Optymalizacja metody
Przeprowadzono szereg eksperymentów w celu optymalizacji metody, w tym ocenę przeniesienia próbek (carryover), optymalizację czasu desorpcji sondy, ocenę standardu wewnętrznego, ocenę fazy sondy, ocenę liniowości i powtarzalności oraz obliczenie granicy wykrywalności metody.
Ocena przeniesienia
Eksperyment rozpoczęliśmy od temperatury desorpcji sondy wynoszącej 250 °C. Standardy kalibracyjne przygotowano zgodnie z Tabelą 1. Aby ocenić przeniesienie (carryover), przeanalizowano standardy GSM i MIB w stężeniu 20 ng/L, a następnie wykonano kolejno następujące pomiary: analizę parametrów GC-MS bez wstrzykiwania czegokolwiek do kolumny (ślepa próba kolumny), desorpcję pułapki ogniskującej bez przenoszenia substancji z injektora (ślepa próba pułapki), ogrzewanie injektora bez wprowadzania sondy (ślepa próba injektora) oraz desorpcję sondy bez uprzedniego pobierania próbek (ślepa próba sondy). W przypadku ślepej próby kolumny, pułapki i injektora zaobserwowano przeniesienie poniżej 1%, jednak w ślepej próbie sondy przeniesienie wyniosło odpowiednio 9,35% dla GSM i 3,77% dla MIB (Tabela 2). Stwierdzono zatem, że w zastosowanych warunkach występuje istotne przeniesienie GSM na sondzie PDMS.
Optymalizacja czasu desorpcji
Po zidentyfikowaniu efektu przeniesienia (carryover) na sondzie PDMS, podjęto próbę rozwiązania tego problemu poprzez dostosowanie temperatury desorpcji sondy. Oczekiwano, że wyższa temperatura desorpcji sondy zwiększy szybkość desorpcji analityku z sondy, tak aby desorpcja była bardziej kompletna po zakończeniu 15 min czasu desorpcji sondy. Jednakże wyższa temperatura mogłaby również sprzyjać rozkładowi analityku, a w konsekwencji negatywnie wpłynąć na czułość. Wysokie temperatury mogą również uszkodzić materiały sorpcyjne, dlatego należy unikać temperatur powyżej 280 °C. Przeniesienie GSM było znaczące przy temperaturze desorpcji sondy 250 °C, ale uległo ono znacznemu zmniejszeniu do poziomu znacznie poniżej progu akceptowalności 5%, gdy zamiast niej zastosowano 270 °C (Rysunek 1). Poprawę tę osiągnięto bez utraty czułości, ponieważ powierzchnie pików uzyskane w analizie początkowej przy 270 °C nie były mniejsze niż w przypadku niższych temperatur desorpcji sondy (Rysunek 1). Wskazuje to, że ewentualny wzrost rozkładu analityku jest pomijalny.
Zastosowanie standardu wewnętrznego
Związek 2-izopropylo-3-metoksypyrazyna był szeroko stosowany jako standard wewnętrzny podczas wykrywania GSM i MIB13. Porównaliśmy obliczone stężenia GSM i MIB ze znanymi stężeniami wzbogaconymi, zarówno z korekcją standardem wewnętrznym, jak i bez niej. Odzysk bez korekcji standardem wewnętrznym był słaby, a obliczone stężenia wynosiły 60% znanych stężeń wzbogaconych (Rycina 2). W przeciwieństwie do tego, przy zastosowaniu korekcji standardem wewnętrznym, odzysk był bardzo dobry i wynosił około 100%. W związku z tym w późniejszych analizach zastosowano korekcję standardem wewnętrznym.
Wybór fazy
W analizach SPME do PDMS często dodaje się szeroki zakres węgli (CWR) i/lub dwinylobenzen (DVB) w celu zwiększenia czułości, co jednak podnosi koszty. Podjęliśmy próbę porównania sond składających się z samego PDMS z sondami trójfazowymi (DVB/CWR/PDMS), przyjmując, że zwiększona objętość fazy sondy prawdopodobnie poprawi czułość w porównaniu z włóknami SPME. Dane dotyczące odzysku dla sond PDMS i trójfazowych (Rysunek 3) wykazują w szerokim zakresie podobną wydajność obu typów sond, przy czym odzyski były nieco bliższe 100% w przypadku sond PDMS. Zatem, biorąc pod uwagę nieco lepszą wydajność i niższe koszty, wszystkie kolejne analizy przeprowadzono z użyciem sond PDMS. Należy zauważyć, że ponieważ sonda zbiera anality z przestrzeni nad próbką, a nie poprzez ze względu na bezpośredni kontakt z matrycą próbki, kinetyka podziału GSM / MIB do materiału fazowego nie powinna różnić się pomiędzy próbkami wody i ryb.
