新しい US EPA 暫定健康勧告値に適合するための、飲料水中のペルフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質（PFAS）の超微量検出

ペルフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質（PFAS）は、人、動物、環境に対して毒性があり、残留性が高い、何千種に達する合成化学物質です。これらは人間の健康に悪影響を与え、生体蓄積および生体濃縮するため、生態系への脅威になっています。それでも、その非常に高い安定性、物理的特性、化学的特性により、焦げ付き防止コーティングや防水材料などの、産業用および消費者製品に頻繁に使用されています。

曝露の規制、勧告、または許容値を満足するための十分に低い検出限界を達成するため、注意深く設計および実行されるワークフローを実装する必要があります。これには、分析種濃縮ステップ（例えば固相抽出）、超高速クロマトグラフィー（UPLC™）、高感度質量分析計が含まれます。このアプリケーションノートでは、PFAS 分析用 Oasis™ WAX による固相抽出（SPE）を使用して水サンプルを濃縮するアプローチ、および Waters™ ACQUITY™ Premier UPLC および Xevo™ TQ Absolute 質量分析計で実行する分析について説明します。PFOA、PFOS、PFBS の分析での飲料水の定量限界（LOQ）はそれぞれ 0.001 ng/L で、GenX（HFPO-DA）では 0.004 ng/L でした。これらはすべて、US EPA が 2022 年に更新した暫定健康勧告値（HAL）を十分下回っています。

アプリケーションのメリット

• 飲料水中のわずか 0.001 ng/L の PFAS を検出する新しい US EPA 健康勧告値（HAL）に適合する超微量分析
• PFAS インストールキットを利用することにより、溶媒や LC コンポーネントおよびサンプル中の分析種からの可能性のある PFAS 汚染を低減および分離して、信頼性の高い結果を取得
• 標準試料、消耗品、ハードウェア、ソフトウェア、トレーニング、熟練度試験が含まれている包括的な分析ワークフローソリューションは、ウォーターズから入手可能

ペルフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質（PFAS）は、さまざまな業務用および一般消費者用に使用される合成化学物質です。これらは、極度の化学的安定性と構造の多様性が特徴です。PFAS の用途は、焦げ付き防止コーティングや防水コーティングの工業製造から、化粧品、さらには消火剤の泡での使用にまで及びます。元の化学物質およびその分解生成物は、残留性が高く有毒な汚染物質であり、人、動物、環境に蓄積されます。PFAS は環境中に何十年も存続するため、「永遠の化学物質」とも呼ばれることがあります。

PFAS へのヒトの曝露は、消費者製品、産業塵やハウスダスト、汚染された飲料水からなど、さまざまな方法で発生します。人の健康への悪影響は広範囲であり、調査が続けられています。さらに、PFAS 汚染は生態系に影響し、汚染された土壌や水を改善する必要があるため、コストが発生します。一部の国では、飲用水、地下水、地表水の中のさまざまな PFAS の濃度に、規制限界または勧告限界が課されています。このアプリケーションノートでは水に焦点を当てていますが、食品などの他のマトリックス中の PFAS の規制レベルを設ける計画があることは、言及する価値があります。

公衆衛生および環境を保護するために、勧告限界および規制限界が継続して作成および更新されているため、PFAS の検出要件はますます困難な課題になっています。例えば、2022 年 6 月 15 日に US EPA は、飲料水に含まれるペルフルオロオクタン酸（PFOA）およびペルフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）の生涯健康勧告値（HAL）を厳しくしました²。 推奨は、PFOA が 0.004 ng/L（1 兆あたり、ppt）および PFOS が 0.02 ng/L であり、両方とも本ドキュメントの作成時点では、暫定レベルに分類されています。これらのレベルは、2016 年に EPA が推奨した合計 70 ng/L（ppt）より劇的に厳格です³。 2 番目の例として、2021 年初めに EU は改訂された飲料水指令（EU）2020/2184 の施行を開始しました。ここでは、選択された 20 種の PFAS のグループの推奨合計限界値は 0.1 µg/L（100 ng/L）で、観測された PFAS 全体の限界値は 0.5 µg/L（500 ng/L）です⁴。 この指令では、個々の PFAS が 1 桁の ng/L の範囲で検出される必要があります。

このアプリケーションノートでは、EPA HAL のより厳しい限界値の達成に焦点を当て、PFAS 分析用 Oasis WAX による固相抽出（SPE）を使用して水サンプルを濃縮し、Waters ACQUITY Premier UPLC および Xevo TQ Absolute 質量分析計で分析を実行し、定量のための waters_connect™ ソフトウェアを使用してデータ分析を行う、PFAS 分析ワークフローアプローチの詳細を説明します。

