project

Non-target screening: kwantitatief en op tijd

Expert(s):
Frederic Béen PhD, dr. Andrea Mizzi Brunner, Dennis Vughs MSc

  • Startdatum
    01 jan 2020
  • Einddatum
    31 dec 2021
  • Opdrachtgever
    Bedrijfstakonderzoek
  • samenwerkingspartner(s)
    Anneli Kruve, Lubertus Bijlsma, Nikiforos Alygizakis

Hoe weet je of water veilig is om te drinken? Daarvoor moeten we weten welke stoffen er allemaal in het water zitten, en in welke concentraties. Om dat te bepalen werden watermonsters lange tijd doelgericht onderzocht op de aanwezigheid van bepaalde specifieke stoffen: target screening (doelstofanalyse). Dat type analyse is inmiddels verbreed naar non-target screening (NTS). Met NTS wordt een watermonster onderzocht op iedere chromatografisch scheidbare en ioniseerbare stof. Dit wordt gedaan met behulp van elektrospray-ionisatie (ESI), een massaspectrometrische techniek, in combinatie met vloeistofchromatografie (liquid chromatography – electrospray ionization – high resolution mass spectrometry, afgekort LC-ESI-HRMS). Met de NTS-aanpak kunnen in een watermonster meer vervuilende organische micro-deeltjes (organic micro-pollutants, of OMP’s) worden gedetecteerd dan met target screening (Hollender et al., 2017).

Tot nu toe kunnen specifieke stoffen echter niet gemakkelijk worden geïdentificeerd uit de NTS-data. Dat komt doordat het chemische spectrum aan mogelijke stoffen groot is. Bovendien is massaspectrometrie op zich geen kwantitatieve methode; door de verschillen in ioniserings-efficiëntie van de afzonderlijke stoffen kan de MS signaalintensiteit van een bepaalde stof niet direct worden vertaald in een concentratie. Daarom worden OMP’s vooralsnog gekwantificeerd op basis van referentiestandaarden. Dit project pakt beide problemen aan en verkleint daarmee de kloof tussen target screening en non-target screening. Met dit project willen we 1) de identificatie van stoffen met NTS gebaseerd op LC-HRMS verbeteren door mogelijk verdachte stoffen (suspects) te filteren op basis van indexen voor de retentietijd, en 2) gedetecteerde suspects kwantificeren zonder daarvoor referentiestandaarden te gebruiken.

Verbetering en uitbreiding van NTS-workflows voor identificatie van waterverontreiniging

LC-HRMS kan target screening- en non-target screening-analyses combineren mits de chromatografische piek betrouwbaar en kwantitatief kan worden vastgesteld. In het voorgestelde project zal naar dat doel worden toegewerkt door de bestaande NTS-workflows te verbeteren en te verbreden (figuur 1).

Schematics of non-target screening based identification and quantification

Figuur 1) Identificatie en kwantificering schema op basis van niet-doelscreening

Meer betrouwbare identificatie met retentietijd-indexen en kwantificatie zonder referentiestandaarden

Filtering van suspects op basis van hun chromatografische retentietijd (Activiteit 1) kan zorgen voor: veel minder suspects; lagere false positive rates; en een betrouwbaarder feature-identificatie. Met dat doel voor ogen zullen in het project algoritmen voor de indexen voor de retentietijd (retention time indices, of RTI) met elkaar worden vergeleken en zal door middel van experimenten worden bepaald hoe goed deze voldoen. Op basis daarvan wordt dan een optimale index voor de retentietijd bepaald. De geselecteerde index zal worden toegepast in bestaande NTS-workflows. Met een RTI kunnen laboratoria ook beter onderling gegevens uitwisselen.

Voor antropogene (door de mens gemaakte) organische chemicaliën geldt in Nederland voor drinkwaterbronnen een drempelwaarde van één microgram per liter (1 µg/L). Dat betekent dat de intensiteit van een NTS-feature moet worden vertaald in een concentratie. In dit project zullen de concentraties van suspects worden gekwantificeerd zonder daarbij gebruik te hoeven maken van standaarden. In plaats daarvan wordt de concentratie bepaald op basis van de ioniserings-efficiëntie volgens de methode van Kruve et al. (Activiteit 2). Kruve en collega’s onderzochten hoe de ioniserings-efficiëntie wordt beïnvloed door: de structuur van een stof; de eluens (dat wil zeggen: de loopvloeistof in de vloeistofchromatografie) die wordt gebruikt in de analyse; de monstermatrix; en het voor de analyse gebruikte instrument (Liigand et al., 2014; Liigand et al., 2017; Ojakivi et al., 2018). In het algemeen blijken sterker waterafstotende en meer basale stoffen een hogere respons te vertonen in de positieve ESI-modus. Een hogere mate van organisch oplosmiddel en een lagere pH-waarde leiden tot een hogere ioniserings-efficiëntie en daarmee een hogere respons in de positieve ESI/MS-modus. Bovendien kunnen de waarden voor de ioniserings-efficiëntie die met een bepaald instrument zijn gemeten met behulp van 5-6 gemeenschappelijk voorkomende stoffen worden overgedragen naar andere instrumenten (Liigand et al., 2015). Aan de hand van deze uitkomsten ontwikkelden Kruve en collega’s met behulp van machine-learning een universele methode om NTS-features te kwantificeren op basis van de ioniserings-efficiëntie (figuur 2). Wij zullen in dit onderzoek samenwerken met dr. Kruve en de door dr. Kruve en collega’s ontwikkelde methode ook toepassen op watermatrixmonsters en op C18, HILIC en ‘mixed mode’- chromatografieën.

Verbeterde monitoring van de waterkwaliteit is van cruciaal belang voor op risico gebaseerde monitoringsstrategieën

Met het voorgestelde project worden bestaande tekortkomingen van NTS aangepakt. Daarmee levert dit project een belangrijke bijdrage aan het monitoren van de chemische waterkwaliteit en aan op risico gebaseerde monitoringsstrategieën. Ook vormt dit project een aanvulling op de Nederlandse Technische Afspraak (NTA) ‘Richtlijn voor non-target screening voor organische stoffen van watermonsters met chromatografie en massaspectrometrie’) die momenteel wordt opgesteld in samenwerking met de drinkwaterlaboratoria en het Nederlands Normalisatie Instituut (NEN).

Als onderdeel van de disseminatie zullen manuscripten over de resultaten van activiteit 1 en 2 worden opgesteld voor wetenschappelijke publicatie. Om de implementatie in de drinkwaterlaboratoria te vergemakkelijken, zal een workshop worden gehouden over de Kruve-methode en RTI-indices, en zullen de ontwikkelde tools waar mogelijk worden toegevoegd aan bestaande NTS-workflows.