Automated and solvent-free microextraction techniques for the GC-MS analysis of food and environmental samples
Sample preparation is one of the most time-consuming steps in analytical chemistry, whose purpose is the transfer of analytes into solution, the removal of interfering matrix compounds, the enrichment of analytes for trace analysis, and sometimes the derivatization to a more suitable structure for successful separation or detection. Automation, reliability, minimizing the use of toxic solvents and increasing the sensitivity, are some of the demands for
sample preparation. Microextraction techniques fulfill these demands and are valuable alternatives for conventional used extraction techniques like liquid-liquid extraction (LLE) or solid-phase extraction (SPE). The aim of the thesis was to investigate, validate and expand the use of fully automated and solventless microextraction techniques to show new alternatives for the analysis of water and food samples. Therefore, gas chromatography mass spectrometry (GC-MS) based methods were developed, optimized and validated, using in-tube extraction dynamic headspace (ITEX-DHS) and solid phase microextraction (SPME) Arrow.
Chemometric methods were used for the method optimization (design of experiments, DoE) and for data evaluation (linear discriminant analysis, LDA).
ITEX-DHS is a dynamic extraction approach, in which the headspace is pumped multiple times through a sorbent bed. As ITEX-DHS is only applied for headspace analysis, only volatile analytes can be analyzed, but matrix interferences can be avoided. Therefore, more complex matrices like viscous, oily or sticky matrices could be analyzed without problems. In this thesis,
ITEX-DHS based methods in two areas of food analysis were developed and validated. In the first method, ITEX-DHS was optimized for the analysis of 21 volatile organic compounds (VOCs), commonly present in extra virgin olive oil (EVOO). The monitoring of EVOOs is of special interest, as it is one of the most important targets in food fraud. 31 EVOOs from five different geographical origins were measured and LDA was used for classification. The limits of detections (LODs) ranged from 0.1 to 68.6 µg kg-1 and thus were much smaller than shown in previous studies using SPME. The second method shows the use of ITEX-DHS for the analysis of honey samples. Honey is often mislabeled and has a high potential for food fraud.
ITEX-DHS allows a quick, easy and robust analysis of VOCs, which are responsible for the aroma of honey and which can be linked to the botanical and geographical origin of honeys. Therefore, 14 VOCs were quantified with ITEX-DHS with method detection limits ranging from 0.8-47 ng g-1 and repeatabilities shown as relative standard deviations of below 8 %. 38
honey samples were measured to show the applicability of the method and to give an overview how this method could be used for future work. SPME is one of the most famous microextraction techniques. However, the fiber is very
fragile, and the mechanical stability of the device is not very satisfactory. To overcome these drawbacks, the SPME Arrow was developed. Its mechanical stability is increased by an Arrow shaped tip and the sorbent material is coated around a stainless-steel rod. Furthermore, the larger sorbent volume leads to more sensitivity. In comparison to ITEX-DHS, not only headspace
sampling is possible, as the SPME Arrow can be placed into the aqueous sample for direct immersion sampling. Both options are presented in this thesis, and in total, three different SPME Arrow based methods were investigated, optimized and validated for a more sensitive analysis of the target analytes. The first presented use of SPME Arrow is the automated derivatization of fatty acids to fatty acid methyl esters directly on the sorbent material of the SPME Arrow. The fatty acids were extracted from acidified water via direct immersion sampling. Subsequently, the SPME Arrow was moved to another vial, containing a mix of methanol and sulfuric acid. The derivatization takes place on the fiber material and the fatty acids are methylated and afterwards thermally desorbed in the GC injector. Unfortunately,
validation was not successful as the fiber material decomposed during the derivatization step. For the analysis of taste and odor compounds in water, a SPME Arrow headspace method was optimized using DoE, and then validated. The achieved LODs were below the thresholds of the
target analytes and varied from 0.05-0.6 ng L-1 with satisfactory repeatabilities (RSDs < 11 %). Compared with conventional approaches, this method showed a significant enhancement in sensitivity, and outstanding robustness and stability. Furthermore, the required sample volume
was reduced in comparison to other methods, and the method was able to detect seven analytes at very low concentrations. To show the option of direct immersion sampling, phosphorous flame retardants were analyzed directly from different water samples, using SPME Arrow.
Again, the method was first optimized using DoE and was then validated. The limit of quantification (LOQ) ranged from 0.2-1.2 ng L-1 and thus, showed again great sensitivity for the application of SPME Arrow. Furthermore, the analysis was carried out completely automated, resulting in a more time-efficient method than LLE or SPE, which are very laborintensive. This method showed to be the most sensitive analytical approach for the determination of phosphorous flame retardants in water.
All in all, this thesis presents five new options for the use of ITEX-DHS and SPME Arrow, as examples for modern, solvent-free and fully automated microextraction techniques. It demonstrates the potential of microextraction techniques for routine analysis as robust, sensitive and non-hazardous alternatives for commonly used extraction techniques, which often
deal with large amounts of organic solvents
Anforderungen an die Probenvorbereitung. Mikroextraktionstechniken erfüllen diese Anforderungen und sind wertvolle Alternativen für konventionell angewandte Extraktionstechniken wie Flüssig-Flüssig-Extraktion (liquid-liquid extraction; LLE) oder Festphasenextraktion (solid-phase extraction; SPE). Ziel der Arbeit war es, durch den Einsatz vollautomatischer und lösungsmittelfreier Mikroextraktionstechniken neue Alternativen für die Analyse von Wasser- und Lebensmittelproben aufzuzeigen. Daher wurden auf der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) basierende Methoden entwickelt,
optimiert und validiert, wobei die dynamische In-Tube Extraction (in-tube extraction dynamic headspace; ITEX-DHS) und die Festphasenmikroextraktion (solid-phase microextraction; SPME) Arrow verwendet wurden. Chemometrische Methoden wurden für die Methodenoptimierung (Design of Experiments, DoE) und für die Datenauswertung (lineare Diskriminanzanalyse, LDA) eingesetzt.
