Automated sample preparation methods for the determination of trace level concentrations of environmental pollutants

Abstract

[eng] Automatic sample preparation methods are nowadays imperative to meeting compressed analytical timeline. As a result, mechanized sample preparation methods hyphenated with analytical techniques exploiting the different generations of flow analysis were in this dissertation developed and characterized for determination of organic and inorganic pollutants in environmentally relevant samples and industrial wastes. The thesis consists of two parts; the first is devoted to the development of automatic methods for dynamic chemical fractionation and investigation of bioaccessibility of inorganic trace contaminants in solid samples including coal fly ash and biomass fuels. The second part involved the development of automatic sorptive methods prior to chromatographic assays for extraction, preconcentration, separation and determination of trace concentration levels of selected pesticides (namely, triazine and metabolites thereof, and polychlorinated biphenyl compounds (PCBs)) in environmental samples at levels below those endorsed in current Directives. Dynamic flow-through fractionation is proven to afford more accurate evaluation of potentially bioaccessible metal pools under environmentally changing conditions than the equilibrium-based counterparts as a consequence of the solid/liquid equilibria shift and absence of metal redistribution effects. In fact, natural processes are occurring under dynamic rather than static conditions as assumed in classical methods. In this context, a novel miniaturized flow-based configuration capitalized on stirred-flow cell extraction was devised for automatic assessment of bioaccessible pools of trace metals (namely, Cu, Cd, Ni, Pb and Zn) in three samples at a time with no limitation of sample amount up to 1.0 g. A two-step sequential extraction scheme involving water and acetic acid (or acetic acid/acetate buffer) was utilized for reliable estimation of readily mobilisable fractions of trace elements in fly ash under worst-case conditions following the US-Toxicity Characteristic Leaching Test (TCLP), the results of which are reported in chapter 3 entitled “Multiple stirred-flow chamber assembly for simultaneous automatic fractionation of trace element in fly ash samples using a multisyringe-based flow system”. In dynamic extraction approaches, the solid sample under investigation is loaded into a suitable container, and exposed continuously to fresh extractant volumes by resorting to flow-based approaches. In this thesis, two dynamic extraction systems, the so-called sequential injection microcolumn extraction (SI-MCE) and sequential injection stirred-flow chamber extraction (SI-SFCE) were critically compared on the basis of the sample-containing container, sample representativeness, homogeneity of the sample, and analytical results aimed at further harmonization of this novel leaching methodology. vi The three-step EU approved BCR sequential extraction scheme was performed in both automatic dynamic fractionation systems to evaluate the extractability of Cr, Cu, Ni, Pb and Zn in a standard reference material of coal fly ash (NIST 1633b) as detailed in chapter 4 entitled “Critical evaluation of novel dynamic flow-through methods for automatic sequential BCR extraction of trace metals in fly ash”. On-line coupling of SI-SFCE with ICP-OES was resorted to the exploration of the potential availability of ash-forming elements (e.g., K, Ca, Na and Mg) of biomass fuels (namely, bark and twigs) in flue gases, which is regarded as indicative of potential fireside problems (fouling and slagging in combustion devices). Experimental results are compiled in chapter 5 entitled “Automated dynamic chemical fractionation method with detection by plasma spectrometry for advanced characterization of solid biofuels”. The ultimate aim is to have a reliable system at hand to assist in deciding on a short notice whether or not firing biomass fuels on the basis of potential corrosion risks in combustion devices. For elucidation of metal-biomass/ash associations and investigation of the actual selectivity of extractants, dynamic extraction data was judiciously combined with spectroscopic characterization techniques, namely, scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray fluorescence spectrometry (SEM-EDX) and X-ray diffraction (RXD) assays. These studies are shown in chapter 6 entitled “Elucidation of associations of ash-forming matter in woody biomass residues”. In the second part of the thesis, automatic sample preparation methods have been developed using solid-phase extraction (SPE) approaches in flowing stream