Microextraction under vacuum conditions

Abstract

Στην παρούσα διατριβή ερευνάται η δυνατότητα δειγματοληψίας ημι – πτητικών ενώσεων από τον υπερκείμενο χώρο σε υδατικά και στερεά δείγματα με χρήση της τεχνικής μικροεκχύλισης στερεής φάσης υπερκείμενου χώρου (HSSPME) κάτω από συνθήκες χαμηλής πίεσης. Αυτή η νέα μέθοδος ονομάστηκε μικροεκχύλιση στερεής φάσης υπερκείμενου χώρου υποβοηθούμενη από κενό (Vac – HSSPME). Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται οι τεχνικές προετοιμασίας δείγματος. Γίνεται αναλυτική παρουσίαση των τεχνικών στις οποίες η φάση δέκτης χρησιμοποιεί ελάχιστο ή καθόλου οργανικό διαλύτη. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις αρχές και τις παραμέτρους που επηρεάζουν τις δύο μεθόδους εφαρμογής της SPME (απευθείας και υπερκείμενου χώρου) Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η δημοσιευμένη έρευνα με τίτλο: Μικροεκχύλιση στερεής φάσης υπερκείμενου χώρου υποβοηθούμενη από κενό: Βελτιωμένη εκχύλιση ημι – πτητικών ενώσεων με δειγματοληψία του υπερκείμενου χώρου σε συνθήκες μη ισορροπίας και χαμηλής πίεσης. Σε αυτή τη δημοσίευση προτείνεται η εφαρμογή μιας νέας τεχνικής μικροεκχύλισης στερεάς φάσης υπερκείμενου χώρου (HSSPME) η οποία πραγματοποιήθηκε κάτω από συνθήκες ελαττωμένης πίεσης, σύμφωνα με την οποία όγκοι δείγματος που χρησιμοποιούνται στην κλασσική HSSPME (9 mL) εισάγονται για πρώτη φορά σε αεροστεγή και εμπορικά διαθέσιμη φιάλη μεγάλου όγκου (1000 mL) η οποία είχε εκκενωθεί από την παρουσία αέρα πριν την εφαρμογή της HSSPME. Η προτεινόμενη μέθοδος εξασφαλίζει επαναλήψιμες συνθήκες για την HSSPME και αποκλείει την πιθανότητα απώλειας των υπο – μελέτη ενώσεων. Παρουσιάζεται για πρώτη φορά ένα θεωρητικό μοντέλο της εξάρτησης της HSSPME από την πίεση σε συνθήκες μη – ισορροπίας. Αν και κατά τη διάρκεια της HSSPME η χαμηλή πίεση δεν αναμένεται να αυξήσει την ποσότητα της ουσίας που εκχυλίζεται σε κατάσταση ισορροπίας, αυξάνει όμως τους ρυθμούς εκχύλισης σε σύγκριση με την HSSPME υπό ατμοσφαιρική πίεση εξαιτίας της αύξησης των ρυθμών εξάτμισης υπό την παρουσία εκκενωμένου υπερκείμενου χώρου. Η επίδραση αυτή είναι πιο έντονη για τις ημι – πτητικές ουσίες των οποίων οι ρυθμοί εξάτμισης ελέγχονται από την αντίσταση στη μεταφορά μάζας στο στενό αέριο φιλμ της υγρής/αέριας διεπιφάνειας. Εξετάζονται οι παράμετροι που επηρεάζουν την HSSPME κάτω από συνθήκες χαμηλής και ατμοσφαιρικής πίεσης και τα πειραματικά δεδομένα που συλλέγονται χρησιμοποιούνται για την επιβεβαίωση της θεωρίας/μοντέλου. Εξετάζεται επίσης και η χρήση του υπερβολικά μεγάλου υπερκείμενου όγκου. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόστηκε για την ανίχνευση χλωροφαινολών σε υδατικά δείγματα με γραμμικότητες καλύτερες από 0,9915 και όρια ανίχνευσης σε επίπεδα των ppt. Η επαναληψιμότητα κυμάνθηκε μεταξύ 3,1% και 8,6%. