Пробопідготовка: аналіз методів та технологій

В першій статті з теми пробопідготовки ми зазначали кілька актуальних тенденцій у вибірках для лабораторного аналізу. Згідно з дослідженням, спостерігається зростання кількості рідких зразків при одночасному зменшенні кількості твердих зразків, а також скорочення типів зразків, які аналізуються в одній лабораторії. Водночас зафіксовано збільшення кількості зразків на один прилад на тиждень, хоча наразі невідомо, чи збережеться ця динаміка надалі.

У постпандемічний період лабораторії стали більш вибірковими щодо типів аналізів, які вони проводять. Серед основних типів матриць, що аналізуються, найчастіше згадуються фармацевтичні та безрецептурні препарати, продукти харчування, вода, ґрунти, полімери, біомаса, неорганічні речовини, метали, а також фрукти, овочі та зернові культури.

Продовжуючи тему зразків, варто зазначити загальну тенденцію до зменшення їхніх розмірів та концентрації аналітів. Спостерігається поступове зменшення маси та об’єму зразків різних типів, що особливо помітно при аналізі зразків з навколишнього середовища. Їхня гетерогенність потребує більшої кількості вибірок, проте загальний обсяг кожної з них зменшується.

Рідкі зразки. Понад три чверті (75,4%) рідких зразків мають об’єм у межах 0,5–20 мл. Частка дуже малих зразків (менше 0,5 мл) знизилася до 3,9%, що значно менше порівняно з 14,4% десять років тому. Водночас зросла кількість зразків об’ємом менше 5 мл — з 39,5% у 2013 році до 57,7% у 2023 році (дані нормалізовані з урахуванням лише тих, хто працює з рідинами).

Газоподібні зразки. Розподіл об’ємів у цій категорії залишається подібним до даних 2016 року. Зразки об’ємом менше 5 мл становлять 58,6% (нормалізовано), хоча частка дуже малих зразків (менше 1 мл) знизилася з 38% у 2016 до 28,6% у 2023 році. Одночасно спостерігається зменшення кількості великих газових зразків: частка зразків понад 500 мл скоротилася з 14% у 2016 році до 6,5% у 2023-му.

Тверді зразки. За останні сім років кількість зразків масою менше 1 г зросла з 59% до 65,1%. Натомість частка великих зразків (понад 10 г) помітно зменшилася — з 17% у 2016 році до 10,4% у 2023 році.

Починаючи з 2023 року, спостерігається чітка тенденція до зниження концентрації аналітів у зразках — з акцентом на слідові рівні. Так, у 2023 році майже 72% зразків (71,8%) мали концентрацію менше однієї частки на мільйон. Це суттєво більше, ніж у попередні роки: у 2013 та 2002 роках такий рівень фіксувався лише у 47% зразків.

Більше третини зразків (35,6%) мали ще нижчі концентрації — у межах 1–100 частин на мільярд. Здавалося б, що низька концентрація зразка мала б впливати на кінцевий об’єм перед введенням у хроматограф, проте це не зовсім так.

Незважаючи на загальне зниження концентрацій, об’єми зразків залишаються відносно стабільними. Наприклад, частка зразків об’ємом 2 мл або менше (сумісних із типовими віалами для автоматичних пробовідбірників) у 2023 році становила 71,3% — майже так само, як у 2013 році (68,7%).

Натомість помітно зменшилась кількість зразків, об’єм яких був скоригований до менше ніж 1 мл: у 2023 році це лише 14,8%, тоді як у 2013 та 2002 роках — 38% і 25% відповідно. Це свідчить про зміну підходів до підготовки зразків, попри тенденцію до зниження концентрацій аналітів.

Лабораторні технології

Перш ніж перейти до розгляду процедур підготовки зразків, варто зосередитися на методах, які сьогодні використовуються в лабораторіях. Цікаво, що це питання було актуальним ще десять років тому. Якщо порівняти нормалізовані дані за ці роки, можна побачити, що загальна кількість методів, які застосовуються в окремих лабораторіях, помітно скоротилася. Це підтверджує гіпотезу про зростаючу спеціалізацію лабораторій.

