Rapid analysis of organochlorine pesticides (OCPs) in soil samples using the EXTREVA ASE accelerated solvent extractor

Význam tématu

Detekce organochlorovaných pesticidů (OCP) v půdách je zásadní pro environmentální monitoring, hodnocení rizika a dodržování regulačních omezení (např. Stockholm Convention, US EPA). OCP jsou perzistentní, bioakumulativní a mohou představovat významné zdravotní riziko. Spolehlivá, rychlá a reprodukovatelná příprava vzorků je proto klíčová pro přesné kvantifikování stopových koncentrací v komplexních matricích, jako je půda.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce bylo vyvinout a ověřit zrychlenou, automatizovanou metodu pro extrakci a koncentrování 20 organochlorovaných pesticidů z půdních vzorků pomocí integrovaného systému EXTREVA ASE (Thermo Scientific). Hlavní zaměření bylo na dosažení vysokých výtěžků, minimálního carry-over, krátkého času přípravy (TAT) a soulad s akceptačními kritérii US EPA.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda kombinuje paralelní zplynovanou dynamickou extrakci rozpouštědlem (GA-dASE) s automatizovanou evaporací a endpoint sensing pro fixní výsledný objem extraktu připraveného k analýze.

• Vzorek: 2 g čisté hlinité půdy (clean loamy soil) smíchané 1:1 s diatomaceous earth (DE) jako dispersantem v 10 mL nerezových buňkách.
• Extrahent: aceton:hexan 1:1 (v/v); pre-run rinse 10 mL.
• Podmínky extrakce: 10 mL cell, teplota pece 100 °C, plnění 50 %, rychlost toku 0,5 mL/min, dusíkový průtok při GA-dASE ~20 mL/min na kanál, doba extrakce ~5 min (pro 4 kanály paralelně), extrakční objem ~12,5 mL (reálně ~7,5 mL).
• Evaporace a obohacení: režim fixního objemu (final fixed volume 1 mL), zahřívání 40 °C, dusíkový tok při odpařování 200 mL/min na kanál (800 mL/min total), vakuum ~8 psi (420 torr), rinsování sběrné lahve 3 mL hexanu před finální evaporací.

Použitá instrumentace

• EXTREVA ASE system (Thermo Scientific) – plně integrovaný GA-dASE se sekvencí extrakce → odvádění → automatická evaporace s endpoint sensing.
• GC: Thermo Scientific TRACE 1310 s detektorem Electron Capture Detector (ECD).
• Kolona: Rtx-CL Pesticides (30 m × 0.25 mm × 0.25 µm).
• Vstřikovač: PTV (programovatelný), injekční objem 1 µL, ECD teplota 275 °C.
• Spotřební materiál a standardy: acetone/hexane Optima, Restek Organochlorine Pesticide Mix, Restek surrogate a internal standards, ASE 10 mL nerezové buňky, cellulose filtry, diatomaceous earth, Ottawa sand, amber GC vials apod.

Hlavní výsledky a diskuse

• Spektrum analyzovaných látek: 20 typických OCP (např. izomery BHC, heptachlor, aldrin, dieldrin, DDT a jeho metabolity, endosulfany apod.).
• Výtěžky extrakce a obohacení: průměrné recovery pro testovací úroveň 250 µg/kg se pohybovaly mezi 80 % a 122 %, což splňuje kritéria US EPA (70–130 %). Relativní směrodatná odchylka (RSD) byla u všech látek pod 20 %, ukazující dobrou opakovatelnost mezi kanály a běhy.
• Carry-over: test s vysoce dosypaným vzorkem (500 µg/kg) následovaný čistou výplní ukázal velmi nízké carry-over (<0.6 %; jednotlivé analyty většinou <0.5 %), tedy efektivní odstranění zbytků díky implementovanému rinsovacímu protokolu.
• Termická stabilita: endrin a 4,4'-DDT jsou nejméně stabilní; vyhodnocení rozkladu při extrakci na 100 °C a 150 °C vykázalo rozklady výrazně pod limitem 15 % doporučeným EPA (Endrin ~3–4 %, DDT ~1–1.5 %), což naznačuje, že GA-dASE pod popsanými podmínkami nezpůsobuje významnou dekompozici analyzátů.
• Analytický čas a průchodnost: metoda umožňuje kompletní přípravu a analýzu 20 OCP za méně než 35 minut; průměrný čas analýzy uváděn ~32 minut. Reprodukovatelnost TAT byla vysoká (RSD <2 %). Implementované zlepšení hardware (vyšší průtok plynu, vylepšené senzory koncového bodu) výrazně zkrátilo celkový TAT a dovolilo připravit až ~24 vzorků na přístroj za ~4 hodiny.