Walidacja metody
Przeanalizowano serię kalibracyjną obejmującą sześć stężeń analitów w wodzie, w zakresie od 1 do 100 ng/L (Rycina 4). Uzyskano doskonałą liniowość, przy r2 wyniosły odpowiednio 0,9999 dla GSM oraz 0,9999 dla MIB. Błąd standardowy regresji wyniósł 0,43 dla GSM i 0,37 dla MIB. Wskazuje to, że metoda jest odpowiednia do analiz ilościowych w badanym zakresie. Powtarzalność określono na podstawie ośmiu powtórzeń standardów laboratoryjnych zawierających GSM i MIB w stężeniu 40 ng/L w wodzie. Wartości RSD wyniosły 6,3% dla GSM i 4,8% dla MIB, co świadczy o bardzo dobrej odtwarzalności wyników. Powtórzenia te analizowano w trzech oddzielnych seriach w różne dni, co dodatkowo potwierdziło precyzję metody. Zatem HCSE z analizą GC-MS jest metodą ilościową i niezawodną.
Granice wykrywalności (MDL)
Granicę wykrywalności metody (MDL) obliczono zgodnie z protokołem U.S. EPA14, wykorzystując wzbogaconą wodę (n=10) lub wzbogacone próbki ryb (n=11). Metoda ekstrakcji i detekcji GSM oraz MIB w wodzie pozwoliła uzyskać granice wykrywalności na poziomie 1,2 ng/L dla GSM i 1,1 ng/L dla MIB. Wartości MDL te były znacznie niższe od ludzkich progów zapachowych, które wynoszą odpowiednio około 10 i 20 ng/L. Zatem zaproponowana metoda pozwala na pewną i ilościową detekcję akumulacji tych cząsteczek zapachowych, zanim osiągną one ludzkie progi sensoryczne. Granice wykrywalności dla ekstrakcji i detekcji GSM oraz MIB z ryb wyniosły 18,1 ng/kg dla GSM i 13,6 ng/kg dla MIB.
Analiza próbek wody z akwakultury
Przeanalizowano próbki wody pobrane z siedmiu recyrkulacyjnych systemów akwakultury, z pięcioma powtórzeniami (system 3) lub trzema powtórzeniami (wszystkie pozostałe systemy) dla każdego z nich. Wszystkie analizowane recyrkulacyjne systemy akwakultury, z wyjątkiem jednego, zawierały geosminę oraz MIB w stężeniach powyżej naszej granicy wykrywalności MDL (Rysunek 5), co wskazuje na potencjalny problem z jakością wody. Zauważono jednak, że we wszystkich przypadkach stężenie MIB było znacznie poniżej ludzkiego progu wyczuwalności zapachowej wynoszącego 20 ng/L, natomiast tylko jeden system przekroczył próg zapachowy GSM wynoszący 10 ng/L (system 1, stężenie GSM = 12,69 ng/L). Choć w systemie 3 wykryto GSM i MIB, odnotowano, że stężenie MIB jest niższe od obliczonych przez nas wartości MDL, w związku z czym nie można go wiarygodnie określić ilościowo. Metoda wykazała imponującą precyzję we wszystkich systemach, mimo zastosowania rzeczywistych próbek wody, przy bardzo niewielkich różnicach w obliczonym stężeniu pomiędzy próbkami powtórzeniami w każdym systemie (Rysunek 5).
