Solid Phase Extraction Room Temperature Fluorescence Spectroscopy For The Direct Quantification Of Monohydroxy Metabolites Of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons In Urine Samples

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are important environmental pollutants generally formed during incomplete combustion of organic matter containing carbon and hydrogen. Introduced into the human body by adsorption through the skin, ingestion or inhalation, the biotransformation processes of PAH lead to the formation of multiple metabolites. Due to the short elimination lifetime from the body, the quantitative determination of monohydroxy-PAH (OH-PAH) in urine samples provides accurate information on recent exposure to environmental PAH. Urine analysis of OH-PAH with established methodology relies on sample clean-up and pre-concentration followed by chromatographic separation and quantification. Although chromatographic techniques provide reliable results in the analysis of OH-PAH, their experimental procedures are time consuming and expensive. Additional problems arise when laboratory procedures are scaled up to handle thousands of samples under mass screening conditions. Under the prospective of a sustainable environment, the large usage of organic solvents is one of the main limitations of current chromatographic methodology. It is within this context that new analytical approaches based on easy-to-use and cost-effective methodology become extremely relevant. This dissertation focuses on the development of screening methodology for the routine analysis of PAH metabolites in numerous samples. It explores the room-temperature fluorescence properties of six metabolites originating from parent PAH included in the Environmental Protection Agency priority pollutants list. 1- hydroxyfluorene, 1-hydroxypyrene, 6-hydroxychrysene, 9-hydroxyphenanthrene, 3- hydroxybenzo[a]pyrene and 4-hydroxybenzo[a]pyrene are used as model biomarkers to investigate the analytical potential of new methods based on solid-phase extraction (SPE) and iii room-temperature fluorescence (RTF) spectroscopy. Quantitative determination of metabolites is carried out either in the eluent extract[1, 2] or on the surface of extraction membranes[3, 4] . The direct determination – i.e., no chromatographic separation - of the six metabolites is based on the collection of excitation-emission matrices and synchronous fluorescence spectra

Measurement of polycyclic aromatic hydrocarbons in ambient air by fluorescence spectroscopic techniques

