Analytical protocols based on high-resolution mass spectrometry for characterizing emerging contaminants and their degradation products in foodstuff and environment

In this PhD thesis, the capability of analytical systems based on high-resolution mass spectrometry (HRMS) has been investigated for the determination of emerging contaminants in environmental matrices and foodstuff. Since the molecular structures of the emerging contaminants could be know as well as unknown, target, suspect and non-target analyses have to be developed in order to propose a “mass-based” advanced screening. Attention has been focused on the scale-up process in the identification confidence by developing different specific protocols. Two protocols based on HPLC/Q-TOF-MS have been developed for the simultaneous screening and confirmatory analysis of target and non-target cyanotoxins in freshwater intended for human consumption, PDE-5 inhibitors and analogues in food supplements marked as erectile dysfunction remedies. Both protocols have been optimized with the aim to obtain HRMS data of pseudomolecular ions and fragmentation patterns in tandem MS mode. In-house databases were implemented to simplify the data treatment. The application of these protocols in “non-target screening” mode has been attempted in real samples and in the frame of a collaborative trial organized by European NORMAN foundation as regard as the analysis of water contaminants. The exercise was complex and time consuming, and it has highlighted the strengths and weaknesses of the developed protocols. The crucial step in non-target screening was the assignment of reliable molecular formula to the m/z values. A specific workflow based on direct infusion and HRMS analysis by using an Orbitrap™ mass spectrometer has been developed for the characterization of PM2.5 organic fraction. The automatization of the data treatment using Mathematica based algorithms was accomplished for studying the chemical composition of PM2.5 organic fraction. Contextually, the possible use of the Atmospheric Pressure Photoionization source for characterizing PM2.5 organic fraction has been investigated on real samples.

In questa tesi di dottorato, le possibilità dell’uso della spettrometria di massa ad alta risoluzione (HRMS) sono state indagate nella determinazione di contaminanti emergenti in matrici ambientali ed alimentari. Dal momento che le strutture molecolari dei contaminanti emergenti potrebbero essere ancora sconosciute, la loro determinazione richiede analisi di tipo target, di composti sospetti e non-target devono essere sviluppati al fine di proporre una metodologia di screening avanzata basata sulla spettrometria di massa. L'attenzione è stata focalizzata sul processo di scale-up nella confidenza di identificazione, sviluppando protocolli analitici specifici. Due protocolli per la simultanea analisi target e di composti sospetti, basati sulla piattaforma HPLC-Q-TOF, sono stati sviluppati ad applicati nell'analisi di cianotossine in acqua dolce destinata al consumo umano e inibitori del PDE-5 negli integratori alimentari venduti come rimedi per la disfunzione erettile. Entrambi i protocolli sono stati ottimizzati con lo scopo di ottenere dai dati mass-spettrometrici in modalità tandemMS, gli ioni pseudomoleculari e lo spettro di frammentazione. Librerie sono state sviluppate e implementate per semplificare il trattamento dei dati. La possibile applicazione di questi protocolli nell'analisi di tipo non-target è stata tentata su campioni reali nell'ambito di una prova collaborativa organizzata dall'associazione Europea NORMAN, riguardante l'analisi di contaminanti nell'acqua. L'esercizio è stato complesso e richiedente molto tempo, e ha messo in evidenza i punti di forza e di debolezza dei protocolli sviluppati. Il passaggio cruciale nell'analisi non-target è l'assegnazione di formule molecolari veritiere ai valori m/z. Un workflow di analisi basato sulla infusione diretta del campione e l'acquisizione di massa utilizzando un Orbitrap ™ è stato sviluppato e automatizzato utilizzando algoritmi basati sul linguaggio di programmazione Mathematica, per studiare la composizione chimica della frazione organica del PM2.5. Contestualmente, l'eventuale uso della fotoionizzazione a pressione atmosferica (APPI) per la caratterizzazione frazione organica del PM2.5 è stata indagata su campioni reali.