Desarrollo de metodología analítica para la determinación de contaminantes basada en el cálculo por deconvolución de perfiles isotópicos

El análisis por dilución isotópica y espectrometría de masas (IDMS) es reconocido como una de las técnicas más potentes para obtener resultados altamente fiables y de gran calidad metrológica en el campo de la química analítica. IDMS destaca como la forma de cuantificación más adecuada ante determinaciones realizadas en matrices de alta complejidad, siendo por ello ampliamente utilizado durante el acoplamiento de las técnicas de cromatografía a la espectrometría de masas. Además IDMS también permite corregir variaciones de la señal en el detector así como las interconversiones o pérdidas de analito durante todo el tratamiento de muestra. IDMS permite, por tanto, corregir problemas que pueden aparecer a lo largo de todo el proceso analítico. La presente tesis versa sobre el desarrollo de metodología analítica basada en IDMS haciendo uso de la herramienta matemática de Deconvolución de Perfiles Isotópicos (IPD) para la cuantificación de los analitos. A pesar de que este tipo de cuantificación evita el uso de curvas de calibrado metodológico y permite el solapamiento espectral entre compuestos de composición natural y enriquecidos, su aplicación en métodos de rutina todavía se encuentra en pleno desarrollo. La técnica IPD permite la cuantificación mediante una sola inyección, reduciendo de forma considerable el tiempo total de análisis. En todas las metodologías desarrolladas a lo largo de esta tesis se ha hecho uso del acoplamiento de la cromatografía líquida a la espectrometría de masas, ya sea simple o en tándem. Para ello se han seleccionado distintas combinaciones matriz-analito en determinaciones con conocida dificultad analítica, tanto de naturaleza inorgánica como orgánica. El trabajo realizado se ha estructurado en tres bloques. En el primero, se ha desarrollado un método para la cuantificación de cromo hexavalente (Cr(VI)) en suelos y otras muestras sólidas de índole medioambiental, mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (LC-ICP-MS). El segundo bloque se centra en la determinación de alquilfenoles (nonilfenol y octilfenol) y del bisfenol A en distintas muestras de agua. Para asegurar la ausencia de efectos isotópicos, o distinto comportamiento entre compuestos naturales y sus análogos marcados isotópicamente, se han sintetizado sus correspondientes patrones internos con un solo carbono-13: el 13C1-nonilfenol y el 13C1-octilfenol. Para finalizar, en el último bloque se ha evaluado el efecto matriz en las cuantificaciones mediante LC-MS. Se ha utilizado como caso de estudio la determinación de micotoxinas en piensos y especias, matrices con conocido efecto matriz y se han ensayado diversas formas de calibrado que lo corrigen, entre ellas IPD. Tal y como se ha comentado anteriormente, el primer bloque incluye el desarrollo de un método para la correcta determinación de Cr(VI) en muestras sólidas medioambientales, principalmente suelos. Para ello se utilizaron dos trazadores isotópicos, el 50Cr(VI) y el 53Cr(III), con el propósito de poder estudiar y corregir las interconversiones entre ambas especies. El grueso de la investigación fue la optimización de la etapa de extracción. Se alcanzaron resultados cuantitativos para el Cr(VI) en sólo 10 minutos mediante microondas focalizadas, utilizando como extractante una solución 50 mmol/L de ácido etiliendiaminotetraacétido (EDTA) a pH 10. El tratamiento de muestra fue simplificado respecto a trabajos anteriores ya que una dilución 1:10 de la solución anterior fue empleada como fase móvil y el Cr(III) fue estabilizado. Además, la formación de Cr(III)-EDTA- permitió separar el Cr(III) cromatográficamente del Cr(VI) (presente como CrO42-) mediante cromatografía de intercambio aniónico. Para garantizar los resultados obtenidos el estudio fue realizado sobre los materiales de referencia certificados NIST 2700 y NIST 2701 (suelos contaminados por Cr(VI) a dos niveles de concentración). La metodología propuesta evita la oxidación del Cr(III) en los dos materiales de referencia estudiados, no siendo por tanto necesario el uso de dos trazadores y pudiéndose emplear sólo el de Cr(VI) en futuras aplicaciones del método optimizado. Tras aplicar la metodología de IPD en su contexto habitual, el análisis elemental, a partir del segundo bloque se inicia su aplicación al campo de análisis de compuestos orgánicos. Así, el segundo bloque se enmarca en el campo de los compuestos disruptores endocrinos a través de su cuantification en aguas mediante IDMS e IPD. Para ello, en un primer momento se llevó a cabo la síntesis, caracterización y aplicación de trazadores enriquecidos isotópicamente con un solo 13C, con el objetivo de asegurar la ausencia de efectos