标准参考物质作为追溯性非靶向分析计量学基础的应用与发展

《Environmental Science & Technology》：Application and Development of Standard Reference Materials as the Metrological Foundation for Retrospective Nontarget Analysis

　　

环境分析化学正经历深远的范式转变。数十年来，靶向分析作为在环境和生物基质中定量测定预定化学物质的金标准，依赖分析标准品和标准参考物质（SRMs）提供计量学基准。尽管对未知环境污染物的追溯可追溯到20世纪70年代，但过去几十年中高分辨质谱（HRMS）的常规应用从根本上拓宽了研究人员的分析视野。通过单次进样捕获广阔的可电离化学空间，非靶向分析（NTA）使得无需事先分析标准品即可发现未知化学物质。在开源谱库日益扩展和人工智能（AI）辅助工作流程不断演进的推动下，NTA已成为环境暴露组学和综合暴露评估的基石，导致《Environmental Science & Technology》上相关出版物迅速增长（图1A）。虽然向追溯性NTA的转变代表了环境暴露组学和健康科学领域的重大飞跃，但其仍面临真实世界样本复杂性的挑战。化学空间在预处理过程中不可避免地损失，电离过程中的基质抑制扭曲了未知物的检测。随着全球倡议推动大规模生态监测网络和人类暴露组项目，一个计量学悖论已经出现：现代算法作为强大的发现引擎，能够查询包含数百万个化合物的数据库，从而为每个样本注释数千个特征，但缺乏足够加标的标准品，更不用说合适的SRMs，用于进一步的鉴定和定量。实质上，科学界正在针对靶向时代设计的计量学基础设施之上构建暴露组尺度的架构。
**最大化利用现有SRMs以实现方法学协调**
与标准化的靶向方案不同，NTA工作流程在不同实验室间存在差异，采用不同的提取过程、HRMS平台（例如，飞行时间、轨道阱和傅里叶变换离子回旋共振）以及数据处理策略（例如，MZmine、MS-DIAL、Compound Discoverer或内部编程），并带有用户自定义参数。可变的数据反卷积算法和谱库选择可能导致对完全相同的数据集产生截然不同的置信度分配，这削弱了确保已发表发现可验证和可重复所需的科学问责制。这种方法学碎片化损害了数据可追溯性和可比性，其程度已通过大规模跨实验室工作量化。在美国EPA的非靶向分析协作试验（ENTACT）中，近30个专家实验室分析了加标1269种ToxCast化合物的合成混合物。大多数实验室报告了某些水平的假阳性和假阴性率。即使在正确识别的靶标中，45.3%仅通过单一方法检测到，15%完全未被注释。对于由EPA和NORMAN网络进行的复杂天然基质分析，类似的差异和相当低的共识率同样困扰着研究。如果没有共享的计量学基准来锚定未表征的化学空间，不一致的过滤可能会无意中抹去真实的环境信号。类似地，未校正的基质效应和假阳性注释可能扭曲下游暴露评估。解决这些问题对于确保毒理学和流行病学数据建立在可靠基础上至关重要。
为了增强实验室间可比性，分析界可以利用现有的计量学资源，特别是全球可获取的天然基质SRMs。在过去几十年中，世界各国的国家计量院（NMIs），包括美国国家标准与技术研究院（NIST，>1300种SRMs）、欧盟联合研究中心（JRC，约800种）、中国计量科学研究院（NIM，>2000种）和加拿大国家研究委员会（NRC，约200种），已开发了数百种涵盖颗粒物、沉积物、土壤、生物样本、食品和人体生物监测材料的天然基质SRMs。表S2（n=95）总结了具有认证有机物的代表性天然基质SRMs。尽管最初设计用于已知的遗留污染物，主要是多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、多溴二苯醚（PBDEs）和有机氯农药（OCPs），但这些SRMs表现出优异的物理化学均一性，并捕获了真实世界的复杂性。一种实用的策略是将这些基质匹配的SRMs纳入常规NTA样本批次中。通过NTA工作流程处理已建立的SRM提供了一个普遍认可的基线。即使这些材料中的未知物没有正式认证，它们的一致存在允许独立实验室交叉验证提取效率、评估基质抑制、归一化保留时间，并基准化特征对齐的重现性。利用现有SRMs作为共享的程序对照是迈向全球可比性的一步建设性举措。
