■ СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ / reference materials
DOI: 10.20915/2687-0886-2020-16-2-31-40 УДК 006.82:543.08:543.51
АТТЕСТАЦИЯ СТАНДАРТНОГО ОБРАЗЦА«ДИОКСИНОВ» В ЖИВОТНОМ ЖИРЕ МЕТОДОМ ТАНДЕМНОЙ ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
© Крылов А. И., Михеева А. Ю., Будко А. Г.
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева»), г. Санкт-Петербург, Россия e-mail: akrylov@b10.vniim.ru
Поступила в редакцию - 03 марта 2020 г., после доработки - 22 мая 2020 г. Принята к публикации - 01 июня 2020 г.
В работе представлены результаты применения методов газовой хроматографии/масс-спектрометрии и тандемной масс-спектрометрии для определения аттестованных значений массовой доли «диоксинов» -полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в животном жире.
Установлено, что использование тандемной масс-спектрометрии позволяет в целом на порядок снизить пределы обнаружения и определения конгенеров данных групп, а также существенно улучшить точностные характеристики стандартного образца.
В результате получены аттестованные значения массовых долей конгенеров группы ПХДФ в материале СО в диапазоне от 0,5 до 850 нг/кг и конгенеров группы ПХДД-в диапазоне от 0,5 до 2 нг/кг. Относительная расширенная неопределенность аттестованных значений при использовании метода ГХ-МС/МС не превышает 7%. Таким образом, разработан СО массовой доли конгенеров ПХДД/ПХДФ в животном жире для целей валидации, верификации методик измерений и контроля качестварезультатов измерений.
Ссылка при цитировании:
Аттестация стандартного образца «Диоксинов» в животном жире методом тандемной хромато-масс-спектрометрии // Эталоны. Стандартные образцы. 2020. Т. 16. № 2. С. 31-40. DOI: 10.20915/2687-0886-2020-16-2-31-40. For citation:
Krylov A. I., Mikheeva A. Y., Budko A. G. Application of gas chromatography with tandem mass spectrometry for certification of the reference material of «Dioxins» in animal fat. Measurement standards. Reference materials. 2020;16(2): 31-40. DOI: 10.20915/2687-0886-2020-16-231-40 (In Russ.).
I Р.ЯТ1
DOI: 10.20915/2687-0886-2020-16-2-31-40
APPLICATION OF GAS CHROMATOGRAPHYWITH TANDEM MASS SPECTROMETRY FOR CERTIFICATION OF THE REFERENCE MATERIAL OF «DIOXINS» IN ANIMAL FAT
© Anatoliy I. Krylov, Alena Y. Mikheeva, Alexandra G. Budko
D. I. Mendeleyev Institute for Metrology (VNIIM), Saint Petersburg, Russia e-mail: akrylov@b10.vniim.ru
Received - 03 March, 2020. Revised - 22 May, 2020. Accepted for publication - 01 June, 2020.
The article presents the results of applying gas chromatography-mass-spectrometry (GC-MS) and tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) methods for determination of certified values (mass fraction) of «Dioxins» —Polychlorinated Dibenzo-p-dioxins and Dibenzofurans (PCDD/PCDF) in animal fat. It has been established that the using of tandem mass-spectrometry makes it possible to reduce the Limit of Detection and Limit of Quantification of the congeners an order of magnitude and also it significantly improves the accuracy of the CRM. As a result, the certified values of PCDF congeners were determined in the range from 0,5 to 850 ng/kg and PCDD congeners in the range from 0,5 to 2 ng/kg. The relative expanded uncertainty of the certified values by using the GC-MS/MS does not exceed 7%. Thus, the CRM of PCDD/PCDF in animal fat was developed for the purpose of validation, verification of measurement procedures and quality control ofmeasurement results.
