1. Argomento di ricerca L'espansione dello spazio chimico è una sfida fondamentale della chimica analitica moderna, guidata dalla crescente necessità di monitoraggio in contesti ambientali e biologici. Questo concetto si riferisce alla collezione esaustiva dei composti chimici che, in linea di principio, potrebbero essere presenti in un campione [1]. Lo sviluppo di un workflow analitico definisce già a priori il numero di composti potenzialmente osservabili mediante una serie di scelte, come il metodo di estrazione, la tecnica analitica scelta o il tipo di ionizzazione per il rilevamento. In questo senso, le strategie targeted, limitano intrinsecamente l'esplorazione dello spazio chimico concentrandosi esclusivamente su analiti predefiniti. Al contrario, i workflow non-targeted sono progettati per massimizzare lo spazio chimico senza aspettative preliminari sulla composizione del campione, con l'obiettivo di rilevare il maggior numero possibile di composti [2]. L'obiettivo di questa tesi di dottorato è di dimostrare come gli approcci non-targeted, supportati da tecniche analitiche avanzate, possano estendere la copertura dello spazio chimico dei composti terpenici nelle infiorescenze di Cannabis, dei metaboliti nel siero umano e del rilevamento di sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS). 2. Metodologie Questa tesi si basa su strategie analitiche avanzate per analiti volatili, come la gascromatografia bidimensionale abbinata alla spettrometria di massa (GC×GC-MS). Questa tecnica, rispetto al caso monodimensionale, offre un'elevata selettività e peak capacity, consentendo un’analisi dettagliata di miscele complesse [3]. Dopodiché, questa tesi si concentra sull’utilizzo di sistemi thermal desorption tube che, nella configurazione dual-stage proposta, consentono un'efficiente crio-concentrazione di analiti volatili, come nel caso dei composti terpenici nelle infiorescenze di Cannabis. Nei campioni di siero, invece, è stato valutato in che modo la composizione del solvente di estrazione influisce sulla copertura delle classi metaboliche e, di conseguenza, sullo spazio chimico che può essere rivelato. Infine, l'espansione dello spazio chimico è stata studiata mediante tecniche di ionizzazione hard (ionizzazione elettronica, EI) e soft (ionizzazione chimica positiva e negativa, PCI, NCI) per la rilevazione di sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS). 3. Impatto e risultati Questa tesi di dottorato si propone di dimostrare come le decisioni analitiche modellino lo spazio chimico e regolino la continuità delle informazioni analitiche (AIC). Questo nuovo concetto, non presente in letteratura, definisce la capacità di un workflow analitico di preservare e trasmettere la complessità chimica di un campione in tutte le fasi metodologiche. Nel volatiloma della Cannabis, l'estrazione dinamica dello spazio di testa (DHS), combinata con il desorbimento dual-stage e GC×GC-MS, ha migliorato la risoluzione dei picchi cromatografici e ha consentito la discriminazione dei chemovar, dimostrando al contempo che i sorbenti polimerici (come Tenax-TA) sono più adatti per analisi non-targeted. Nei campioni di siero, invece, sono stati evidenziati profili metabolici dipendenti dal solvente di estrazione, indicando un compromesso tra i sistemi ricchi di acqua, che favoriscono i metaboliti polari, e miscele di acetonitrile-acetone, più adatte al recupero di composti apolari. Infine, nella caratterizzazione dei PFAS, le strategie di utilizzo complementari di NCI, PCI ed EI, rispettivamente, hanno migliorato il rilevamento di specie altamente alogenate, la conservazione degli ioni molecolari e la discriminazione mediante caratteristica frammentazione. 4. Bibliografia [1] https://doi.org/10.1038/s41370-023-00574-6 [2] https://doi.org/10.1186/s12302-023-00779-4 [3] https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85062-9.00003-9
1. Research subject Expanding the observable chemical space is a key challenge in modern analytical chemistry, driven by the growing need for comprehensive monitoring in environmental and biological applications. This concept refers to the comprehensive collection of chemical compounds that could, in principle, be present within a sample [1]. The development of an analytical workflow already defines the number of potentially observable compounds, which is essentially determined by a series of choices, such as the extraction method, the selection of the analytical technique, or the type of ionization used for detection. In this sense, targeted strategies, while reliable and designed for quantification, inherently restrict exploration of chemical space by focusing exclusively on predefined analytes. In contrast, non-targeted workflows are specifically designed to maximize chemical space by avoiding assumptions about sample composition, with the aim of detecting as many compounds as possible [2]. The objective of this PhD thesis is to explore how non-targeted approaches, supported by advanced analytical techniques, can extend the chemical space coverage of terpene compounds in Cannabis inflorescence, metabolites in human serum, and the detection of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in environmental samples. 2. Methodologies This research relied on advanced analytical strategies for volatile compounds, such as separation and detection using comprehensive two-dimensional gas chromatography hyphenated to mass spectrometry (GC×GC-MS). This technique provided high peak capacity and enhanced selectivity, enabling a deeper exploration of complex mixtures with structured chromatographic patterns [3]. Moreover, this PhD thesis relied on thermal desorption tubes, which, in the proposed dual-stage configuration, enabled efficient analyte cryo-focusing and solvent-free enrichment of volatile compounds in Cannabis inflorescence. For serum samples, solvent extraction for metabolomic profiling was employed and critically evaluated, as solvent composition strongly affects the extraction coverage of metabolite classes, thus the chemical space that can be revealed/detected. Finally, expansion of chemical space was evaluated in terms of ionization efficiencies of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), by hard (electron ionization, EI) and soft (positive and negative chemical ionization, PCI, NCI) ionization techniques. 