Ανάπτυξη μεθόδων προσδιορισμού ρύπων με υγροχρωματογραφία - φασματομετρία μάζας και φωτοϊοντισμό

Abstract

The purpose of this thesis is the study of atmospheric pressure photoionization (APPI), specifically the technique of LC-APPI-MS/MS, and its exploitation on the development of new applications for determining pollutants. That is, the expansion of the applications of the technique LC-APPI-MS/MS to new classes of compounds.Initially a group of organic pollutants was studied, polybrominated diphenyl ethers (PBDEs). Specifically, BDE28, 47, 99, 100, 153 and 154 were selected. Experiments showed low instrumental limits of detection (LoDs), ranged from 41 to 119pg on column. Using the technique LC-APPI-MS/MS, a method was developed to determine the above PBDEs into surface waters. The LoQs ranged from 4.1 to 11 ng/L in the sample, while the recoveries ranged from 80.5 to 95%. Although method’s limits of quantification were quite low, they could not reach the very low levels set by legislation. However, this method allows the determination of PBDEs in traces and could be used in other cases where its limits are considered satisfactory or could be integrated into the framework of the development of a multi-residue method.Then, polychlorinated biphenyls (PCBs) were studied for the first time. APPI showed excellent performance in the ionization of high chlorination PCBs. For first time mass spectra of PCBs using LC-MS/MS are presented. Specifically, the spectra of PCB101, 118, 138, 153, 180, 199, 206 and 209 using the technique LC-APPI-MS/MS negative ionization are presented. Additionally, a detailed strategy including designs of experiments for developing a LC-APPI-MS/MS method is presented, along with the critical, for APPI, parameters and their effects on ionization of PCBs. The instrumental limits of detection of the above PCBs were quite low and ranged between 0.29 and 8.3 pg on column. Thus, a new LC-APPI-MS/MS method was developed, for first time, and validated for the determination of PCBs in various types of aquatic samples (surface water, tap water, treated sewage). The LoQs ranged from 4.8 to 9.4 ng/L in the sample, while the recoveries ranged from 73 to 96%. Taking into account the legislation for PCBs in surface waters, the developed method had suitable analytical figures for environmental monitoring.Understanding the potential of APPI on ionization of polyhalogenated polyaromatic compounds it was decided to examine one more class of compounds, polychlorinated naphthalenes (PCNs). APPI showed excellent performance in the ionization of PCNs. For first time mass spectra PCNs using LC-MS/MS are presented. Specifically the spectra of PCN52, 54, 66, 67, 73 and 75 using the technique LC-APPI-MS/MS negative ionization are presented. Additionally, a detailed strategy including designs of experiments for developing a LC-APPI-MS/MS method is presented, along with the critical for APPI, parameters and their effects on ionization of PCNs. The instrumental limits of detection for the above PCNs were quite low and ranged from 0.8 to 16 pg on column. Thus, a new LC-APPI-MS/MS method was developed, for first time, and validated for the determination of PCNs in surface water. The LoQs ranged between 29 and 63 ng/L in the sample, while the recoveries ranged from 97 to 99%. The developed method had suitable analytical figures for environmental monitoring and quantification of PCNs in traces.Finally, although in this thesis two new applications of the technique LC-MS/MS using APPI are presented for first time, the most important contribution of this thesis is that it reveals the possibilities of APPI on the ionization of polyhalogenated polyaromatic compounds and shows the way for the development of new applications of LC-MS/MS using atmospheric pressure photoionization.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη του φωτοϊοντισμού σε ατμοσφαιρική πίεση (APPI), πιο συγκεκριμένα της τεχνικής LC-APPI-MS/MS, και η αξιοποίηση του στην ανάπτυξη νέων εφαρμογών για τον προσδιορισμό ρύπων. Δηλαδή, η διεύρυνση των εφαρμογών των τεχνικής LC-APPI-MS/MS σε νέες κατηγορίες ενώσεων.