Polární organický chemický integrační vzorkovač - Polar organic chemical integrative sampler

A polární organický chemický integrační vzorkovač (POCIS) je pasivní vzorkovací zařízení, které umožňuje in situ sběr časově integrovaného průměru hydrofilní organické kontaminanty vyvinuté vědci s Geologický průzkum Spojených států v Columbia, Missouri.[1] POCIS poskytuje prostředky pro odhad toxikologické význam kontaminantů přenášených vodou.[2] Vzorkovač POCIS napodobuje respirační expozici organismů žijících ve vodním prostředí a dokáže porozumět biologicky dostupné kontaminanty přítomné v systému.[3] POCIS lze nasadit v široké škále vodních prostředí a běžně se používá při asistenci monitorování životního prostředí studie.

Pozadí

První zařízení pro pasivní odběr vzorků byly vyvinuty v 70. letech 20. století k určování koncentrací kontaminujících látek ve vzduchu. V roce 1980 byla tato technologie poprvé upravena pro monitorování organických kontaminantů ve vodě.[4] Prvotním typem pasivního vzorkovače vyvinutého pro účely monitorování vodního prostředí bylo polopropustné membránové zařízení (SMPD).[4] SPMD vzorkovače jsou nejúčinnější při absorpci hydrofobních znečišťujících látek pomocí rozdělovací koeficient oktanol-voda (Kow) v rozmezí 4-8.[5] Jako globální emise biologicky koncentrovatelné perzistentní organické znečišťující látky (POPs) má za následek nepříznivé ekologické účinky, průmysl vyvinul širokou škálu zvyšování ve vodě rozpustných, polárních hydrofilní organické sloučeniny (HpOC), které je nahradí. Tyto sloučeniny mají obecně nižší biokoncentrační faktory. Existují však důkazy, že velké toky těchto HpOC do vodního prostředí mohou být odpovědné za řadu nepříznivých účinků na vodní organismy, jako je například změněné chování, neurotoxicita, endokrinní disrupce a zhoršená reprodukce.[5] Na konci 90. let probíhal výzkum s cílem vyvinout nový pasivní vzorkovač za účelem monitorování HpOC s hodnotou log Kow nižší než 3.[4] V roce 1999 byl vzorkovač POCIS vyvíjen na University of Missouri-Columbia. Začátkem dvacátých let shromáždila větší podporu, když vzrostly obavy ohledně účinků farmaceutické výrobky a výrobky osobní péče v povrchových vodách.[4]

The Geologický průzkum Spojených států (USGS) se intenzivně podílí na vývoji pasivních vzorkovačů a ve své databázi má články týkající se vývoje POCIS již v roce 2000. USGS Columbia Environmental Research Center (CERC) je samozvaný mezinárodní lídr v oblasti pasivních systémů vzorkování.[1] V poslední době se USGS snaží spojit lidi, kteří mají zájem o pasivní vzorkování. V roce 2013 uspořádal USGS mezinárodní workshop a sympozium o pasivním odběru vzorků, aby propojil vývojáře, tvůrce politik a koncové uživatele s cílem diskutovat o způsobech monitorování znečištění životního prostředí.[6]

Základy

Zařízení POCIS vyvinuli a patentovali Jimmie D. Petty, James N. Huckins a David A. Alvarez z Columbia Environmental Research Center.[1] Integrativní pasivní vzorkovače jsou účinným způsobem, jak v průběhu času sledovat koncentraci organických kontaminantů ve vodních systémech. Většina programů monitorování vodních toků se spoléhá na sběr jednotlivých vzorků, často nazývaných urvat vzorky v určitou dobu.[7] Metoda vzorkování uchopením je spojena s mnoha nevýhodami, které lze vyřešit technikami pasivního vzorkování. Pokud jsou kontaminující látky přítomny ve stopových množstvích, může být při odběru vzorků nutné odebrat velké množství vody. Také laboratorní analýza vzorku může poskytnout pouze snímek úrovní kontaminantů v době odběru. Tento přístup má proto nevýhody při monitorování v prostředích, kde se kontaminace vody časem mění a dochází k epizodickým událostem kontaminace.[4] Pasivní techniky odběru vzorků byly schopny poskytnout časově integrovaný vzorek kontaminace vody s nízkými detekčními limity a extrakci in situ analytů.[8]

