Round-the-clock, online and cryogen-free monitoring of VOC hydrocarbons in ambient air using GC-MS

Význam tématu

Monitorování těkavých organických sloučenin (VOC) v okolním ovzduší je klíčové pro prevenci tvorby troposférického ozónu a fotochemického smogu, které mají negativní dopady na lidské zdraví i životní prostředí. Legislativní požadavky (především směrnice EU a americká EPA) vyžadují nepřetržitý sběr dat o vybraných tzv. ozónových prekurzorech, mezi něž patří benzen, toluen, xyleny či buta-1,3-dien. Kvalitní a spolehlivé údaje slouží jak pro vyhodnocování emisních episod, tak pro modelování vlivu meteorologických podmínek a dopravní zátěže.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie je představit a ověřit bezkryogenní systém termické desorpce spojené s plynovou chromatografií a hmotnostní spektrometrií (TD-GC-MS) pro kontinuální online měření 59 VOC sloučenin definovaných v rámci programu PAMS (Photochemical Assessment Monitoring Stations) americké EPA. Studie zahrnuje validaci stability odběru, retence velmi těkavých látek, zvládnutí vlhkosti a dosažení požadovaných detekčních limitů pod 0,5 ppb.

Použitá metodika a instrumentace

• Odběr vzorku: UNITY-xr Air Server-xr s elektronickým řízením průtoku na sorpčním pasti U-T20PAM-2S (−30 °C až 270 °C).
• Odvlhčování: dehydrátor Kori-xr s přímou fázovou změnou k odvádění vody bez ztráty polárních sloučenin.
• GC kolona: TraceGOLD™ Bond Q (30 m × 0,32 mm × 10 μm) na TRACE 1310 GC.
• Detekce: Thermo Scientific™ ISQ™ LT hmotnostní spektrometr v režimu plného skenu (22–300 m/z) s elektronovou ionizací.
• Parametry: odběr 25 mL/min, doba vzorkování 1–60 min, ohřev pasti 100 °C/min, ovládání přepouštění splitless.

Hlavní výsledky a diskuse

• Průlomový objem pro acetylén a další vysoce těkavé sloučeniny přesahuje 0,5 L bez ztrát, s lineárními závislostmi signálu (R2 > 0,999) a MDL kolem 0,02–0,4 ppb.
• Systém Kori-xr udržuje stabilní retenci i při relativní vlhkosti 80 %, bez posunů retenčních časů větších než 0,01 min.
• GC-MS umožňuje řešení koelucí extrakcí specifických fragmentových iontů, což zvyšuje přesnost při přítomnosti interferentů.
• Modulární koncepce TRACE 1310 (Instant Connect) a odbourání topných kryogenů zkracují dobu servisu a automatizují výměnu modulů či čištění MS zdroje přímo za provozu.

Přínosy a praktické využití metody

• Umožňuje nepřetržitý 24/7 provoz v terénu bez nutnosti kapalného dusíku či jiných kryogenů.
• Sjednocuje odběr, chromatografii a detekci do jediného automatizovaného systému vhodného pro vzdálený monitoring.
• Zajišťuje požadované detekční limity pro regulované ozónové prekurzory a poskytuje data využitelná pro odezvy na emisní špičky.
• Snadné vzdálené řízení a integrace do existujících síťových platforem pro kvalitu ovzduší.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření detekovaného spektra o nové VOC sloučeniny a semi-volatilní organické látky.
• Implementace pokročilé AI-podporované analýzy dat pro predikci emisních událostí.
• Integrace do chytrých městských sítí IoT pro vyšší granularitu prostor-časových dat.
• Další miniaturizace a zvýšení mobility systémů pro rychlé nasazení při mimořádných situacích.

Závěr

Představený bezkryogenní TD-GC-MS systém spojující UNITY-xr, Kori-xr, TRACE 1310 a ISQ LT prokázal vysokou spolehlivost a citlivost v nepřetržitém provozu. Splňuje přísné požadavky EPA-PAMS na detekci ozónových prekurzorů, zajišťuje stabilní retenci i při vysoké vlhkosti a umožňuje automatizované řešení servisních zásahů. Tento moderní přístup k monitorování VOC poskytuje silný nástroj pro legislativní i výzkumné aplikace v oblasti kvality ovzduší.

Reference

1. Council Directive 96/62/EC of 27 September 1996 on ambient air quality assessment and management and its daughter directive 2000/69/EC relating to limit values for benzene and carbon monoxide in ambient air, 1996 and 2000.
2. United States Clean Air Act Amendments of 1990: Provisions for attainment and maintenance of national ambient air quality standards. US Environmental Protection Agency, 1990.
3. Peters R.J.B., van Renesse A.D., Duivenbode V., Duyzer J.H., Verhagen H.L.M. The determination of terpenes in forest air. Atmospheric Environment. 1994;28:2413–2419.