Browsing by discipline "Analytical Chemistry"

The literature part of this thesis consists of a review of recently introduced forms of solid phase microextraction (SPME): thin film microextraction (TFME), in-tube solid phase microextraction(IT-SPME) and the closely related techniques of capillary in tube adsorption trap/solid phase dynamic extraction (INCAT/SPDE). The experimental part covers the study of reagents for on-fiber derivatization of low molecular weight aliphatic amines in atmospheric concentrations. In TFME a thin film of sorbent is used for extraction instead of a rod-like sorbent as in fiber-SPME. This increases analyte uptake and capacity compared to fiber-SPME, making TFME suitable for non-equilibrium extraction. TFME is used with both gas and liquid chromatography, although the large size of the film presents problems in desorption, especially in gas chromatography. Common applications of TFME are environmental monitoring and in vivo extraction. IT-SPME is a dynamic type of SPME most often coupled with liquid chromatography, in which a liquid sample is pumped through an extraction capillary. It is relatively easily automated with most autosamplers. In the most common form a sorbent is coated on the inside walls of the capillary. Recently, packed types of IT-SPME have been introduced, which can achieve very high extraction efficiencies. In addition, sorbent materials which change their properties according to environmental factors such as temperature, potential and magnetic field seem promising for future development. INCAT/SPDE utilizes internally coated metal needles for extraction. Although similar to IT-SPME, it is used for sampling gaseous compounds by pumping them through the needle. Desorption and analysis is usually performed with a gas chromatograph. INCAT/SPDE has some advantages over fiber-SPME, such as larger sorbent volume and robustness. However, it is currently limited to only polydimethylsiloxane-based sorbents, which limits possible applications. In the experimental part, the possibilities of using allyl isothiocyanate, pentafluorobenzaldehyde(PFBAY) and pentafluorobenzyl chloroformate (PFBCF) in simultaneous extraction and on-fiber derivatization of low molecular weight aliphatic amines were explored. Separation and analysis was performed with gas chromatography-mass spectrometry. Allyl isothiocyanate did not derivatize the analytes. On-fiber derivatization with PFBAY was successful for both ethylamine and methylamine, but the concentrations required to observe signal from the derivatives were too high to use PFBAY for air samples. PFBCF was identified as the most promising reagent, working for both dimethylamine and ethylamine. It was also possible to construct a calibration function for gaseous dimethylamine.

Ilmakehän ilmiöiden tutkimiseen tarvitaan menetelmä, jolla voidaan mitata ilman kemiallista koostumusta jatkuvatoimisesti korkealla aikaresoluutiolla. Kemiallista ionisaatiota hyödyntävä massaspektrometria soveltuu hyvin ilmakehän kaasujen ja hiukkasten kvalitatiiviseen sekä kvantitatiiviseen tutkimukseen. Erilasia ioni-molekyyli-reaktioita käyttäen menetelmästä saadaan selektiivinen tiettyjen yhdisteryhmien suhteen. Kaasufaasi mitataan ilman esikäsittelyä, kun taas hiukkasfaasi voidaan mitata suoraan tai pidättää keräimeen. Hiukkasfaasimittauksissa tutkittavat yhdisteet haihdutetaan hiukkasista lämpötilaa nostamalla. Suurin osa tekniikoista soveltuu sekä kenttä- että laboratoriomittauksiin. Tutkielman teoriaosassa perehdytään erilaisiin selektiivisiin kemiallista ionisaatiota hyödyntäviin massaspektrometrisiin ilmamittausmenetelmiin. Tutkielmassa esitellään erilaisia mittaustekniikoita sekä niiden optimointia ja vertaillaan käytettyjen reagenssi-ionien selektiivisyyttä ja soveltuvuutta eri yhdisteiden määritykseen. Lisäksi teoriaosuudessa kuvaillaan menetelmillä saatuja tuloksia. Tutkielman kokeellisessa osuudessa tutkittiin Kilpilahden teollisuusalueen ilman kaasu- ja hiukkasfaasia kuukauden ajan. Tutkimuksessa pyrittiin selvittämään teollisuusalueen ja öljynjalostamon läheisyydessä tapahtuvaa hiukkasmuodostusta sekä alueen hiukkasten ja molekyylien koostumusta. Mittaukset suoritettiin kahdella kemiallista ionisaatiota käyttävällä massaspektrometrillä, joista toisella mitattiin kaasufaasin haihtuvia orgaanisia yhdisteitä ja toisella kaasufaasin happoja. Ilman hiukkaspitoisuus ja –kokojakauma mitattiin kaksivirtauksisella differentiaalisella liikkuvuusspektrometrilla ja hiukkaskoon kasvattajalla. Kenttämittausten tuloksista ilmeni, että alueen hiukkas- ja kaasupitoisuuksien vaihtelut olivat todella suuria. Ilmamassan tulosuunnalla oli huomattava merkitys mitattuihin rikkiyhdiste- ja hiukkaspitoisuuksiin. Öljynjalostamolta tulleessa ilmamassassa oli ajoittain suuri määrä hiukkasia ja rikkiyhdisteitä. Tulokset antavat kuvan, että ajoittaisissa prosesseissa päästöt ovat huomattavat, mutta keskiarvoltaan pitoisuudet eivät ole kovin isoja. Tulosten analyysiä jatketaan vertailemalla tuloksia muualla, esimerkiksi kaupunkiympäristössä, mitattuihin tuloksiin.