250 p. + anexosEste proyecto de Tesis Doctoral se inició en marzo de 2011 gracias a la becapredoctoral otorgada por la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), a través delprograma de ¿Formación de Personal Investigador¿, para trabajar en el Grupo deInvestigación Atmosférica (GIA) del Departamento de Ingeniería Química y del MedioAmbiente de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao (Universidad delPaís Vasco, UPV/EHU). Asimismo, parte de este trabajo de investigación se hadesarrollado en colaboración con otros grupos de investigación nacionales einternacionales a través de dos estancias. En primer lugar, con el Grupo deQuimiometría del Departamento de Química Analítica de la Universidad de Barcelona(UB), durante un período de 4 meses, de abril a julio de 2013. En segundo lugar, conel grupo de Espectroscopia y Quimiometría del Departamento de Ciencias de losAlimentos de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), también durante 4 meses,de septiembre a diciembre de 2014.A lo largo de estos años, el trabajo realizado ha estado orientado al desarrollo demétodos, alternativos a los indicados en la normativa actual, para la determinación dehidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) en la fracción particulada del aerosolatmosférico, basándose en el uso de técnicas de espectroscopia de fluorescencia encombinación con técnicas avanzadas de análisis de datos. Como resultado, se hanpublicado varios artículos científicos en diferentes revistas indexadas comoChemometrics and Intelligent Laboratory Systems o Journal of Chemometrics, y sehan presentado también diversas contribuciones en conferencias internacionales.En cuanto a la estructura de esta memoria, se presenta en primer lugar un índicegeneral indicando la numeración de cada capítulo. Seguidamente, se incluye unresumen, escrito tanto en inglés como en castellano, que proporciona al lector unaidea general de la labor realizada. Posteriormente, la memoria se estructura en lossiguientes siete capítulos:El Capítulo 1 consiste en una introducción en la cual se describen las características yla importancia del análisis de los HAPs en la atmósfera, así como una evaluación delestado del arte sobre su análisis mediante técnicas de espectroscopia defluorescencia. Este capítulo proporciona una visión general de sus principalespropiedades, dispersión en la atmósfera, transformaciones físico-químicas, y efectossobre la salud, así como las normas y criterios de calidad del aire existentes. Acontinuación, se discuten los niveles y los ratios utilizados en la identificación de susfuentes en zonas urbanas. Por último, se describen los principales métodos de análisisde los HAPs en aire, haciendo especial énfasis en el estado del arte de las técnicas deespectroscopia de fluorescencia y análisis multivariante de datos aplicados hastaahora.El Capítulo 2 presenta el enfoque metodológico utilizado así como su justificación.Además, se indica el objetivo principal y los objetivos específicos de este proyecto detesis doctoral.La parte experimental se describe en el Capítulo 3, incluyendo los materiales y losmétodos analíticos utilizados. Asimismo, se detallan los diferentes conjuntos de datosexperimentales, la forma en la que se obtuvieron y su finalidad.El Capítulo 4 desarrolla la metodología aplicada a lo largo de esta memoria. En primerlugar, se presenta la metodología general, en la que se describen los principalesaspectos desarrollados así como las estrategias adoptadas durante este trabajo deinvestigación. En segundo lugar se proporciona una breve guía sobre el análisismultivariante de datos, así como las principales características de los algoritmos deanálisis de datos de segundo orden utilizados. Esta parte se centra en los aspectosprácticos y en el proceso de toma de decisiones involucradas en el análisismultivariante de matrices de excitación - emisión (MEE) de fluorescencia. Para ello sediscuten los aspectos más importantes de cada método utilizado: Análisis de FactoresParalelos (PARAFAC), como método de resolución de curvas de múltiples vías,Resolución Multivariante de Curvas por Mínimos Cuadrados Alternados (MCR-ALS),como método de resolución de curvas multivariante, y Mínimos Cuadrados ParcialesDesdoblados con Bilinealización Residual (U-PLS/RBL), como método de regresiónmultivariante puro.Dado que el objetivo principal de este proyecto de Tesis Doctoral es el desarrollo deuna nueva metodología basada en técnicas de espectroscopia de fluorescencia, sehan estudiado y comparado el uso de diferentes métodos quimiométricos aplicadossobre MEE de fluorescencia. Por lo tanto, la evaluación y optimización de lametodología desarrollada se realiza a lo largo del Capítulo 5, donde los principalesresultados obtenidos se resumen en las siguientes secciones:En la Sección 5.1 se define el protocolo de adquisición de datos de MEE, haciendohincapié en la adecuada selección de los rangos espectrales, la optimización de losprincipales parámetros instrumentales de medida y la determinación de lascaracterísticas de fluorescencia de los compuestos objetivo. Además, dadas lascaracterísticas espectrales de los HAPs bajo estudio, se señala claramente lanecesidad de aplicación de métodos de análisis multivariante de datos en combinacióncon las medidas de MEE para