Введение
Важность определения содержания полихлориро-ванных дибензо-п-диоксинов (ПХДД) и полихлориро-ванных дибензофуранов (ПХДФ) в различных объектах окружающей среды и продуктах питания, а также наличие и/или отсутствие стандартных образцов с сертифицированным (аттестованным) содержанием аналитов как для построения градуировочных характеристик, так и для валидации, верификации методик измерений была обсуждена в статье, где также была детально описана процедура приготовления и аттестации стандартного образца (СО) жировой матрицы с сертифицированным содержанием конгенеров группы ПХДФ методом газовой хроматографии - масс-спектрометрии низкого разрешения (ГХ-МСНР) и рассмотрены вопросы про-слеживаемости разработанного СО [1].
В табл. 1 приведены аттестованные и справочные характеристики СО состава массовой доли диоксинов в животном жире, полученные методом ГХ-МС.
Как видно из приведенных в табл. 1 данных, часть характеристик СО была принята в качестве справочных, поскольку естественные ограничения метода ГХ-МС не позволили получить достаточно точные и достоверные результаты измерений для аналитов, содержание которых в материале СО находилось на низком уроне.
Целью дальнейших исследований являлось расширение перечня аттестованных значений СО в части конгенеров группы ПХДД, а также улучшение точностных характеристик аттестованных значений конгенеров группы ПХДФ за счет использования более селективного инструментального метода анализа - ГХ-МС/МС [2].
Специфика метода тандемной масс-спектроме-трии заключается в разделении на первой МС-ступени первичных («родительских») ионов и селекции ионов с единственным значением отношения массы к заряду (m/z), после чего фрагментации «родительских» ионов с образованием структурно значимых ионных фрагментов - «дочерних» ионов и регистрации на второй МС-ступени выбранных «дочерних ионов» [3, 4]. Иными словами, данная технология - мониторинг заданных реакций (Multiple Reactions Monitorin - MRM) -представляет собой комбинацию двух последовательных регистраций выбранных ионов (Selected Ions Monitoring - SIM), что позволяет значительно (примерно на порядок) снизить пределы обнаружения и/или определения компонентов за счет уменьшения уровня
Таблица 1. Аттестованные и справочные характеристики СО состава массовой доли диоксинов в животном жире (метод ГХ-МС)
Table 1. Certified and Reference values (Mass fraction and Extended Uncertainty) of CRM of PCDD/PCDF in animal fat (GC-MS)
Конгенер Массовая доля, нг/кг Расширенная неопределенность (при k=2), нг/кг
Аттестованные (сертифицированные) характеристики
Справочные (референтные) характеристики
ОХДД 3,7
ОХДФ 2,7
Суммарная токсичность (TEQ-WHO98) 458
фонового сигнала, это особенно актуально при работе со сложными пищевыми матрицами, такими как животный жир.
Результаты исследования и их обсуждение
Подробное описание процедуры подготовки материала кандидата в СО, а также хроматографические и масс-спектрометрические условия измерений методами ГХ-МС и ГХ-МС/МС приведены в [1].
На рис. 1 и 2 приведены масс-фрагментограммы гра-дуировочного раствора аналитов (массовая концентрация 2,3,7,8-ТетраХДД - 0,05 пг/мм3, 1,2,3,4,6,7,8-ГептаХДД -0,2 пг/мм3), зарегистрированные в: режимах MRM и SIM.
В табл. 2 представлены значения отношений сигнал/ шум, а также предельных характеристик (предел определения и предел обнаружения) для данных конгенеров.
Представленные на рис. 1, 2 и в табл. 2 данные убедительно свидетельствуют о том, что при работе на уровне предельных значений использование ГХ-МС/ МС в режиме MRM позволяет существенно снизить фоновый сигнал и, как следствие, увеличить в несколько раз соотношение сигнал/шум (S/N) для пиков целевых соединений. Кроме того, в некоторых случаях (см. рис. 2 (б)) аналитик получает возможность зарегистрировать пик аналита, который ранее был скрыт фоновыми шумами.