Серед найбільш широко застосовуваних методів залишаються рідинна хроматографія–мас-спектрометрія (РХ–МС) та газова хроматографія (ГХ). За нормалізованими показниками окремі види РХ та ГХ зберегли свою популярність і використовуються у співвідношеннях, подібних до тих, що спостерігалися десять років тому.

Водночас деякі методи зазнали змін у рівні використання. Наприклад, частка іонної хроматографії зменшилася з 7,7% у 2013 році до 5,9% у 2023 році, а ексклюзійної хроматографії — з 5,6% до 4,4%. Натомість електрофорез поступово набирає популярності — 6,3% у 2023 році проти 4,3% десять років тому. Також зростає інтерес до рідинної хроматографії надвисокого тиску (UHPLC) та методів відбору парофазних проб у поєднанні з ГХ.

Процедури пробопідготовки

Сьогодні спостерігається активне впровадження низки сучасних методик пробопідготовки, таких як екстракція за точкою помутніння, коацервативна екстракція, QuEChERS (швидка, проста, дешева, ефективна, надійна та безпечна), видалення β-глюкуронідази та фосфоліпідів, сорбційна екстракція з використанням мішалки (SBSE) і осадження білка. Зокрема, три з них — видалення β-глюкуронідази, фосфоліпідів та осадження білка — застосовуються для усунення біологічних макромолекул, які можуть заважати ефективному розділенню в РХ-МС і спричиняти пригнічення іонізації. Це відповідає загальній тенденції підтримки біоаналізу та зростанню використання рідинної хромато-мас-спектрометрії протягом останніх 10–20 років.

Обнадійливо й те, що новітні методи, як-от SBSE (вперше представлена у 1999 році) та QuEChERS (2003 рік), швидко здобули визнання в аналітичному середовищі, незважаючи на їхнє відносно недавнє впровадження після становлення пробопідготовки як окремої наукової галузі.

Традиційно до найбільш поширених процедур пробопідготовки відносились зважування, фільтрування, центрифугування та додавання внутрішнього стандарту. Хоча ці підходи досі використовуються, їх популярність зазнала змін. Наприклад, зважування, яке історично вважалося найважливішою процедурою, нині опустилось на дев’яте місце, тоді як центрифугування, що колись займало дев’яту позицію, стало найпоширенішим методом. Охолодження, раніше менш популярне, наразі входить до трійки лідерів, а розкладання поступово піднімається вгору в рейтингу. Ці зміни підтверджують зростання ролі біоаналізу у загальній структурі хімічного аналізу.

Окремо варто згадати екстракцію рідиною під тиском (PFE), яка стала своєрідним сюрпризом. Представлена компанією Dionex (нині частина ThermoFisher) як прискорена екстракція розчинником у 1996 році, вона швидко набула популярності — з низького рівня використання піднялася до другої за поширеністю процедури. Незважаючи на можливі статистичні похибки в дослідженнях, PFE довела свою ефективність у різних сферах та була визнана регуляторними органами по всьому світу. Останні удосконалення та поява альтернативних систем лише сприяють подальшому поширенню цієї методики.

Завантаження зразків

У першій статті ми розглядали зростання обсягів зразків, що надходять на аналіз до аналітичних лабораторій. Це безпосередньо впливає на способи їх обробки. Наразі більшість зразків обробляються груповим методом (54,8%) або індивідуально за потреби (40,7%). Лише 4,6% зразків проходять серійну обробку. Ці показники залишаються незмінними з 2013 року.

Однак помітно змінилися розміри партій, які обробляються груповим методом. Якщо десять років тому майже всі зразки (93,3%) у партіях складалися з 50 одиниць або менше, то сьогодні таких зразків — лише 59,6%. Водночас зросла частка партій з більшою кількістю зразків, що свідчить про загальну тенденцію до обробки більших обсягів одночасно.