fines cualitativos y cuantitativos.La optimización y validación de los principales aspectos involucrados en el análisismultivariante de datos y análisis de múltiples vías de MEE de fluorescencia se recogenen la Sección 5.2. En ella se establecen también las bases preliminares a consideraren el modelado de datos de MEE procedentes de muestras de aerosoles. Esto implicael análisis y la optimización de los métodos de pre-procesamiento de datos necesariospara construir modelos robustos, seleccionando el procedimiento de interpolacióncomo la mejor estrategia a seguir para posteriores análisis. A continuación, se definenespecíficamente las características y los criterios adoptados para cada método deanálisis de datos utilizados en calibración de segundo orden, haciendo hincapié en elefecto de las restricciones en el contexto del análisis de muestras complejas.Finalmente, se evalúan los métodos quimiométricos seleccionados en virtud de laexistencia de compuestos interferentes no presentes en las muestras de calibración,con el fin de proporcionar una visión general sobre el rendimiento de los modelos en elanálisis de HAPs en muestras de aerosol. En este sentido, se muestra cómo MCRALSy PARAFAC pueden utilizarse para una rápida detección cualitativa y semicuantitativade HAPs en muestras ambientales, aunque estos métodos son mássensibles a desviaciones provocadas por efectos de matriz en las muestras. Encontraste, aunque el método U-PLS/RBL proporciona la mejor información cuantitativa,la dificultad de estimar el número de contribuciones inesperadas en el paso RBL, asícomo su elevado tiempo de análisis, se revelan como puntos débiles para un cribadorápido de muestras ambientales.La Sección 5.3 engloba la optimización del protocolo de extracción de muestras deaerosol, previamente requerido al análisis de HAPs por espectroscopia defluorescencia. En primer lugar, se discute la selección del disolvente y subrogado másapropiado para la corrección de la eficiencia de extracción, donde el n-hexano comodisolvente y el 2-2' binaftilo como subrogado, cumplen con los requisitos fisicoquímicosy espectrofluorimétricos necesarios. Después, se presenta la optimización delprotocolo de extracción Soxhlet, utilizando un diseño de experimentos que condujo a laelección del modo ¿warm¿ como el modo de extracción más adecuado. Finalmente, laoptimización del tiempo de extracción se realizó utilizando un material de referenciaestándar, con el que se seleccionó un tiempo de extracción de 5 horas para elposterior análisis de las muestras de aerosol.Dada la particular complejidad del análisis de HAPs en muestras de aerosoles, en laSección 5.4 se validan los tres algoritmos de segundo orden indicados, con finescualitativos y cuantitativos, en extractos de muestras de aerosoles. Los métodos desegundo orden de resolución de curvas, PARAFAC y MCR-ALS, se muestranadecuados para la determinación semi-cuantitativa y el seguimiento de los patrones devariación de los HAPs en la fracción fina de partículas en aire ambiente. Además,estas metodologías muestran una mayor sensibilidad que la obtenida mediante GCMS,ofreciendo grandes ventajas desde el punto de vista del muestreo para lamonitorización de estos contaminantes con una mayor resolución temporal. En cuantoa la cuantificación, ambos métodos proporcionan predicciones inexactas, debido a ladiferencia en la matriz entre las muestras analizadas y las muestras de calibración. Deesta forma y con el fin de evitar efectos de matriz en las muestras de aire urbanoanalizadas, se aconseja optar por la combinación de métodos de adición estándar yalgoritmos de análisis de datos de segundo orden, validados por medio de un materialestándar de referencia. Los resultados obtenidos definen la combinación de MCR-ALSy adición estándar como método de cuantificación para el análisis de muestras deaerosol.Una vez que los diferentes enfoques han sido ampliamente probados, optimizados yvalidados, la Sección 5.5 explora la aplicación de la metodología desarrollada parallevar a cabo un estudio preliminar de detección y cuantificación de 9 HAPs enmuestras de aerosoles urbanos durante varios meses. En este sentido, se discuten ycomparan los patrones de variación mensual y diaria de los HAPs, en relación con lospatrones de tráfico. Por otra parte, la vigilancia complementaria de otros HAPspesados se revela necesaria para poder evaluar convenientemente el potencial tóxicototal de los HAPs asociados a partículas. Además, se analiza la influencia de otrosfactores, como diversos parámetros meteorológicos y otros contaminantesconvencionales, para una descripción más completa de los patrones atmosféricos delos HAPs asociados a partículas. Finalmente, se hace uso de ratios de diagnóstico yotros métodos multivariantes (e.g. el Análisis de Componentes Principales) para unacaracterización más profunda del área de estudio, aplicable a la asignación de fuentesde HAPs.El Capítulo 6 presenta las conclusiones alcanzadas a lo largo de este trabajo deinvestigación.El Capítulo 7 recoge la bibliografía utilizada en esta memoria, incluyendo artículos,monografías, tesis y otras publicaciones.Finalmente, se adjuntan en Anexo los artículos publicados y la lista de contribucionescientíficas presentadas en conferencias internacionales, derivadas del trabajorealizado