TCDD: * MRM [319.9 ->256.9) PCDD_grad 1-1.D Noise (PeakToPeakDrift) = 26.1601; SNR (36.055min) = 17.0 •36.055 S/N=17.0 2286.43
+ SIM(320.0) SIM PCDD_grad 1-1 SIM.D
Noise (PeakToPeakDrift) = 381.4487: SNR (36.079min) = 3.2
/ \\ S/N=3.2
/ \\ * 36.079
Counts {&/•.) vs. Acquisition Time (min)
Рис. 1. Масс-фрагментограммы градуировочного раствора, реконструированные по ионам, характеристичным для
ТетраХДД (RT = 36,055 мин), в режиме MRM m/z 320 ^267 (а) и режиме SIM m/z 320 (б) Fig. 1. Mass fragmentograms of the Calibration Solution were rebuilded for TetraCDD (RT=36.055 min) in MRM mode m/z
HpCDD: + MRM (423.8 -> 360.8) PCDD_grad 1-1. D
Noise ( PeakToPeakDrift) 53.94S7: SNR (59.133min) = 12.5
JES.024 S/N=12.5 L
x101 + SI M (424.0) SIM PCDDjra<JJ-1_SIM.D 2.2C&J_________________________
Counts [&/.) vs. Acquisition Time (min)
Рис. 2. Масс-фрагментограммы градуировочного раствора, реконструированные по ионам, характеристичным для
ГептаХДД (RT = 59,133 мин), в режиме MRM m/z 424 ^361 (а) и режиме SIM m/z 424 (б) Fig. 2. Mass fragmentograms of the Calibration Solution were rebuilded for HeptaCDD (RT=59.133 min) in MRM mode m/z
Таблица 2. Значения сигнал/шум и предельные характеристики для конгенеров 2,3,7,8-ТетраХДД и 1,2,3,4,6,7,8-ГептаХДД
Table 2. Signal -to-noise (S/N) and Limit of Detection (LOD) and Limit of Quantification (LOQ) for 2.3.7.8-TetraCDD and 1.2.3.4.6.7.8-HeptaCDD
Сигнал/шум (S/N) Предел обнаружения (LOD)1), пг Предел определения (LOQ)2), пг
SIM MRM SIM MRM SIM MRM
Таким образом, применение метода ГХ-МС/МС для выполнения измерений следовых количеств компонентов с наивысшей точностью является, безусловно, перспективным и целесообразным. Исходя из этого метод ГХ-МС/МС в режиме 1ШМ был использован для расширения перечня аттестованных значений и улучшения метрологических характеристик СО состава массовой доли ПХДД/ПХДФ в жировой матрице.
Подготовленные образцы материала - кандидата в СО - были проанализированы методом ГХ-МС/МС, полученные данные были обработаны статистически в соответствии с [5, 6], результаты измерений были использованы для расчета аттестованных характеристик СО и суммарной стандартной и расширенной неопределенности.
В работе [1] было отмечено, что наибольший вклад в суммарную стандартную неопределенность аттестованных значений вносит неопределенность градуиро-вочных характеристик аналитов (СКО факторов отклика RF - СКОВР) и неопределенность среднего значения массовой доли целевых компонентов (СКО результатов измерений - СКОср).
В табл. 3 и 4 обобщены данные об относительных факторах отклика аналитов массовой доле аналитов и СКО представленных значений (СКОВР и СКОср), полученные при выполнении измерений методами ГХ-МСНР и ГХ-МС/МС.
Сравнительный анализ приведенных в табл. 3 и 4 данных показывает, что применение метода ГХ-МС/ МС позволяет уточнить результаты определения гра-дуировочных характеристик и аттестованных значений аналитов, а также значимо уменьшить СКО полученных данных. Кроме того, использование возможностей метода ГХ-МС/МС позволяет сократить до минимума вероятность ложноположительной идентификации целевых компонентов.