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η δημοσιευμένη έρευνα με τίτλο: Επίδραση της σταθεράς του νόμου Henry και των λειτουργικών παραμέτρων στην μικροεκχύλιση στερεής φάσης υπερκείμενου χώρου υποβοηθούμενης από κενό. Σε αυτή τη δημοσίευση διερευνήθηκαν η επίδραση των ιδιοτήτων των οργανικών ενώσεων στόχων κ των παραμέτρων δειγματοληψίας (όγκος υπερκείμενης φάσης και ανάδευση δείγματος) στην αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου Vac – HSSPME. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε θερμοκρασία δωματίου η HSSPME σε συνθήκες μη ισορροπίας βελτιώνεται δραματικά με την εφαρμογή κενού μέσα στην δειγματοληπτική φιάλη σε σύγκριση με συνθήκες κανονικής πίεσης. Προέκυψε ότι σε θερμοκρασία δωματίου η αύξηση των ρυθμών εκχύλισης που επάγεται από τη μείωση της ολικής πίεσης μέσα στη δειγματοληπτική φιάλη είναι σημαντική για τις ουσίες των οποίων η σταθερά του νόμου του Henry, KH, είναι κοντά ή κάτω από το κατώφλι των τιμών για ουσίες χαμηλού KH. Για αυτές τις ουσίες ο ρυθμός εξάτμισης εξαρτάται από την αντίσταση στη μεταφορά μάζας στο λεπτό αέριο στρώμα της διεπιφάνειας δείγματος/υπερκείμενου χώρου και μειώνοντας την ολική πίεση αυξάνουν οι ρυθμοί εξάτμισης και σαν αποτέλεσμα ταχύτερη συνολική διαδικασία εκχύλισης. Αντιστρόφως, για ουσίες με ενδιάμεση τιμή KH, η Vac – HSSPME δεν αναμένεται να βελτιώσει τους ρυθμούς εξάτμισης σε σχέση με την κλασσική HSSPME δεδομένου ότι η αντίσταση στη μεταφορά μάζας στο λεπτό υγρό στρώμα παραμένει σημαντική. Σε συμφωνία με τη θερμοδυναμική θεωρία, στην ισορροπία, η εκχυλιζόμενη ποσότητα της ουσίας από την SPME ίνα δεν επηρεάζεται από τις συνθήκες πίεσης μέσα στην δειγματοληπτική φιάλη. Επιπλέον, οι κινητικές εκχύλισης στην Vac – HSSPME για τις χαμηλού KH ουσίες επηρεάστηκαν οριακά από την εφαρμοζόμενη αλλαγή του όγκου της υπερκείμενης φάσης καθώς οι ρυθμοί εξάτμισης αυξάνουν δραματικά κάτω από συνθήκες ελαττωμένης πίεσης και το δείγμα ανταποκρίνεται ταχύτερα στην πτώση της συγκέντρωσης στον υπερκείμενο χώρο σε σύγκριση με την κλασσική HSSPME. Στην ισορροπία όμως, αύξηση στον όγκο του υπερκείμενου χώρου μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της ευαισθησίας για την Vac – HSSPME παρόμοια με την παρατηρούμενη κατά την κλασσική HSSPME. Όπως ήταν αναμενόμενο, η ανάδευση του υγρού δείγματος βελτίωσε την αποτελεσματικότητα της Vac – HSSPME. Η γραμμικότητα της μεθόδου ήταν καλύτερη από 0,998 και τα όρια ανίχνευσης σε επίπεδα των ppt. Η ακρίβεια της μεθόδου κυμάνθηκε μεταξύ 1,8% και 8,4%. