Методическая статья

Экстракция и детектирование геосмина и 2-метилизоборнеоола в воде и рыбе с помощью высокопроизводительных сорбционных экстракционных зондов и ГХ-МС

DOI:

10.3791/67280

⸱

3 июля 2025 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Aquaculture Research Institute, University of Maine, 2Markes International Ltd, 3Markes International GmbH, 4USDA-ARS-National Cold Water Marine Aquaculture Center

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот протокол представляет собой полностью автоматизированный рабочий процесс извлечения геосмина и 2-метилизоборнеоола из воды и богатых липидами тканей рыб. Этот метод позволяет обнаруживать эти молекулы на ранней стадии, прежде чем они достигнут пороговых значений запаха. Приведены репрезентативные данные из аквакультуры.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Геосмин и 2-метилизоборнеол являются летучими органическими соединениями микробного происхождения, которые часто встречаются в замкнутых системах аквакультуры и придают неприятные запахи и вкус рыбе, даже в чрезвычайно низких концентрациях. Существующие методы анализа этих соединений у рыб с трудом достигают достаточной пропускной способности и часто не автоматизированы, что требует обширной практической подготовки. Нами разработаны методы анализа геосмина и 2-метилизоборнеоола из воды и тканей рыб соответственно с использованием металлического зонда, несущего высокопроизводительную сорбционную фазу экстракции. Надежное и количественное обнаружение было достигнуто как в воде, так и в тканях рыб, с минимальными пределами обнаружения 1,2 нг/л для геосмина и 1,1 нг/л для 2-метилизоборнеола в воде и 18,1 нг/кг и 13,6 нг/кг, соответственно, из тканей рыб. Эти концентрации были значительно ниже пороговых значений обнаружения человеком. Таким образом, мы пришли к выводу, что эти методы могут обнаруживать геосмин и 2-метилизоборнеол до того, как они станут восприниматься человеком. В отличие от других высокопроизводительных методов сорбционной экстракции, таких как сорбционная экстракция с перемешиванием, этот метод полностью автоматизирован, что значительно повышает производительность и исключает ошибки ручной обработки, в то время как прочная конструкция зонда исключает поломку, как это обычно бывает с твердофазным микроэкстракционным волокном (SPME). Этот метод подходит для мониторинга одоранта во всех режимах качества воды, а также для обнаружения соединений с посторонним привкусом в твердых и полутвердых матрицах.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Геосмин (GSM) и 2-метилизоборнеол (MIB) встречаются в природе в воде и почве как побочные продукты микробного метаболизма 1,2. Несмотря на то, что они, как правило, не опасны для окружающей среды или здоровья человека, они придают воде неприятные «землистые» и «мутные» запахи и ароматы, которые ощутимы даже при экстремально низких концентрациях, таких как 10 и 20 нг/л для GSM и MIB, соответственно 3,4. Таким образом, присутствие этих одорантов снижает воспринимаемое качество воды и крайне нежелательно в большинстве случаев. Во внутренних водных путях одоранты снижают привлекательность для посетителей и могут вызывать жалобы в природоохранные органы5, в то время как в питьевой воде одоранты придают неприятный запах и вкус, которые потребители считают неприемлемыми6. Действительно, многие страны установили нормативные ограничения на уровни одоранта в питьевой воде, а Китай установил 10 нг/л в качестве максимальнодопустимой концентрации GSM.

Замкнутые системы аквакультуры (УЗВ) приобретают все большее значение в аквакультурной отрасли как средство производства рыбы. Эти системы работают на суше и постоянно повторно используют воду, тем самым снижая воздействие на окружающую среду, но для поддержания оптимальных условий для выращивания рыбы требуется обширная фильтрация воды УЗВ. Биофильтры с подвижным слоем заселяются микробами из-за обилия питательных веществ в фекалиях рыб и несъеденных кормах8. Эти микробы полезны для выведения азотистых отходов и избытка питательных веществ; однако некоторые виды могут продуцировать GSM, MIB и другие одоранты4. Эти одоранты затем выщелачиваются в воду и впитываются в мясо рыбы, где они могут придавать неприятный запах и вкусовые характеристики, которые потребители считают нежелательными. Пороговые значения запаха в мясе рыбы зависят от вида, но значения для атлантического лосося, распространенного вида в УЗВ, составляют 44 - 500 нг/кг для GSM и >900 нг/кг для MIB4. Следовательно, операторы СКВ должны регулярно контролировать концентрации GSM и MIB в своих системах, чтобы гарантировать, что они не достигают проблемных уровней4. Пораженную рыбу можно очистить от неприятных соединений перед выловом, чтобы восстановить качество филе; Однако это дорогостоящий процесс, требующий от предприятия прекращения рециркуляции воды и пропускания новой воды через систему в течение 10-14 дней9. Учитывая, что GSM и MIB представляют собой постоянную и экономически дорогостоящую проблему в широком спектре отраслей, имеет смысл пересмотреть и усовершенствовать аналитические методы обнаружения. В идеале операторы УЗВ должны иметь возможность контролировать как воду УЗВ, чтобы выявлять растущие концентрации GSM и MIB, прежде чем они станут проблематичными, так и ткани рыб, чтобы определить, влияют ли уровни GSM и MIB на качество продукции и в какой степени.