Из данных, приведенных в табл. 3, видно, что в результате использования метода ГХ-МС/МС значения градуировочных факторов для ряда аналитов были откорректированы и уточнены, что обусловлено снижением уровня фонового сигнала и, как следствие, более корректным интегрированием хроматографи-ческих пиков. Хорошо видно также, что для одной и той же выборки данных (п = 20) значения СКОВР
Таблица 3. Относительные факторы отклика аналитов (RRF) и относительное среднеквадратичное отклонение результатов RRF (CK0RF) в зависимости от метода измерений Table 3. Relative Response Factors of analytes (RRF) and Relative Standard Deviation of RRFs (CKORRF) depending on the method
Конгенер ГХ-МСНР ГХ-МС/МС
RRF CKOrrf, % (n = 20) RRF CKOrrf, % (n = 20)
ОХДД 0,94 3,6 1,0 1,3
I Р.ЯТ1
Таблица 4. Массовая доля аналитов и относительное среднеквадратичное отклонение результатов СКОср в зависимости от метода измерений
Table 4. Mass fraction of analyts and Relative Standard Deviation of results (СКОср) depending on the method
Конгенер ГХ-МСНР ГХ-МС/МС
Массовая доля, нг/кг СКОср, % (n = 20) Массовая доля, нг/кг СКОср, % (n = 20)
и СКОср при использовании метода ГХ-МС/МС уменьшены в 2-6 раз, что в целом позволяет сократить неопределенность аттестованных характеристик СО не менее чем в 2 раза. Аттестованные характеристики СО приведены в табл. 5.
Из представленных в табл. 5 данных видно, что в материале СО аттестованы значения массовых долей подавляющего большинства токсичных конгенеров группы «диоксинов» (13 из 17 конгенеров), размах аттестованных характеристик составляет от 0,5 нг/кг до 820 нг/кг (более трех порядков), что делает данный СО крайне технологичным и рациональным решением с точки зрения контроля качества результатов измерений в широком диапазоне массовых долей. Интересной особенностью данного СО является отсутствие в материале нетоксичных конгенеров групп
Таблица 5. Аттестованные характеристики СО состава массовой доли ПХДД/ПХДФ в животном жире Table 5. Certified values (Mass fraction and Extended Uncertainty) of CRM of PCDD/PCDF in animal fat
Конгенер Аттестованные характеристики, нг/кг
ОХДД 1,96±0,13
ПХДД/ПХДФ и уникальный конгенерный профиль токсичных компонентов, который не типичен для на-тивных матриц.
С этой точки зрения особого внимания заслуживают результаты измерений ПХДД/ПХДФ в печени северных оленей - в пробах было обнаружено присутствие ПХДД/
ПХДФ в заметных количествах, при этом распределение токсичных конгенеров в целом воспроизводит конгенерный профиль компонентов в материале СО.
В таблице 6 приведены результаты измерений ПХДД/ПХДФ в одной из объединённых проб печени оленей (проба № 5-2), а также обобщены данные анаТаблица 6. Массовая доля ПХДД/ПХДФ в печени северных оленей Table 6. Mass fraction of PCDD/PCDF in reindeer liver
Конгенер Массовая доля, нг/кг жира
Проба № 5-2 Пробы (печень оленя)
ОХДД < 5,0 < 5,0-20
ОХДФ < 5,0 < 5,0-15
Прочие ТХДД < 0,5* < 0,5*
Прочие ПеХДД < 0,5* < 0,5*
Прочие ГкХДД < 1,0* < 1,0*
Прочие ГпХДД < 2,0* < 2,0*
Прочие ТХДФ < 0,5* < 0,5*
Прочие ПеХДФ < 0,5* < 0,5*
Прочие ГкХДФ < 1,0* < 1,0*
Прочие ГпХДФ < 2,0* < 2,0*
* - приведены значения нижней границы диапазона измерений [7] для индивидуальных конгенеров
лизов более 50 аналогичных проб, полученные в рамках выполнения рутинных измерений в лаборатории ХАЦ «Арбитраж» ВНИИМ за период с 2017 г. по 2019 г.
Как видно из данных табл. 4, в исследованных образцах:
- конгенеры группы ПХДД практически отсутствуют или содержатся в малых количествах;
- конгенеры группы ПХДФ (2,3,4,7,8-ПентаХДФ, 1,2,3,4,7,8-ГексаХДФ, 1,2,3,6,7,8-ГексаХДФ, 2,3,4,6,7,8-ГексаХДФ и 1,2,3,4,6,7,8-ГептаХДФ) присутствуют в существенных количествах;
- конгенер 2,3,4,7,8-ПентаХДФ вносит наибольший вклад в суммарную токсичность пробы;
- прочие (нетоксичные) конгенеры групп ПХДД и ПХДФ не были зафиксированы на уровне нижней границы диапазона измерений.