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η δημοσιευμένη έρευνα με τίτλο: Σμίκρυνση της μικροεκχύλισης στερεής φάσης υπερκείμενου χώρου υποβοηθούμενης από κενό. Σε αυτή την έρευνα, έγινε δυνατή η σμίκρυνση της δειγματοληπτικής φιάλης σε ειδικά διαμορφωμένο φιαλίδιο των 22 mL και παρατηρήθηκε ότι οι αλλαγές στην τελική πίεση της εκκενωμένης από αέρα φιάλης πριν την εισαγωγή του δείγματος ήταν αρκετά χαμηλές και επέτρεψαν την ικανοποιητική απόδοση της Vac-HSSPME. Η διαμορφωμένη φιάλη των 22 mL χρησιμοποιήθηκε για την εκχύλιση πέντε αρωματικών υδρογονανθράκων. Μελετήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν μερικές πειραματικές παράμετροι. Για τις ουσίες των οποίων η αντίσταση στη μεταφορά στη μάζα στο λεπτό αέριο φιλμ της διεπιφάνειας αερίου/δείγματος ελέγχει τους ρυθμούς εξάτμισης, η μείωση της συνολικής πίεσης κατά τη διάρκεια της HSSPME μπορεί να βελτιώσει δραματικά τις κινητικές εκχύλισης μέσα στη διαμορφωμένη φιάλη των 22 mL. Η υγρασία αποδείχτηκε ότι επηρέασε την ποσότητα του ναφθαλενίου (ουσία ενδιάμεσης τιμής KH) που εκχυλίστηκε από την πολυμερή ίνα στην θερμοδυναμική ισορροπία καθώς επηρέασε αρνητικά την εκχύλιση όλων των αναλυόμενων ουσιών σε υψηλές εφαρμοζόμενες θερμοκρασίες δειγματοληψίας. Τα σημαντικά πλεονεκτήματα της διαμορφωμένης φιάλης είναι η αποτελεσματική ικανότητα εκχύλισης και καλή ευαισθησία που επιτεύχθηκαν σε συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου και σε σύντομους χρόνους δειγματοληψίας. Για την φιάλη των 22 mL, η προτεινόμενη μέθοδος ήταν γραμμική, τα όρια ανίχνευσης σε επίπεδα των ng L-1 και σχετικές τυπικές αποκλίσεις που κυμάνθηκαν μεταξύ 1,3% και 5,8%. Οι υδατικές μήτρες δεν επηρέασαν την εκχύλιση με την Vac – HSSPME. Το Κεφάλαιο 5 διερευνά την δυνατότητα χρήσης της Vac-HSSPME για την εκχύλιση πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανράκων από δείγματα χώματος. Διάφορες παράμετροι ελέγχθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν. Οι βέλτιστες συνθήκες ήταν: δειγματοληψία του υπερκείμενου χώρου 2 g επιμολυσμένου χώματος και 2 mL απιονισμένου ύδατος για 30 min ενώ το μίγμα αναδευόταν στις 1400 rpm. Η Vac – HSSPME ήταν γραμμική σε εύρος συγκεντρώσεων 1 έως 400 ng g-1 (r2>0,9478) και επαναλήψιμη (4.3 έως 10%, εκφρασμένη σε τιμές σχετικής τυπικής απόκλισης – RSD). Τα όρια ανίχνευσης κυμάνθηκαν σε επίπεδα των ng g-1 (0,003 – 0,233 ng g-1). Για μία ακόμη φορά, η μέθοδος Vac-HSSPME αποδείχτηκε ιδιαίτερα ευαίσθητη και μεγάλης ακρίβειας κάτω από σύντομους χρόνους και υπό ήπιες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της δειγματοληψίας. Στο Κεφάλαιο 6 ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας και παρουσιάζονται τα συμπεράσματα. Αξιολογούνται οι παράμετροι οι οποίες επηρεάζουν τη διαδικασία καθώς και η συνολική απόδοση της Vac-HSSPME. Στη συνέχεια, προτείνονται μελλοντικές κατευθύνσεις για την απλούστευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας και την εφαρμογή της σε ευρύτερο πεδίο εφαρμογών.

