Cải thiện độ bền vững trong phân tích đa dư lượng thuốc bảo vệ thực vật bằng khối phổ Xevo TQ Absolute XR

David Gould, Peter Hancock, Stuart Adams

Waters Corporation, Hoa Kỳ

Ngày công bố: 02/06/2025

Tóm tắt

Các phương pháp phân tích đa dư lượng thuốc bảo vệ thực vật bằng LC-MS/MS thường có thể bao gồm hơn 200 chất phân tích, được thu nhận bằng phương pháp theo dõi nhiều phản ứng (MRM), đồng thời chuyển đổi giữa chế độ ion hóa dương và âm. Khi phân tích các nền mẫu phức tạp chứa các ion có tỷ số khối lượng/điện tích (m/z) cao, những ion này có thể làm nhiễm bẩn các bộ tứ cực của khối phổ và gây hiện tượng tích điện, dẫn đến mất tín hiệu. Hiện tượng này có thể nghiêm trọng hơn khi tốc độ thu nhận dữ liệu cao, chẳng hạn thời gian thu nhận cho mỗi chuyển tiếp MRM (dwell time) ngắn và chuyển đổi cực tính. Điều đó có thể làm thay đổi tỷ lệ ion và đáp ứng tín hiệu, dẫn đến thời gian ngừng thiết bị ngoài kế hoạch. Bộ dẫn ion StepWave™ XR mới trong hệ thống khối phổ Xevo™ TQ Absolute XR cho thấy độ bền vận hành được cải thiện qua hơn 18.000 lần tiêm một mẫu đơn có nền mẫu khó phân tích.

Lợi ích

Với dữ liệu thu nhận trong điều kiện phương pháp được rút ngắn thời gian và vận hành liên tục trong 14 tuần, nghiên cứu này cho thấy độ bền vận hành vượt trội của hệ thống, giúp nâng cao năng suất phòng thí nghiệm nhờ giảm bảo trì và không có thời gian ngừng ngoài kế hoạch.
Độ bền vận hành được cải thiện, duy trì tỷ lệ ion ổn định lâu hơn tới 6 lần, giúp phòng thí nghiệm tin tưởng vào tính nhất quán của kết quả.
Rà soát lô phân tích thuận tiện bằng quy trình xác nhận dữ liệu tăng tốc của phần mềm waters_connect™ for Quantitation.

Giới thiệu

Những tiến bộ công nghệ giúp các phòng thử nghiệm tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí phân tích trên mỗi mẫu. Các hệ thống khối phổ (MS) có độ nhạy cao, với lỗ nón lấy mẫu lớn hơn, cho phép phòng kiểm nghiệm thực phẩm phân tích dịch chiết thô bằng quy trình đơn giản “chiết và pha loãng”, qua đó tiết kiệm thời gian, nhân lực và vật tư tiêu hao. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có thể làm tăng tải cho hệ thống MS vì đưa vào lượng lớn ion nền mẫu phức tạp, làm tăng nhiễu hóa học và khiến hệ thống cần được bảo trì thường xuyên hơn.

Nhiễu hóa học là thách thức thường gặp trong LC-MS/MS, đặc biệt ở điều kiện ion hóa phun điện tử (ESI). Hàm lượng dung môi cao có thể tạo ra các ion do dung môi, bên cạnh các ion có nguồn gốc từ nền mẫu trong dịch chiết thô. Sự nhiễu này có thể bắt nguồn từ tương tác giữa dung môi và thành phần thực phẩm, hình thành các cụm phân tử lớn như phức protein hoặc tập hợp oligosaccharide.

Ở chế độ MRM định hướng, ảnh hưởng của tải nền mẫu có thể chưa thể hiện rõ ngay trong quá trình chạy sắc ký, vì nhiều cụm có khối lượng lớn vượt ngoài dải khối lượng của hệ thống MS ba tứ cực. Tuy nhiên, chúng vẫn có thể làm nhiễm bẩn các bộ phận quan trọng của MS, bao gồm hệ quang học ion, các bộ tứ cực và đầu dò, từ đó phát sinh nhu cầu bảo trì, sửa chữa ngoài kế hoạch.

Thức ăn thủy sản được xem là nền mẫu khó phân tích vì chứa hàm lượng cao axit béo, axit amin, phospholipid, carbohydrate, sắc tố, polymer hữu cơ (ví dụ lignin), thành phần không tan trong nước (ví dụ thành tế bào), đường và vitamin.