Nastavení POCIS

Vzorkovač POCIS se skládá z řady vzorkovacích disků namontovaných na nosné tyči. Každý disk se skládá z pevného tělesa sorbent vložený mezi dva polyethersoulfone (PES) mikroporézní membrány, které jsou pak stlačeny mezi dva prsteny z nerezové oceli, které vystavují oblast vzorkování.[8] Standardní disk POCIS se skládá ze vzorkovacího poměru plochy povrchu k sorbentu přibližně 180 cm2G. Protože množství odebrané chemikálie přímo souvisí s povrchovou plochou vzorku, je někdy nutné kombinovat extrakty z více disků POCIS do jednoho vzorku. Kroužky z nerezové oceli nebo jiný tuhý inertní materiál jsou nezbytné, aby se zabránilo ztrátám sorbentu, protože PES membrány nelze tepelně utěsnit.[5] Pole POCIS je poté vloženo a nasazeno v ochranné nádobě. Tento kanystr je obvykle vyroben z nerezové oceli nebo PVC a pracuje na odvrácení úlomků, které mohou během jeho nasazení vytlačit pole POCIS.[3]

PES membrána působí jako a polopropustný bariéra mezi sorbentem a okolním vodním prostředím. Umožňuje průchod rozpuštěných kontaminantů sorbentem, přičemž selektivně vylučuje jakékoli částice větší než 100 nm.[5] Membrána odolává biologické znečištění protože polyethersulfon použitý v designu je méně náchylný než jiné materiály.[3] POCIS je univerzální v tom, že sorbenty lze měnit tak, aby cílily na různé třídy kontaminantů. Avšak pouze dvě třídy sorbentů jsou považovány za standardy všech dosavadních nasazení POCIS.[2]

Teorie a modelování

Každý disk POCIS odebírá určitý objem vody denně. Objem odebrané vody se u jednotlivých chemikálií liší a závisí na fyzický a chemikálie vlastnosti sloučeniny i dobu odběru vzorků. Rychlost vzorkování POCIS se může lišit v závislosti na změnách průtoku vody, turbulenci, teplotě a hromadění pevných látek na povrchu vzorkovače.[3] Akumulace kontaminantů do zařízení POCIS je výsledkem tří po sobě jdoucích procesů probíhajících současně. Nejprve musí kontaminující látky difundovat přes vodu mezní vrstva. Tloušťka této vrstvy závisí na průtoku vody a turbulencích kolem vzorkovače a může významně změnit vzorkovací frekvence. Zadruhé musí být kontaminant transportován přes membránu buď přes póry naplněné vodou, nebo přes samotnou membránu. Nakonec se kontaminanty přenášejí z membrány do sorbentu hlavně skrz adsorpce. Tyto poslední dva kroky znesnadňují modelování, porozumění a predikci akumulace zařízením POCIS. K dnešnímu dni byl stanoven omezený počet vzorkovacích rychlostí chemikálií.[8]

Akumulace chemikálií zařízením POCIS obecně sleduje kinetiku prvního řádu. Kinetika je charakterizována počáteční integrační fází, po které následuje rovnovážné rozdělení fáze. Během integrační fáze absorpce pasivní vzorkovací zařízení akumuluje zbytky lineárně vzhledem k času za předpokladu konstantních koncentrací expozice. Na základě aktuálních výsledků zůstává vzorkovač POCIS v lineární fázi po dobu nejméně 30 dnů a byl pozorován až 56 dní. Jak laboratorní, tak polní data proto ospravedlňují použití lineárního absorpčního modelu pro výpočet vzorkovacích frekvencí.[5] Aby bylo možné odhadnout koncentraci okolní vody ve znečišťujících látkách odebíraných zařízením POCIS, musí být k dispozici kalibrace údaje použitelné pro podmínky in situ týkající se cílové sloučeniny. V současné době jsou tyto informace omezené.[3]