isotópicos. A tal efecto, el 13C1-nonilfenol fue sintetizado en un primer trabajo y el 13C1-octilfenol en el segundo trabajo, en el que fueron utilizados conjuntamente. En un tercer trabajo se utilizaron los dos compuestos anteriores junto al 13C12-bisfenol A, para cuantificar a sus análogos de composición isotópica natural. Estos tres trabajos tienen en común el uso de la cromatografía líquida de ultra alta resolución, acoplada a la espectrometría de masas en tándem (UHPLC-MS/MS (QqQ)) para llevar a cabo la cuantificación de los compuestos. Los analitos seleccionados, los alquilfenoles y el bisfenol A, fueron determinados en aguas embotelladas, residuales y superficiales. Cabe destacar las estrictas medidas necesarias para evitar la contaminación durante el tratamiento de muestra y análisis, sobre todo en el caso del nonilfenol. En el primer trabajo de este bloque, el isómero sintetizado, el 13C1-4-(3,6-dimetil-3-heptil)fenol (13C1-NP), se utilizó para cuantificar la mezcla técnica de nonilfenol en aguas, tras una extracción previa y preconcentración mediante cartuchos de extracción en fase sólida (SPE). La cuantificación basada en IPD y marcaje isotópico mínimo fue comparada con el uso de un patrón interno habitual en este tipo de análisis, la forma lineal de nonilfenol (n-nonilfenol). Las cuantificaciones realizadas con el patrón interno n-nonilfenol aportaron resultados significativamente superiores a los reales. Sin embargo, los valores para los ensayos de recuperación por IPD con 13C1-NP estuvieron entre el 83 y el 108% con coeficientes de variación entre el 1.5 y el 9%. En el segundo trabajo de este bloque se utilizaron ambos trazadores isotópicos sintetizados, el 13C1-NP y el 13C1-4-tertoctilfenol (13C1-OP). A diferencia del trabajo anterior, se apostó por una técnica de extracción más novedosa, la microextracción en fase líquida utilizando fibras huecas como soporte de la fase aceptora (HF-LPME). Tras la optimización, la extracción se realizó durante 30 minutos, utilizando octanol como fase aceptora de los analitos. En comparación con otras técnicas como la SPE, la HF-LPME reduce los costes por extracción a unos pocos céntimos por fibra y el volumen de disolventes orgánicos necesario a unos pocos microlítros. Durante su validación, se alcanzaron límites de cuantificación de 0,1 µg/L y recuperaciones entre el 97 y el 109% para ambos compuestos. En el último trabajo incluido en este bloque se desarrollaron dos métodos de extracción para la determinación conjunta de bisfenol A (BPA), octilfenol y nonilfenol en aguas de consumo y medioambientales. En este caso, el análogo marcado utilizado fue el 13C12-BPA, adquirido de forma comercial. Por una parte, se optimizó la extracción por SPE utilizando cartuchos de tipo C18. Por otra, se optimizó la extracción mediante el uso de HF-LPME. Ambas metodologías fueron comparadas en términos de precisión, coste, facilidad de uso, tiempo y uso de disolventes. Como en trabajos anteriores, los límites de cuantificación para los alquilfenoles alcanzados fueron 0,1 µg/L mientras que el caso del bisphenol tuvo que ser elevado a 0,5 µg/L por cuestiones de sensibilidad y precisión durante las medidas. El tercer y último bloque aborda el problema del efecto matriz en el análisis de micotoxinas mediante fuente de ionización electrospray en determinaciones por LC-MS/MS. Para ello, se extiende la cuantificación por IPD hasta 9 micotoxinas, ya que sus análogos marcados isotópicamente con todos los 12C sustituidos por 13C se encontraban disponibles de forma comercial. El estudio fue llevado a cabo en matrices con alta complejidad, incluyendo especias y piensos. En una primera aproximación se estudió la corrección del efecto matriz mediante la monitorización continua de un compuesto introducido de forma constante junto a la fase móvil, aunque sin obtener resultados satisfactorios. También se estudió el efecto matriz mediante la fortificación de los extractos tras la etapa de extracción. En una segunda parte del estudio se realizó de forma simultánea la cuantificación mediante 5 aproximaciones distintas: adiciones estándar con un punto y con calibrado, calibrado utilizando patrones internos marcados isotópicamente, así como dos formas de calcular con un solo punto las concentraciones: IPD y el calibrado interno isotópico (OPIC). En general, los valores de recuperaciones fueron adecuados en todas las aproximaciones excepto en los casos de IPD y OPIC para las fumonisinas y de adiciones estándar con un solo punto si la adición era demasiado próxima a la concentración de la muestra. Se observó que en el caso de que los patrones internos marcados isotópicamente no estuvieran disponibles, el uso de adiciones estándar a un solo nivel, suficientemente elevado dentro de un rango, ofrecía los mejores resultados.</p