Trong tài liệu ứng dụng này, nhóm nghiên cứu phát triển phương pháp LC-MS/MS tăng tốc để phân tích hơn 200 loại thuốc bảo vệ thực vật với thời gian chạy dưới 6 phút. Dịch chiết thô của thức ăn thủy sản được tạo bằng phương pháp QuEChERS mà không làm sạch mẫu. Các điều kiện này được lựa chọn nhằm thử thách và thể hiện rõ hiệu năng của StepWave XR — bộ dẫn ion dải thông có khe mới — trong hệ thống khối phổ ba tứ cực Xevo TQ Absolute XR. Nghiên cứu cho thấy hiệu năng phương pháp được duy trì và độ bền vận hành của hệ thống được cải thiện: hơn 18.000 lần tiêm đã được thực hiện mà không cần người vận hành can thiệp kéo dài hoặc ngoài kế hoạch.

Thực nghiệm

Chuẩn bị mẫu

Tóm tắt quy trình: cân 2 g thức ăn thủy sản (Hình 1), làm ẩm lại và chiết bằng túi DisQuE QuEChERS CEN (mã sản phẩm: 186006813) với 10 mL acetonitrile. Sau khi ly tâm, thu dịch chiết, bổ sung chuẩn gồm 204 loại thuốc bảo vệ thực vật và pha loãng 10 lần bằng acetonitrile để đạt nồng độ cuối trong lọ là 0,01 µg/mL. Dung dịch được chia vào 80 lọ mẫu (4 khay, mỗi khay 20 lọ) phục vụ nghiên cứu độ bền vận hành. Tiêm 1 µL mẫu lên cột pha đảo bằng phương pháp LC đã được rút ngắn thời gian từ 20 phút xuống 6 phút trên hệ thống khối phổ ba tứ cực Xevo TQ Absolute XR mới, thu nhận dữ liệu cho 204 loại thuốc bảo vệ thực vật. Để thử thách hệ thống phân tích ở mức cao nhất, van chuyển dòng thải không được sử dụng trong nghiên cứu này.

Hình 1. Thức ăn thủy sản và dịch chiết trước pha loãng

Hình 1. Thức ăn thủy sản và dịch chiết trước khi pha loãng.

Mỗi lô phân tích được chia thành hai phần. Trong 45 lần tiêm, dữ liệu của 204 loại thuốc bảo vệ thực vật được thu nhận, mỗi chất có ít nhất 2 chuyển tiếp. Các dữ liệu này được dùng để theo dõi tỷ lệ ion, tính bằng tỷ số giữa ion định tính và ion định lượng. Trước khi phân tích, chuẩn thuốc bảo vệ thực vật trong dung môi được tiêm để xác định tỷ lệ ion tham chiếu trung bình của từng chất phân tích. 5 lần tiêm còn lại của mỗi lô được dùng để đánh giá sự nhiễm bẩn trên bộ tứ cực, gọi là phép thử tích điện. Tỷ số giữa 2 chuyển tiếp của cùng một chất phân tích phải xấp xỉ 1.

Hiện tượng tích điện có thể rõ nhất khi phân tích nền mẫu phức tạp và ở tốc độ thu nhận MS cao, chẳng hạn khi chuyển đổi cực tính. Fluazinam được chọn làm chất phân tích đại diện, với các cửa sổ thời gian MRM chồng lấp với các chất phân tích ở chế độ ESI dương.

Điều kiện LC

Điều kiện LC / LC conditions
Hệ thống LC:	Hệ thống ACQUITY™ Premier với bộ quản lý dung môi nhị phân và kim tiêm dòng chảy xuyên qua (Flow-Through Needle)
Cột phân tích:	Cột ACQUITY UPLC™ HSS T3, 2.1 x 30 mm, 1.8 µm (p/n: 186003944)
Nhiệt độ cột:	40 °C
Nhiệt độ mẫu:	10 °C
Thể tích tiêm:	1 µL, sử dụng vòng nối dài 50 µL lắp sau bộ phận tiêm mẫu (p/n: 430002012)
Lưu lượng:	0.5 mL/min
Pha động A:	Ammonium acetate 5 mM, 0.1% axit formic trong nước
Pha động B:	Ammonium acetate 5 mM, 0.1% axit formic trong MeCN/MeOH (1/1)

Bảng chương trình gradient

Điều kiện MS

Điều kiện MS / MS conditions
Hệ thống MS:	Hệ thống khối phổ Xevo TQ Absolute XR
Chế độ ion hóa:	ESI+ & ESI-
Điện thế mao quản:	2 kV
Nhiệt độ nguồn:	150 °C
Nhiệt độ khử dung môi:	550 °C
Lưu lượng khí khử dung môi:	1000 L/hr
Lưu lượng khí cone:	150 L/hr
Phương pháp MRM:	Xem đầy đủ thông số MRM trong Phụ lục

Quản lý dữ liệu

Quản lý dữ liệu / Data management
Phần mềm:	waters_connect for Quantitation Software

Kết quả và thảo luận

Thử nghiệm hiện tượng tích điện ở bộ tứ cực

Fluazinam được chọn làm hợp chất đại diện tạo ion âm, được theo dõi trong cùng cửa sổ thời gian lưu với một hợp chất tạo ion dương. Hình 2 cho thấy hệ thống khối phổ Xevo TQ Absolute XR duy trì vận hành lâu hơn 6 lần so với thế hệ tiền nhiệm trước khi xuất hiện dấu hiệu tích điện trong thử nghiệm này.