В большинстве методов детектирования GSM и MIB используется газовая хроматография (ГХ) с масс-спектрометром (МС) или пламенно-ионизационным детектором (FID) для разделения и детектирования, но способы первоначального извлечения одорантов из водной матрицы сильно различаются, приэтом опубликовано много методов. То, что такое разнообразие методов было опробовано и, действительно, до сих пор используется в рутине, говорит о том, что каждый из них имеет существенные недостатки. К этим недостаткам относятся требование большого размера образца и больших объемов растворителя, как при жидкостно-жидкостной экстракции (LLE), низкая чувствительность и интерференция воды, как при методах, основанных на свободном пространстве, или обширные проблемы с переносом и загрязнением системы, как при продувке и ловушке (P и T).

Сорбционная экстракция охватывает ряд методов экстракции, при которых твердая сорбционная фаза может быть использована для извлечения одорантов из свободного пространства над образцом или из самого образца путем прямого погружения10. Эти методы совместимы с меньшими объемами образцов по сравнению с другими методами, не требуют растворителей и, как правило, не подвержены серьезному воздействию воды. Однако наиболее распространенная форма сорбционной экстракции, твердофазная микроэкстракция (СФМЭ), использует только небольшой объем сорбционной фазы с низкой емкостью аналитов, что ограничивает эффективность экстракции. Кроме того, задействованные хрупкие волокна могут быть повреждены или разорваны11, что нарушит рабочие процессы. Сорбционная экстракция с мешалкой (SBSE) преодолевает эти трудности благодаря большему объему фазы и более прочной конструкции, но не поддается автоматизации, что требует ручного переноса мешалок в образцы и из образцов в термодесорбционные трубки12. В контексте рутинного фильтрации воды, где решающее значение имеет высокая производительность, отсутствие автоматизации является серьезным препятствием.

Целью нашего метода является усовершенствование вышеупомянутых методов в отношении пропускной способности образца и общей мощности сорбционной экстракции. Таким образом, мы разработали методику с использованием высокопроизводительных зондов сорбционной экстракции (HCSE), сочетающую высокую аналитическую емкость и надежность SBSE с выбором фазы и автоматизацией SPME для количественного и высокопроизводительного анализа GSM и MIB. С некоторыми модификациями методика может быть применена как к образцам воды, так и к образцам гомогенизированной ткани рыбы. В этой статье мы описываем протокол в полном объеме и представляем данные валидации, демонстрирующие его воспроизводимость, линейность и высокую чувствительность. Несмотря на то, что образцы аквакультуры используются здесь в демонстрационных целях, протокол подходит для мониторинга одорантов в широком диапазоне типов проб, включая воду, почву и различные пищевые продукты. Благодаря полной автоматизации протокол особенно полезен там, где ожидается большое количество образцов.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Образцы рыбы были собраны у животных, которые уже были забиты для употребления в пищу человеком. Таким образом, этическое разрешение не требовалось.

1. Подготовка калибровочных и внутренних стандартов

  1. Подготовка калибровочного стандарта
    1. Приготовьте стоковый раствор С1, добавив 10 мкл раствора геосмина и 2-метилизоборнеола (100 мкг/мл) в мерную колбу объемом 100 мл и заполнив до объема метанолом марки LC-MS. Полученный раствор будет содержать каждый аналит в концентрации 10 мкг/л (ppb).
    2. Приготовьте калибровочные эталоны, добавив стоковый раствор С1 в объеме, указанном в таблице 1 , в мерную колбу объемом 100 мл и заполнив ее до объема деионизированной водой.
    3. Ежедневно изготавливайте новые калибровочные стандарты, так как они чрезвычайно скоропортящиеся.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Важно готовить эти исходные растворы свежими каждый день.
  2. Внутренняя подготовка стандарта
    1. Приготовьте исходный раствор (I1), добавив 10 мг 2-изопропил-3-метоксипиразина (IPMP) (чистота >98%) в мерную колбу объемом 1 л, наполненную по объему метанолом марки LC-MS, получив бульон 10 мг/л.
    2. Пипетку 100 мкл раствора I1 в мерную колбу объемом 100 мл и заполните до объема деионизированной водой до получения раствора I2 (10 мкг/л). Добавьте 50 μL в каждый флакон с образцом, чтобы достичь конечной концентрации 100 нг/л.

2. Анализ воды

  1. Подготовка образцов
    1. Поместите в лоток для образцов один флакон объемом 20 мл для каждой анализируемой пробы воды.
    2. С помощью откалиброванных весов взвесьте и поместите 2,5 г NaCl в каждый флакон с верхним обжимным образцом объемом 20 мл.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Добавление соли улучшает перенос MIB и геосмина из воды в свободное пространство.
    3. С помощью пипетки или диспенсера для бутылок добавьте 5 мл воды для образца в каждый флакон с верхним обжимом образца объемом 20 мл.
    4. Пипетка 50 мкл внутреннего стандартного раствора I2 в каждый образец, калибровочный стандарт и любые образцы QA/QC, включая холостые.
    5. Поместите крышку на флакон и закройте его с помощью инструмента для обжима флакона, чтобы свести к минимуму потерю аналита.
    6. Обрабатывайте только 1–2 образца за раз и быстро запечатывайте каждый флакон после завершения, чтобы свести к минимуму потерю летучих аналитов.
  2. Экстракция аналита (вода)
    1. Поместите лоток для образцов на держатель лотка автосэмплера.
    2. Чтобы подготовить метод инструмента, откройте программу инструмента и нажмите на редактор методов.
      1. Создайте новый метод, введя следующие параметры в редактор методов (оставив остальные параметры на значениях по умолчанию):
      2. В разделе «Предварительный отбор проб» установите время перемешивания флакона на 10 минут, чтобы аналиты могли отделяться от воды до свободного пространства.
      3. В разделе «Отбор проб» установите температуру инкубации на 65 °C, время инкубации на 30 мин и скорость мешалки на 400 об/мин.
      4. Убедитесь, что функция «wash HiSorb probe» включена; В противном случае матрица остаточного образца может загрязнить систему.
      5. В поле «Десорбция зонда» установите время десорбции на 15 минут, атемпературу эсорбции D на 270 °C.
      6. В настройках ловушки установите низкую температуру ловушки на 25 °C и «разделенный поток» на 8 мл/мин.
    3. Запустите метод автосамплера в сочетании с методом GC-MS, нажав кнопку «Пуск » в каждой из соответствующих программ.

