Accelerating the quantitation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soil samples using the EXTREVA ASE system

Význam tématu

Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) jsou environmentálně významné toxické látky vznikající při nedokonalém spalování organických materiálů. Díky jejich karcinogenním a mutagenním vlastnostem jsou cílem regulovaného monitoringu v půdách a sedimentech. Spolehlivá, rychlá a reprodukovatelná analýza PAH je klíčová pro environmentální hodnocení, sanace kontaminovaných lokalit a splnění požadavků metodik jako US EPA 8270E a 3545A. Automatizované a zrychlené postupy snižují pracovní zátěž analytiků, riziko variability a zvyšují průchodnost laboratoří.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo vyvinout a ověřit metodiku pro kvantifikaci 16 cílových PAH v půdních vzorcích pomocí integrovaného systému Thermo Scientific EXTREVA ASE (Accelerated Solvent Extractor), který kombinuje paralelní extrakci za asistence plynu (GA-dASE) a automatizované koncentrování extraktů. Studie hodnotí výtěžnost extrakce, mezivzorkové přenosy (carryover), reprodukovatelnost a zkrácení času zpracování (turnaround time, TAT) oproti předchozím postupům.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda shrnutě:

• Vzorek: 2 g čisté loam půdy smíchané 1:1 s diatomitovým disperzantem (ASE Prep DE); štěpení a plnění do 10 mL nerezových buněk.
• Fortifikace: testy obnovy při 250 µg/kg; carryover testy při 12 500 µg/kg.
• Extrakcí: hexan:methylene chloride (1:4, v/v); plnění buněk na 50 % objemu; teplota pece 100 °C; N2 průtok 20 mL/min na kanál; objem extrakce ~12.5 mL (skutečný ~7.5 mL); doba extrakce pro čtyři vzorky 5 min.
• Koncentrace/evaporace: režim pevného výsledného objemu 1.0 mL; teplota 40 °C; N2 průtok 200 mL/min na kanál (800 mL celkem); vakuum 8 psi (~420 torr); proplach sběrné lahvičky 3 mL hexanu před konečnou evaporací.
• Analýza: GC–MS (timed-SIM) s PTV injektorem, kolona Trace TR-5MS (30 m × 0,25 mm × 0,25 µm), helium jako nosný plyn, injektované 1 µL, splitless; kalibrace 6 bodů (0.1–2.0 µg/mL) s interními standardy podle zvyku.

Detailní použitá instrumentace (vybrané položky):

• Thermo Scientific EXTREVA ASE Accelerated Solvent Extractor (integrovaná extrakce a evaporace, GA-dASE, paralelní multi-cell provoz)
• Thermo Scientific TRACE 1310 GC
• Thermo Scientific ISQ jednovidový (single quadrupole) GC–MS
• 10 mL nerezové extrakční buňky (Thermo Scientific Dionex ASE)
• Rozpouštědla: Dichlormethan pro HPLC, Optima hexany pro GC/HPLC
• Kalibrační a internační směsi Restek (SV Calibration Mix #5/610 PAH Mix, B/N Surrogate Mix, Semi-Volatile Internal Standard Mix)
• Filtry, vials a spotřební materiál: cellulose filtry, SureSTART 2 mL skleněné vialy, diatomaceous earth, Ottawa sand, CRM půda pro PAH

Hlavní výsledky a diskuse

Výnosy extrakce a kvalita:

• Průměrné recovery pro 250 µg/kg fortifikaci ležely v rozsahu zhruba 74–114 % pro jednotlivé PAH; pro většinu sloučenin byly hodnoty mezi 79–103 %.
• Relativní standardní odchylky (RSD) pro recoveries byly <20 % a typicky mezi 4–7 %, což svědčí o dobré reprodukovatelnosti napříč kanály a běhy.

