Αναλυτικές τεχνικές για τον προσδιορισμό επιλεγμένων ενώσεων με ενδοκρινική διαταρακτική δράση (EDCs) σε φυσικά νερά, ιζήματα και τρόφιμα: εφαρμογή χημειομετρικών μεθόδων

Abstract

This PhD study was primarily focused on the validation, optimization and application of three different preconcentration methods for the simultaneous determination of the target Endocrine Disrupting Compounds, linuron and diuron as well as their common metabolites (DCPMU, DCPU and 3, 4-DCA) in various natural waters, sediments as well as several food commodities. Whenever possible, chemometric methods such as experimental designs - both fractional factorial and fully nested- in combination with artificial neural networks were applied and/or compared to classical approaches. A high-performance liquid chromatography system coupled to UV-diode array detector (HPLC/UV-DAD) was used for the target analytes quantification. Generally, the study comprises of three parts each one dealing respectively with the analysis of sediments, natural waters and selected food commodities. In the first part the validation of an analytical method based on ultrasonic extraction of the target analytes from various freshwater sediments is presented. In the second part, a solid phase extraction (SPE) preconcentration method for the simultaneous determination of the target analytes present in natural waters was optimized and validated. The influence of several experimental variables affecting the extraction efficiency of the target analytes was studied in order to maximize extraction efficiency, including the sorbent material, elution solvents, pH and breakthrough volume, as well as some solution parameters that is, ionic strength and organic matter content. Then, matrix solid-phase dispersion (MSPD) as a sample preparation method for the determination of the two potential EDCs and their metabolites in food commodities was developed. The influence of the main factors on the extraction process yield was thoroughly evaluated. For that purpose, both classical approach and the multivariable one using a 3(4-1) fractional factorial design in further combination with artificial neural networks (ANNs) were employed. A fully nested experimental design was applied to study the measurement uncertainty arising from trueness as well as to examine the usability of the three analytical methods used for different sediments, water types and food commodities. In order to verify the real applicability of the proposed procedure and to assess the contamination extend, representative market baskets were sampled in 10 European countries in 3 sampling campaigns (Jan-Feb, Apr-May, Sept-Oct 2003). It was ensured for the samples to represent different geographical areas and preferred nutrition modes of their inhabitants. Finally a risk assessment originating from food consumption was attempted. Despite the violations of MRLs, in no case linuron residues exceeded the ADIs. However, the latter refer to single substance intake whereas aliment contains a complex mixture of chemical residues. Furthermore, current safety regulation for consumer health protection does not consider endocrine effects.

Η εκπόνηση της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής πραγματεύεται τη βελτιστοποίηση και εφαρμογή αναλυτικών μεθόδων για τον προσδιορισμό δύο επιλεγμένων φυτοφαρμάκων καθώς και των κοινών τους μεταβολιτών σε διάφορους τύπους υδάτων, σε ιζήματα ποικίλης προέλευσης και σε επιλεγμένα φρούτα και λαχανικά. Το ενδιαφέρον της εστιάζεται επιπλέον στην υπολειμματικότητα των παραπάνω ενώσεων σε ορισμένα είδη τροφίμων που συμπεριλαμβάνονται στο κοινώς λεγόμενο "καλάθι της νοικοκυράς". Η χρήση χημειομετρικών μεθόδων διαπερνά όλο τον κορμό της ερευνητικής εργασίας σε μια προσπάθεια εφαρμογής τους, τόσο για τη βελτιστοποίηση των αναλυτικών μεθόδων όσο και για την εκτίμηση του βαθμού της - προερχόμενης από την ανάκτηση-αβεβαιότητας αυτών. Έτσι γίνεται χρήση δύο διαφορετικών πειραματικών σχεδιασμών και επιπλέον επιχειρείται συνδυασμός με υπολογιστικά μοντέλα που ανήκουν στον κλάδο της Τεχνητής Νοημοσύνης, τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα. Επιπλέον, γίνεται προσπάθεια αξιολόγησης του κινδύνου των καταναλωτών των επιλεγμένων τροφίμων λόγω της υπολειμματικότητας των δύο φυτοφαρμάκων και των μεταβολιτών τους. Επιλέχθηκαν τα ευρέως χρησιμοποιούμενα σε γεωργικές καλλιέργειες ζιζανιοκτόνα linuron και diuron ως ύποπτες ενώσεις για ενδοκρινική διαταρακτική δράση. Η συνεκτίμηση των υπολειμμάτων τριών κοινών μεταβολιτών τους (DCPMU, DCPU και 3,4-DCA) κρίθηκε επίσης απαραίτητη αφού σε μερικές περιπτώσεις τα υπολείμματα των προϊόντων διάσπασης μπορεί να υπερβαίνουν αυτά των αρχικών ενώσεων. Τρεις αναλυτικές μέθοδοι επιλέχθηκαν να μελετηθούν. Η εκχύλιση με τη χρήση υπερήχων για τα ιζήματα, η εκχύλιση δια της στερεάς φάσης (SPE) για τα φυσικά νερά και η μέθοδος εκχύλισης με διασπορά του υποστρώματος στη στερεά φάση (MSPD) για τα τρόφιμα. Σκοπό της παρούσας ερευνητικής εργασίας αποτέλεσε και ο έλεγχος των κυριότερων παραμέτρων που είναι γνωστό ότι επηρεάζουν την απόδοση τόσο της μεθόδου SPE όσο και της MSPD ώστε να προσδιοριστούν οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης για το μίγμα των δύο EDCs και των μεταβολιτών τους σε κάθε περίπτωση. Περαιτέρω, η βελτιστοποίηση της μεθόδου MSPD έγινε εκτός της κλασσικής (ένας παράγοντας τη φορά) προσέγγισης με τη χρήση πειραματικού σχεδιασμού σε συνδυασμό με τη χρήση μοντέλων όπως τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα με στόχο τη σύγκριση των δύο μεθόδων αλλά και την ουσιαστικότερη χαρτογράφηση και τελικά προσέγγιση των βέλτιστων συνθηκών. Επιπλέον έγινε μια προσπάθεια προσδιορισμού της προερχόμενης από την ανάκτηση αβεβαιότητας των τριών μεθόδων εκχύλισης που χρησιμοποιήθηκαν. Για την επίτευξη του στόχου χρησιμοποιήθηκε ένα πλήρως ένθετο πειραματικό σχέδιο. Τέλος, η μέθοδος MSPD εφαρμόστηκε για τον προσδιορισμό υπολειμμάτων των επιλεγμένων ενώσεων και των μεταβολιτών τους σε δείγματα φρούτων και λαχανικών αντιπροσωπευτικών του «καλαθιού της νοικοκυράς» που περιλάμβαναν μήλα, καρότα, πατάτες, σιτάλευρα και χυμούς πορτοκαλιών. Ο τελικός στόχος ήταν η εκτίμηση της επικινδυνότητας από την ημερήσια πρόσληψη των παραπάνω τροφίμων για τους καταναλωτές.