v) vào 6000 μL mẫu nước, sau đó được bảo quản ở 4ºC. Trước khi phân tích, 2475 μL mẫu bảo quản được thêm 25 μL hỗn hợp nội chuẩn (nồng độ cuối cùng là 20 ng/L). Mẫu được lắc đều và ly tâm 5 phút tại 4500 vòng/phút. 1000 μL dung dịch ở lớp trên được chuyển vào vial polypropylene 1.5mL, đậy nắp và đặt vào bộ tiêm mẫu tự động LC-MS/MS ở 8ºC.

Mẫu được phân tích theo thức tự: mẫu trắng dung môi, đường chuẩn, mẫu trắng quy trình, chuẩn kiểm soát độc lập, mẫu hỗn hợp kỹ thuật PFOS, 10 mẫu, 2 mẫu kiểm soát độ trôi, 10 mẫu tiếp theo, mẫu thêm chuẩn, mẫu xác minh giới hạn phát hiện trong nước, cuối cùng là 2 mẫu kiểm soát độ trôi.

2.4. Hệ thống sắc ký lỏng

Quá trình sắc ký phân tích PFAS trong nước bề mặt được thực hiện bằng hệ thống Sciex ExionLC được điều chỉnh loại bỏ ống fluoropolymer. Cột delay Gemini C18 (3 µm, 100 × 2.0 mm, 00D-4439-B0), Tiền cột SecurityGuard ULTRA Holder và cartridge (Phenomenex, AJ0-9000 và AJ0-8951), Cột phân tích Luna Omega PS C18 (3 µm, 100 × 2.1 mm, 00D-4758-AN) được sử dụng. Sắc ký đồ XICs (Extracted ion chromatograms) của các dung dịch chuẩn 120 ng/L được thể hiện trong Hình 2.

Dựa trên các báo cáo kỹ thuật trước đó, gradient đã được tối ưu bằng cách điều chỉnh pha động B thành hỗn hợp acetonitrile/methanol 50:50 (v/v). Đồng thời, phương pháp đã được mở rộng từ 26 hợp chất PFAS (bao gồm 3 đồng phân nhánh) lên 40 hợp chất, bổ sung thêm 6 đồng phân nhánh khác, được định lượng dưới dạng tổng của đồng phân mạch thẳng và mạch nhánh. Các hợp chất mới được đưa vào phương pháp bao gồm: 10:2 FTS, 4:2 FTS, 6:2 diPAP, 6:2/8:2 diPAP, 8:2 FTS EtPFOSA, EtPFOSA nhánh, MePFBSA, MePFBSAA, MePFOSA, MePFOSA nhánh, MePFOSAA, PFBSA, PFECHS, PFHxDA, PFHxSA, PFOSA, PFOSA nhánh, PFTeDA.

Hình 2: Sắc ký đồ XICs của các dung dịch chuẩn PFAS 120 ng/L

2.5. Khối phổ

Mẫu được phân tích bằng hệ thống Sciex Triple Quad với nguồn ion hóa OptiFlow Pro. Thông số nguồn và khí được liệt kê trong bảng 1. Các thông số và quá trình chuyển đổi cụ thể của hợp chất có thể được yêu cầu thông qua địa chỉ email: sciexnow@SCIEX.com.

Bảng 1: Tối ưu hóa các thông số nguồn và khí để phân tích PFAS trong nước mặt bằng hệ thống 7500

2.6. Xử lý dữ liệu

Quá trình thu nhận và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm Sciex OS (version 3.3). Phương pháp xử lý được thực hiện được thực hiện cho phép tính toán tùy chỉnh và đánh dấu kết quả tự động.

3. Giới hạn phát hiện của thiết bị và khoảng tuyến tính trong dung môi tiêm mẫu

Quy trình xác nhận phương pháp được thực hiện theo hướng dẫn trong tài liệu WAC/VI/A/001 kết hợp với quy trình xác nhận nội bộ của phòng thí nghiệm.

Giới hạn phát hiện bằng thiết bị (LOD_instr) được xác định bằng cách thêm chuẩn vào dung môi tiêm với nồng độ từ 0,001 đến 5,0 ng/L. Giá trị LOD_instr được ghi nhận là nồng độ thấp nhất thỏa mãn tiêu chí nhận dạng theo Quyết định 2002/657/EC của Ủy ban Châu Âu. Nồng độ LOD_instr cụ thể của từng hợp chất được trình bày trong Bảng 2.