3. Анализ тканей рыб

  1. Подготовка образцов
    1. Поместите в лоток для образцов по одному флакону объемом 20 мл для каждого анализируемого образца рыбы.
    2. Гомогенизируйте ткани рыбы с помощью имеющегося в продаже кухонного комбайна.
    3. С помощью калиброванных весов взвесьте 1,00 г гомогенизированной ткани рыбы в каждый флакон.
    4. Пипеткой нанесите 5 мл насыщенного раствора NaCl в каждый флакон.
    5. Пипетируйте 100 мкл внутреннего стандартного раствора I2 в каждый образец, калибровочный образец и любые образцы QA/QC.
    6. Наденьте крышку на флакон и закройте с помощью инструмента для обжима флакона.
    7. Подготавливайте только 1-2 образца за один раз, чтобы уменьшить потери полулетучих и летучих соединений.
  2. Экстракция аналита (рыба)
    1. Поместите лоток для образцов на держатель лотка автосэмплера.
    2. Подготовим метод инструмента следующим образом (оставив остальные параметры на значениях по умолчанию).
      ПРИМЕЧАНИЕ: время перемешивания флакона перед отбором проб и температура инкубации отличаются от раздела 2.2.2.
      1. В разделе «Предварительный отбор проб» установите время перемешивания флакона на 20 минут.
      2. В режиме 'Sampling' установите температуру инкубации на 80 °C, время инкубации на 30 мин и скорость мешалки на 400 об/мин.
      3. Убедитесь, что включен «зонд промывки HiSorb», в противном случае остаточная матрица образца может загрязнить систему.
      4. В параметре «Десорбция зонда» установите время десорбции на 15 минут, а температуру десорбции на 270 °C.
      5. В настройках ловушки установите низкую температуру ловушки на 25 °C и раздельный поток на 8 мл/мин.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь требуется более длительный и горячий этап предварительного отбора проб из-за более высокого сродства MIB и GSM к богатым липидами тканям рыб по сравнению с водой.
    3. Запустите метод автосамплера в сочетании с методом GC-MS, нажав кнопку « Пуск » в каждой из соответствующих программ.

4. Разделение и обнаружение с помощью ГХ-МС

  1. Используйте те же параметры ГХ-МС для методов с водой и тканями рыб.
  2. Убедитесь, что ГХ оснащен колонной размером 5 мс, 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм и снабжен сверхчистым гелием-носителем. Установите скорость потока носителя на 2 мл/мин.
  3. Подготовьте программу духовки для газовой хроматографии следующим образом: начальная температура 60 °C, выдерживаемая в течение 3 минут, затем температурный нарастающий темп от 10 °C/мин до 100 °C, затем 20 °C/мин до 190 °C, затем 30 °C/мин до 280 °C, с конечным временем выдержки 2 минуты. Общее время выполнения установлено на 16,5 минут.
  4. Установите передаточную линию между GC и MS на 280 °C, а на источник ионов и четверку — на 250 °C и 200 °C соответственно.
  5. Для обнаружения МС в режиме сканирования используйте диапазон сканирования m/z 50-350.
  6. Для работы с выбранным ионным мониторингом (SIM) используйте количественное определение и подтверждение ионов соответственно m/z 95 и 107 для MIB, m/z 137 и 152 для IPMP и m/z 112 и 55 для GSM.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Многие пакеты программного обеспечения для хроматографии имеют функцию автоматического выбора пиков, но настоятельно рекомендуется вручную проверять выбор пиков на наличие ошибок.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Оптимизация метода

Для обеспечения оптимизации метода были проведены различные эксперименты, включая оценку переноса, оптимизацию времени десорбции зонда, внутреннюю стандартную оценку, оценку фазы зонда, оценку линейности и повторяемости, а также расчет предела обнаружения метода.

Оценка переходящих остатков

Мы начали наш эксперимент с температуры десорбции зонда 250 °C. Были подготовлены калибровочные стандарты, как показано в таблице 1. Для оценки переноса мы проанализировали стандарты GSM и MIB при концентрации 20 нг/л, а затем приступили, по порядку, к прогону параметров GC-MS без инжекции в колонку (заготовка колонки), к десорбции фокусирующей ловушки без переноса чего-либо от инжектора (заготовка ловушки), к нагреву инжектора без вставки зонда (заготовка форсунки), и десорбция зонда без предварительного отбора проб (бланк зонда). В заготовке колонки, воронке и заготовке инжектора наблюдалось менее 1% переноса, но в заготовке зонда перенос составил 9,35% и 3,77% для GSM и MIB соответственно (Таблица 2). Таким образом, мы определили, что в используемых условиях наблюдается значительный перенос GSM на зонд PDMS.