systems as a “front end” to chromatography techniques (GC or LC). Selective µSPE in a Bead-Injection (automatic renewable SPE) mode in the so-called multi-dimensional SPE combining molecular imprinted polymers (MIP) and reversed-phase sorbents (Oasis HLB) was utilized in Chapter 7 (Multimodal bead injection-based flow-through microextraction involving renewable molecularly imprinted and reversed-phase sorbents as a front end to liquid chromatography for automatic multiresidue assays) for selective preconcentration of triazine residues and their metabolites in crude soil extracts. The hyphenated µSPE-HPLC system was proven to provide sufficient sensitivity and reliability for determination of the target herbicides (namely, atrazine, simazine and propazine) and their dealkylated metabolites (namely, deisopropyltriazine (DIA) and deethylatrazine (DEA)) at concentration levels below those specified by current legislations for human water consumption and surface waters. In chapter 8 entitled “Flowthrough dispersed carbon nanofiber-based microsolid-phase extraction coupled to liquid chromatography for automatic determination of trace levels of priority environmental vii pollutants” dispersed carbon nanomaterials were handled as sorptive surfaces in an automatic flow-mode with minimum nanoparticle agglomeration and negligible pressure drop. The proof-of-concept of the method was demonstrated for µSPE and clean-up of chlorotriazine residues (namely, atrazine, simazine and propazine) and their dealkylated metabolites (namely, deisopropyltriazine (DIA) and deethylatrazine (DEA)) in both environmental waters and soil extracts. In Chapter 9 entitled “On-line coupling of bead injection-lab on valve analysis to gas chromatography (BI-LOV-GC). Application to the determination of trace levels of polychlorinated biphenyls (PCBs) in solid waste leachates” is for the first time demonstrated the coupling of mesofluidic platforms with renewable µSPE to GC for monitoring of organic pollutants. This new approach fostered the isolation, concentration, separation and determination of PCBs from raw landfill leachates.

[spa] La automatización de métodos de preparación de muestra es un tema de gran actualidad para reducir tiempos de análisis y mejorar las propiedades analíticas de ensayos químicos. Como consecuencia, en esta tesis doctoral se proponen nuevos métodos de preparación de muestra automáticos y acoplados a técnicas analíticas usando las diferentes generaciones de análisis en flujo para la determinación de contaminantes inorgánicos y orgánicos en muestras de interés ambiental y en residuos industriales. La tesis doctoral se compone de dos partes: La primera se centra en el desarrollo de nuevos métodos automáticos de fraccionamiento químico dinámico e investigación de la bioaccesibilidad de trazas de contaminantes inorgánicos en muestras sólidas, como por ejemplo, cenizas volantes y biomasa vegetal. La segunda parte incluye nuevos métodos automáticos de (ad/ab)sorción previos a ensayos cromatográficos para la extracción, preconcentración, separación y determinación de niveles traza de varias familias de pesticidas (ej., triazinas y sus metabolitos, y compuestos bifenilos policlorados (PCBs)) en muestras ambientales a concentraciones inferiores a las legisladas. A diferencia de los métodos de fraccionamiento basados en equilibrio, los métodos dinámicos en flujo son capaces de cuantificar con mayor exactitud la fracción de metales potencialmente bioaccesible al cambiar las condiciones ambientales como consecuencia del desplazamiento de los equilibrios sólido/líquido y la inexistencia de efectos de readsorción de metales. De hecho, los procesos naturales ocurren en condiciones dinámicas en vez de estáticas, que son asumidas en los métodos clásicos. En este contexto, se diseñó un sistema en flujo miniaturizado basado en la extracción en un reactor agitado para la cuantificación de forma automática de la fracción bioaccesible de elementos traza (Cu, Cd, Ni, Pb y Zn) en tres muestras simultáneamente y con cantidades de muestra variable hasta 1.0 g. Se utilizó un método de extracción secuencial de dos etapas basado en el uso de agua y ácido acético (o tampón ácido acético/acetato) como extractantes para la determinación de las máximas fracciones móviles de elementos traza en cenizas volantes mediante el procedimiento americano de lixiviación característica de toxicidad (US-TCLP). Los resultados experimentales se detallan en el capítulo 3 titulado “Fraccionamiento automático y simultáneo de elementos traza en cenizas volantes usando ix un sistema múltiple de reactores agitados”. En las extracciones dinámicas la muestra a analizar se coloca en un recipiente adecuado y se expone continuamente a