サンプル前処理

PFOA および PFOS に関する EPA の 2022 年暫定 HAL など、非常に低い定量限界が必要な場合、これらの遍在する化合物の不正確なサンプルレポートにつながる可能性のあるサンプル汚染を低減するために、サンプルの取り扱い、前処理、分析のベストプラクティスは極めて重要です。サンプルの前処理時および分析時には、すべての消耗品と試薬を、使用前に細心の注意を払って PFAS 汚染についてスクリーニングしました。サンプルで作業する前に、この分析を実行する個々のラボで同じプロセスを使用して PFAS 汚染レベルを評価し、対処することをお勧めします。すべてのサンプルは、ラボに大きな変更を加えることなく、一般的に共通のラボ環境で前処理しました。

サンプル分析中に、溶媒ブランク注入（2 mM 酢酸アンモニウム含有 1:1 水：メタノール）および抽出ブランクサンプル注入（すべてのサンプル前処理ステップを経た試薬水サンプル 250 mL）の両方で、汚染レベルを評価し、一貫してモニターしました。

すべての標準試料は、Wellington Laboratories から入手しました。サンプル抽出前に、抽出内部標準試料（EIS）をサンプルにスパイクしました。この EIS には、¹³C₈-PFOA、¹³C₈-PFOS、¹³C₃-PFBS、¹³C₃-HFPODA が含まれていました。サンプル抽出後の再溶解ステップで、注入内部標準試料（IIS）をサンプルにスパイクしました。IIS には、¹³C₂-PFOA および ¹³C-PFOS が含まれていました。

飲料水を代表する水サンプルに PFAS 標準試料を 0.004 および 0.02 ng/L でスパイクして、PFOA および PFOS の暫定レベルについて試験しました。PFBS および HFPO-DA（GenX）もこれらのレベルで評価し、2022 HAL 更新の対象のすべての化合物の定量限界を測定しました。PFBS および GenX HAL（それぞれ 2000 および 10 ng/L）は達成が困難な課題ではないことが以前に示されているため、この実験ではこれらの特定の濃度は試験しませんでした^5,6。サンプルは、図 1 で説明されている Oasis WAX 固相抽出（SPE）メソッドを使用して抽出しました。提供されているメソッドを使用して、濃縮係数 500x でサンプルの前処理をしました。

Xevo TQ Absolute の装置感度を、2 つの異なるラボの 2 つの異なる装置で評価しました。ラボ 1 は英国 Wilmslow に、ラボ 2 は米国マサチューセッツ州 Milford にありました。各ラボで得られた定量限界（LOQ）および LOQ でのシグナル対ノイズ（S:N）比が表 1 に示されています。LOQ は、S:N 値が 10 以上であるキャリブレーションレベルとして決定されており、サンプル前処理からの濃縮係数 500x を考慮して、サンプル濃度の観点から報告されています。表 1 に示されているように、各化合物の LOQ は、EPA ガイドラインで推奨される最小レポートレベルを十分に下回り、HAL レベル（暫定および最終の両方）を下回っています。これらの結果は、TQ Absolute にこの困難な課題である分析に必要な感度が備わっていることを示しています。

キャリブレーションサンプルは、0.0005 ～ 0.08 ng/L（バイアル内等価 0.25 ～ 40 ng/L）のサンプル範囲で取り込まれ、この範囲ではすべての曲線が直線であり、相関係数 0.992 以上、残差 30% 以内でした。図 2 に、この範囲での 4 種の PFAS すべての検量線が示されています。

サンプル前処理の際に、汚染を可能な限り最小限に抑えてコントロールするように、注意しました。すべての溶媒ブランク注入で、4 種の PFAS 化合物すべてが検出されませんでした。これは、LC-MS/MS システム自体およびサンプルバイアルが PFAS で汚染されていなかったことを示しています。PFOA、PFOS、PFBS が抽出ブランク試料中にさまざまなレベルで検出され、これは、これらの化合物がサンプル前処理ステップで取り込まれたことを示しています。PFOA、PFOS、PFBS が抽出ブランク試料中にさまざまなレベルで検出され、これは、これらの化合物がサンプル前処理ステップで取り込まれたことを示しています。抽出ブランク試料の PFOA 汚染は、約 21% の 0.004 ng/L サンプルスパイクを表し、PFOS は約 4% の 0.02 ng/L サンプルスパイクでした。PFBS 汚染を 0.02 ng/L サンプルスパイクとも比較したところ、そのレスポンスの 8% でした。PFBS の HAL はこのサンプルスパイクよりも桁違いに高いため、この抽出ブランク試料の汚染は無視できる程度と見なすことができます。溶媒ブランク試料、抽出ブランク試料、抽出されたサンプルに含まれる 4 種の化合物すべてのクロマトグラムの重ね描きが、図 3 に示されています。さらに、最終的な裁定がない状態で、EPA は、表 1 にリストされている最低限の報告レベルを暫定的なガイダンスとして提案しました。このため、EPA 537.1 や 533 に記載されているような EPA メソッドのデータ品質ガイドラインに従うと、汚染レベルは 1/3 MRL 要件を大きく下回っています^7.8。