Použitelnost

POCIS lze nasadit v široké škále vodních prostředí, včetně stojatých bazénů, řek, pramenů, ústí systémy a odpadní voda proudy.[9] O použití systému POCIS v přísně mořském prostředí však zatím nebyl proveden dostatečný výzkum.[8] Před nasazením zařízení POCIS je nezbytné vybrat studijní místo, které maximalizuje účinnost vzorkovače. Výběr oblasti ve stínu pomůže zabránit degradaci chemických látek citlivých na světlo. Místo by mělo také umožňovat ponoření vzorkovače do vody, aniž by byl pohřben v sedimentu.[9] Ideální je umístit vzorkovač do pohybující se vody, aby se zvýšila vzorkovací frekvence, je však třeba se vyhnout oblastem s extrémně turbulentním průtokem vody, aby nedošlo k poškození zařízení POCIS. Pasivní vzorkovače jsou velmi citlivé na vandalismus, a proto je důležité zajistit vzorkovač v oblastech, které nejsou snadno viditelné a které jsou mimo oblasti často využívané lidmi.[9]

Vzorkovače POCIS lze nasadit po dobu od týdnů do měsíců. Nejkratší délky nasazení jsou obvykle 7 dní, ale průměrně 2–3 měsíce.[8] Je důležité mít dostatečně dlouhou dobu nasazení, aby bylo možné adekvátně detekovat kontaminanty při koncentracích okolního prostředí. Často budou dva různé typy zařízení POCIS nasazeny společně, aby co nejlépe porozuměly kontaminaci.[8] Je také důležité nasadit dostatek zařízení POCIS, abyste zajistili získání dostatečně velkého vzorku kontaminující látky pro chemickou analýzu. Odhad nebo počet vzorkovačů potřebných na daném místě lze určit pomocí následující rovnice.[10]

Rs x t x n x CC x strr x E.t > MQL x Vi
kde
  • CC je předpokládaná koncentrace kontaminující látky v životním prostředí
  • t je čas nasazení ve dnech
  • Rs je vzorkovací frekvence v litrech vody extrahované pasivním vzorkovačem za den (l / den)
  • Pr je celková výtěžnost metody pro analyt (vyjádřená jako faktor jedna; :: proto se pro 90% výtěžek použije 0,9),
  • n je počet pasivních vzorkovačů kombinovaných do jednoho vzorku,
  • Et je zlomek celkového extraktu vzorku, který je vstříknut do :: přístroje pro kvantifikaci
  • MQL je limit kvantifikace metody
  • PROTIi je objem standardní injekce (obvykle 1 μL).

Relevantní kontaminující látky

Ve vzorníku POCIS se může soustředit jakákoli sloučenina s log Kow menší nebo rovnou 3.[5] Použitelné třídy kontaminantů měřené pomocí POCIS jsou farmaceutika, výrobky pro domácnost a průmyslové výrobky, hormony, herbicidy a polární pesticidy (tabulka 1). V současné době existují dvě konfigurace POCIS, které jsou zaměřeny na různé třídy kontaminantů. Obecný návrh POCIS obsahuje sorbent, který se používá ke sběru pesticidů, přírodních i syntetických hormonů a chemikálií souvisejících s odpadními vodami. Farmaceutická konfigurace POCIS obsahuje sorbent, který je navržen pro specifické cílení na třídy farmaceutik.[11]

Použitelné kontaminanty, které se koncentrují v zařízení POCIS. Nelze považovat za úplný seznam.[5]
Chemická třídaPříklady
Léčivaacetaminofen, azithromycin, karbamazepin, ibuprofen, propranolol, sulfa léky, tetracyklinová antibiotika
Výrobky pro domácnost a průmyslové výrobkyalkylfenoly, benzofenon, kofein, DEET, zpomalovače hoření, indol, triklosan
Hormony17p-estradiol, 17a-ethynlestradiol, estron, estriol
Herbicidyatrazin, kyanazin, hydroxyatrazin, tercbutylazin
Polární pesticidyalachlor, chlorppyrifos, diainon, dichlorvos, diuron, isoproturon, metolachlor
jinýUrobilin