Оптимизация времени десорбции

Выявив перенос на зонде PDMS, мы попытались решить эту проблему, отрегулировав температуру десорбции зонда. Ожидается, что более высокая температура десорбции зонда приведет к увеличению скорости десорбции аналита из зонда таким образом, что десорбция будет более полной к концу 15-минутного времени десорбции зонда. Однако более высокая температура также может способствовать расщеплению аналита и, следовательно, негативно повлиять на чувствительность. Более высокие температуры также могут повредить сорбционные материалы, поэтому следует избегать температур выше 280 °C. Перенос GSM был значительным при температуре десорбции зонда при 250 °C, но при использовании вместо него 270 °C он существенно снизился и значительно снизился до 5% порога приемлемости (270 °C). Это улучшение было достигнуто без потери чувствительности, при этом пиковые площади, полученные для первоначального анализа, были не меньше при 270 °C, чем при более низких температурах десорбции зонда (рис. 1). Это указывает на то, что любое увеличение распада аналита незначительно.

Использование внутреннего стандарта

Соединение 2-изопропил-3-метоксипирозин широко используется в качестве внутреннего стандарта при обнаружении GSM и MIB13. Мы сравнили расчетные концентрации GSM и MIB с известными спайковыми концентрациями, как с внутренней стандартной коррекцией, так и без нее. Восстановление без внутренней стандартной коррекции было плохим, с расчетными концентрациями в 60% от известных спайковых концентраций (Рисунок 2). Напротив, при применении внутренней стандартной коррекции восстановление было очень хорошим, в районе 100%. Таким образом, во всех последующих анализах мы применяли внутреннюю стандартную коррекцию.

Выбор фазы

При анализе SPME в PDMS часто добавляют углерод широкого диапазона (CWR) и/или дивинилбензол (DVB) для повышения чувствительности, но это увеличивает стоимость. Мы стремились сравнить преобразователи, работающие только с PDMS, с трехфазными преобразователями (DVB/CWR/PDMS), учитывая, что увеличенный объем фазы преобразователя, вероятно, улучшит чувствительность по сравнению с волокнами SPME. Данные восстановления для PDMS и трехфазных зондов (рис. 3) демонстрируют в целом схожие характеристики между двумя типами зондов, при этом извлечение немного приближается к 100% при использовании зондов PDMS. Таким образом, учитывая несколько более высокую производительность и снижение затрат, мы выполнили все будущие анализы с помощью датчиков PDMS. Следует отметить, что поскольку зонд собирает аналиты из свободного пространства, а не путем прямого контакта с матрицей образца, кинетика разделения GSM/MIB на фазовый материал не должна отличаться между образцами воды и рыбы.

Валидация метода

Была проанализирована серия калибровок, охватывающая шесть концентраций аналитов в воде от 1 до 100 нг/л (рис. 4). Была достигнута превосходная линейность, при этом r2 составил 0,9999 для GSM и 0,9999 для MIB. Стандартная ошибка регрессии составила 0,43 и 0,37 для GSM и MIB соответственно. Это указывает на то, что метод подходит для количественного анализа в оцениваемом диапазоне. Мы определили повторяемость по восьми повторениям лабораторных стандартов, содержащих GSM и MIB при концентрации 40 нг/л в воде. Значения RSD составили 6,3% для GSM и 4,8% для MIB, демонстрируя замечательную воспроизводимость результатов. Эти реплики были проанализированы в трех отдельных партиях в разные дни, что еще раз продемонстрировало точность метода. Таким образом, ГКСЭ с ГХ-МС анализом является количественным и надежным методом.

Минимальные пределы обнаружения (MDL)

MDL был рассчитан в соответствии с протоколом14 Агентства по охране окружающей среды США с использованием проб воды с шипами (n=10) или рыбы с шипами (n=11). Метод экстракции и детектирования GSM и MIB в воде позволил получить пределы обнаружения 1,2 нг/л для GSM и 1,1 нг/л для MIB. Эти MDL были намного ниже пороговых значений человеческого запаха, составляющих примерно 10 и 20 нг/л соответственно. Таким образом, предложенный метод может уверенно и количественно обнаруживать накопление этих пахучих молекул до того, как они достигнут сенсорных порогов человека. Пределы обнаружения для извлечения и обнаружения GSM и MIB из рыбы составили 18,1 нг/кг для GSM и 13,6 нг/кг для MIB.

Анализ проб воды из аквакультуры

Мы проанализировали пробы воды, взятые из семи рециркуляционных систем аквакультуры, при этом для каждой из них были оценены пять повторов (система 3) или три повтора (все остальные системы). Все проанализированные системы замкнутого водоснабжения, за исключением одной, содержали геосмин и MIB в концентрациях выше нашего MDL (Рисунок 5), что указывает на потенциальную проблему с качеством воды. Тем не менее, мы отметили, что во всех случаях MIB был значительно ниже порогового значения запаха для человека в 20 нг/л, в то время как только в одной системе порог запаха GSM составил 10 нг/л (система 1, концентрация GSM = 12,69 нг/л). Несмотря на то, что мы обнаружили GSM и MIB в системе 3, мы отмечаем, что концентрация MIB падает ниже наших расчетных MDL, и, следовательно, концентрация не может быть уверенно количественно определена. Метод продемонстрировал впечатляющую точность во всех системах, несмотря на использование реальных проб воды с очень небольшими вариациями расчетной концентрации среди повторяющихся проб в каждой системе (Рисунок 5).