Автоматизація

За останнє десятиліття рівень автоматизації в лабораторіях суттєво зріс. Якщо десять років тому автоматизовані процеси використовували лише 15% лабораторій, то вже у 2013 році цей показник сягнув 29%, а в 2016 році — 39%. Зростання кількості зареєстрованих зразків стало одним із ключових чинників активного впровадження автоматизації. Ця тенденція продовжує набирати обертів: дедалі більше лабораторій планують перейти на автоматизовані рішення.

Серед тих, хто вже впровадив автоматизовані системи підготовки проб, найбільш поширеним є використання автосемплерів із функцією підготовки зразків — їх застосовують 32,4% лабораторій. Автоматизовані системи твердофазної екстракції (SPE) використовує 24,5%. Менша частка лабораторій працює з повністю роботизованими лабораторними системами (14,6%), автоматизованими системами обробки рідин (12,3%) або автоматичними пробовідбірниками (9,1%).

Більшість користувачів (82,8%) активно застосовують технологію твердофазної екстракції (SPE).
Результати цьогорічного опитування засвідчили відносно рівномірне використання різних форматів SPE: картриджі — 26,3%, диски — 28,6%, лункові планшети — 28,1%. Значно менше користувачів обирають формат з наконечником піпетки — 15,5%.

Серед тих, хто працює з картриджами, 71% використовують шари сорбенту масою 500 мг або менше, при цьому найбільш популярними є варіанти на 100 мг (31,2%) та 500 мг (29,1%). Серед користувачів дисків SPE, майже 60% надають перевагу 47-міліметровим дискам. Використання більших або менших розмірів розподілене приблизно порівну.

Щодо сорбентів на основі кремнезему, спостерігається помітне зниження популярності октадецилу (C18), ймовірно, через зростання інтересу до альтернативних матеріалів — октилу (C8), а також менш традиційних варіантів, таких як діол, аміно та бутил.

У полімерних системах спостерігається спад у використанні нейтральних полімерів. Натомість іонообмінні та спеціалізовані сорбенти набувають більшої популярності, що, ймовірно, пов’язано з їхнім широким діапазоном застосування в умовах різного рН.

Аналіз уподобань користувачів щодо вибору продуктів SPE за останнє десятиліття демонструє зниження вимогливості до окремих характеристик. Водночас відтворюваність результатів між різними партіями залишається ключовим фактором, особливо на етапах розробки методик SPE.

Ознайомитися з усіма картриджами для твердофазної екстракції можна за посиланням: https://alt.ua/catalog/kartridzhi-dlya-tfe 

У цьогорічному опитуванні читачі відповіли на запитання: «З огляду на безперервний розвиток у сфері аналітики та підготовки зразків, які з наступних напрямів вам цікаво бачити в майбутньому?» Найбільший інтерес викликали два напрями — розвиток екологічно безпечних та мініатюрних технологій, які вже кілька років поспіль залишаються в центрі уваги.

Крім того, респонденти відзначили низку важливих аспектів, таких як зручність використання, витрати часу та ресурсів, ефективність і вартість, що напряму пов’язані з основними проблемами підготовки зразків, зафіксованими раніше.

Учасників також попросили назвати до трьох нових технологій, які, на їхню думку, можуть стати стандартом у найближчі п’ять років. Очікувано, серед лідерів опинилися екологічні підходи до підготовки зразків — зокрема, використання більш безпечних розчинників, методи без розчинників, а також повторне використання реагентів, розчинників і витратних матеріалів.

Серед інших перспективних інновацій — технології 3D-друку, інжекція потоку, наночастинки та вакуумне нагрівання.

Компанія ALT Україна уважно стежить за сучасними трендами та завжди пропонує новітні рішення, щоб ви могли залишатися на передовій технологічного прогресу.