Hình 2. So sánh tỷ lệ tích điện của fluazinam

Hình 2. Biểu đồ so sánh tỷ lệ tích điện đối với fluazinam.

Thử nghiệm độ bền vận hành

Ba mươi lần tiêm dung môi chứa chuẩn thuốc bảo vệ thực vật được dùng để xác định giá trị trung bình của từng tỷ lệ ion xác nhận/định lượng. Các giá trị này được sử dụng để thiết lập giới hạn dung sai ±30% cho biểu đồ tỷ lệ ion của các lần tiêm nền mẫu. Khi đo fluazinam trên hệ thống Xevo TQ Absolute (Hình 3), tỷ lệ ion liên tục vượt giới hạn dung sai từ khoảng lần tiêm thứ 1.500; đây cũng là thời điểm biểu đồ thử nghiệm tích điện (Hình 2) bắt đầu cho thấy dấu hiệu tích điện. Trong khi đó, trên hệ thống Xevo TQ Absolute XR (Hình 3), biểu đồ tỷ lệ ion ghi nhận hơn 18.000 lần tiêm mà không tiến gần đến giới hạn dung sai ±30%.

Mục đích của nghiên cứu không phải là hạ thấp hệ thống Xevo TQ Absolute. Tại thời điểm xuất hiện hiện tượng suy giảm, đã có 2.000 lần tiêm liên tiếp bằng phương pháp LC tăng tốc. Quá trình này mất 2 tuần; nếu dùng phương pháp tiêu chuẩn, thời gian tương đương sẽ gần 8 tuần. Trong phòng thí nghiệm thực tế không tiêm mẫu liên tục, có thể phải mất khoảng 3–4 tháng mới xuất hiện những ảnh hưởng tương tự.

Hình 3. Biểu đồ so sánh tỷ lệ ion của fluazinam.

Khi chuyển đổi cực tính, các hợp chất tạo ion âm thường dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tích điện hơn do dòng ion ở chế độ ion âm thường thấp hơn. Các ví dụ so sánh tỷ lệ ion của những hợp chất ion âm trên từng thiết bị ở Hình 4 và Hình 5 cho thấy độ bền vận hành của hệ thống Xevo TQ Absolute XR.

Hình 4. So sánh tỷ lệ ion của fipronil desulfinyl

Hình 4. Biểu đồ so sánh tỷ lệ ion của fipronil desulfinyl.

Hình 5. So sánh tỷ lệ ion của hexaflumuron

Hình 5. Biểu đồ so sánh tỷ lệ ion của hexaflumuron.

Bảng 1. Các hợp chất và %RSD của tỷ lệ ion.

Bảng 1 trình bày một số hợp chất được chọn từ 204 chất phân tích, đại diện cho nhiều đặc tính như thời gian lưu (RT), đáp ứng pic, tỷ lệ ion, m/z và ion hóa âm. Bảng thể hiện %RSD tính được trong hơn 18.000 lần tiêm. Trong số 204 chất phân tích được phát hiện, 79% có %RSD của tỷ lệ ion dưới 10%.

Bộ dẫn ion StepWave XR cho thấy khả năng ngăn hiện tượng tích điện ở các bộ tứ cực trong suốt 14 tuần, với hơn 18.000 lần tiêm nền mẫu khó phân tích mà không làm sạch mẫu trước. Bộ dẫn ion StepWave XR có khả năng loại bỏ hiệu quả các ion gây nhiễm bẩn, hạn chế bám bẩn các bộ tứ cực. Nhờ đó, độ bền vận hành của hệ thống được cải thiện, tỷ lệ ion ổn định hơn và nhu cầu can thiệp vào hệ thống MS được giảm thiểu.

Kết luận

Nghiên cứu này giúp các phòng thử nghiệm có thêm cơ sở tin tưởng rằng hệ thống khối phổ Xevo TQ Absolute XR có thể duy trì thời gian vận hành cao đồng thời cung cấp hiệu năng ổn định.