Описанный тип загрязнения соединениями группы ПХДД/ПХДФ является крайне специфичным и при этом характерным для животных, обитающих в северных районах. В процессе исследований печени и молока северных оленей, проведенных на территории Российской Федерации и других стран (Финляндии, Норвегии, Дании) [9-12], были получены аналогичные результаты. Таким образом, разработанный СО состава массовой доли полихло-рированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в животном жире отражает реально существующий нативный характер загрязнения биологических матриц и пищевых продуктов.
Разработанный СО пригоден для верификации и ва-лидации соответствующих методик измерений, например [7, 8, 13], а также контроля качества результатов измерений 17 токсичных конгенеров ПХДД/ПХДФ в широком диапазоне массовых долей.
Благодаря использованию метода ГХ-МС/МС были улучшены метрологические характеристики СО - уточнены аттестованные значения для конгенеров группы ПХДФ, определены аттестованные значения для конгенеров группы ПХДД, а также уменьшена расширенная неопределенность аттестованных характеристик.
Заключение
Проведен полный комплекс дополнительных исследований материала СО состава массовой доли ПХДД/ ПХДФ в животном жире методом ГХ-МС/МС с целью утверждения типа. Расширены и уточнены метрологические характеристики разработанного стандартного образца массовой доли диоксинов в животном жире.
Разработанный СО обеспечивает возможность выполнения верификации и валидации методик измерений, а также контроль качества результатов измерений токсичных конгенеров ПХДД/ПХДФ в жировых матрицах.
Подготовлен пакет документов для проведения испытаний с целью утверждения нового типа СО и внесения СО в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.
Благодарность
Авторы выражают глубокую благодарность сотруднику ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» - Ткаченко Ирине Юрьевне за помощь в подготовке всей необходимой документации.
Вклад соавторов:
Крылов А. И.: общее руководство проведением исследований, редакция текста статьи.
Михеева А. Ю.: обсуждение и анализ экспериментальных данных, редакция текста статьи.
Будко А. Г.: получение и анализ экспериментальных данных, сбор литературных данных, подготовка первоначального варианта статьи.
Конфликт интересов:
Автор Крылов А. И. является членом редакционного совета журнала.
REFERENCE
I Р.ЯТ1
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Крылов Анатолий Иванович - д. хим. наук, руководитель отдела госэталонов в области органического и неорганического анализа ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». Российская Федерация, 190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 19. e-mail: akrylov@b10.vniim.ru
Михеева Алена Юрьевна - канд. хим. наук, ведущий научный
сотрудник ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».
Российская Федерация, 190005,
г. Санкт-Петербург, Московский пр., 19.
e-mail: may@b10.vniim.ru
ResearcherlD B-6506-2019
Будко Александра Германовна - научный сотрудник ФГУП
«ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».
Российская Федерация, 190005,
г. Санкт-Петербург, Московский пр., 19.
e-mail: aa@b10.vniim.ru
ORCID0000-0002-4288-2916
ResearcherlD 0-8550-2018
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Anatoliy I. Krylov - Dr. Sci. (Chem.), head of the department for state measurement standards in the field of organic and inorganic analysis D. I. Mendeleyev Institute for Metrology. 19 Moskovskiy ave., St. Petersburg 190005, Russian Federation e-mail: akrylov@b10.vniim.ru
Alena Y. Mikheeva - PhD (Chem.), leading researcher,
D. I. Mendeleyev Institute for Metrology (VNIIM).
e-mail: may@b10.vniim.ru
ResearcherID B-6506-2019
Alexandra G. Budko - researcher, D. I. Mendeleyev Institute for
Metrology (VNIIM).
e-mail: aa@b10.vniim.ru
ORCID0000-0002-4288-2916
ResearcherID O-8550-2018