Αρχικά μελετήθηκε μία ομάδα οργανικών ρύπων, οι πολυβρωμιωμένοι διφαινυλαιθέρες (PBDEs). Συγκεκριμένα, επιλέχθηκαν οι BDE28, 47, 99, 100, 153 και 154. Τα πειράματα έδειξαν χαμηλά όρια ανίχνευσης του οργάνου που κυμαίνονταν από 41 έως 119 pg στη στήλη. Με τη χρήση της τεχνικής LC-APPI-MS/MS αναπτύχθηκε μία μέθοδος για τον προσδιορισμό των ανωτέρω PBDEs σε επιφανειακά ύδατα. Τα LoQs κυμαίνονταν από 4,1 έως 11 ng/L στο δείγμα, ενώ οι ανακτήσεις κυμαίνονταν από 80,5 έως 95%. Αν και τα όρια ποσοτικοποίησης της μεθόδου ήταν αρκετά χαμηλά, εντούτοις δε μπορούσαν να φτάσουν στα πολύ χαμηλά επίπεδα που θέτει η νομοθεσία. Ωστόσο, η μέθοδος αυτή επιτρέπει τον προσδιορισμό των PBDEs σε ίχνη και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε άλλες περιπτώσεις όπου τα όριά της θεωρούνται ικανοποιητικά ή θα μπορούσε να ενταχθεί μέσα στο πλαίσιο ανάπτυξης κάποιας πολύ-υπολειμματικής μεθόδου.Ακολούθως μελετήθηκε για πρώτη φορά η ομάδα των πολυχλωριωμένων διφαινυλίων (PCBs). Ο APPI έδειξε εξαιρετικές επιδόσεις στον ιοντισμό των PCBs με περισσότερα από τέσσερα άτομα χλωρίου. Παρουσιάζονται για πρώτη φορά φάσματα μαζών PCBs με τη χρήση LC-MS/MS. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τα φάσματα των PCB101, 118, 138, 153, 180, 199, 206 και 209 με τη χρήση της τεχνικής LC-APPI-MS/MS σε αρνητικό ιοντισμό. Επιπλέον, παρουσιάζεται μία λεπτομερής στρατηγική που περιλαμβάνει σχεδιασμό πειραμάτων για την ανάπτυξη μίας μεθόδου LC-APPI-MS/MS καθώς επίσης παρουσιάζονται και οι κρίσιμες, για τον APPI, παράμετροι και η επίδρασή τους στον ιοντισμό των PCBs. Τα όρια ανίχνευσης του οργάνου για τα ανωτέρω PCBs ήταν αρκετά χαμηλά και κυμαίνονταν από 0,29 έως 8,3 pg στη στήλη. Έτσι, με τη χρήση της τεχνικής LC-APPI-MS/MS αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε μία μέθοδος για τον προσδιορισμό των ανωτέρω PCBs σε διάφορους τύπους υδατικών δειγμάτων (επιφανειακά ύδατα, νερό βρύσης, επεξεργασμένα λύματα). Τα LoQs κυμαίνονταν από 4,8 έως 9,4 ng/L στο δείγμα, ενώ οι ανακτήσεις κυμαίνονταν από 73 έως 96%. Λαμβάνοντας υπόψη τη νομοθεσία για τα PCBs στα επιφανειακά ύδατα, η μέθοδος που αναπτύχθηκε είχε κατάλληλα χαρακτηριστικά για την παρακολούθηση της ποιότητας του περιβάλλοντος.Παρατηρώντας τις δυνατότητες του APPI στον ιοντισμό πολυαλογονωμένων πολυαρωματικών ενώσεων αποφασίστηκε να εξεταστεί ακόμα μία κατηγορία ενώσεων, τα πολυχλωριωμένα ναφθαλένια (PCNs). Ο APPI έδειξε εξαιρετικές επιδόσεις στον ιοντισμό των PCNs. Παρουσιάζονται για πρώτη φορά φάσματα μαζών PCNs με τη χρήση LC- MS/MS. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τα φάσματα των PCN52, 54, 66, 67, 73 και 75 με τη χρήση της τεχνικής LC-APPI-MS/MS σε αρνητικό ιοντισμό. Επιπλέον, παρουσιάζεται μία λεπτομερής στρατηγική που περιλαμβάνει σχεδιασμό πειραμάτων για την ανάπτυξη μίας μεθόδου LC-APPI-MS/MS καθώς επίσης παρουσιάζονται και οι κρίσιμες, για τον APPI, παράμετροι και η επίδρασή τους στον ιοντισμό των PCNs. Τα όρια ανίχνευσης του οργάνου για τα ανωτέρω PCNs ήταν αρκετά χαμηλά και κυμαίνονταν από 0,8 έως 16 pg στη στήλη. Έτσι, με τη χρήση της τεχνικής LC-APPI-MS/MS αναπτύχθηκε για πρώτη φορά και επικυρώθηκε μία μέθοδος για τον προσδιορισμό των ανωτέρω PCNs σε επιφανειακά ύδατα. Τα LoQs κυμαίνονταν από 29 έως 63 ng/L στο δείγμα, ενώ οι ανακτήσεις κυμαίνονταν από 97 έως 99%. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε είχε κατάλληλα χαρακτηριστικά για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος και τον ποσοτικό προσδιορισμό των PCNs σε ίχνη.Τέλος, αν και στην παρούσα λοιπόν εργασία παρουσιάζονται για πρώτη φορά δύο νέες εφαρμογές της τεχνικής LC-MS/MS με τη χρήση του APPI, η σημαντικότερη συνεισφορά αυτής της εργασίας είναι ότι αποκαλύπτει τις δυνατότητες που έχει ο APPI στον ιοντισμό των πολυαλογονωμένων πολυαρωματικών ενώσεων και δείχνει το δρόμο για νέες εφαρμογές της LC-MS/MS με τη χρήση του φωτοϊοντισμού σε ατμοσφαιρική πίεση.