Validering av en gasskromatografi-massespektrometri-metode for kvantifisering av nitro- og oksy-polysykliske aromatiske hydrokarboner (N-/O-PAH) i jordprøver

Abstract

Polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH) er en gruppe kjemiske forbindelser som er bygget opp av to eller flere benzenringer. PAH er reaktive forbindelser med en levetid i atmosfæren fra noen timer til flere dager. Ved oksidering av PAH dannes det hovedsakelig oksy- og nitro-derivater. Nitro- og oksy-polysykliske aromatiske hydrokarboner (N-/O-PAH) utgjør stor bekymring grunnet deres giftighet og noen har blitt klassifisert som kreftfremkallende, cytotoksiske og mutagene på mennesker av IARC (International Agency for Research on Cancer, groups 2A og 2B). De slippes ut i atmosfæren direkte ved ufullstendig forbrenning eller ved dannelse av homogene og heterogene fotooksideringsprosesser i atmosfæren ved at det skjer en endring av PAH. Denne oppgaven går ut på å validere en gasskromatografi-massespektrometri-metode (GCMS) basert på kvantifisering av N-/O-PAH i jordprøver utarbeidet ved NMBU/IKBM. Et utvalg jordprøver hentet ut og opparbeidet ved UNIS, ble sendt til Ås for videre tester og analyser for å kunne teste metoden under realistiske betingelser. Ulike standarder av nitro- og oksy-polysykliske aromatiske hydrokarboner ble analysert ved hjelp av internstandarder og gjenvinningsstandard. Alle analysene ble gjort med gasskromatografi og masseselektiv detektor (trippel kvadrupol) med negativ kjemisk ionisering (GC/QQQ-NICI). Til slutt ble de samme standardene og et utvalg jordprøver analysert og sammenlignet med en annen GC-MS-metode utviklet for Max-Planck-instituttet for kjemi i Mainz, Tyskland (MPIC-metoden) på samme instrument. Det ble utført en komplett metodevalidering og sammenligning av to metoder hvor flere valideringskriterier ble vurdert. For IKBM-metoden ble det med unntak av noen standarder estimert en tilfredsstillende linearitet med en regresjonskoeffisient, R, på 0,965-1,000. Deteksjons-og kvantifiseringsgrenser ble beregnet for begge metodene for å kunne vurdere om konsentrasjonene var egnet for miljøanalyser og ble liggende mellom 0,2-35500,4 pg/g. Denne spredningen i resultatene antas å oppstå grunnet utfordringer med de blanke prøvene benyttet på IKBM-metoden, hvor det ble detektert topper i kromatogrammet. Presisjonen ble beregnet for begge metodene ved at standardavviket og relativt standardavvik ble beregnet. Det relative standardavviket for IKBM-metoden varierte fra 6-29 %, mens for MPIC-metoden varierte det fra 15-52 %. Beregnet standardavvik for IKBM-metoden lå mellom 3-15 pg, mens for MPIC-metoden lå den mellom 3-13 pg. Gjenvinningsgraden og total mengde standard i bakgrunnsjordprøver ble kun beregnet for IKBM-metoden, da jordprøvene som ble analysert på MPIC-metoden ikke viste noen deteksjon av gjenvinningsstandard eller standarder. For IKBM-metoden ble gjenvinningen av internstandard i jordprøvene beregnet til å ligge mellom 10-83 %. For beregningene av total mengde standard i 10 g jordprøve, ble mengden standard estimert til å ligge mellom 1,9- 2572,6 pg. I tillegg ble det gjort vurderinger av selektiviteten og nøyaktigheten av metoden hvor instrumentparameterne og temperaturprogrammet benyttet i metoden ble tatt høyde for. Begge metodene ble vurdert som egnet for de forbindelsene de var laget for, men grunnet problemer med prøveopparbeidelsen trengs det små justeringer til i senere undersøkelser.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are a class of chemicals that contains two or more fused benzene rings. PAHs have a half-lifetime in the atmosphere from a few hours and up to several days. PAHs are transformed through environmental oxidation processes into nitroand oxy-PAH (N-/O-PAH). Those major PAH transformation products are considered toxic for humans and the environment. Some of them are classified carcinogenic, cytotoxic and mutagenic on human beings by IARC (International Agency for Research on Cancer, groups 2A og 2B). They are released to the atmosphere through fossil fuel combustion (traffic, domestic sources and power lants), and produced from PAHs through homogeneous or heterogeneous photo oxidation in the atmosphere. This thesis focused on the validation and comparison of two gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) based quantification methods developed for analysis of N-/O- PAHs in soil samples. A set of soil samples were prepared at UNIS and sent to Ås for testing and analysis. The method validation was performed on at GC-MS triple quadrupole instrument in negative ion Chemical Ionization selected ion mode (GC/QqQ-NICI-SIM). A GC/MS method was developed for the quantitative analysis of N-/O-PAHs in Svalbard soil and air (IKBM method). A second GC/MS method was developed for the N-/O-PAH analysis in a global survey of wet deposition and snow samples by the Max-Planck Institute for Chemistry (MPIC method, Mainz, Germany). Both methods were validated and compared on the same GC/MS instrument for the here conducted study. A complete method validation for both methods was performed in the presented thesis. For both methods, the linearity was estimated with a regression coefficient, R, between 0,965- 1,000. Limits of detection and limits of quantification where estimated for both methods. The estimated LOD and LOQ lied between 0,2-35500,4 pg/g. This huge variation in the results is believed to arise due to challenges with the blank samples used for IKBM method, where the curves were not flat, and it was detected peaks in the chromatogram. The precision was estimated for both methods, where standard deviation and relative standard deviation was calculated and compared. Relative standard deviation for the complete GC-MS method was calculated to be 6-29 % for the IKBM-method and 15-52 % for the MPICmethod. The standard deviation was calculated to be 3-15 pg for the IKBM method and 3-13 pg for the MPIC method. The recovery and the total amount of standards in soil samples was only estimated for IKBM method, because the soil samples used for MPIC method did not include any standards. The recovery was estimated to be between 10-83 % for the IKBM method. It was not possible to estimate the recovery of the soil samples analyzed on the MPIC method because of unexpected loss of recovery standard during the sample preparations at UNIS. The total amount of standards in soil samples were estimated to be 1,9-2472,6 pg/g. The selectivity and accuracy of the methods were valued according to the instrumental parameters chosen as well as the GC temperature programs. Both methods are considered equally suitable for the trace analytical quantification of N-/O-PAHs. However, since the sample preparation method could not be validated, careful adjustments are required and should be given proper priority in future studies.