3. Results and impact This PhD thesis illustrates how analytical decisions shape the chemical space and regulate the continuity of analytical information (AIC). This new concept, not present in literature, defines the capacity of an analytical workflow to preserve and transmit the chemical complexity of a sample across all methodological steps. In Cannabis volatilomics, dynamic head-space extraction (DHS) combined with dual-stage thermal desorption and GC×GC-MS improved peak sharpness and chemovar discrimination, while demonstrating that porous polymer sorbents (i.e. Tenax-TA) improve analyte coverage for non-target analysis. In serum samples, GC×GC-MS revealed a distinct solvent-dependent metabolite profiles, highlighting difficulties of a universal solvent for metabolomic profiling (across the predefined extraction strategies), while indicating a compromise between water-rich systems, which favour polar metabolites, and acetonitrile-acetone mixtures, which are better suited for recovering apolar compounds. Finally, for PFAS exploration, the complementary strengths of NCI, PCI, and EI, respectively, enhance detection of highly halogenated species, molecular ion preservation, and discrimination through characteristic fragmentation. 4. Bibliography [1] https://doi.org/10.1038/s41370-023-00574-6 [2] https://doi.org/10.1186/s12302-023-00779-4 [3] https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85062-9.00003
Expanding the chemical space through non-targeted analysis and multidimensional gas chromatography coupled with mass spectrometry
DE POLI, MARCO
2026
Abstract
1. Argomento di ricerca L'espansione dello spazio chimico è una sfida fondamentale della chimica analitica moderna, guidata dalla crescente necessità di monitoraggio in contesti ambientali e biologici. Questo concetto si riferisce alla collezione esaustiva dei composti chimici che, in linea di principio, potrebbero essere presenti in un campione [1]. Lo sviluppo di un workflow analitico definisce già a priori il numero di composti potenzialmente osservabili mediante una serie di scelte, come il metodo di estrazione, la tecnica analitica scelta o il tipo di ionizzazione per il rilevamento. In questo senso, le strategie targeted, limitano intrinsecamente l'esplorazione dello spazio chimico concentrandosi esclusivamente su analiti predefiniti. Al contrario, i workflow non-targeted sono progettati per massimizzare lo spazio chimico senza aspettative preliminari sulla composizione del campione, con l'obiettivo di rilevare il maggior numero possibile di composti [2]. L'obiettivo di questa tesi di dottorato è di dimostrare come gli approcci non-targeted, supportati da tecniche analitiche avanzate, possano estendere la copertura dello spazio chimico dei composti terpenici nelle infiorescenze di Cannabis, dei metaboliti nel siero umano e del rilevamento di sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS). 2. Metodologie Questa tesi si basa su strategie analitiche avanzate per analiti volatili, come la gascromatografia bidimensionale abbinata alla spettrometria di massa (GC×GC-MS). Questa tecnica, rispetto al caso monodimensionale, offre un'elevata selettività e peak capacity, consentendo un’analisi dettagliata di miscele complesse [3]. Dopodiché, questa tesi si concentra sull’utilizzo di sistemi thermal desorption tube che, nella configurazione dual-stage proposta, consentono un'efficiente crio-concentrazione di analiti volatili, come nel caso dei composti terpenici nelle infiorescenze di Cannabis. Nei campioni di siero, invece, è stato valutato in che modo la composizione del solvente di estrazione influisce sulla copertura delle classi metaboliche e, di conseguenza, sullo spazio chimico che può essere rivelato. Infine, l'espansione dello spazio chimico è stata studiata mediante tecniche di ionizzazione hard (ionizzazione elettronica, EI) e soft (ionizzazione chimica positiva e negativa, PCI, NCI) per la rilevazione di sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS). 3. Impatto e risultati Questa tesi di dottorato si propone di dimostrare come le decisioni analitiche modellino lo spazio chimico e regolino la continuità delle informazioni analitiche (AIC). Questo nuovo concetto, non presente in letteratura, definisce la capacità di un workflow analitico di preservare e trasmettere la complessità chimica di un campione in tutte le fasi metodologiche. Nel volatiloma della Cannabis, l'estrazione dinamica dello spazio di testa (DHS), combinata con il desorbimento dual-stage e GC×GC-MS, ha migliorato la risoluzione dei picchi cromatografici e ha consentito la discriminazione dei chemovar, dimostrando al contempo che i sorbenti polimerici (come Tenax-TA) sono più adatti per analisi non-targeted. Nei campioni di siero, invece, sono stati evidenziati profili metabolici dipendenti dal solvente di estrazione, indicando un compromesso tra i sistemi ricchi di acqua, che favoriscono i metaboliti polari, e miscele di acetonitrile-acetone, più adatte al recupero di composti apolari. Infine, nella caratterizzazione dei PFAS, le strategie di utilizzo complementari di NCI, PCI ed EI, rispettivamente, hanno migliorato il rilevamento di specie altamente alogenate, la conservazione degli ioni molecolari e la discriminazione mediante caratteristica frammentazione. 4. Bibliografia [1] https://doi.org/10.1038/s41370-023-00574-6 [2] https://doi.org/10.1186/s12302-023-00779-4 [3] https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85062-9.00003-9I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