Vesistöön joutuvien sukupuolisteroidien, erityisesti estrogeenien, on havaittu vaikuttavan haitallisesti kalojen ja muiden vesieliöiden kehitykseen. Haitallisimpana pidetään ehkäisyvalmisteissa käytettävää etinyyliestradiolia, jonka hajoaminen on hidasta ja joka voi aiheuttaa muutoksia ng/l-pitoisuudella. Isoimpana steroidien lähteenä pidetään jätevedenpuhdistamoita. Steroidit esiintyvät jätevedessä pieninä pitoisuuksina, joten niiden havaitseminen ja niihin kohdistetut puhdistusmenetelmät vaativat erityistä huomiota. Steroidien analysoiminen jätevedestä käsittää uuton, puhdistuksen ja varsinaisen analyysin, joka tehdään yleensä nestekromatografilla tai kaasukromatografilla. Yhdisteiden pieni pitoisuus ja näytematriisin monimutkaisuus vaativat selektiivistä näytteenkäsittelyä sekä herkkää ja luotettavaa tunnistusta, jollainen saavutetaan massaspektrometrilla tai tandemmassaspektrometrilla. Jäteveden puhdistaminen tapahtuu ensisijaisesti biologisen hajotustoiminnan avulla. Useimmissa puhdistamoissa käytetään aktiivilietemenetelmää, jossa mikrobikasvusto sekoitetaan jäteveden kanssa, mutta käytössä on myös ns. kiinteän biofilmin reaktoreita, joissa mikrobit kasvavat kantoaineen pinnalla. Steroidien on todettu hajoavan nopeimmin aerobisessa ympäristössä. Aktiivilietepuhdistamot ovat tehokkaampia kuin biofilmireaktorit. Erityisen hyvin steroidit poistuvat puhdistamoissa, joissa lietteen keskimääräinen elinikä on vähintään 10 vuorokautta. Tällaiset puhdistamot on yleensä suunniteltu tehostettuun nitrifikaatioon eli typen poistoon. Estrogeenien, erityisesti etinyyliestradiolin, on ehdotettu hajoavan nitrifikaatiobakteerien kometabolisen toiminnan seurauksena. Useissa tutkimuksissa on kuitenkin havaittu nitrifikaatiosta riippumatonta hajoamista. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin steroidien poistumista pyörivän kantoaineen bioreaktorissa, joka koostuu kolmesta peräkkäisestä säiliöstä (tilavuudet 5–6 l). Säiliöt on täytetty muovisilla kantoainekappaleilla, joiden pinnalle hajottajamikrobeista koostuva biofilmi on muodostunut. Kantoainekappaleet ovat jatkuvassa liikkeessä pohjasta tulevien ilmakuplien ansiosta, mikä takaa hajottajamikrobeille tasaisen hapensaannin. Reaktoriin syötettiin jätevedenpuhdistamon tulovettä sellaisenaan ja steroidilisäyksen kanssa, ja sisään- ja ulosvirtaavasta vedestä otettiin näytteet päivittäin. Näytteiden analysointiin käytettiin laajaa kaksivaiheista kaasukromatografia, johon on liitetty lentoaikamassaspektrometri. Yhdisteet tunnistettiin steroideiksi massaspektrikirjaston, Guineu-ohjelman ja retentioindeksien avulla. Tulovedestä löytyi lukumääräisesti eniten androstaaneja ja pregnaaneja. Poistovedessä ei havaittu steroideja, joten reaktorin todettiin poistavan ne tehokkaasti vallitsevissa olosuhteissa. Yhteen jätevesierään lisätyt steroidit (2 androstaania ja 4 estraania) poistuivat myös täydellisesti käsittelyn aikana. Etinyyliestradioli oli ainoa yhdiste, jota löytyi kaikista kolmesta reaktorisäiliöstä, ja sen pitoisuus laski peräkkäisten säiliöiden välillä. Jätevesianalyysin lisäksi tutkittiin mahdollisuutta valmistaa deuteroituja standardiyhdisteitä steroideille. Deuterointireaktiot tehtiin kuumalla paineistetulla deuteriumoksidilla ja deuteroidulla metanolilla. Trans-androsteronin reaktiossa deuteriumoksidin kanssa (lämpötila 200 °C, reaktioaika 2 h) muodostui runsaasti 4- ja 5-kertaisesti deuteroitunutta yhdistettä, mutta deuteriumjakauma ei säilynyt muuttumattomana, kun yhdistettä lisättiin bioreaktoriin.