nuevos volúmenes de extractante mediantes sistemas en flujo. En esta tesis, se comparan dos sistemas de extracciones dinámicas basados en el uso de microcolumnas o reactores agitados en sistemas en flujo (Inyección secuencial, SIA) en cuanto al tipo de recipiente para la muestra, representatividad y homogeneidad de la muestra y resultados analíticos, con el objetivo final de armonizar esta nueva metodología de lixiviación. Para ello se evaluó la extractabilidad de Cu, Ni, Pb and Zn en un material de referencia certificado de cenizas de carbón (NIST 1633b) utilizando el método BCR de tres etapas recomendado por la UE. Este trabajo se incluye en el capítulo 4 títulado: “Evaluación crítica de nuevos métodos dinámicos en flujo para la extracción automática de metales traza en cenizas usando el método BCR de extracción secuencial”. Para investigar la posible disponibilidad de elementos responsables de la generación de cenizas (ej., K, Ca, Na y Mg) en biomasa (corteza y ramas de árboles) en gases de combustión se diseñó un sistema en-línea acoplando extracción dinámica basada en reactores agitados a un espectrómetro de plasma acoplado inductivamente con detección óptica. Las fracciones móviles de metales alcalinos y alcalino-térreos son indicadoras de posibles problemas en los sistemas de combustión (formación de depósitos y pérdida de eficacia del reactor) dónde se utilice la biomasa como combustible. Los resultados experimentales se describen en el capítulo 5 titulado: “Método de fraccionamiento químico dinámico con detección elemental por espectrometría de plasma para la caracterización avanzada de biocombustibles sólidos”. El objetivo final de este trabajo es disponer de un método analítico fiable para decidir a la mayor brevedad posible si diferentes tipos de biomasa podrían ser utilizados como combustibles en base a los riesgos de corrosión en reactores. Para elucidar asociaciones entre ceniza/biomasa y metales e investigar la selectividad real de los extractantes, se combinaron los resultados de extracción dinámica con técnicas de caracterización espectroscópica, como por ejemplo, la microscopía electrónica de barrido con espectrometría de fluorescencia de rayos X dispersiva (SEM-EDX) y difracción de rayos X (RXD). Estos estudios se incluyen en el capítulo 6 titulado: “Elucidación de asociaciones de elementos responsables de la generación de cenizas en residuos de biomasa”. En la segunda parte de la tesis se incluyen nuevos métodos automáticos de preparación de muestra basados en la extracción en fase sólida (SPE) en sistemas en flujo acoplados a técnicas cromatográficas (GC o LC) para la determinación de contaminantes orgánicos. En el capítulo 7 titulado: “Microextracción en fase sólida basada en bead-injection multimodal x usando polímeros de impresión molecular y materiales de fase reversa para análisis automático de multi-residuos de herbicidas/pesticidas” se propone un método µSPE selectivo con fase sólida renovable de forma automática, denominado Bead-Injection-SPE multidimensional, combinando polímeros de impresión molecular (MIP) y materiales de fase reversa (Oasis HLB) para la preconcentración selectiva de residuos de triazinas y sus metabolitos en extractos crudos de suelos. Se demostró que el acoplamiento µSPE-LC proporciona suficiente sensibilidad y fiabilidad para la determinación de los analitos a niveles de concentración inferiores a los legislados en aguas de consumo humano y aguas superficiales. En el capítulo 8 titulado: “Método de extracción en fase sólida miniaturizado basado en la dispersión de nanofibras de carbono en sistemas en flujo para la determinación automática de niveles traza de contaminantes orgánicos prioritarios mediante LC” se utilizaron nanomateriales de carbono como adsorbentes en técnicas en flujo sin problemas de aglomeración ni aumento de la sobrepresión en el sistema automático. Para demostrar el potencial analítico de este método se analizaron trazas de herbicidas de la familia de las clorotriazinas (atrazina, simazina y propazina) y sus metabolitos (desisopropiltriazina (DIA) y desetilatrazina (DIA) en aguas y extractos de suelos previa preconcentración por µSPE. En el capítulo 9 titulado: “Acoplamiento en-línea de bead-injection-Lab-on-Valve a cromatografía de gases (BI-LOV-GC). Aplicación a la determinación de niveles traza de bifenilos policlorados (PCBs) en lixiviados de residuos sólidos” se propone por primera vez en la bibliografía el acoplamiento de plataformas mesofluídicas con µSPE renovable a GC para la monitorización de contaminantes orgánicos. Mediante este nuevo método se determinaron PCBs en lixiviados crudos de residuos en vertederos previa extracción y concentración automática seguida de separación por GC.