サンプル前処理メソッドの性能は、0.004 および 0.02 ng/L のサンプルスパイクで、計算した濃度および回収率値によって評価され、結果が表 2 に示されています。回収率は、各濃度で実行した 3 回の繰り返し抽出で得られた平均値です。平均回収率と %RSD 値により、分析法の正確さと再現性が優れていることが実証されています。各化合物の両方の濃度レベルでの回収率は 90 ～ 111% で、RSD は 2 ～ 13% の範囲内でした。これにより、困難な微量レベルでの飲料水サンプルの分析の報告結果の、高い信頼性が確認されています。

PFAS の規制およびガイドラインでは、2022 年の EPA Health Advisory Levels（健康勧告値）に見られるように、検出要件が低くなる傾向が続いており、このようなレベルに対処するためには、PFAS ワークフローを改善し続けることが極めて重要です。本研究では、Xevo TQ Absolute のネガティブイオン化モードの感度向上と、Oasis WAX 固相抽出（SPE）カートリッジを用いたサンプル抽出によるサンプル濃縮を使用することにより、一般的なラボが EPA の HAL 要件を達成できることが実証されました。これには、PFOA および PFOS の ppt 未満の暫定レベルが含まれており、分析前処理スペースを共有するラボの通常範囲外の追加リソースや特殊なリソースなしで、これに到達しました。この分析での困難な課題である要因は、サンプル前処理中の PFAS 汚染の量を制限するための、このステップにする器具などの清浄度であることが実証されました。この研究で実証されているように、ラボでベストプラクティスに従って最善の注意を払っても、すべての汚染を完全に解消することはできない可能性がありますが、ラボの慣行およびサンプルの取り扱いに焦点を合わせると、報告結果に大きな影響を与えない最小限に維持することができます。HAL が割り当てられた 4 種類の PFAS のうち、PFOA は最もバックグラウンド汚染の高い化合物であることが証明されましたが、それでも一般的なデータ品質ガイドラインの範囲内でした。Oasis WAX カートリッジを使用した固相抽出（SPE）メソッドは、正確で再現性があり、優れた回収率と繰り返し %RSD を示しました。本研究で提示された完全なワークフローにより、飲料水サンプル中の ppq 範囲の微量レベルの PFAS を確実に検出できることが実証されています。

1. De Silva AO, Armitage JM, Bruton TA, Dassuncao C, Heiger-Bernays W, Hu XC, Kärrman A, Kelly B, Ng C, Anna Robuck, Sun M, Webster TF, Sunderland EM.PFAS Exposure Pathways for Humans and Wildlife: A Synthesis of Current Knowledge and Key Gaps in Understanding.Env.Tox.& Chem.; 2021 Mar; 40(3): 631–657.
2. United States Environmental Protection Agency, Drinking Water Health Advisories for PFOA and PFOS, epa.gov, [Internet] Accessed 14 December 2022: https://www.epa.gov/sdwa/drinking-water-health-advisories-pfoa-and-pfos.
3.  United States Environmental Protection Agency, FACT SHEET PFOA & PFOS Drinking Water Health Advisories, epa.gov, [Internet] Accessed 14 December 2022: https://www.epa.gov/sites/default/files/2016-06/documents/drinkingwaterhealthadvisories_pfoa_pfos_updated_5.31.16.pdf.
4. European Union, EUR-Lex, Directive (EU) 2020/2184 of the European Parliament and of the Council of 16 December 2020 on the quality of water intended for human consumption (recast), [Internet] Accessed 14 December 2022: https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2020/2184/oj.
5. K Organtini, K Rosnack, D Stevens, E Ross.Analysis of Legacy and Emerging Perfluorinated Alkyl Substances (PFAS) in Environmental Waters Samples Using Solid Phase Extraction (SPE) and LC-MS/MS.Waters Application Note 720006471, 2019.
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7. Shoemaker, J and Tettenhorst, D. Method 537.1: Determination of Selected Perfluorinated Alkyl Acids in Drinking Water by Solid Phase Extraction and Liquid Chromatography/Tandem Mass Spectrometry (LC/MS/MS).U.S. Environmental Protection Agency, Office of Research and Development, National Center for Environmental Assessment, 2018.
8. Rosenblum, L and Wendelken, S. Method 533: Determination of Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Drinking Water by Isotope Dilution Anion Exchange Solid Phase Extraction and Liquid Chromatography/Tandem Mass Spectrometry.U.S. Environmental Protection Agency, Office of Ground Water and Drinking Water, Standards and Risk Management Division, 2019.