The present thesis investigates the possibility of sampling semi – volatile analytes from the headspace of aqueous or solid samples using headspace solid – phase microextraction (HSSPME) under reduced pressure conditions. The new procedure was termed vacuum assisted headspace solid phase microextraction (Vac – HSSPME). In Chapter 1 sample preparation techniques are presented. A comprehensive review on solvent – free sample preparation techniques is given with emphasis to SPME principles and the parameters affecting the two sampling modes (direct and headspace). Chapter 2 presents the published report entitled: Vacuum-assisted headspace solid phase microextraction: Improved extraction of semivolatiles by non-equilibrium headspace sampling under reduced pressure conditions. In this report, a new headspace solid-phase microextraction (HSSPME) procedure carried out under vacuum conditions was proposed where sample volumes commonly used in HSSPME (9 mL) were introduced into pre-evacuated commercially available large sampling chambers (1000 mL) prior to HSSPME sampling. The proposed procedure ensured reproducible conditions for HSSPME and excluded the possibility of analyte losses. A theoretical model was formulated demonstrating for the first time the pressure dependence of HSSPME sampling procedure under non equilibrium conditions. Although reduced pressure conditions during HSSPME sampling are not expected to increase the amount of analytes extracted at equilibrium, they greatly increase extraction rates compared to HSSPME under atmospheric pressure due to the enhancement of evaporation rates in the presence of an air-evacuated headspace. The effect is larger for semivolatiles whose evaporation rates are controlled by mass transfer resistance in the thin gas film adjacent to the sample/headspace interface. Parameters that affect HSSPME extraction were investigated under both vacuum and atmospheric conditions and the experimental data obtained were used to discuss and verify the theory. The use of an excessively large headspace volume was also considered. The applicability of Vac-HSSPME was assessed using chlorophenols as model compounds yielding linearities better than 0.9915 and detection limits in the low-ppt level. The repeatability was found to vary from 3.1 to 8.6%. Chapter 3 presents the published report entitled: Effect of Henry’s law constant and operating parameters on vacuum-assisted headspace solid phase microextraction. This paper investigated the effects of organic analyte properties and sampling parameters (headspace volume and sample agitation) on vacuum-assisted HSSPME (Vac-HSSPME). The results revealed that at room temperature, acceleration effects on extraction rates induced by reducing the total pressure of the sample container are important for those compounds where the Henry’s law constant, KH, is close or below the reported threshold values for low KH solutes. For these compounds evaporation rate is controlled by mass transfer resistance in the thin gas-film adjacent to the gas/sample interface and reducing the total pressure will increase evaporation rates and result in a faster overall extraction process. Conversely, for analytes with an intermediate KH value, Vac-HSSPME is not expected to improve extraction rates compared to regular HSSPME given that mass transfer resistance in the liquid-film becomes important. In accordance with the theory, at equilibrium, the amount of analyte extracted by the SPME fiber is not affected by the pressure conditions inside the sample container. Furthermore, Vac-HSSPME extraction kinetics for low KH analytes were marginally affected by the tested change in headspace volume as evaporation rates dramatically increase under reduced pressure conditions and the sample responds much faster to the concentration drops in the headspace when compared to regular HSSPME. At equilibrium however, increasing the headspace volume may result in a loss of sensitivity for Vac-HSSPME similar to that observed for regular HSSPME. As expected, stirring the liquid sample was found to improve Vac-HSSPME. Finally, the method yielded a linearity of 0.998, detection limits in the ppt level and precision varying between 1.8% and 8.4 %. Chapter 4 presents the published report entitled: Downsizing vacuum-assisted headspace solid phase microextraction. In this study, we downsized the extraction device to a 22 mL modified sample vial and concluded that changes in the final total pressure of the pre-evacuated vial following sample introduction were sufficiently low to allow efficient Vac-HSSPME sampling. The downsized extraction device was used to extract five low molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons and several experimental parameters were controlled and optimized. For those compounds whose mass transfer resistance in the thin gas-film adjacent to the gas/sample interface controls evaporation rates, reducing the total pressure during HSSPME sampling dramatically enhanced extraction kinetics in the 22 mL modified vial. Humidity was found to affect the amount of naphthalene (intermediate KH compound) extracted by the fiber at equilibrium as well as impair extraction of all analytes at elevated sampling temperatures. All the same, the high extraction efficiency and very good sensitivity achieved at room temperature and within short sampling times comprised the most important features of Vac-HSSPME in this downsized extraction device. Analytically, the developed method was found to yield linear calibration curves with limits of detection in the low ng L-1 level and relative standard deviations ranging between 3.1 and 6.4 %. Matrix was found not to affect extraction. Chapter 5 investigates the possibility of using Vac-HSSPME for extracting polycyclic aromatic hydrocarbons from soil samples. Several parameters were controlled and optimized. The optimum conditions found were: sampling the headspace of a 2 g spiked sandy sample and 2 mL of water for 30 min while stirring the sample at a 1400 rpm agitation rate. The application of Vac – HSSPME yielded good linearity in the range 1 to 400 ng g-1 (r2>0.9478) and precision ranging between 4.3 to 10 % (expressed as RSD). The detection limits were in the low ng g-1 levels (0.003 – 0.233 ng g-1). Overall, Vac-HSSPME method confirmed that very good sensitivity and precision could be attained within short sampling times and under mild sampling temperatures. In Chapter 6 the results of the present study are summarized and conclusions are drawn. The parameters affecting Vac-HSSPME procedure as well as the overall performance of the method are evaluated. Future directions in the field are also given.