Пробоподготовка: анализ методов и технологий

В первой статье по теме пробоподготовки мы отмечали несколько актуальных тенденций в выборках для лабораторного анализа. Согласно исследованию, наблюдается рост количества жидких образцов при одновременном уменьшении количества твердых образцов, а также сокращение типов образцов, которые анализируются в одной лаборатории. В то же время зафиксировано увеличение количества образцов на один прибор в неделю, хотя пока неизвестно, сохранится ли эта динамика в дальнейшем.

В постпандемический период лаборатории стали более избирательными по типам анализов, которые они проводят. Среди основных типов анализируемых матриц чаще всего упоминаются фармацевтические и безрецептурные препараты, продукты питания, вода, почвы, полимеры, биомасса, неорганические вещества, металлы, а также фрукты, овощи и зерновые культуры.

Продолжая тему образцов, стоит отметить общую тенденцию к уменьшению их размеров и концентрации аналитов. Наблюдается постепенное уменьшение массы и объема образцов различных типов, что особенно заметно при анализе образцов из окружающей среды. Их гетерогенность требует большего количества выборок, однако общий объем каждой из них уменьшается.

Жидкие образцы. Более трех четвертей (75,4%) жидких образцов имеют объем в пределах 0,5-20 мл. Доля очень малых образцов (менее 0,5 мл) снизилась до 3,9%, что значительно меньше по сравнению с 14,4% десять лет назад. В то же время возросло количество образцов объемом менее 5 мл – с 39,5% в 2013 году до 57,7% в 2023 году (данные нормализованы с учетом только тех, кто работает с жидкостями).

Газообразные образцы. Распределение объемов в этой категории остается подобным данным 2016 года. Образцы объемом менее 5 мл составляют 58,6% (нормализовано), хотя доля очень малых образцов (менее 1 мл) снизилась с 38% в 2016 году до 28,6% в 2023 году. Одновременно наблюдается уменьшение количества больших газовых образцов: доля образцов более 500 мл сократилась с 14% в 2016 году до 6,5% в 2023-м.

Твердые образцы. За последние семь лет количество образцов массой менее 1 г выросло с 59% до 65,1%. Зато доля крупных образцов (более 10 г) заметно уменьшилась – с 17% в 2016 году до 10,4% в 2023 году.

Начиная с 2023 года, наблюдается четкая тенденция к снижению концентрации аналитов в образцах – с акцентом на следовые уровни. Так, в 2023 году почти 72% образцов (71,8%) имели концентрацию менее одной доли на миллион. Это существенно больше, чем в предыдущие годы: в 2013 и 2002 годах такой уровень фиксировался только в 47% образцов.

Более трети образцов (35,6%) имели еще более низкие концентрации – в пределах 1-100 частей на миллиард. Казалось бы, что низкая концентрация образца должна была бы влиять на конечный объем перед введением в хроматограф, однако это не совсем так.

Несмотря на общее снижение концентраций, объемы образцов остаются относительно стабильными. Например, доля образцов объемом 2 мл или меньше (совместимых с типичными виалами для автоматических пробоотборников) в 2023 году составила 71,3% – почти так же, как в 2013 году (68,7%).

Зато заметно уменьшилось количество образцов, объем которых был скорректирован до менее чем 1 мл: в 2023 году это лишь 14,8%, тогда как в 2013 и 2002 годах – 38% и 25% соответственно. Это свидетельствует об изменении подходов к подготовке образцов, несмотря на тенденцию к снижению концентраций аналитов.

Лабораторные технологии

Прежде чем перейти к рассмотрению процедур подготовки образцов, стоит сосредоточиться на методах, которые сегодня используются в лабораториях. Интересно, что этот вопрос был актуален еще десять лет назад. Если сравнить нормализованные данные за эти годы, можно увидеть, что общее количество методов, применяемых в отдельных лабораториях, заметно сократилось. Это подтверждает гипотезу о растущей специализации лабораторий.

Среди наиболее широко применяемых методов остаются жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (РХ-МС) и газовая хроматография (ГХ). По нормализованным показателям отдельные виды РХ и ГХ сохранили свою популярность и используются в соотношениях, подобных тем, которые наблюдались десять лет назад.

В то же время некоторые методы претерпели изменения в уровне использования. Например, доля ионной хроматографии уменьшилась с 7,7% в 2013 году до 5,9% в 2023 году, а эксклюзионной хроматографии – с 5,6% до 4,4%. Зато электрофорез постепенно набирает популярность – 6,3% в 2023 году против 4,3% десять лет назад. Также растет интерес к жидкостной хроматографии сверхвысокого давления (UHPLC) и методам отбора парофазных проб в сочетании с ГХ.

Процедуры пробоподготовки

Сегодня наблюдается активное внедрение ряда современных методик пробоподготовки, таких как экстракция по точке помутнения, коацервативная экстракция, QuEChERS (быстрая, простая, дешевая, эффективная, надежная и безопасная), удаление β-глюкуронидазы и фосфолипидов, сорбционная экстракция с использованием мешалки (SBSE) и осаждение белка. В частности, три из них – удаление β-глюкуронидазы, фосфолипидов и осаждение белка – применяются для устранения биологических макромолекул, которые могут мешать эффективному разделению в РХ-МС и вызывать подавление ионизации. Это соответствует общей тенденции поддержки биоанализа и росту использования жидкостной хромато-масс-спектрометрии в течение последних 10-20 лет.

Обнадеживает и то, что новейшие методы, такие как SBSE (впервые представлена в 1999 году) и QuEChERS (2003 год), быстро получили признание в аналитической среде, несмотря на их относительно недавнее внедрение после становления пробоподготовки как отдельной научной отрасли.