Zpracování POCIS

Před vytvořením systému POCIS je třeba důkladně vyčistit veškerý hardware, sorbenty a membránu, aby se odstranily případné interference. Během a po odběru vzorků je jediným nezbytným čištěním odstranění veškerého sedimentu, který ulpěl na povrchu vzorkovače. Po sestavení a před nasazením jsou vzorkovače uloženy ve zmrazených vzduchotěsných nádobách, aby nedošlo ke kontaminaci. Vzorkovače by měly být během přepravy na místo odběru a z místa odběru uchovávány ve vzduchotěsných nádobách, aby znečišťující látky nekontaminovaly vzdušné kontaminanty. Ideální je udržovat vzorkovače při přepravě chladné, aby byla zachována integrita vzorků.[3]

Po získání POCIS z pole se membrána jemně vyčistí, aby se snížila možnost jakékoli kontaminace sorbentu.[5] Sorbent se umístí do a chromatografie kolona, ​​aby bylo možné získat chemikálie, které jsou vzorky, za použití organického rozpouštědla. Použité rozpouštědlo je konkrétně vybráno na základě typu sorbentu a chemikálií, ze kterých se odebírají vzorky. Vzorek může projít dalším zpracováním, jako je vyčištění nebo frakcionace v závislosti na požadovaném použití vzorku.[3]

Analýza dat

Po zpracování vzorku lze extrakt analyzovat pomocí různých technik analýzy dat.[8] Použitá chemická analýza a analytické vybavení závisí na cíli studie. Mnoho analýz vyžaduje více vzorků, i když v některých případech lze pro více analýz použít jeden vzorek POCIS.[10]

Je životně důležité používat kontrola kvality (QC) postupy při použití pasivních vzorkovačů.[5] Je běžnou praxí, že pro účely kontroly kvality se použije 10% až 50% z celkového počtu vzorků. Počet vzorků QC závisí na cílech studie.[10] Vzorky QC se používají k řešení problémů, jako je kontaminace vzorků a obnova analytů.[5] Mezi běžně používané typy vzorků QC patří; prázdné reagencie, prázdné pole, maticové hroty a procedurální hroty.[5]

Bylo provedeno velké množství studií, ve kterých byly kombinovány údaje POCIS biologické testy měřit biologické koncové body. Testování extraktů POCIS v biologických testech je užitečné jako vzorky zařízení POCIS po celou dobu jeho nasazení a lze účinně sledovat biologicky aktivní sloučeniny. Lze také tvrdit, že použití POCIS je relevantnější z ekotoxikologické perspektiva, protože použití pasivního vzorkovače napodobuje příjem sloučenin organismy. Další silnou stránkou při používání biologických zkoušek k testování vzorků prostředí je, že mohou poskytnout integrační měřítko toxického potenciálu skupiny chemických sloučenin spíše než jediného kontaminantu.[8]

Ostatní pasivní vzorkovače

Existuje mnoho typů použitých pasivních vzorkovačů, které se specializují na absorpci různých tříd vodních kontaminantů vyskytujících se v životním prostředí.[3] Chemcatcher a SMPD jsou dva typy pasivních vzorkovačů, které se také běžně používají.[4] Monitorovací programy používají SMPD k měření hydrofobních organických kontaminantů. SPMD jsou navrženy tak, aby napodobovaly biokoncentrace kontaminantů v tukových tkáních (ITRC, 2006). Mezi kontaminující látky použitelné při používání SPMD patří mimo jiné: polychlorované bifenyly (PCB), polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), organochlor pesticidy, dioxiny, a furany.[3]

SPMD se skládá z tenkostěnných, NEPORÉZNÍ, polyethylen membránová trubice, která je naplněna vysokou molekulovou hmotností lipid.[2] Tyto trubky jsou přibližně 90 cm dlouhé a obklopují vnitřek rozvinovací nádoby z nerezové oceli.[9] SMPD účinně absorbují znečišťující látky s log Kow 4–8. To se mírně překrývá s řadou kontaminantů absorbovaných POCISem. Z tohoto důvodu se SMPD a zařízení POCIS často používají společně v monitorovacích studiích, aby se dosáhlo reprezentativnějšího pochopení kontaminace.[2]