Khoảng tuyến tính (Linearity): Khoảng tuyến tính động của từng hợp chất được xác định bằng cách xây dựng đường chuẩn từ ít nhất 6 nồng độ, pha trong dung môi tiêm, trải dài từ LOD_instr đến 120 ng/L. Kết quả kiểm định F-test (r² > 0,99, với hệ số trọng số 1/x) cho thấy đa số các hợp chất PFAS tuyến tính. Tuy nhiên, một số hợp chất như 6:2 FTS, 8:2 FTS, EtPFOSAA, PFBA, PFDS, PFECHS, PFHxS, PFHxSA, PFNS và PFOA cho thấy đặc tính đường chuẩn bậc hai (tham khảo Bảng 2).

4. Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp trong nước bề mặt

4.1. Giới hạn phát hiện (LOD_w) và giới hạn định lượng (LOQ_w) trong nước bề mặt

LOD_w và LOQ_w được xác định với 5 mẫu nước bề mặt khác nhau thêm chuẩn, mỗi mẫu được phân tích lặp lại 2 lần trong 5 ngày (n=5). Mẫu nước bề mặt được thêm chuẩn tất cả các hợp chất tại nồng độ 2 ng/L. LOD_w được tính toán bằng ba lần độ lệch chuẩn giữa các mẫu và giữa các ngày, LOQ_w được xác định bằng hai lần giá trị LOD_w. Nồng độ nền trung bình trong dung môi tiêm được cộng vào giá trị trung bình của LOD_w và LOQ_w đã tính để được giá trị LOD_w và LOQ_w cuối cùng. Theo kết quả, LOD_w dao động từ 0,5 đến 5 ng/L, và LOQ_w nằm trong khoảng từ 1 đến 10 ng/L (xem Bảng 2).

4.2. Độ tái lặp

Độ lặp lại nội bộ phòng thí nghiệm được đánh giá với 5 mẫu nước bề mặt phân tích lặp lại 2 lần và thêm chuẩn ở nồng độ 20 ng/L với hầu hết các hợp chất PFAS. Đối với các hợp chất chỉ thị bao gồm: PFTrDA, PFDoDS, PFUnDS, PFTrDS, 10:2 FTS, 6:2 diPAP và 6:2/8:2 diPAP, mức thêm chuẩn được nâng lên 50 ng/L. Quy trình này được thực hiện trong 5 ngày khác nhau. Kết quả cho thấy hệ số biến thiên (CV) của tất cả các hợp chất đều dưới 20%, đáp ứng tiêu chí của phương pháp (tham khảo Bảng 2).

4.3. Độ chính xác

5 mẫu nước bề mặt được thêm chuẩn ở nồng độ 10 và 20 ng/L, trong khi đối với các hợp chất chỉ thị được thêm chuẩn ở nồng độ 50 và 80 ng/L, được phân tích trong 5 ngày khác nhau. Kết quả cho thấy, 96% số phép đo có độ không đảm bảo đo (U) nhỏ hơn 30%, đáp ứng các yêu cầu của phương pháp. Độ chính xác được theo dõi trong từng lô phân tích và phải nằm trong khoảng 70% đến 130%.

4.4.Thời hạn bảo quản mẫu

5 mẫu nước mặt đã được bảo quản và thêm chuẩn với nồng độ 60 ng/L, sau đó được phân tích liên tục trong 6 tuần liên tiếp nhằm đánh giá độ ổn định của chất phân tích (thời hạn bảo quản). Kết quả đo hằng tuần được so sánh với giá trị trung bình ngày 0 (x₁) cùng với độ không đảm bảo đo tương ứng (U).Thời hạn bảo quản được chấp nhận nếu giá trị trung bình hằng tuần (xᵢ) nằm trong khoảng x₁ ± U. Dựa trên tiêu chí này, thời hạn bảo quản được xác định là 4 tuần đối với tất cả các hợp chất PFAS trong nước bề mặt (xem Bảng 2).

Bảng 2: Các thông số xác nhận phân tích PFAS trong nước bề mặt. Viết tắt: CV = hệ số biến thiên %, LODinstr = giới hạn phát hiện của thiết bị, LODw = giới hạn phát hiện đối với nước bề mặt, LOQw = giới hạn định lượng đối với nước bề mặt, U = độ không đảm bảo đo.