Анализ тканей рыб

Ткань рыбы, богатая липидами, придает сильный матричный эффект, препятствующий экстракции GSM и MIB при этом методе. По этой причине в метод вносятся незначительные изменения для повышения эффективности экстракции, в том числе более высокая температура инкубации (80 °C) и более длительное время инкубации (20 минут) по сравнению с методом экстракции водой. Ткани рыб предварительно были проанализированы для определения фоновых концентраций GSM и MIB. Затем те же образцы были добавлены известным количеством GSM и MIB и проанализированы в трех экземплярах для определения процента восстановления и точности (рис. 6).

figure-results-1
Рисунок 1: Влияние температуры десорбции зонда на перенос. (A) Лабораторный стандарт, содержащий GSM и MIB в концентрации 20 нг/л, был проанализирован при одной из трех температур десорбции зонда в трех экземплярах со средними пиковыми площадями. Каждый зонд впоследствии был десорбирован еще дважды при начальной температуре для оценки переноса с результатами в (B) (GSM) и (C) (MIB). Перенос выражается в виде площади пика в процентах от начальной площади пика. Полосы погрешностей представляют собой стандартное отклонение по трем репликам. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-2
Рисунок 2: Внутреннее стандартное использование. Сравнение скорректированных и нескорректированных данных восстановления данных для аналитических эталонов при концентрации 15 или 40 нг/л, с экстракцией только с помощью зондов PDMS. Концентрации образцов корректировались с использованием ИПМП в качестве внутреннего стандарта. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-3
Рисунок 3: Восстановление аналита. Данные восстановления для аналитических эталонов GSM (слева) и MIB (справа) при концентрации 15 нг/л, с экстракцией только PDMS или трехфазными (PDMS, DVB, CWR) зондами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-4
Рисунок 4: Кривые аналитической калибровки. Линейные регрессии калибровочных кривых для GSM (сплошная линия, r2 от 0,9999; S=0.37) и MIB (пунктирная линия, r2 от 0.9999; S=0,37). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-5
Рисунок 5: Применение воды в аквакультуре. Концентрации (A) GSM и (B) MIB в пробах воды, взятых из семи систем аквакультуры (n ≥ 3 для каждой системы). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. 

figure-results-6
Рисунок 6: Применение тканей рыбы. Концентрации GSM и MIB в двух пробах рыбы были повышены с помощью GSM и MIB (F1 и F2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Название решенияДобавлен стоковый объем C1Общий объемРезультирующая концентрация
Приклад C110 мкл100мл10 мкг/мл
Кал 110 мкл100 мл1 нг/л
Кал 220 мкл100 мл2 нг/л
Кал 550 мкл100 мл5 нг/л
Кал 10100 мкл100 мл10 нг/л
КЛ 20200 мкл100 мл20 нг/л
Ккал 50500 мкл100 мл50 нг/л
100 кКал1000 мкл100 мл100 нг/л
Кал 2002000 мкл100мл200 нг/л

Таблица 1: Калибровочные стандарты. Все стандарты геосмина и 2-MIB изготовлены CRM47525 из раствора геосмина и 2-метилизоборнеола (100 мкг/мл) в метаноле, который был разбавлен в исходный раствор C1 (10 г/мл) в метаноле.

АнализПереходящие остатки (%)
GSMМИБ
Забег GC0.040.08
Десорбция ловушек0.090
Десорбция на входе00
Редесорбция зонда9.353.77

Таблица 2: Оценка переноса зонда. Перенос после экстракции, десорбции и анализа ГХ-МС лабораторного стандарта, содержащего GSM и MIB в концентрации 20 нг/л, с внутренним стандартом IPMP в концентрации 30 нг/л. Описание анализов приведено в параграфе 2.2.1.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

GSM и MIB являются соединениями с неприятным привкусом, встречающимися в широком диапазоне условий мониторинга воды, и спрос на испытательные мощности высок. Кроме того, GSM и MIB воспринимаются человеком на следовых уровнях. Поэтому идеальная аналитическая система должна сочетать в себе высокую чувствительность с высокой производительностью для получения больших объемов качественных данных. В предыдущих разделах мы продемонстрировали, что экстракция с помощью зондов HCSE обеспечивает чувствительность, превышающую требуемую.

Прочная конструкция датчиков HCSE исключает любые поломки, которые могут прервать рабочие процессы SPME. После оптимизации метода мы не столкнулись с трудностями с загрязнением системы или переносом, которые являются распространенными проблемами методологий P и T. Однако наибольший вклад в высокую пропускную способность этого метода, несомненно, внесла используемая платформа автосамплера. При использовании этой системы анализ продолжался круглосуточно, при этом ручное вмешательство требовало только подачи образцов в лоток для образцов. В отличие от других высокопроизводительных методов сорбционной экстракции, таких как SBSE, которые требуют ручного управления. Несмотря на то, что SPME обычно полностью автоматизирована, производительность ограничена, поскольку инкубация следующего образца, как правило, может начаться только после того, как предыдущая проба была введена в колонку GC. Предполагая, что время цикла ГХ короткое, ГХ, таким образом, может простаивать, пока следующий образец не завершит экстракцию. С помощью нашего метода несколько образцов могут проходить предварительный отбор проб и экстракцию одновременно, что сводит к минимуму время простоя GC. Таким образом, мы смогли обрабатывать 1,8 образца в час на одну систему.

Мы продемонстрировали MDL 1,2 и 1,1 нг/л для GSM и MIB соответственно, что на сегодняшний день превышает требуемую чувствительность. В то время как другие методы, такие как P и T, LLE, SBSE и SPME, могут достигать более низких MDL при определенных обстоятельствах11, такое увеличение чувствительности имеет ограниченную практическую ценность и не оправдывает потерю преимуществ зондов HCSE, описанных выше. Кроме того, некоторые из этих методов требуют больших объемов образцов, что приводит к увеличению отходов и затрат на транспортировку. Для LLE объемы образцов обычно находятся в диапазоне 200 - 500 мл 15,16,17, в то время как для SPME, SBSE и P и T типичные значения составляют 10 - 100 мл 18,19,20,21,22. Отличная воспроизводимость наблюдалась при значениях RSD 6,34% и 4,82% для GSM и MIB соответственно. Эти значения в целом аналогичны значениям, обнаруженным в других методах11, и, в частности, превосходят ОД в опубликованных методах 23,24 SPME. Опять же, наши низкие значения RSD были достигнуты при объеме образца всего 5 мл, что ниже, чем при использовании подавляющего большинства опубликованных методов экстракции. Таким образом, мы уверены, что датчики HCSE обеспечивают достаточную чувствительность и воспроизводимость, а также широкий набор преимуществ, которые сочетают в себе лучшие аспекты всех известных альтернатив в едином простом, полностью автоматизированном и устойчивом методе.