Optiset isomeerit ovat fysikaalisilta ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan ovat yhtenevät, mutta niiden biologiset ominaisuudet voivat poiketa toisistaan huomattavasti. Isomeerien analysointi onkin siksi tärkeä osa narkoottisten yhdisteiden tutkimusta. Usein toinen enantiomeereistä ei aikaansaa elimistössä toivottua vaikutusta ja siten sen muodostumista halutaan kontrolloida jo synteesivaiheessa. Toisaalta, joskus epätoivottu enantiomeeri saattaa olla haitallinen ja siksi sen pitoisuutta esimerkiksi lääkeaineessa kontrolloidaan lailla. Myös kiraalisten huumausaineiden analytiikassa on tärkeää selvittää näytteessä vallitsevana oleva enantiomeeri. Syklodekstriinejä käytetään yleisesti hyödyksi enantiomeerien analytiikassa. Ne ovat syklisiä oligosakkarideja, jotka muodostuvat tyypillisesti kuudesta kahdeksaan glukopyranoosiyksiköstä. Syklodekstriinien rakenne muodostaa onttoa katkaistua kartiota, jonka ulkopuoli on sisäpuolta hydrofiilisempi. Hydrofiilisen ulkokuoren ansiosta natiivit syklodekstriinit ovat suhteellisen vesiliukoisia. Hydrofobinen sisäosa puolestaan on omiaan sitomaan analyyttien hydrofobisia osia joko kokonaan tai osittain muodostaen syklodekstriini-analyytti –inkluusiokompleksin. Luonnossa esiintyvät α-, β- ja γ-syklodekstriinit ovat varauksettomia mutta lisäämällä näihin varauksellisia funktionaalisia ryhmiä voidaan varausta muuttaa. Syklodekstriinien käyttö kiraalisessa kapillaarielektroforeesissa perustuu niiden kykyyn muodostaa enantiomeerien kanssa inkluusiokomplekseja. Tavallisimmin syklodekstriinit lisätään suoraan taustaelektrolyyttiin, jolloin enantiomeerit voidaan erottaa päällystämättömällä kapillaarilla. Kapillaarielektrokromatografiassa kiraaliset selektorit kuitenkin sidotaan yleensä stationaarifaasiin. Inkluusiokompleksin muodostuessa enantiomeerien elektroforeettinen liikkuvuus joko nopeutuu tai hidastuu, riippuen kompleksin ja syklodekstriinin varauksesta sekä systeemin polariteetista, jolloin ne saadaan erotetuksi toisistaan.. Kokeellisessa tutkimuksessa kehitettiin menetelmä metorfaanienantiomeerien erottamiseksi kiraalisella kapillaarielektroforeesilla käyttäen syklodekstriiniselektoreita. Dekstrometorfaani on yleinen lääkeaine esimerkiksi yskänlääkkeissä, kun taas levometorfaani on luokiteltu huumeeksi. Menetelmällä saavutettiin erinomainen kiraalinen resoluutio analyysiajan jäädessä alle yhdeksään minuuttiin.