Recertification of 25-hydroxyvitamin D standards by Isotope Pattern Deconvolution (IPD)

Vitamin D (VTD) is an important prohormone widely known since its deficiency is directly related to development of rickets in children and osteoporosis in adults. Furthermore, recent studies have demonstrated that vitamin D has also an important role in non-skeletal conditions such as autoimmune diseases, cardiovascular diseases and cancer, among others. This vitamin can be found in two main forms: vitamin D2 and vitamin D3. The metabolism of both forms of vitamin D are subjected to a first hydroxylation in the liver to form 25-hydroxyvitamin D (25(OH)D) and then to a second one in the kidney to form 1,25-dihydroxyvitamin D (1,25(OH)2D), the active form of vitamin D. Nevertheless, the measurement of 25(OH)D in serum samples is preferred test for the assessment of vitamin D status over the 1,25(OH)2D. There are two main reasons for this choice: the longer lifetime (3 weeks versus 4 h) and its higher concentration levels (ng/mL versus pg/mL)[2]. Over the last years, a dramatic rise in vitamin D testing (as 25(OH)D) has been observed, due to two main reasons: the increased number of patients with VTD deficiency and the increase of the role of VTD as a biomarker related to several diseases. In this work we propose a recertification approach for 25(OH)D2/D3 solvent standards based on Isotope Pattern Deconvolution (IPD) using NIST SRM 2972 as reference material. This approach could help to meet the requirements for external standardization criteria using in-house calibration curves

Fast methodology for the reliable determination of nonylphenol in water samples by minimal labeling isotope dilution mass spectrometry

In this work we have developed and validated an accurate and fast methodology for the determination of 4-nonylphenol (technical mixture) in complex matrix water samples by UHPLC–ESI-MS/MS. The procedure is based on isotope dilution mass spectrometry (IDMS) in combination with isotope pattern deconvolution (IPD), which provides the concentration of the analyte directly from the spiked sample without requiring any methodological calibration graph. To avoid any possible isotopic effect during the analytical procedure the in-house synthesized 13C1-4-(3,6-dimethyl-3-heptyl)phenol was used as labeled compound. This proposed surrogate was able to compensate the matrix effect even from wastewater samples. A SPE pre-concentration step together with exhaustive efforts to avoid contamination were included to reach the signal-to-noise ratio necessary to detect the endogenous concentrations present in environmental samples. Calculations were performed acquiring only three transitions, achieving limits of detection lower than 100 ng/g for all water matrix assayed. Recoveries within 83–108% and coefficients of variation ranging from 1.5% to 9% were obtained. On the contrary a considerable overestimation was obtained with the most usual classical calibration procedure using 4-n-nonylphenol as internal standard, demonstrating the suitability of the minimal labeling approach

Comparison of approaches to deal with matrix effects in LC-MS/MS based determinations of mycotoxins in food and feed