Геосмин и 2-метилизоборнеол являются липофильными соединениями, что представляет собой проблему для ученых, пытающихся извлечь эти соединения из богатой липидами ткани для анализа. Поэтому мы скорректировали условия предварительного отбора проб, используя более длительную и горячую процедуру предварительного отбора проб, чтобы доставить больше аналитов из матрицы образца в свободное пространство. Внеся эти коррективы, мы определили, что метод хорошо работает для анализа GSM и MIB в тканях рыб. Следует отметить, что для образцов с очень высоким содержанием липидов может потребоваться уменьшение массы используемого образца, например, до 0,50 г. Это необходимо для того, чтобы липиды не образовывали полного уплотнения на поверхности воды, что предотвращает попадание аналитов в свободное пространство.

Этот метод использует принципы равновесия для извлечения аналитов из основного пространства образца. Несмотря на то, что здесь мы используем образцы воды и рыбы из аквакультуры, мы считаем, что этот метод применим для экстракции одоранта из любой твердой или жидкой матрицы, которая может быть гомогенизирована и помещена в пробирку объемом 20 мл. Примеры применения включают мониторинг экологических вод и почв, тестирование питьевой воды, а также тестирование продуктов питания, таких как фрукты и овощи, или водных обитателей, выращенных не на фермах. В сельском хозяйстве GSM и MIB часто встречаются на влажных почвах и могут придавать неприятный привкускультурам, выращенным на них2, поэтому как почвы, так и культуры могут быть протестированы с помощью нашего метода для мониторинга уровня одоранта в качестве формы контроля качества и/или для диагностики источника неприятного запаха. Во многих водоемах окружающей среды, таких как реки и озера, наблюдаются сезонные скачки концентрации одоранта из-за цветения водорослей25, и этот метод предлагает высокопроизводительные и высокочувствительные средства мониторинга масштабов этих всплесков. Этот метод также подходит для академических исследований, например, для измерения скорости производства одоранта микроорганизмами26 или для изучения взаимосвязи между концентрациями одоранта в воде и в тканях животных27. Другие исследовательские группы использовали процесс HCSE для извлечения из ряда типов образцов, таких как алкогольные напитки28, баранье мясо29, оливковое масло30, среды для культивирования клеток человека31 и фисташки32. Эти исследования были нацелены на другие аналиты или не являются исследованиями целевого профилирования и поэтому не были оптимизированы для анализа GSM и MIB, но представлены здесь, поскольку они дают общее представление о подготовке различных типов образцов для экстракции зондов HCSE.

В то время как описанный водный метод, вероятно, применим ко всем пробам воды или на водной основе с минимальными изменениями, применение к другим твердым или полутвердым пробам может потребовать некоторых специфических для матрицы изменений в подготовке образцов (раздел 3.1) и экстракции аналита (раздел 3.2). Несмотря на то, что здесь невозможно охватить все сценарии выборки, мы предлагаем следующие соображения. (1) Твердые образцы должны быть гомогенизированы до мелкого порошка путем натирания, измельчения или смешивания для обеспечения репрезентативности и обеспечения максимально возможной площади поверхности для выхода аналитов. (2) Твердые образцы с низким содержанием липидов могут не требовать добавления воды или соли, т.е. может быть достаточно взвесить 1,00 г в флакон и крышку. Это позволит осуществлять более прямой перенос аналитов из образца в свободное пространство без промежуточного переноса из матрицы образца в добавляемую воду. Однако это снизит эффективность перемешивания. Аналитики должны проводить эксперименты, чтобы определить оптимальную технику подготовки образцов для своей матрицы образцов. (3) Разные матрицы будут иметь различное сходство с GSM и MIB. Поэтому для своевременного достижения равновесия аналита потребуются разные температуры инкубации. Однако некоторые матрицы могут подвергаться химическому изменению под воздействием тепла таким образом, что в результате химических реакций при высоких температурах образуются помехи. Опять же, необходимо провести эксперименты для определения оптимальной температуры инкубации для конкретного типа образца (примечание: образцы с высоким содержанием влаги никогда не следует инкубировать при температуре выше 90 °C, чтобы избежать разрушения флаконов от давления паров кипящей воды).