Přínosy a praktické využití metody

• Automatizace extrakce i odpařování minimalizuje manuální zásahy, snižuje riziko chyb a zvyšuje laboratorní throughput.
• Nižší spotřeba rozpouštědel a krátké doby extrakce šetří náklady a zkracují dobu odezvy pro monitoring kontaminací.
• Metoda je kompatibilní s běžnými GC-ECD a splňuje akceptační kritéria US EPA, tudíž je vhodná pro rutinní environmentální laboratoře a zkušební provozy zaměřené na půdní monitoring OCP.
• Možnost nastavení rinsování a parametrů odpařování umožňuje adaptaci na různé matrice a koncentrace bez významného zhoršení carry-over nebo ztráty analyzátů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další zlepšení automatizace a paralelizace by mohla dále zvýšit denní kapacitu laboratoří (vyšší počet vzorků za směnu) a snížit jednotkové náklady.
• Integrace s hmotnostní spektrometrií (single quadrupole nebo vyšší) může zvýšit selektivitu a umožnit rozšíření seznamu cílených analyzátů i na méně volné nebo silně matričně potlačené sloučeniny.
• Optimalizace metodiky pro jiné matrice (sedimenty, kal, potraviny) a validace proti dalším referenčním metodám US EPA zvýší univerzálnost postupu.
• Další práce na snížení teplotních dopadů a zachování termolabilních látek umožní rozšíření aplikací i na citlivé analytické cíle.

Závěr

Popsaný postup s využitím EXTREVA ASE kombinuje rychlou paralelní GA-dASE extrakci s automatickou kontrolovanou evaporací a dosahuje vysokých výtěžků, nízkého carry-over a krátkého času přípravy. Metoda je vhodná pro rutinní analýzu 20 organochlorovaných pesticidů v půdě podle požadavků US EPA a nabízí praktické výhody v podobě automatizace, úspory rozpouštědel a vyššího laboratorního výkonu.

Reference

1. K. A. Blocksom et al., Persistent organic pollutants in fish tissue in the midcontinental great rivers of the United States, Science of The Total Environment, 2010.
2. Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants, 2001.
3. US EPA Method 8270 (semivolatile organics, GC-MS).
4. US EPA Method 8081 (organochlorine pesticides).
5. US EPA Method 3540C (Soxhlet extraction).
6. US EPA Method 3550C (sonication).
7. US EPA Method 3546 (microwave-assisted extraction).
8. US EPA Method 8081B (pesticide residues by GC).
9. US EPA Method 3545A (accelerated solvent extraction, ASE).
10. K. Srinivasan and R. Ullah, Method and Device to Extract Analyte from a sample with Gas Assistance, US Patent US 9,440,166 B2, 2016.
11. K. Srinivasan and R. Ullah, Apparatus for parallel accelerated solvent extraction, US Patent US 11,123,655 B2, 2021.
12. US EPA Method 8000D (instrumental analysis).
13. US EPA Method 3500 (sample preparation).
14. Thermo Fisher Scientific, Method transfer to the EXTREVA ASE Accelerated Solvent Extractor (application note).
15. Thermo Fisher Scientific, Investigation of thermal degradation during extraction by the EXTREVA ASE (technical note).