**存档的SRMs作为追溯性“时间胶囊”**
除了工作流程协调外，现有具有良好记录采样年份的SRMs为追溯性NTA提供了战略优势。追溯性分析的需求通常是反应性的。在当代样本中识别出一种新型有毒物质立即触发了重建其历史出现和轨迹的需求。对于大多数实验室来说，这项任务通常是不可能的，因为如果没有长期存档计划，历史样本是不可恢复的。虽然环境样本库（ESBs）提供了高度系统化的历史样本来源，但它们是一种资本密集型基础设施，主要位于经济发达国家，并且其存档的物理样本很少通过商业渠道获取。在这种情况下，某些SRMs可以充当精心保存的“时间胶囊”。例如，Liu等人最近在现代室内灰尘中检测到高浓度的三(2,4-二叔丁基苯基)磷酸酯（AO168═O），这是一种未受监测的抗氧化剂转化产物，而人类暴露的时间线未知。通过重新分析1993–1994年在美国室内环境中采集的全球可获取的NIST SRM 2585（室内灰尘），研究人员成功揭示了几十年前AO168═O的水平为10.9 μg/g。通过利用不同基质的广阔时间线，研究人员可以绘制已识别新污染物的历史出现图谱，而无需依赖他们自己的实验室档案（图1B）。
尽管有这些实际应用，在将传统SRMs扩展到暴露组尺度NTA时必须考虑关键注意事项。遗留的SRMs是专门为靶向计量学设计的，提供有限数量的遗留污染物的认证值。在干燥、有顶空和室温条件下储存传统的灰尘SRMs可能不足以保证未表征、挥发性或不稳定未知物的长期稳定性。然而，如果研究人员需要追溯性地追踪挥发性污染物，一种高度实用的策略是识别并利用现有的、包含具有类似挥发性和物理化学性质的目标污染物的认证SRMs，作为稳定的参考基准。对于高度持久性和非挥发性的新兴污染物，如PFAS替代品和顽固性聚合物添加剂，传统干燥储存的SRMs仍然异常稳定，并作为数十年间重建历史暴露时间线的宝贵“时间胶囊”。因此，这些全球可获取的材料为多个国家建立的ESBs提供了关键的计量学补充。此外，为了保持非靶向化学空间的完整性，建议在可行时按照ESB级低温保存方案维护SRMs，从而确保长期稳定性和分析可比性。随着努力转向全面的暴露组学，未知化学空间的规模和复杂性凸显了建立与HRMS能力兼容的现代化计量学框架的紧迫性。
**重新构想下一代SRMs**
虽然在充分利用当前SRMs有助于实验室间比较和追溯性NTA，但这并不能完全解决化学暴露组学的开放性现实。这些材料是为已知靶标设计的，因此缺乏关于更广泛未识别化学空间的权威定性和定量数据。一条有效的前进路径是协作开发专为NTA系统验证而量身定制的下一代基质匹配暴露组SRMs。
该领域将受益于优先对真实的、天然基质SRMs进行严格和广泛表征的努力。通过紧密合作，研究人员可以在常见环境和生物基质中，对跨广泛MS就绪分子量、酸解离常数（pKa）、分配系数（log D）和不同官能团的化合物实现全面的定性筛查和随后的定量分析。作为补充，这些努力应超越对遗留污染物的关注，以解决更广泛的紧迫环境负担（例如，工业添加剂、农用化学品和药品）及其复杂的地球化学转化产物。这些经过精心表征的基质匹配暴露组SRMs将作为多维锚点，为研究人员提供实用工具，以客观地计算不同NTA工作流程中的假发现率和真阳性指标。
基质匹配的暴露组SRMs提供了确保发现保持稳健、可验证和全球可比的计量学轨道。成功开发下一代SRMs需要前所未有的国际协同。这些有前景的SRMs值得通过广泛的实验室间交叉验证进行联合表征，建立在NORMAN网络、EPA和全球NTA社区先前开展的工作基础上。通过联合NMIs、全球学术网络和仪器供应商，在多样化的HRMS平台上进行全面的环试验，该社区可以共同为高度复杂的基质建立可靠的、基于共识的“地面真相”档案。加强这一计量学基础以匹配研究人员先进的分析能力，是准确记录化学污染和主动捍卫全球公共健康的紧迫科学优先事项。