5. Sử dụng cột tính toán và quy tắc đánh dấu trong Sciex OS

Để đảm bảo chất lượng dữ liệu nhất quán trong phân tích thường xuyên, một vài bước kiểm soát chất lượng được triển khai dựa trên hướng dẫn WAC/VI/A/003 và VMM. Phần mềm Sciex OS cho phép người dùng thiết lập các cột tính toán và quy tắc đánh dấu trực tiếp trong bảng kết quả, không cần sử dụng đến phần mềm bên ngoài, làm giảm lỗi và rủi ro ghi chép.

Chức năng này được cài đặt với phương pháp xử lý, cho phép tự động đánh dấu ngay sau khi mẫu được thu thập. Quy tắc đánh dấu tùy chỉnh sẽ làm nổi bật các dữ liệu ngoại lai bằng màu xanh hoặc đỏ để dễ dàng đánh giá chất lượng dữ liệu và hiệu năng phân tích (ví dụ trong hình 3). Điều này làm giảm 50% thời gian xử lý và đánh giá dữ liệu. Các tệp tính toán và quy tắc đánh dấu tùy chỉnh có thể được tải về bằng cách liên hệ sciexnow@SCIEX.com.

Hình 3: Bảng kết quả SCIEX OS cho định lượng PFBS. Dữ liệu được xây dựng để chứng minh các quy tắc đánh dấu. Điểm chuẩn 5 (Ijk 5 – 10 ng/L) đã được thao tác, đánh dấu ‘ion ratio confidence và ‘A3_combined’. Tương tự, đối với mẫu kiểm soát độ trôi đầu tiên (‘drift 40 ng/L – ijk 6’) và mẫu thêm chuẩn (‘QC’), đánh dấu ‘tỷ lệ ion’, ‘Accuracy và ‘QC_shift’. Viết tắt: A0 và A3 = một phần của công thức độ chính xác cho các cột được tính toán của đường chuẩn, ICS = chuẩn kiểm soát độc lập, Ijk = điểm chuẩn, IS = nội chuẩn , LOQw trong dung môi tiêm = Chuẩn được pha trong dung môi tiêm với giới hạn định lượng từ nước bề mặt, N/A = không áp dụng, PFBS = perfluorobutanesulfonic acid, QC = mẫu thêm chuẩn với nồng độ biết trước, Rt = thời gian lưu, SD = chuẩn, TM = hỗn hợp kỹ thuật.

Các bước kiểm soát chất lượng cụ thể:

Đường chuẩn:

Đường chuẩn được chạy với mỗi lô phân tích, với yêu cầu QC là đường chuẩn phải có hệ số tương quan r² ≥ 0,99. Yêu cầu đối với đường chuẩn tuyến tính: (1) có ít nhất 4 điểm chuẩn; (2) điểm chuẩn thấp nhất không được nhỏ hơn LOQ_w; (3) chỉ được loại 1 điểm chuẩn khỏi đường chuẩn; (4) mỗi điểm chuẩn phải có độ chính xác dưới 20% hoặc 25% tại LOQ_w. Đối với đường chuẩn bậc hai: (1) có ít nhất 5 điểm chuẩn; (2) điểm chuẩn thấp nhất không được nhỏ hơn LOQ_w; (3) chỉ được loại 1 điểm chuẩn khỏi đường chuẩn; (4) mỗi điểm chuẩn phải có độ chính xác dưới 10% hoặc 15% tại LOQ_w. Ngoài ra, khoảng nồng độ báo cáo bị hạn chế nếu điểm chuẩn thấp nhất hoặc cao nhất bị loại bỏ.

Mẫu trắng quy trình:

Mỗi lô phân tích phải bao gồm một mẫu trắng quy trình được chuẩn bị bằng dung môi tiêm có thêm nội chuẩn. Nồng độ PFAS trong mẫu trắng quy trình không được vượt quá LOD_w. Xu hướng nồng độ mẫu trắng quy trình được theo dõi bằng biểu đồ kiểm soát Shewhart trên hệ thống quản lý thông tin phòng thí nghiệm (LIMS).

LOQ_w trong dung môi tiêm:

Khi kết thúc mỗi lô phân tích, độ nhạy thiết bị được xác nhận bằng cách phân tích chuẩn LOQ_w chuẩn bị trong dung môi tiêm. Tương tự tiêu chí của đường chuẩn, độ chính xác hợp chất PFAS phải dưới 25% đối với đường chuẩn tuyến tính và 15% đối với đường chuẩn bậc hai.

