Determinarea compușilor organici în analiza alimentelor are o importanță majoră pentru aspectele legate de calitatea și siguranța alimentelor. Atât separarea analitului de potențialele inferențe din matricea alimentară, cât și determinarea calitativă și cantitativă a compusului-țintă, sunt etape vitale în chimia analitică a alimentelor.
Definiție
Cromatografia lichidă (LC, aici High Performance LC – HPLC) este o tehnică de separare fizică pentru analiza urmelor. Ea se bazează pe interacțiunea unui analit cu o fază staționară (coloană cu particule) și o fază mobilă (eluent lichid sau un amestec de eluenți). Spectrometria de masă (MS) este instrumentul analitic de măsurare a compoziției unei probe. SM generează informații utile despre greutatea moleculară și structura analiților și ajută la elucidarea compușilor necunoscuți.
Combinația, LC/MS, LC-MS este o tehnică puternică, datorită sensibilității sale foarte ridicate (până în intervalul ppt) și specificității. În domeniul analizei urmelor organice, MS este folosită pentru multe aplicații, dar, spre deosebire de GC/MS (Gas Chromatography, coupled with Mass Spectrometry), este dedicată analizei probelor care conțin ținte analitice nevolatile, de obicei cu o masă între 200 – 800u, care sunt labile termic, prezintă o polaritate ridicată sau au o masă moleculară mare.
Webinar: Strategia de prevenire a fraudei alimentare – o perspectivă globală asupra testării, monitorizării și verificării
Acest webinar discută rolul pe care testele de autenticitate alimentară îl pot juca într-o strategie de prevenire a fraudei alimentare. De asemenea, subliniază necesitatea unei viziuni holistice care să includă identificarea riscurilor, implementarea unui plan de prevenire a fraudei alimentare, gestionarea lanțului de aprovizionare, cultura de excelență în materie de siguranță alimentară a companiei și testele de laborator.
Înregistrează-te acum
Principiul de lucru
În principiu, un dispozitiv LC/MS trebuie să efectueze cele patru etape de lucru, inclusiv:
- Separarea cromatografică a analiților cu ajutorul unei coloane de separare
- Ionizarea analitului
- Isolarea ionilor și
- Identificarea ionilor
În general, nu este banal să se interfațeze un sistem HPLC cu un spectrometru de masă, deoarece dificultatea constă în transformarea unui solut în ion în fază gazoasă. Provocarea constă în a scăpa de solvent, menținând în același timp un nivel de vid adecvat în spectrometrul de masă și în a genera ionii în fază gazoasă. Prin urmare, componentele care se eluează din coloana cromatografică sunt introduse în spectrometrul de masă printr-o interfață specializată.
Cele mai utilizate două sisteme de interfață de ionizare, ionizarea chimică la presiune atmosferică (APCI) și ionizarea prin electrospray (ESI), sunt alese în funcție de proprietățile fizico-chimice ale analiților (de exemplu, polaritatea și aciditatea). Ionizarea are loc la presiune atmosferică și ambele sunt considerate a fi o metodă de ionizare blândă, adică spectrul de masă furnizează în principal informații privind greutatea moleculară, cu excepția cazului în care se utilizează tehnici de fragmentare.
Din moment ce compușii se co-eluzionează parțial din sistemul cromatografic, atribuirea clară a fragmentelor individuale nu poate fi realizată utilizând doar LC-MS, unde sunt disponibile doar masele ionilor moleculari. Pentru a depăși această problemă, în prezent se utilizează în principal spectrometria de masă în tandem (MS/MS), care implică mai multe etape de selecție sau analiză a maselor (LC/MS/MS sau LC/MSn). Aceste sisteme sunt capabile să determine reziduuri în intervalul inferior de ppt. Pentru calificarea moleculelor organice, este necesară o configurație tehnică MS diferită. O posibilă abordare pentru calificare este utilizarea unui SM care generează ioni, îi conduce la o capcană ionică liniară și apoi îi stochează într-un câmp de radiofrecvență. Ulterior, diferite posibilități tehnice permit calificarea ionilor și, prin urmare, a compusului necunoscut.