**论文解读：标准参考物质作为追溯性非靶向分析计量学基础的应用与发展**

**研究背景与问题**

环境分析化学正经历从靶向分析到非靶向分析（NTA）的深刻范式转变。传统上，靶向分析依赖于分析标准品和标准参考物质（SRMs）作为计量学基准，用于定量测定环境中预设的化学物质。然而，随着高分辨质谱（HRMS）的普及，NTA技术能够通过单次进样捕获大量可电离化学物质，无需事先标准品即可发现未知物，推动了环境暴露组学和综合暴露评估的快速发展。尽管如此，NTA在实际应用中面临严峻挑战：真实样本的化学空间在预处理和电离过程中因基质抑制而损失，不同实验室采用多样化的提取流程、HRMS平台（如飞行时间、轨道阱、傅里叶变换离子回旋共振）和数据处理策略（如MZmine、MS-DIAL），导致方法碎片化严重。美国EPA的非靶向分析协作试验（ENTACT）表明，近30个实验室分析含1269种化合物的合成混合物时，假阳性和假阴性率显著，45.3%的准确识别化合物仅由单一方法检出，15%完全未被注释。此外，缺乏共享的计量学基准使得不同实验室间的数据可比性和可追溯性受损，下游暴露评估可能被扭曲。因此，亟需建立适用于NTA的计量学基础，以支撑全球环境监测和人类暴露组研究。本研究旨在探讨如何利用现有SRMs作为计量学“时间胶囊”，并展望下一代SRMs的构建，以解决上述问题，研究成果发表在《Environmental Science & Technology》。

**主要技术方法概述**

本研究首先通过文献计量学分析（基于《Environmental Science & Technology》1967–2026年出版物）梳理NTA方法学演变里程碑，包括飞行时间（TOF）和轨道阱HRMS的引入、全球协作试验（NORMAN NTACT、EPA ENTACT）的启动、置信度等级的建立等。其次，系统盘点全球国家计量院（NMIs）开发的天然基质SRMs（如NIST、JRC、NIM、NRC的95种代表性SRMs），涵盖颗粒物、沉积物、土壤、食品、人体生物监测材料等，并分析其认证有机物（如PAHs、PCBs、PBDEs、OCPs）的分布。再次，以NIST SRM 2585（室内灰尘，1993–1994年采集于美国室内环境）为案例，通过回溯性NTA检测抗氧化剂转化产物AO168═O，验证SRMs作为“时间胶囊”的可行性。最后，基于现有SRMs的局限性，提出下一代基质匹配暴露组SRMs的协作开发框架，包括跨实验室交叉验证、环试验（ring trials）等策略。

**研究结果**

**Maximizing Existing SRMs for Methodological Harmonization（最大化利用现有SRMs以实现方法学协调）**
通过分析ENTACT等大规模跨实验室试验，发现NTA工作流程的碎片化导致高假阳性率和假阴性率，削弱了科学问责制。研究人员提出，将现有天然基质SRMs纳入常规NTA批次作为程序对照，可提供普遍认可的基线：独立实验室能交叉验证提取效率、评估基质抑制、归一化保留时间并基准化特征对齐重现性。即使SRMs中的未知物未经认证，其一致存在也能推动全球可比性。

**Archived SRMs as Retrospective “Time Capsules”（存档的SRMs作为追溯性“时间胶囊”）**
通过重新分析NIST SRM 2585（室內灰尘，1993–1994年采集），研究人员成功检测到AO168═O（一种抗氧化剂转化产物，浓度10.9 μg/g），揭示了其在数十年前已存在的历史暴露水平。该案例表明，SRMs由于具有明确的采样年份和广泛基质覆盖，可替换环境样本库（ESBs）作为“时间胶囊”，用于追溯性重建新污染物的历史出现时间线。但需注意，传统干燥储存的SRMs对挥发性或易降解未知物的稳定性有限，建议采用ESB级低温保存协议以保障长期稳定性。

**Reconceptualizing the Next Generation of SRMs（重新构想下一代SRMs）**
当前SRMs仅针对已知遗留污染物设计，缺乏对未识别化学空间的权威定性和定量数据。研究人员主张，通过国际协作（如NORMAN网络、EPA、全球NTA社区），开发专为NTA系统验证的基质匹配暴露组SRMs。这些SRMs需涵盖广泛MS就绪分子量、酸解离常数（pKa）、分配系数（log D）和功能团，并优先关注工业添加剂、农用化学品、药品及其转化产物等新兴污染物。通过联合NMIs、学术网络和仪器供应商进行跨平台环试验，可建立基于共识的“地面真相”档案，为计算假发现率和真阳性指标提供多维锚点。

**讨论与结论**

讨论部分强调，尽管现有SRMs为方法学协调和追溯性分析提供了实用桥梁，但面对暴露组尺度的复杂化学空间，必须升级计量学基础设施。建议改进SRMs储存条件（如低温保存），并推动全球协同努力以共同表征下一代SRMs，确保其稳健性、可验证性和全球可比性。研究结论翻译如下：**加强这一计量学基础以匹配研究人员先进的分析能力，是准确记录化学污染和主动捍卫全球公共健康的紧迫科学优先事项。**