Analiza tkanek ryb
Tkanka ryb, bogata w lipidy, wywołuje silny efekt matrycy, który utrudnia ekstrakcję GSM i MIB podczas stosowania tej metody. Z tego powodu w metodzie wprowadzono niewielkie zmiany w celu zwiększenia wydajności ekstrakcji, w tym wyższą temperaturę inkubacji (80 °C) oraz dłuższy czas inkubacji (20 min) w porównaniu z metodą ekstrakcji z wody. Tkanki ryb poddano wcześniej analizie w celu oznaczenia stężeń tła GSM i MIB. Te same próbki wzbogacono następnie znaną ilością GSM i MIB, a następnie przeanalizowano w trzech powtórzeniach, aby określić procent odzysku oraz precyzję (Rysunek 6).

Rysunek 1: Wpływ temperatury desorpcji sondy na przenoszenie (carryover). (A) Standard laboratoryjny zawierający GSM i MIB w stężeniu 20 ng/L analizowano trzykrotnie w jednej z trzech temperatur desorpcji sondy, wyznaczając średnie powierzchnie piku. Następnie każdą sondę desorbowano dwukrotnie przy początkowej temperaturze w celu oceny przenoszenia, a wyniki przedstawiono w punktach (B) (GSM) i (C) (MIB). Przenoszenie wyrażono jako powierzchnia piku w procentach powierzchni piku początkowego. Słupki błędu reprezentują odchylenie standardowe dla trzech powtórzeń. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rycina 2: Zastosowanie standardu wewnętrznego. Porównanie skorygowanych oraz nieskorygowanych danych o odzysku dla standardów analitycznych przy stężeniach 15 lub 40 ng/L, przy ekstrakcji wyłącznie za pomocą sond PDMS. Stężenia próbek zostały skorygowane z wykorzystaniem IPMP jako standardu wewnętrznego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Odzysk analityczny. Dane dotyczące odzysku standardów analitycznych GSM (po lewej) i MIB (po prawej) przy stężeniu 15 ng/L, z ekstrakcją za pomocą sond wyłącznie PDMS lub trójfazowych (PDMS, DVB, CWR). Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Krzywe kalibracji analitycznej. Regresje liniowe krzywych kalibracyjnych dla GSM (linia ciągła, r2 = 0,9999; S=0,37) oraz MIB (linia przerywana, r2 = 0,9999; S=0,37). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Zastosowanie w wodach akwakultury. Stężenia (A) GSM i (B) MIB w próbkach wody pobranych z siedmiu systemów akwakultury (n ≥ 3 dla każdego systemu). Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rysunek 6: Zastosowanie w tkankach ryb. Stężenia GSM i MIB w dwóch próbkach ryb wzbogaconych o GSM i MIB (F1 i F2). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| Nazwa roztworu | Dodana objętość roztworu stokowego C1 | Objętość całkowita | Stężenie wynikowe |
| Stock C1 | 10ul | 100ml | 10 ug/ml |
| Cal 1 | 10 ul | 100 ml | 1 ng/L |
| Cal 2 | 20 ul | 100 ml | 2ng/L |
| Cal 5 | 50 ul | 100 ml | 5 ng/L |
| Cal 10 | 100 ul | 100 ml | 10 ng/L |
| Cal 20 | 200 ul | 100 ml | 20 ng/L |
| Cal 50 | 500 ul | 100 ml | 50 ng/L |
| Cal 100 | 1000 ul | 100 ml | 100 ng/L |
| Cal 200 | 2000 ul | 100ml | 200 ng/L |
Tabela 1: Standardy kalibracyjne. Standardy geosminy i 2-MIB przygotowano z roztworu CRM47525 geosminy i 2-metyloizoborneolu (100 µg/mL) w metanolu, który rozcieńczono do otrzymania roztworu zapasowego C1 (10 µg/ml) w metanolu.
| Analiza | Przeniesienie (%) |
| GSM | MIB |
| Analiza GC | 0.04 | 0.08 |
| Desorpcja z pułapki | 0.09 | 0 |
| Desorpcja z wlotu | 0 | 0 |
| Redesorpcja z sondy | 9.35 | 3.77 |
Tabela 2: Ocena przeniesienia sondy. Przeniesienie po ekstrakcji, desorpcji i analizie GC-MS standardu laboratoryjnego zawierającego GSM i MIB w stężeniu 20 ng/L, z wewnętrznym standardem IPMP w stężeniu 30 ng/L. Opisy analiz podano w punkcie 2.2.1.