Aplicații
De la introducerea sa în analiza de rutină în urmă cu aproximativ zece ani, LC/MS s-a impus în majoritatea domeniilor chimiei analitice, de exemplu controlul calității, cercetarea fundamentală și aplicată și controlul guvernamental.
Următoarele exemple oferă o scurtă prezentare:
a) Farmacie
- Studii farmacocinetice ale produselor farmaceutice, de ex. procese de degradare a medicamentelor
- Dezvoltarea medicamentelor, de ex. identificarea metaboliților sau identificarea impurităților
b) Biologie moleculară
- Proteomică, de ex. studiul pe scară largă al proteinelor, în special al structurilor și funcțiilor acestora
- Metabolomică, de ex.g. determinarea intermediarilor metabolici, a hormonilor și a altor molecule de semnalizare
c) Mediu
- Apă uzată, de ex. compuși endocrini
- Sol, de ex. compuși organometalici
d) Alimente
- Ingredienți, de ex. aminoacizi, lipide
- Contaminanți, de ex. analiza multireziduală a pesticidelor, a toxinelor din fructe de mare, a reziduurilor veterinare, determinarea coloranților, a acrilamidei, analiza microcistinelor
- Produse naturale, de ex. terpeni, steroizi
Tenside fluorurate (PFC) ca exemplu în analiza alimentelor
Context
PFC este un exemplu excelent pentru a combina pregătirea complexă a probelor cu dispozitive LC/MS sofisticate și cunoștințe profunde în domeniul chimiei analitice. Proprietățile unice ale PFT le fac utile într-o serie de produse industriale și comerciale, cum ar fi fluidele de răcire, polimerii și ca și componente în produse farmaceutice și pesticide. În special, carboxilații perfluorurați (de exemplu, PFOA – acid perfluoro-octanoic) și sulfații perfluorurați (de exemplu, PFOS – acid perfluorooctansulfonic) sunt utilizați ca agenți tensioactivi, de exemplu, pentru impregnarea textilelor și a covoarelor, în spumele de combatere a incendiilor și pentru tratamentele de protecție împotriva grăsimilor în industria hârtiei. PFC este produs de peste 50 de ani, iar în prezent este distribuit în întreaga lume. În cazul în care legăturile C-H nu sunt înlocuite în totalitate cu legături C-F, una dintre cele mai puternice legături chimice cunoscute, degradarea este încă posibilă.
Doar PFOA și PFOS sunt evaluate toxicologic (toxicitate cronică și cancerigenă), toți ceilalți compuși omologi, izomeri etc. nu sunt încă evaluați. Din punct de vedere fizic, PFC sunt atât persistenți (adică nedegradabili), cât și mobili (adică se pot leviga din solurile contaminate în apele subterane). Acest lucru reprezintă o amenințare permanentă în contextul captării și/sau condiționării apei potabile. În plus, transferurile de plante introduc acești compuși în lanțul alimentar.
Descoperirea unor niveluri ridicate de contaminare cu PFC în două râuri germane în 2006 a atras interesul publicului față de acești compuși.
Poluarea din 2006 ar fi putut proveni de la nămolul organic, aplicat ca îngrășământ în scopuri agricole. S-a demonstrat că solul conține până la 600 µg PFC/kg, provocând contaminarea apei potabile și a instalațiilor de alimentare. Până în prezent, șapte landuri germane au raportat contaminarea cu PFC.
Fraunhofer IME
Una dintre competențele de bază ale Institutului Fraunhofer pentru Biologie Moleculară și Ecologie Aplicată este dezvoltarea de metode fezabile și fiabile pentru identificarea și analiza contaminanților chimici în matrici alimentare și de mediu.