This study deals with one of the major concerns in mycotoxin determinations: the matrix effect related to LC-MS/ MS systems with electrospray ionization sources. To this end, in a first approach, the matrix effect has been evaluated in two ways: monitoring the signal of a compound (added to the mobile phase) during the entire chromatographicrun, and by classical post-extraction addition. The study was focused on nine selected mycotoxins: aflatoxin B1, fumonisins B1, B2 and B3, ochratoxin A, deoxynivalenol, T-2 and HT-2 toxins and zearalenone in various sample extracts giving moderate to strong matrix effects (maize, compound feed, straw, spices). Although the permanent monitoring of a compound provided a qualitative way of evaluating the matrix effects at each retention time, we concluded that it was not adequate as a quantitative approach to correct for the matrix effect. Matrix effects measured by post-extraction addition showed that the strongest ion suppression occurred for the spices (up to -89%). Five different calibration approaches to compensate for matrix effects were compared: multi-level external calibration using isotopically labelled internal standards, multi-level and single level standard addition, and two ways of singlepoint internal calibration: one point isotopic internal calibration and isotope pattern deconvolution. In general, recoveries and precision meeting the European Union requirements could be achieved with all approaches, with the exception of the single level standard addition at levels too close to the concentration in the sample. When an isotopically labelled internal standard is not available, single-level standard addition is the most efficient option.The Dutch Ministry of Economic Affairs is acknowledged for financially supporting this work. The authors acknowledge the financial support from Generalitat Valenciana (Research group of excellence Prometeo 2009/054 and Collaborative Research on Environment and Food Safety ISIC/2012/016). N. Fabregat-Cabello also acknowledges the Generalitat Valenciana for her Ph.D. research grant under the Program VALi+D

Rapid screening of arsenic species in urine from exposed human by inductively coupled plasma mass spectrometry with germanium as internal standard

In the present work, internal standardization based on species-unspecific isotope dilution analysis technique is proposed in order to overcome the matrix effects and signal drift originated in the speciation of As in urine by HPLC-ICP-MS. To this end, 72Ge has been selected as a pseudo-isotope of As. The resulting mass flow chromatogram of the element allows the calculation of the corrected overall species concentrations without requiring any methodological calibration, providing high-throughput sample processing. The validation was carried out by analyzing a blank human urine fortified at three concentration levels and an unspiked human urine sample containing different species of arsenic. In all cases, recoveries ranging from 90 to 115% and RSD below 10% were attained with this approach. Furthermore, the proposed method provided results in excellent agreement with those obtained using standard additions and internal standard calibration, allowing a fast way to assess human exposure to arsenic species

Assessment of vitamin D status - a changing landscape.

peer reviewedIn recent years it has been shown that vitamin D deficiency is associated with an increased incidence as well as the progression of a broad range of diseases including osteoporosis, rickets, cardiovascular disease, autoimmune disease, multiple sclerosis and cancer. Consequently, requests for the assessment of vitamin D status have increased dramatically. Despite significant progress in the analysis of vitamin D metabolites and an expansion of our pathophysiological knowledge of vitamin D, the assessment of vitamin D status remains a challenging and partially unresolved issue. Current guidelines from scientific bodies recommend the measurement of 25-hydroxy vitamin D (25-OHD) in blood as the preferred test. However, growing evidence indicates significant limitations of this test, including analytical aspects and interpretation of results. In addition, the relationships between 25-OHD and various clinical indices, such as bone mineral density and fracture risk, are rather weak and not consistent across races. Recent studies have systematically investigated new markers of vitamin D status including the vitamin D metabolite ratio (VMR) (ratio between 25-OHD and 24,25-dihydroxy vitamin D), bioavailable 25-OHD [25-OHD not bound to vitamin D binding protein (DBP)], and free 25-OHD [circulating 25-OHD bound to neither DBP nor albumin (ALB)]. These parameters may potentially change how we will assess vitamin D status in the future. Although these new biomarkers have expanded our knowledge about vitamin D metabolism, a range of unresolved issues regarding their measurement and the interpretation of results prevent their use in daily practice. It can be expected that some of these issues will be overcome in the near future so that they may be considered for routine use (at least in specialized centers). In addition, genetic studies have revealed several polymorphisms in key proteins of vitamin D metabolism that affect the circulating concentrations of vitamin D metabolites. The affected proteins include DBP, 7-dehydrocholesterol synthase and the vitamin D receptor (VDR). Here we aim to review existing knowledge regarding the biochemistry, physiology and measurement of vitamin D. We will also provide an overview of current and emerging biomarkers for the assessment of vitamin D status, with particular attention methodological aspects and their usefulness in clinical practice

Evaluation of uncertainty sources in the determination of testosterone in urine by calibration-based and isotope dilution quantification using ultra high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry

