Development of quantitative structure property relationships to support non - target LC - HRMS screening

Abstract

Over the last decade, a high number of emerging contaminants were detected and identified in surface and waste waters that could threaten the aquatic environment due to their pseudo-persistence. As it is described in chapters 1 and 2, liquid chromatography high resolution mass spectroscopy (LC-HRMS) can be used as an efficient tool for their screening. Simultaneously screening of these samples by hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) and reversed phase (RP) would help with full identification of suspects and unknown compounds. However, to confirm the identity of the most relevant suspect or unknown compounds, their chemical properties such as retention time behavior, MSn fragmentation and ionization modes should be investigated. Chapter 3 of this thesis discusses the development of a comprehensive workflow to study the retention time behavior of large groups of compounds belonging to emerging contaminants. A dataset consisted of more than 2500 compounds was used for RP/HILIC-LC-HRMS, and their retention times were derived in both Electrospray Ionization mode (+ and -ESI). These in silico approaches were then applied on the identification of 10 new transformation products of tramadol, furosemide and niflumic acid (under ozonation treatment). Chapter 4 discusses about the development of a first retention time index system for LC-HRMS. Some practical applications of this RTI system in suspect and non-target screening in collaborative trials have been presented as well.Chapter 5 describes the development of in silico based toxicity models to estimate the acute toxicity of emerging pollutants in the aquatic environment. This would help link the suspect/non-target screening results to the tentative environmental risk by predicting the toxicity of newly tentatively identified compounds.Chapter 6 introduces an automatic and systematic way to perform suspect and non-target screening in LC-HRMS data. This would save time and the data analysis loads and enable the routine application of non-target screening for regulatory or monitoring purpose.

Κατά την τελευταία δεκαετία, ένας μεγάλος αριθμός αναδυόμενων ρύπων έχουν ανιχνευθεί και ταυτοποιηθεί σε επιφανειακά ύδατα και λύματα, προκαλώντας ανησυχία για το υδάτινο οικοσύστημα, λόγω της πιθανής χημικής τους σταθερότητας. Η τεχνική της υγροχρωματογραφίας - φασματομετρίας μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας (LC-HRMS) αποτελεί μια αποτελεσματική τεχνική για την ανίχνευση αναδυόμενων ρύπων στο περιβάλλον. Η ταυτόχρονη δε ανάλυση των δειγμάτων με τις συμπληρωματικές τεχνικές της υγροχρωματογραφίας αντίστροφης φάσης (RPLC) και της υγροχρωματογραφίας υδρόφιλων αλληλεπιδράσεων (HILIC), συντελεί στην ταυτοποίηση «ύποπτων» ή και άγνωστων ρύπων με ποικίλες φυσικοχημικές ιδιότητες. Για την ταυτοποίηση τους, απαιτείται να πληρούνται συγκεκριμένα κριτήρια, τα οποία αξιολογούνται με βάση τη χρήση διαγνωστικών εργαλείων, όπως η ακριβής πρόβλεψη του χρόνου ανάσχεσης, η in silico θραυσματοποίηση και η πρόβλεψη της συμπεριφορά τους στον ιοντισμό.Στο 3ο κεφάλαιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής περιγράφεται η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης πορείας εργασίας (workflow) για τη διερεύνηση των παραμέτρων που επηρεάζουν τον χρόνο έκλουσης μεγάλου αριθμού ενώσεων που συγκαταλέγονται στους αναδυόμενους ρύπους. Για τον σκοπό αυτό, πάνω από 2.500 αναδυόμενοι ρύποι χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του μοντέλου πρόβλεψης χρόνου ανάσχεσης για τις 2 υγροχρωματογραφικές τεχνικές (RP- και HILIC-LC-HRMS) και για ηλεκτροψεκασμό τόσο σε θετικό όσο και σε αρνητικό ιοντισμό (+ και -ESI). Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε εφαρμογή του μοντέλου για την υπολογιστική πρόβλεψη του χρόνου ανάσχεσης, για την ταυτοποίηση 10 νέων προϊόντων μετασχματισμού των φαρμακευτικών ενώσεων (tramadol, furosemide και niflumic acid) ύστερα από επεξεργασία με όζον.Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός καινοτόμου γενικευμένου χημειομετρικού μοντέλου το οποίο είναι ικανό να προβλέπει τον χρόνο έκλουσης κάθε πιθανού ρύπου, ανεξαρτήτου υγροχρωματογραφικής μεθόδου που χρησιμοποιείται, συμβάλλοντας σημαντικά στην σύγκριση αποτελεσμάτων από διαφορετικές LC-HRMS μεθόδους. Το συγκεκριμένο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την ταυτοποίηση «ύποπτων» και άγνωστων ενώσεων σε διεργαστηριακές δοκιμές. Το Κεφάλαιο 5, περιέχει την περιγραφή της ανάπτυξης ενός υπολογιστικού μοντέλου πρόβλεψης τοξικότητας αναδυόμενων ρύπων που ανιχνεύονται στο υδάτινο οικοσύστημα. Το συγκεκριμένο μοντέλο αποσκοπεί στην εκτίμηση του πιθανού περιβαλλοντικού κινδύνου για νέες ενώσεις που ταυτοποιήθηκαν μέσω σάρωσης «ύποπτων» ενώσεων και μη-στοχευμένης σάρωσης, για τις οποίες δεν είναι ακόμα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα τοξικότητας.Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται ένας αυτοματοποιημένος και συστηματικός τρόπος σάρωσης «ύποπτων» ενώσεων και μη-στοχευμένης σάρωσης σε δεδομένα από LC-HRMS. Η νέα αυτή αυτοματοποιημένη πορεία εργασίας, αποσκοπεί στην λιγότερο χρονοβόρα επεξεργασία των HRMS δεδομένων, και στην εφαρμογή της μη-στοχευμένης σάρωσης ώστε να είναι δυνατή η εφαρμογή τους σε καθημερινούς ελέγχους ρουτίνας ή/και για χρήση από τις κανονιστικές αρχές.