The latest version of liquid chromatography is ultra-high performance (or pressure) chromatography (UHPLC). In the technique, short and narrow-bore columns with particle sizes below 3 µm are used. The extremely high pressure used results in very short analysis times, excellent separation, and good resolution. This makes UHPLC a good choice for steroidal analysis. Steroids are a highly interesting area of study; they can be recognized as biomarkers for several diseases and are a relevant topic in doping testing. In this thesis articles on the topic ‘steroid analysis with UHPLC’, published prior to April 2017, are reviewed. UHPLC is always combined with mass spectrometry (MS) for steroid analysis. The MS utilized is usually of multi-dimension: quadrupole time of flight (QTOF) or triple quadrupole (QqQ). The instrumentation is suitable for both untargeted and targeted analysis. In untargeted studies, the study of changes in the human metabolome has been especially interesting. The articles on targeted studies are usually focused on doping control and quantification of identified biomarkers. The analysis with UHPLC-MS/MS usually provide reliable results with fast analysis time, without complicated sample preparation. Typically, the sample preparation processes can include only protein precipitation, liquid-liquid extraction or solid-phase extraction. UHPLC is also a valuable tool in simple and routine analysis. The separation efficiency is increased by the small plate height and the analysis time can thus be reduced. In this thesis work the technique was utilized for the analysis of food additives. For validation of an UHPLC method the repeatability, trueness, bias, measurement uncertainty and other factors need to be assessed. The experimental part of the thesis is dedicated to describe the development and validation of a method for analysis of five food additives and caffeine. The developed method was partly validated, with the aim to fulfil the needs of the Finnish Customs Laboratory. The optimized method comprised of an injection volume of 2 µL and a flow rate of 1.0 mL/min. The buffer was a phosphate buffer at pH of 4.0 and the gradient elution program was from 6 % to 30 % of acetonitrile in 1.6 minutes, then 1.6-1.7 minutes with 6% acetonitrile. The total run time was only 1.7 minutes. The limit of detection values was between 0.02 µg/mL and 1.73 µg/mL. The limit of quantitation values was between 0.054 µg/mL to 5.78 µg/mL, which should be sufficient for the Customs needs in the sense of checking if a product is over a certain limit. Expanded measurement uncertainties were around 20 %.

Työn kirjallisessa osassa esitellään vetyperoksidin sähkökemiallisista määritysmenetelmistä amperometria, potentiometria sekä kulometria. Amperometria on näistä menetelmistä tutkituin, joten kirjallisessa osassa keskitytään metallinanohiukkasia sisältäviin elektrodimateriaaleihin, joilla työelektrodit päällystetään. Metallinanohiukkasia sisältävällä elektrodimateriaalilla päällystetyn työelektrodin edut verrattuna yhdestä metallikappaleesta valmistettuihin työelektrodeihin ovat pienemmät reaktioihin vaadittavat potentiaalit, suuremmat spesifiset pinta-alat sekä mahdollisuus vaikuttaa virtavasteeseen muokkaamalla nanohiukkasten kokoa tai muotoa. Tutkimuksista esitellään käytetyt elektrodimateriaalit, niissä tapahtunut edistys sekä saadut tulokset vetyperoksidin määrityksestä. Kokeellinen osa käsittelee vetyperoksidimittarin kalibrointiin tarvittavan tunnetun ja tasaisen pitoisuuden omaavan vetyperoksidihöyryn tuottamista viidellä eri menetelmällä. Vetyperoksidihyöryä tuotettiin vetyperoksidin liuos- ja kaasufaasin väliseen tasapainotilaan perustuvilla passiivisella höyrystys- ja ilmastusmenetelmillä. Passiivisessa höyrystysmenetelmässä vetyperoksidiliuoksen annettiin asettua tasapainotilaan suljetussa astiassa. Ilmastusmenetelmässä vetyperoksidiliuokseen johdettiin ilmavirta, joka kyllästyi vetyperoksidilla liuoksen läpi kulkeutuessaan. Muut tutkitut menetelmät eivät perustuneet tasapainotilaan, vaan vetyperoksidiliuosta höyrystettiin lämpölevyn tai vesihauteessa lämmitetyn kolvin avulla suljettuun astiaan tai kantajakaasuvirtaukseen. Tuotetun vetyperoksidihöyryn pitoisuus laskettiin lisätyn vetyperoksidin ainemäärän avulla. Kantajakaasuvirtausta hyödyntävässä menetelmässä lämpölevyltä höyrystynyt vetyperoksidi johdettiin kaasuvirtauksen avulla toiseen astiaan, johon vetyperoksidimittari oli sijoitettu. Saatujen tulosten perusteella parhaiten kalibrointiin soveltui ilmastusmenetelmä, jonka avulla saatiin tasaisia vetyperoksidipitoisuuksia vähäiseillä manuaalisella työllä. Passiivisella höyrystysmenetelmällä saatiin tasaisia pitoisuuksia, mutta tuotetun höyryn suhteellinen kosteusalue oli rajattu. Vetyperoksidiliuoksen kondensaatio oli ongelmana höyrystettäessä vetyperoksidiliuosta suljettuun astiaan lämpölevyn tai kolvin avulla. Kantajakaasuvirtausta hyödyntävän menetelmän avulla ei kyetty tuottamaan tasaisia vetyperoksidipitoisuuksia.