Традиционно к наиболее распространенным процедурам пробоподготовки относились взвешивание, фильтрование, центрифугирование и добавление внутреннего стандарта. Хотя эти подходы до сих пор используются, их популярность претерпела изменения. Например, взвешивание, которое исторически считалось важнейшей процедурой, сейчас опустилось на девятое место, тогда как центрифугирование, которое когда-то занимало девятую позицию, стало самым распространенным методом. Охлаждение, ранее менее популярное, сейчас входит в тройку лидеров, а разложение постепенно поднимается вверх в рейтинге. Эти изменения подтверждают рост роли биоанализа в общей структуре химического анализа.

Отдельно стоит упомянуть экстракцию жидкостью под давлением (PFE), которая стала своеобразным сюрпризом. Представленная компанией Dionex (ныне часть ThermoFisher) как ускоренная экстракция растворителем в 1996 году, она быстро приобрела популярность – с низкого уровня использования поднялась до второй по распространенности процедуры. Несмотря на возможные статистические погрешности в исследованиях, PFE доказала свою эффективность в различных сферах и была признана регуляторными органами по всему миру. Последние усовершенствования и появление альтернативных систем только способствуют дальнейшему распространению этой методики.

Загрузка образцов

В первой статье мы рассматривали рост объемов образцов, поступающих на анализ в аналитические лаборатории. Это непосредственно влияет на способы их обработки. Сейчас большинство образцов обрабатываются групповым методом (54,8%) или индивидуально при необходимости (40,7%). Только 4,6% образцов проходят серийную обработку. Эти показатели остаются неизменными с 2013 года.

Однако заметно изменились размеры партий, которые обрабатываются групповым методом. Если десять лет назад почти все образцы (93,3%) в партиях состояли из 50 единиц или меньше, то сегодня таких образцов – только 59,6%. В то же время возросла доля партий с большим количеством образцов, что свидетельствует об общей тенденции к обработке больших объемов одновременно.

Автоматизация

За последнее десятилетие уровень автоматизации в лабораториях существенно вырос. Если десять лет назад автоматизированные процессы использовали только 15% лабораторий, то уже в 2013 году этот показатель достиг 29%, а в 2016 году – 39%. Рост количества зарегистрированных образцов стал одним из ключевых факторов активного внедрения автоматизации. Эта тенденция продолжает набирать обороты: все больше лабораторий планируют перейти на автоматизированные решения.

Среди тех, кто уже внедрил автоматизированные системы подготовки проб, наиболее распространенным является использование автосемплеров с функцией подготовки образцов – их применяют 32,4% лабораторий. Автоматизированные системы твердофазной экстракции (SPE) использует 24,5%. Меньшая доля лабораторий работает с полностью роботизированными лабораторными системами (14,6%), автоматизированными системами обработки жидкостей (12,3%) или автоматическими пробоотборниками (9,1%).

Большинство пользователей (82,8%) активно применяют технологию твердофазной экстракции (SPE).

Результаты нынешнего опроса показали относительно равномерное использование различных форматов SPE: картриджи – 26,3%, диски – 28,6%, луночные планшеты – 28,1%. Значительно меньше пользователей выбирают формат с наконечником пипетки – 15,5%.

Среди тех, кто работает с картриджами, 71% используют слои сорбента массой 500 мг или меньше, при этом наиболее популярны варианты на 100 мг (31,2%) и 500 мг (29,1%). Среди пользователей дисков SPE, почти 60% предпочитают 47-миллиметровые диски. Использование больших или меньших размеров распределено примерно поровну.

Что касается сорбентов на основе кремнезема, наблюдается заметное снижение популярности октадецила (C18), вероятно, из-за роста интереса к альтернативным материалам – октилу (C8), а также менее традиционных вариантов, таких как диол, амино и бутил.

В полимерных системах наблюдается спад в использовании нейтральных полимеров. Зато ионообменные и специализированные сорбенты приобретают большую популярность, что, вероятно, связано с их широким диапазоном применения в условиях разного рН.

Анализ предпочтений пользователей по выбору продуктов SPE за последнее десятилетие демонстрирует снижение требовательности к отдельным характеристикам. В то же время воспроизводимость результатов между различными партиями остается ключевым фактором, особенно на этапах разработки методик SPE.Ознакомиться со всеми картриджами для твердофазной экстракции можно по ссылке: https://alt.ua/catalog/kartridzhi-dlya-tfe

В нынешнем опросе читатели ответили на вопрос: «Учитывая непрерывное развитие в сфере аналитики и подготовки образцов, какие из следующих направлений вам интересно видеть в будущем?» Наибольший интерес вызвали два направления – развитие экологически безопасных и миниатюрных технологий, которые уже несколько лет подряд остаются в центре внимания.

Кроме того, респонденты отметили ряд важных аспектов, таких как удобство использования, затраты времени и ресурсов, эффективность и стоимость, которые напрямую связаны с основными проблемами подготовки образцов, зафиксированными ранее.

Участников также попросили назвать до трех новых технологий, которые, по их мнению, могут стать стандартом в ближайшие пять лет. Ожидаемо, среди лидеров оказались экологические подходы к подготовке образцов – в частности, использование более безопасных растворителей, методы без растворителей, а также повторное использование реагентов, растворителей и расходных материалов.

Среди других перспективных инноваций – технологии 3D-печати, инжекция потока, наночастицы и вакуумный нагрев.

Компания ALT Украина внимательно следит за современными трендами и всегда предлагает новейшие решения, чтобы вы могли оставаться на передовой технологического прогресса.