ITEX-DHS ist ein dynamischer Extraktionsansatz, bei dem der Gasraum mehrfach durch ein Sorbensbett gepumpt wird. Da ITEX-DHS nur für die Headspace-Analyse verwendet wird, können nur flüchtige Analyten analysiert werden, jedoch werden Matrixinterferenzen vermieden, wodurch komplexere Matrices problemlos analysiert werden können. In dieser Arbeit werden ITEX-DHS basierende Methoden für zwei Beispiele der Lebensmittelanalytik
entwickelt und validiert. In der ersten Methode wurde ITEX-DHS für die Analyse von 21 flüchtigen organischen Verbindungen (volatile organic compounds; VOCs) optimiert, die üblicherweise in extra nativem Olivenöl (extra virgin olive oil; EVOO) vorkommen. Die Überwachung von EVOOs ist von Interesse, da sie eines der häufigsten Ziele bei Lebensmittelbetrug sind. Es wurden 31 EVOOs aus fünf Ländern gemessen und anschließend wurde eine LDA genutzt, um die EVOOs nach ihrem geographischen Ursprung zu klassifizieren. Die Nachweisgrenzen (limit of detections; LODs) reichten von 0.1 bis 68.6 µg
kg-1 und waren damit kleiner als in früheren Studien mit Hilfe von SPME gezeigt werden konnte. Die zweite Methode zeigt die Verwendung von ITEX-DHS für die Analyse von Honigproben. Honig wird häufig falsch etikettiert und hat ein hohes Potential für Lebensmittelbetrug. ITEX-DHS ermöglicht eine schnelle, einfache und robuste Analyse von VOCs, die für das Aroma des Honigs verantwortlich sind und mit der botanischen und geographischen Herkunft des Honigs in Verbindung gebracht werden. Daher wurden 14 VOCs
mit ITEX-DHS quantifiziert, wobei die LODs der Methode zwischen 0.8 und 47 ng g-1 lagen.
SPME ist eine der bekanntesten Mikroextraktionstechniken, dessen Faser jedoch sehr zerbrechlich ist. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde der SPME Arrow entwickelt. Seine mechanische Stabilität wird durch eine pfeilförmige Spitze erhöht. Außerdem führt das größere Sorptionsmittelvolumen zu einer höheren Empfindlichkeit. Im Vergleich zu ITEX-DHS ist nicht nur eine Headspace-Probenahme möglich, da der SPME Arrow zur direkten Immersionsprobenahme in die wässrige Probe eingebracht werden kann. Die erste hier vorgestellte Nutzung des SPME Arrows ist die automatisierte Derivatisierung von Fettsäuren zu Fettsäuremethylestern direkt auf dem Sorbensmaterial. Die Fettsäuren wurden mittels direkter Immersionsprobenahme aus einer wässrigen Probe extrahiert. Anschließend wurde der SPME Arrow in ein anderes Vial mit einer Mischung aus Methanol und Schwefelsäure gebracht. Die Derivatisierung findet direkt auf dem Fasermaterial statt und anschließend
werden die Fettsäuremethylester im GC-Injektor thermisch desorbiert. Jedoch konnte keine Validierung durchgeführt werden, da das Phasenmaterial zu instabil war und sich zersetzte. Für die Analyse von Geschmacks- und Geruchsstoffen in Wasser wurde eine SPME-ArrowHeadspace-Methode mittels DoE optimiert und validiert. Die erreichten LODs lagen unter den
Schwellenwerten der Zielanalyten und variierten von 0.05-0.6 ng L-1. Im Vergleich zu konventionellen Ansätzen zeigte diese Methode eine signifikante Steigerung der Empfindlichkeit sowie eine hervorragende Robustheit und Stabilität. Um die Möglichkeit der direkten Immersionsprobenahme zu zeigen, wurden phosphorhaltige Flammschutzmittel aus verschiedenen Wasserproben mit dem SPME Arrow analysiert. Auch hier wurde die Methode
zunächst mittels DoE optimiert und anschließend validiert. Die Bestimmungsgrenzen (limit of quantification, LOQ) lagen im Bereich von 0.2-1.2 ng L-1. Die Methode erwies sich als empfindlichster Ansatz für die Bestimmung phosphorhaltiger Flammschutzmitteln in Wasser.
Insgesamt werden in dieser Arbeit fünf verschiedene Optionen für den Einsatz von ITEX-DHS und SPME Arrow als Beispiele für moderne, lösungsmittelfreie und vollautomatische Mikroextraktionstechniken vorgestellt. Sie demonstriert die potenziellen Mikroextraktionstechniken für die Routineanalyse als robuste, empfindliche und ungefährliche Alternativen für häufig verwendete Extraktionstechniken, die oft mit großen Mengen organischer Lösungsmittel arbeiten.