Ανάπτυξη, βελτιστοποίηση και επικύρωση υγρής-υγρής μικροεκχύλισης και μεθοδολογίας αέριας χρωματογραφίας συζευγμένης με φασματομετρία μάζας για τον προσδιορισμό πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων με τη χρήση χημειομετρικών μεθόδων σε υδατικά δείγματα: εκτίμηση οικοτοξικολογικού κινδύνου για την λεκάνη απορροής του ποταμού Άραχθου

Abstract

The aim of the study is first to exploit the analytical utility of dispersive suspended microextraction for the determination of PAHs in natural water samples, for the first time, followed by gas chromatography–mass spectrometry(GC/MS). The second is to evaluate and optimize the method with the aid of response surface methodology and experimental design. And finally the third is to calculate the potential ecological risk of the PAH residues in Nestos River basin.For the DSME procedure, 4.3 mL of aqueous sample was placed in a 10-mL crimp-top glass vial sealed with an open centered aluminum cap and with a PTFE-gray butyl septum. A 93 μL aliquot of toluene, taken with single channel pipette, was added as the extraction solvent to the surface of the aqueous sample. A magnetic micro stirring bar was placed at the bottom of the vial. The sample vial was placed on a magnetic stirrer to stir the sample.The DSME procedure first involved an extraction step, followed by a restoration step. In particular, the stirring speed was set at1500 rpm (extraction speed) for 104 s (extraction time) and then was reduced to 800 rpm (restoration speed). In the extraction step, a cloudy solution was formed, and the analytes in the water sample were extracted into fine toluene droplets. When the stirring speed was adjusted to 800 rpm, the restoration step began. At this stirring speed, a gentle vortex was formed and the toluene droplets began to coalesce. After 10 min (restoration time), the toluene had separated from the aqueous phase, and an organic droplet was formed in the bottom center of the vortex. Finally, after the restoration step, 1.5 μL of the organic phase was collected with a10 μL micro syringe with a small hub removable needle and injected into the GC–MS for further analysis.The proposed method was applied to real water sample analysis. Different types of water samples obtained from eight sample stations were used, including river and lagoon sources. Among the target analytes, seven PAHs were detected in three of a total of eight sample stations. Specifically, six PAHs were detected in one sample station, while five sample stations were totally free from PAH residues. To conclude, in the present study, for the first time, DSME coupled with GC–MS was evaluated for the simultaneous determination of PAH residues in real water samples. This simple, rapid and inexpensive extraction method fulfilled analytical validation criteria. The sensitivity and linear dynamic range were relevant to environmental water analysis, and accurate measurement of the compounds of interest in surface waters was achieved.

Ο σκοπός της διατριβής ήταν πρώτον η εφαρμογή της υγρής-υγρής μικροεκχύλισης αιωρούμενης σταγόνας σε διασπορά ακολουθούμενη από αέρια χρωματογραφία συζευγμένης με ανιχνευτή μάζας, για πρώτη φορά, για την ανίχνευση πολυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων. Δεύτερον η ανάπτυξη, βελτιστοποίηση και πιστοποίηση της τεχνικής με τη βοήθεια της μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης και πειραματικού σχεδιασμού. Και τρίτον ο υπολογισμός του πιθανού οικοτοξικολογικού κινδύνου για τη λεκάνη απορροής του ποταμού Άραχθου.Για την υγρή-υγρή μικροεκχύλιση αιωρούμενης σταγόνας σε διασπορά, 4,3 mL υδατικού δείγματος τοποθετούνται σε ένα γυάλινο φιαλίδιο των 10 mL με πτυχωτή κορυφή το όποιο σφραγίζεται με πώμα από αλουμίνιο. Μια μικρομαγνητική ράβδος ανάδευσης είχε τοποθετηθεί στον πυθμένα του φιαλιδίου. Ακολούθως στην επιφάνεια του υδατικού δείγματος προστίθεται ο διαλύτης εκχύλισης (93 μL) με μια αυτόματη πιπέτα. Τέλος το φιαλίδιο τοποθετείται σε μαγνητικό αναδευτήρα για την ανάδευση του δείγματος.Κατά την εφαρμογή της διαδικασίας DSME λαμβάνουν μέρος δυο κρίσιμα στάδια. Αρχικά έχουμε το στάδιο εκχύλισης το οποίο ακολουθείται από το στάδιο αποκατάστασης. Πιο συγκεκριμένα, η ταχύτητα ανάδευσης ρυθμίζεται στις 1500 στροφές ανά λεπτό (ταχύτητα εκχύλισης) για 104 δευτερόλεπτα (χρόνος εκχύλισης) και στη συνέχεια μειώνεται στις 800 στροφές ανά λεπτό (ταχύτητα αποκατάστασης). Κατά το στάδιο της εκχύλισης σχηματίζεται ένα θολό διάλυμα και οι αναλύτες στο δείγμα νερού εκχυλίζονται στα μικροσκοπικά σταγονίδια του διαλύτη εκχύλισης. Αφού περάσει ο χρόνος εκχύλισης (104 δευτερόλεπτα) η ταχύτητα ανάδευσης ρυθμίζεται στις 800 στροφές ανά λεπτό και ξεκινάει το στάδιο αποκατάστασης. Σε αυτή την ταχύτητα ανάδευσης σχηματίζεται μία ήπια περιδίνηση και τα σταγονίδια του διαλύτη εκχύλισης αρχίζουν να συγχωνεύονται και πάλι προς τον σχηματισμό μιας ενιαίας σταγόνας. Μετά από 10 λεπτά (χρόνος αποκατάστασης), ο οργανικός διαλύτης έχει διαχωριστεί πλήρως από την υδατική φάση και έχει σχηματιστεί μια σταγόνα του διαλύτη εκχύλισης στο κέντρο του κάτω μέρους του στροβίλου. Τέλος, μετά το στάδιο αποκατάστασης, 1.5 μL της οργανικής φάσης συλλέγεται με μια μικροσύριγγα των 10 μL και εγχέεται στο σύστημα αέριας χρωματογραφίας συζευγμένο με ανιχνευτή μάζας (GC-MS) για περαιτέρω ανάλυση.Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόστηκε για την ανάλυση δειγμάτων πραγματικού νερού. Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικοί τύποι δειγμάτων νερού από οκτώ σταθμούς δειγματοληψίας, τα όποια ήταν δείγματα ποτάμια και λιμνοθάλασσας. Μεταξύ των αναλυτών, επτά ΠΑΥ ανιχνεύθηκαν σε τρεις από τους συνολικά οκτώ σταθμούς δειγματοληψίας. Συγκεκριμένα, έξι ΠΑΥ ανιχνεύθηκαν σε έναν μόνο σταθμό δειγματοληψίας, ενώ πέντε σταθμοί ήταν εντελώς απαλλαγμένοι από υπολείμματα ΠΑΥ.Τέλος, στην παρούσα μελέτη, για πρώτη φορά, η τεχνική DSME σε συνδυασμό με GC-MS αξιολογήθηκε για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό των υπολειμμάτων ΠΑΥ σε πραγματικά δείγματα νερού. Αυτή η απλή, γρήγορη και φθηνή μέθοδος εκχύλισης που αναπτύχθηκε φέρεται να πληροί όλα τα αναλυτικά κριτήρια επικύρωσης. Η ευαισθησία και η γραμμική δυναμική περιοχή ήταν χαμηλές, επιτρέποντας ανάλυση περιβαλλοντικών δειγμάτων νερού. Έτσι επετεύχθη ακριβής μέτρηση των ενώσεων στόχων στα επιφανειακά ύδατα.