Three quantification methodologies, namely calibration with internal standard (Cal-IS, non-weighted), weighted calibration with internal standard (wCal-IS) and isotope pattern deconvolution (IPD) have been used for the determination of testosterone in urine by LC-MS/MS. Uncertainty has been calculated and compared for the three methodologies through intra- and inter-laboratory reproducibility assays. IPD showed the best performance for the intra-laboratory reproducibility, with RSD and combined uncertainty values below 4% and 9% respectively. wCal-IS showed similar performance, while Cal-IS where not constant and clearly worse at the lowest concentration assayed (2 ng/mL) reaching RSD values up to 16%. The inter-laboratory assay indicated similar results although wCal-IS RSD (20%) was higher than IPD (10%) and Cal-IS get worse with RSD higher than 40% for the lowest concentration level. Uncertainty budgets calculated for the three procedures revealed that intercept and slope were the most important factors contributing to uncertainty for Cal-IS. The main factors for wCal-IS and IPD were the volumes of sample and/or standard measured.The authors acknowledge financial support from the Generalitat Valenciana (Research group of excellence Prometeo II 2014/023 and Collaborative Research on Environment and Food Safety ISIC/2012/016), as well as University Jaume I for project PB1-1B2013-55. Finally, the authors are grateful to the Serveis Centrals d'Instrumentació Científica (SCIC) of University Jaume I for using Acquity and TQD instruments

Quantification of serum androstanediol glucuronide

Validation of the method by LCMSM

Dealing with small sample volumes and analyte levels: the case of vitamin D metabolites in aqueous humor

Vitamin D is a very well known prohormone that plays a crucial role in the regulation of calcium and phosphate homeostasis, together with rickets and osteomalacia prevention. Recently a relationship between the levels of vitamin D in serum and the presence of primary open angle glaucoma has also been demonstrated (Goncalves et al. 2015). A major risk factor in this affection is the increase of the intraocular pressure due to aqueous humor draining blockage. However, the screening of the status of vitamin D metabolites in the aqueous humor has not been performed yet. As a consequence our objective was to developed a method for the determination of the main metabolites of vitamin D (including 24,25(OH)2D2/D3 and 25(OH)D2/D3) in aqueous humor by LC-MS/MS. The main challenges derived from this method development are related to two main drawbacks: the limited sample volume and the low levels of analytes expected. On the one hand, since the aqueous humor is extracted during the cataract surgery, only a few microliters can be drawn, and this can be performed only once. Besides, an initial screening of the normal levels in samples has shown very low levels in patient samples (from low ng/mL to pg/mL). This leads to the worst case scenario: an extremely low absolute amount of analite available to be measured within the system. In order to overcome these problems, the proposed sample preparation is based on a simple liquid-liquid extraction followed by derivatization with the commercially available reagent Amplifex®. This has permitted to reach these extremely low levels with an accurate sample preparation. The proposed methodology is under validation process

Development and validation of a liquid chromatography isotope dilution mass spectrometry method for the reliable quantificationof alkylphenols in environmental water samples by isotopepattern deconvolution

We present here a new measurement method for the rapid extraction and accurate quantification of technical nonylphenol (NP) and 4-t-octylphenol (OP) in complex matrix water samples by UHPLC-ESI-MS/MS. The extraction of both compounds is achieved in 30min by means of hollow fiber liquid phase microextraction (HF-LPME) using 1-octanol as acceptor phase, which provides an enrichment (preconcentration) factor of 800. On the other hand we have developed a quantification method based on isotope dilution mass spectrometry (IDMS) and singly (13)C1-labeled compounds. To this end the minimal labeled (13)C1-4-(3,6-dimethyl-3-heptyl)-phenol and (13)C1-t-octylphenol isomers were synthesized, which coelute with the natural compounds and allows the compensation of the matrix effect. The quantification was carried out by using isotope pattern deconvolution (IPD), which permits to obtain the concentration of both compounds without the need to build any calibration graph, reducing the total analysis time. The combination of both extraction and determination techniques have allowed to validate for the first time a HF-LPME methodology at the required levels by legislation achieving limits of quantification of 0.1ngmL(-1) and recoveries within 97-109%. Due to the low cost of HF-LPME and total time consumption, this methodology is ready for implementation in routine analytical laboratories