Din 1999, Fraunhofer IME a desfășurat proiecte pentru a măsura contaminarea cu PFC în diverse matrici de mediu. Aceste lucrări au fost efectuate în numele unor parteneri industriali și s-au concentrat în special pe PFC-carboxilați și PFC-sulfonați. Alte investigații au fost efectuate în numele Programului de monitorizare al Băncii Federale Germane a Specimenelor de Mediu, care a inclus și probe de sânge uman. În 2005, au fost efectuate primele investigații în domeniul produselor alimentare, iar în 2006, rezultatele unor probe alimentare selectate (de exemplu, lapte matern, cartofi prăjiți) au fost, de asemenea, discutate în mass-media. În 2007 au fost realizate proiecte mai mari axate pe transferul de plante, cartofi și produse, matrici umane (sânge și lapte matern), precum și probe de mediu (de exemplu, ape reziduale, nămoluri și sol).
Soluție analitică
Au fost aplicate trei preparate de probe diferite pentru a acoperi toate matricile de probe posibile:
- IPE (extracție cu perechi de ioni). Utilizarea agentului de împerechere ionică hidrogensulfat de tetra-n-butilamoniu urmat de o extracție solidă lichidă (de exemplu, probe de mediu)
- AAE (extracție acidă alcalină). Eliminarea lipidelor cu hexan la pH 14 (soluție lichidă de amoniac), ajustarea la pH 1 cu acid clorhidric și extracția cu terț-butil metil eter (de exemplu, lapte matern)
- SPE (extracție în fază solidă, metoda cea mai citată în prezent) cu cartușe de polaritate diferită în funcție de caracterul ionic al PFC într-un mediu tamponat (de ex.ex. cartof)
Utilizarea de standarde interne pentru calibrare este foarte recomandată; în prezent, metodele noastre includ nouă standarde de PFC marcate în masă. Înainte de a introduce probele în LC/MS, dispozitivul în sine trebuie să fie verificat pentru piesele de schimb acoperite cu teflon, deoarece acestea conțin PFC emițător care va influența rezultatele într-un mod nereproductibil. Aceste piese trebuie să fie înlocuite, ceea ce necesită o cunoaștere superioară a componentelor LC/MS.
Exemplu analitic
Pentru analizele cartofului crud și ale produselor din cartofi, am ajustat LC/MS/MS (HPLC Alliance 2695 cu Quattro Ultima Pt în modul Electrospray negativ, ambele Waters; 150 x 2 mm Luna 3 µm coloană C18(2), Phenomenex) pentru masele țintă a 9 acizi perfluorocarboxilici (C4 – C12) și 3 acizi perfluorosulfonici (C4, C6, C8) utilizând materiale de referință marcate cu 13C (LOQ 0.5 µg/Kg) după o pregătire a probelor SPE.
PFC au prezentat o distribuție diferită în cartofii cruzi și în produsele din cartofi, (tabelul 1), ceea ce permite presupunerea unei contaminări în timpul procesării, precum și a unei contaminări a solului. Acest lucru poate fi susținut de investigațiile noastre din 2006 privind cartofii prăjiți PFC, în care am analizat cartofi prăjiți din restaurantele fast-food și am găsit până la 2,8 µg PFOA/kg și până la 0,9 µg PFOS/kg.
Perspective analitice
Fraunhofer IME are o expertiză și o experiență semnificativă în analiza PFC, care ar putea fi aplicată în multe domenii de contaminare cu PFC din mediul înconjurător/alimentar care nu au fost încă investigate. Domeniile importante pentru viitoarele cercetări în domeniul PFC pot include creșterea numărului de analiți, mulți PFC cu lanț scurt și lung sunt deja incluși în programul nostru de studiu, dar capacitatea noastră analitică ar putea fi îmbunătățită prin includerea unor PFC suplimentari. PFC suplimentari trebuie să fie identificați prin LC/MS, deoarece nu sunt disponibile standarde comerciale. Acest lucru va conduce la constatări consolidate ale precursorilor, ale căilor de contaminare a alimentelor și ale degradării în timpul procesării alimentelor.