Нами разработаны методы обнаружения геосмина и 2-метилизоборнеоола в воде и тканях рыб. Испытания на лабораторных стандартах подтверждают, что методы являются количественными и воспроизводимыми, в то время как применение к реальным образцам (вода из рециркуляционных систем аквакультуры, ткани рыб, полученные из таких систем) демонстрирует эффективность даже в контексте сложных, грязных образцов. Несмотря на то, что мы применили наши методы к образцам из аквакультуры, мы предполагаем, что они подходят для GSM и MIB-мониторинга в широком диапазоне типов проб, включая воду и твердые или полутвердые материалы.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы этой публикации, работающие в Markes International Ltd или Markes International GmbH, помогали в обучении системе, системных протоколах, экспериментальных проектах и написании статей. Чтобы избежать предвзятости или предполагаемой предвзятости в наших исследованиях, все лабораторные исследования и анализ данных проводились в Университете штата Мэн под непосредственным руководством Министерства сельского хозяйства США - Службы сельскохозяйственных исследований (USDA-ARS) и Научно-исследовательского института аквакультуры Университета штата Мэн.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы хотели бы поблагодарить Министерство сельского хозяйства Соединенных Штатов, Службу сельскохозяйственных исследований (USDA-ARS) за финансирование приобретения используемого оборудования и продолжающееся финансирование для завершения всех этих исследований. Мы также хотели бы поблагодарить доктора Хизер Хэмлин, доктора Амалию Харрингтон, доктора Дебору Бушар, доктора Сару Тернер, Гарета Добсона, Кэмерона Куломба и Абрию Джеймс за их помощь и поддержку на протяжении всего исследования.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Наконечники для пипеток 0,5-10 мклNichipet AirA21405581
1000 мкл наконечники для пипетокVWR76322-154
100-1000 мкл наконечники для пипетокeppendorf285612
стеклянная колба 100 млVWR76008-704
10-100 мкл наконечники для пипетокNichipet AirA20814031
10-100 мкл Наконечники для пипетокмега24502-18
10xL Наконечники для пипетокVWR76322-132
20 мл Стеклянные стаканыVWR10754-698
2-изопропил-3-метоксипиразинTCII0577Внутренний стандарт
40 мл Янтарь тип-1 (боросиликат) Стеклянный флакондля отбора проб окружающей среды Компания0040-0400-QCФлакон для отбора проб воды
5 мл Наконечник для пипеткиVistaLab технологии4058-5102
БалансVWRVWR-124B2
Centri 360MarkesU-CENTRI-1691Автосамплер
Chromeleon версии 7.3Thermo ScientificGC-MS Программное обеспечение
Фокусирующая ловушкаMarkesU-T12ME-2S
Газовый хроматограф, Trace 1310Thermo Scientific14800403
GC ColumnThermo Scientific26098-1420TG-5MS
Геосмин и 2-Метилизоборнеол растворSIGMA-ALDRICH или MilliporeSigmaCRM47525
флакон Headspace, 20 млMarkesC-VCC20
HiSorb ручкаMarkesC-HH-6
HiSorb крышка инжектораMarkesC-HSPCCS
HiSorb вкладыш инжектораMarkesU-LINER-HISORB
HiSorb зонд, PDMS, короткая версияMarkesH1-XXABC
HiSorb крышки флаконовMarkesC-HSPCCS
Laboratory металлический совок
Масс-спектрометр, ISQ 7000Thermo ScientificISQ7K-NOVPI
МетанолVWR химикатыBDH1135-4LP
Метанол, Optima LC-MS маркаFisher-scientificA456-4
Уплотнительные кольца размер 201MarkesU-COV201Для крышки инжектора HiSorb и хранения HiSorb
автоматический дозатор Ovation (100-5000 мкл)Технологии VistaLab213626
Фиолетовые нитрил-Xtra Безопудровые смотровые перчаткиKimtech50602-54
Хлорид натрия ( соль)VWR химикатыBDH9286-2.5K
Переключающий адаптер (автоматический дозатор)CUI INCSMI10-5
Инструмент для обжима флаконовMarkesU-HSVCR
Декапсулатор флаконовMarkesU-HSVDC
Весы лодкиGrainger8AG69