Carryover:

• Při extrakci vysokých koncentrací (12 500 µg/kg) následovaném rýmovým vyplachem 10 mL rozpouštědla byl pozorován velmi nízký přenos mezi vzorky — carryover <0.5 % pro všechny analyty, většinou v rozmezí 0.01–0.05 %.

Validace proti CRM a přesnost:

• Extrahování certifikované půdy pro PAH v 10 mL buňce vrátilo výsledky v rámci certifikovaných akceptačních rozmezí. Průměrné odzorkování a RSD u CRM potvrdily náležitou přesnost a přesnost metody (u většiny analyzátů RSD <7 %, některé i <1 %).

Turnaround time a produktivita:

• Průměrný čas analýzy zpracované série byl ~40 minut (n = 8 replik), což představuje přibližně trojnásobné zrychlení oproti předchozí verzi přístroje.
• Paralelizace přípravných kroků a zvýšený průtok plynu během evaporace (nový MFC) výrazně zkracují dobu přípravy a následného zpracování bez kompromisu na výtěžnosti.

Diskuse:

• Integrace GA-dASE, paralelní multiplexní extrakce a automatizovaná evaporace minimalizuje manuální zásahy, snižuje riziko chyb a zvyšuje průchodnost laboratoří provádějících environmentální monitoring.
• Snížené objemy rozpouštědel a rychlá evaporace zkracují dobu dohotovení vzorku pro GC–MS a snižují spotřebu solventů.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé zpracování: výrazné zkrácení TAT umožňuje laboratořím rychlejší reportování výsledků při zachování kvality.
• Automatizace: „load-and-go“ režim a integrované řízení extrakce a evaporace omezují pracovní nároky a provozní chyby.
• Šetrnost k rozpouštědlům: nižší spotřeba organických rozpouštědel ve srovnání se Soxhletovými nebo tradičními manuálními postupy.
• Vhodné pro rutinní monitoring: metoda splňuje akceptační kritéria EPA a je vhodná pro středně až velké laboratoře s potřebou vysoké průchodnosti.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozvoj instrumentace směřuje k vyšší paralelizaci a inteligentnímu řazení vzorků pro optimalizaci throughputu v závislosti na prioritách a matrici.
• Integrace s LIMS a automatizovanými systémy pro předzpracování by umožnila plně bezobslužné workflow od příjmu vzorku po reportování.
• Možnost adaptace GA-dASE na širší škálu matric a cílových látek (např. pesticidy, PCB, polar­nější semi­volatilní látky) s optimalizací rozpouštědel a teplotních režimů.
• Vylepšení senzoriky (rychlejší endpoint sensing) a řízení evaporace umožní ještě agresivnější zkrácení doby koncentrace bez rizika ztráty nejslabších analytů.

Závěr

Studie ukazuje, že integrovaný EXTREVA ASE systém poskytuje rychlou, reprodukovatelnou a přesnou metodu pro analýzu 16 PAH v půdách. Kombinace GA-dASE, paralelní extrakce a výkonějšího řízení evaporace snižuje čas přípravy i spotřebu rozpouštědel, minimalizuje carryover a vyhovuje požadavkům EPA. Systém je vhodný pro rutinní environmentální laboratoře, které potřebují zvýšit průchodnost bez kompromisu kvality dat.

Reference

1. US EPA Method 8270E: Semivolatile Organic Compounds by Gas Chromatography/Mass Spectrometry.
2. US EPA Method 3500C: Separatory Funnel Liquid-Liquid Extraction.
3. US EPA Method 3545A: Pressurized Fluid Extraction (PFE).
4. US EPA Method 8100: Gas Chromatography.
5. K. Srinivasan and R. Ullah, Method and Device to Extract Analyte from a sample with Gas Assistance, U.S. Patent No. US 9,440,166 B2, 2016.
6. K. Srinivasan and R. Ullah, Apparatus for parallel accelerated solvent extraction, U.S. Patent No. US 11,123,655 B2, 2021.
7. SW-846 Test Method 8000D: Determinative Chromatographic Separations.