Budoucí vývoj

Systém POCIS je průběžně vyhodnocován z hlediska potenciálu vzorkování široké škály kontaminantů. Údaje o kalibraci a metody obnovy analytů v současné době generují vědci z celého světa. Ve vývoji jsou také techniky sloučení zařízení POCIS s biologickými testy.[3] Vzorkovač POCIS již slouží jako všestranný, ekonomický a robustní nástroj pro monitorování studií a sledování trendů v prostoru i čase. Míry odběru vzorků však ještě nejsou dostatečně robustní, aby poskytly spolehlivé koncentrace kontaminantů, zejména pokud jde o normy kvality životního prostředí.[8] Pro chemikálie byl stanoven omezený počet vzorkovacích frekvencí a stanovení dalších údajů o vzorkovací frekvenci je nezbytné pro rozvoj technologie pasivního odběru vzorků.[3]

Reference

  1. ^ A b C „Pasivní vzorkování“. United States Geological Society (USGS) Columbia Environmental Research Center. Květen 2004. Citováno 24. května 2014.
  2. ^ A b C d Alvarez, DA; Petty JD; Huckins JN; Jones-Lepp TL; Získání GT; Goddard JP; Manahan SE (2004). „Vývoj pasivního vzorkovače in situ pro hydrofobní organické kontaminanty ve vodním prostředí“. Toxikologie prostředí a chemie. 23 (7): 1640–1648. doi:10.1897/03-603. PMID  15230316.
  3. ^ A b C d E F G h i j k Mezistátní technologická a regulační rada, autorský tým. "Přehled technologií pasivních vzorkovacích technologií". ITRC (Interstate Technology & Regulatory Council).
  4. ^ A b C d E F Alvarez, D. (2013). „Vývoj semipermeabilních membránových zařízení (SPMD) a polárních organických integrovaných vzorkovačů (POCIS) pro monitorování prostředí“. Toxikologie prostředí a chemie. 23: 2179–2181. doi:10.1002 / atd. 2339. PMID  24006333.
  5. ^ A b C d E F G h i j k Alvarez, D. A .; Huckins, J. N .; Petty, J.D .; Jones-Lepp, T .; Stuer-Lauridsen, F .; Getting, D.T .; Goddard, J.P .; Štěrk A. (2007). Comprehensive Analytical Chemistry: Passive Sampling Techniques in Environmental Monitoring. Nizozemsko: Elsevier. 171–197. ISBN  978-0-444-52225-2.
  6. ^ http://ipsw.eu/2013/ Mezinárodní seminář a sympozium pro pasivní vzorkování (IPSW)
  7. ^ Chimuka L, Cukrowska E. 2008. Monitorování vodního prostředí pomocí pasivních vzorkovačů. Otevřete časopis Analytical Chemistry Journal 2:1-9.
  8. ^ A b C d E F G h i Harman C, Allan IJ, Vermeirssen ELM. 2012. Kalibrace a použití polárního organického chemického integračního vzorkovače - kritický přehled. Toxikologie prostředí a chemie 14:2724-2738.
  9. ^ A b C d http://www.cerc.usgs.gov/pubs/center/pdfdocs/pocis.pdf. United States Geological Society (USGS) Columbia Environmental Research Center. Polar Organic Chemical Integrative Sampler (POCIS)
  10. ^ A b C Alvarez DA. 2010. Pokyny pro používání semipermeabilního membránového zařízení (SPMD) a polárního organického chemického integračního vzorníku (POCIS) ve studiích monitorování životního prostředí.Sekce D, Kniha kvality vody 1, Sběr údajů o vodě přímým měřením.
  11. ^ https://www.nemi.gov/methods/method_summary/10622/ Index národních environmentálních metod (NEMI). USGS: POCIS: Polar Organic Chemical Integrative Sampler (POCIS).