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Zaitlin, B., Watson, S. B. Actinomycetes in relation to taste and odour in drinking water: Myths, tenets and truths. Water Res. 40 (9), 1741-1753 (2006).
  2. Liato, V., Aïder, M. Geosmin as a source of the earthy-musty smell in fruits, vegetables and water: Origins, impact on foods and water, and review of the removing techniques. Chemosphere. 181, 9-18 (2017).
  3. Omür-Ozbek, P., Little, J. C., Dietrich, A. M. Ability of humans to smell geosmin, 2-MIB and nonadienal in indoor air when using contaminated drinking water. Water Sci Technol. 55 (5), 249-256 (2007).
  4. Lindholm-Lehto, P. C., Vielma, J. Controlling of geosmin and 2-methylisoborneol induced off-flavours in recirculating aquaculture system farmed fish-A review. Aquac Res. 50 (1), 9-28 (2018).
  5. Kutovaya, O. A., Watson, S. B. Development and application of a molecular assay to detect and monitor geosmin-producing cyanobacteria and actinomycetes in the Great Lakes. J Great Lakes Res. 40 (2), 404-414 (2014).
  6. Piriou, P., Devesa, R., De Lalande, M., Glucina, K. European reassessment of MIB and geosmin perception in drinking water. AQUA. 58 (8), 532-538 (2009).
  7. Ministry of Health of China. Standards for Drinking Water Quality. GB-5749-2006. , (2006).
  8. McQuarrie, J. P., Boltz, J. P. Moving bed biofilm reactor technology: process applications, design, and performance. Water Environ Res. 83 (6), 560-575 (2011).
  9. Burr, G. S., Wolters, W. R., Schrader, K. K., Summerfelt, S. T. Impact of depuration of earthy-musty off-flavors on fillet quality of Atlantic salmon, Salmo salar, cultured in a recirculating aquaculture system. Aquac Eng. 50, 28-36 (2012).
  10. Piri-Moghadam, H., Ahmadi, F., Pawliszyn, J. A critical review of solid phase microextraction for analysis of water samples. TrAC. 85, 133-143 (2016).
  11. Bristow, R. L., Young, I. S., Pemberton, A., Williams, J., Maher, S. An extensive review of the extraction techniques and detection methods for the taste and odour compound geosmin (trans-1, 10-dimethyl-trans-9-decalol) in water. TrAC. 110, 233-248 (2019).
  12. Baltussen, E., Sandra, P., David, F., Cramers, C. Stir bar sorptive extraction (SBSE), a novel extraction technique for aqueous samples: theory and principles. J Microcolumn Separat. 11 (10), 737-747 (1999).
  13. Chang, J., Biniakewitz, R., Harkey, G. Determination of geosmin and 2-MIB in drinking water by SPME-PTV-GC--MS. , (2008).
  14. Definition and procedure for the determination of the method detection limit, Revision 2. , Environmental Protection Agency EPA. (2016).
  15. Ma, X., Gao, N., Chen, B., Li, Q., Zhang, Q., Gu, G. Detection of geosmin and 2-methylisoborneol by liquid-liquid extraction-gas chromatograph mass spectrum (LLE-GCMS) and solid phase extraction-gas chromatograph mass spectrum (SPE-GCMS). Front Environ Sci. 1, 286-291 (2007).
  16. Li, X., Yu, J., Gu, Q., Su, M., Liu, T., Yang, M., Xhao, Y. Source-water odor during winter in the Yellow River area of China: Occurrence and diagnosis. Environ Pollut. 218, 252-258 (2016).
  17. Lu, J., Willis, P. S., Wilson, P. C. Trace analysis of off-flavor/odor compounds in water using liquid-liquid microextraction coupled with gas chromatography-positive chemical ionization-tandem mass spectrometry. Front Environ Sci. 10, 477-481 (2016).
  18. Ochiai, N., Sasamoto, K., Takino, M., Yamashita, S., Daishima, S., Heiden, A., Hoffman, A. Determination of trace amounts of off-flavor compounds in drinking water by stir bar sorptive extraction and thermal desorption GC-MS. Analyst. 10, 1652-1657 (2001).
  19. Nakamura, S., Daishima, S. Simultaneous determination of 22 volatile organic compounds, methyl-tert-butyl ether, 1,4-dioxane, 2-methylisoborneol and geosmin in water by headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry. Anal Chim Acta. 548, 79-85 (2005).
  20. Sung, Y. H., Lu, T. Y., Huang, S. D. Analysis of earthy and musty odors in water samples by solid-phase microextraction coupled with gas chromatography/ion trap mass spectrometry. Talanta. 65, 518-524 (2005).
  21. Sibali, L. L., Schoeman, C., Morobi, J. S., Molalatladi, B. S. Comparison of two selective methods for determination of geosmin (1,2,7,7-tetramethyl-2-norborneol) and 2-MIB (2-methylisoborneol) in drinking and raw water samples by capillary gas chromatography-mass spectrometry. WQRJ. 42, 491-497 (2010).
  22. Yu, S., Xiao, Q., Zhong, X. x, Su, G., Xu, Y., Zhu, B. Simultaneous determination of six earthy-musty smelling compounds in water by headspace solid-phase microextraction coupled with gas chromatography-mass spectrometry. Anal Methods. 6, 9152-9159 (2014).
  23. Hurlburt, B., Lloyd, S. W., Grimm, C. C. Comparison of analytical techniques for detection of geosmin and 2-methylisoborneol in aqueous samples. J Chromatogr Sci. 47, 670-673 (2009).
  24. Chen, X., Luo, Q., Yuan, S., Wei, Z., Song, H., Wang, D., Wang, J. Simultaneous determination of ten taste and odor compounds in drinking water by solid-phase microextraction combined with gas chromatography-mass spectrometry. J Environ Sci. 25, 2313-2323 (2013).
  25. Espinosa, C., Abril, M., Bretxa, È, Jutglar, M., Ponsá, S., Sellarès, N., Vendrell-Puigmitjà, L., Llenas, L., Ordeix, M., Proia, L. Driving factors of geosmin appearance in a Mediterranean river basin: The Ter river case. Front Microbiol. 12, 741750(2021).
  26. Lukassen, M. B., Saunders, A. M., Sindilariu, P. D., Nielsen, J. L. Quantification of novel geosmin-producing bacteria in aquaculture systems. Aquaculture. 479, 304-310 (2017).
  27. Howgate, P. Tainting of farmed fish by geosmin and 2-methyl-iso-borneol: A review of sensory aspects and of uptake/depuration. Aquac. 234 (1-4), 155-181 (2004).
  28. Hearn, L., Cole, R., Spadafora, N. D., Szafnauer, R. Volatile and semi-volatile compounds in flavoured hard seltzer beverages: Comparison of high-capacity sorptive extraction (HiSorb) methods. Adv Sample Prep. 3, 100032(2022).
  29. Bu, N., Yang, Q., Chen, J., Li, Y., Liu, D. Characterised and discrimination of volatile compounds in chilled Tan mutton meat during storage using HiSorb-TD-GC-MS and E-nose. Molecules. 28, 4993(2023).
  30. Fella, P., Stylianou, M., Agapiou, A. A green sorptive extraction method (HiSorb-TD-GC-MS) for determining the extra virgin olive oil (EVOO) aroma profile. Pure Appl Chem. 95, 595-610 (2023).
  31. Fenn, D., Lilien, T. A., Hagens, L. A., Smit, M. R., Heijnn, N. F. L., Tuip-de Boer, A. M. Validation of volatile metabolites of pulmonary oxidative injury: a bench to bedside study. ERJ Open Res. 9, (2023).
  32. Schincaglia, A., Purcaro, G., Beccario, M. Unlocking the aroma compounds of pistachios using the power of multi-dimensional gas chromatography. Poster presented at Advances in Separation Science. , (2023).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

2

Похожие статьи