Mẫu QC thêm chuẩn:

Mỗi 20 mẫu thử, một mẫu được thêm chuẩn với nồng độ biết trước. Hiệu suất thu hồi tất cả các hợp chất phải nằm trong khoảng 70 – 130%. Hiệu suất thu hồi của EtPFOSAA, PFBA, PFBS, PFHxS tuyến tính, PFOA tuyến tính và PFOS tuyến tính được ghi nhận trong biểu đồ kiểm soát Shewhart trên hệ thống LIMS (Xem Hình 1 minh họa biểu đồ kiểm soát của PFBS).

Mẫu kiểm soát độ trôi:

Mẫu kiểm soát chuẩn được đánh giá mỗi 15 mẫu và tại cuối lô phân tích. Nồng độ đo được cho phép lệch 20% với giá trị thực tế. Đối với đường chuẩn tuyến tính, 1 mẫu chuẩn được tiêm; đối với đường chuẩn bậc hai, 2 mẫu chuẩn được tiêm, trong đó có 1 mẫu chuẩn được tiêm ở phần ba trên của đường cong.

Mẫu chuẩn kiểm soát độc lập (Independent Control Standard – ICS):

ICS được mua từ nhà cung cấp khác với chuẩn và được sử dụng để xác nhận độ chính xác của đường chuẩn. Mẫu ICS phải chứa ít nhất 1/3 số hợp chất PFAS có trong hỗn hợp chuẩn ban đầu và độ thu hồi phải nằm trong khoảng 80 – 120%.

Tách các đồng phân PFOS:

Việc tách riêng các đồng phân PFOS mạch thẳng (PFOS_branched) và nhánh (PFOS_linear) được xác nhận bằng cách tiêm mẫu PFOS kỹ thuật được pha trong dung môi tiêm. Hiệu năng cột LC được chấp nhận nếu độ cao của điểm lõm giữa hai peak nhỏ hơn 70% chiều cao của peak thấp nhất (PFOS_branched).
Ví dụ về tách đồng phân PFOS đạt yêu cầu được minh họa trong Hình 4.

Hình 4: Phân tách các đồng phân mạch nhánh và mạch thẳng trong chuẩn PFOS cấp kỹ thuật.

Hiệu suất thu hồi của nội chuẩn:

Hiệu suất thu hồi IS trong mẫu được tính toán dựa trên tỷ lệ tín hiệu IS trong mẫu so với tín hiệu trung bình của IS trong điểm chuẩn. Yêu cầu hiệu suất thu hồi IS phải nằm trong khoảng 30 – 200%.

Độ lệch thời gian lưu:

Độ lệch thời gian lưu được kiểm tra thông qua mẫu trong lô phân tích gần nhất, dựa trên hợp chất PFAS được rửa giải sớm nhất là PFBA. Độ lệch tối đa cho phép không vượt quá 2,5% so với điểm chuẩn cuối cùng cộng với độ lệch quan sát được từ nội chuẩn tương ứng. Nếu sử dụng nội chuẩn đồng vị khác, độ lệch cho phép có thể lên tới 5%. Các phép tính tùy chỉnh liên quan được trình bày trong Bảng 3.

Bảng 3: Các tính toán tùy chỉnh được sử dụng để đánh giá sự thay đổi thời gian lưu giữ đối với PFBA.

Tỷ lệ ion:

Để nhận dạng kết quả, tỷ lệ ion trong mẫu phải tương tự như tỷ lệ ion trong chuẩn. Tỷ lệ ion được tính bằng công thức:

Độ lệch tỷ lệ ion được tính bằng công thức:

Độ lệch chuẩn tối đa là 30% cho tỷ lệ ion > 10% và 50% cho tỷ lệ ion < 10%.

6. Kết luận

Một phương pháp phân tích có độ nhạy và độ tin cậy cao được phát triển để xác định 40 hợp chất PFAS trong nước bề mặt bằng hệ thống Sciex 7500. Phương pháp được dựa trên chỉ thị EU 2020/2184 và WAC/IV/A/025, đồng thời đã được công nhận theo tiêu chuẩn ISO 17025 với phạm vi linh hoạt. Việc tích hợp các cột tính toán và quy tắc đánh dấu tùy chỉnh trong phần mềm SCIEX OS đã giúp tối ưu hóa tiết kiệm 50% thời gian quá trình xử lý và đánh giá dữ liệu.

Xem chi tiết nghiên cứu tại: A robust and sensitive routine analysis method of 40 PFAS compounds in surface water using the SCIEX 7500 system