The evolution of fuel nitrogen during the vaporization of heavy fuel oil droplet arrays

Thesis (Sc. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Chemical Engineering, 1982.MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCEIncludes bibliographical references.by Simon Peter Hanson.Sc.D

Fractional distillation as a possible method to upgrade Tyre-derived-oil

Process Engineerin

Development of 2D- and 3D-BTEM for pattern recognition in higher-order spectroscopic and other data arrays

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

RESPONSES OF THE DECAPOD CRUSTACEAN, CARCINUS MAENAS, FOLLOWING EXPOSURE TO ENVIRONMENTAL CONTAMINANTS. DEVELOPMENT AND APPLICATION OF MULTIPLE BIOMARKERS.

Marine, coastal and estuarine ecosystems continue to be contaminated by anthropogenic chemicals. Improving our mechanistic understanding of the toxicity of environmental pollutants to aquatic organisms is therefore an important priority. This work is focussed on detecting and measuring the molecular, cellular and physiological responses of the shore crab Carcimis maenas following exposure to environmental chemicals, and uses biomarkers to do so. To better understand the response of C.maenas to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) a novel biomarker of exposure to this class of compounds was developed. Direct fluorimetric techniques revealed that the shore crab C.maenas eliminated metabolites of pyrene in the urine following waterbome exposure to this PAH in the laboratory. The levels of excreted metabolites were exposure concentration and time dependent. Levels of pyrene metabolites were also detected in the haemolymph and their levels were exposure concentration dependent. HPLC/F analysis of urine samples revealed metabolites were conjugates of 1-OH pyrene. Levels in urine determined by fluorimetry correlated well with HPLC/F and ELISA methods of analysis. Levels in haemolymph did not correlate well with the ELISA, due to sample matrix interference with the assay. Detection of urinary PAH metabolites following laboratory exposure is evidence that the parent PAH has been taken up, metabolised by the enzymatic machinery of the organism and eliminated. Whilst this is an important finding and illustrates the response of Cmaenas when faced with PAH exposure, confirmation of this phenomenon in the field is also required. Field trials revealed that comparable metabolites were eliminated in the urine following exposure to pyrogenic PAH discharges from a Norwegian aluminium smelter. The assay also provided evidence of exposure to petrogenic PAH in crabs from petroleum contaminated field sites and crabs exposed to crude oil. Both laboratory and field studies illustrated the potential for this exposure biomarker to be used for environmental monitoring. The responses of C.maenas following exposure to combinations of PAH, metal and pesticide were measured using biomarkers of exposure and effect. Increasing the number of contaminants did not affect the responses of certain biomarkers (metallothionein, micronucleus, antioxidant activity), which were not induced or remained largely unchanged. These biomarkers also showed no significant differences between exposed and control groups. Specific biomarkers of exposure (urinary PAH assay) and effect (carboxylesterase activity) responded in a concentration dependent manner when exposed to PAH and pesticide, but the level of their response was not altered upon addition of further contaminants at each concentration. The lack of induction or alterations in biomarker responses unfortunately provides little additional information on the complex mechanisms of toxicity in organisms following exposure to these contaminants. Shnilarly, investigations into the effects of environmental chemicals on endocrine mediated processes in C.maenas did not provide conclusive information on mechanisms of endocrine toxicity. Exposure to 20-hydroxyecdysone and its insecticidal analogue tebufenozide had no gross effects on the processes investigated in C.maenas (moulting, vitellogensis and locomotor activity) and consequently, no suitable endpoints were established as markers of endocrine disruption in this species. The quantitative Vg ELISA proved to be applicable for monitoring potential endocrine disruption in female C.maenas, but only after the temporal progression of vitellogenesis is understood. The present work has investigated and measured the responses of C.maenas following exposure to exogenous chemicals. This has resulted in a better understanding of PAH disposition, a field applicable PAH exposure biomarker and evidence for robust responses following exposure to multiple contaminants. It has also highlighted the need for greater understanding of endocrine mediated processes before endocrine disruption can be confirmed as a realistic mechanism of toxicity in this species.Plymouth Environmental Research Centre. Akvamiljo Aquatic Environment Research Centre, Randaberg, Norway

Analysis of mixtures containing isomeric hydrocarbons using process mass spectrometry

The feasibility of process mass spectrometry (PrMS) as a method for the rapid analysis of a piperylene stream is assessed beginning with a focus on resolving binary mixtures of isomeric hydrocarbons. This application was suggested by an industrial member of the University of Tennessee\u27s Measurement and Control Engineering Center (MCEC). The piperylene stream consists mostly of cis- and trans-l,3-pentadiene (totaling over 55% of the stream) along with cyclopentene (~20%) and 2-methyl-2-butene (~10%), plus others at lower levels: cyclopentane, cis- and trans-2-pentene, n-pentane. isopentane, and 2,2-dimethylbutane. This particularly challenging PrMS application involved the need for resolution of hydrocarbon isomers which were constituents in the stream. This required the design and construction of a vaporization inlet since these components are liquids at standard temperature and pressure. It was found that parameterization (selection of which m/z signals to monitor in the deconvolution of the mixture mass spectra) was critical to the accuracy and precision of the mixture component concentration estimates. Use of the entire mass spectrum (an intuitive approach to parameterization) was found to be non-optimum since inclusion of some m/z signals deteriorated the accuracy and precision. A brute force approach to parameterization (whereby the accuracy is assessed using all possible combinations of ion intensities) was found to afford the most accurate concentration estimates but was useful for small datasets due to the large number of calculations required. The brute force method of parameterization was suspected of over-fitting the data due to the relatively small datasets utilized. In response to the large amount of calculation time required for the brute force method, other faster parameterization methods were evaluated. These faster parameterization methods included a genetic algorithm, an empirical algorithm and algorithm (process stream evaluator) provided with the instrument data acquisition system. The genetic and empirical algorithm provided parameterizations faster than the brute force method. However, the accuracy and precision of concentration estimates were not as good. The success or performance of mixture deconvolution was measured using validation plots and correlation coefficients (r-squared). Validation plots are graphs of estimated versus true mole fraction of gravimetrically prepared standard samples and the correlation coefficient is a number from 0 to 1 describing the accuracy and precision of estimated concentrations where a correlation coefficient of 1 is a perfect fit to the Y = X line. An r² of 0.9963 was obtained from analysis of binary mixtures of n-pentane / isopentane using the brute force method of parameterization. Similarly, correlation coefficients of 0.9054 and 0.9986 were obtained for binary mixtures of cis- / transpiperylene and cis- / trans-2-pentene. The concentrations of these samples ranged from approximately 0.10 to 0.90 mole fraction. The lower correlation coefficient for the piperylene system was attributed to the greater similarity between the pure component mass spectra (reference spectra) of these isomers and their relatively greater chemical reactivity. The similarity of the reference spectra was measured using the Drahos-Vekey similarity index equation and the reactivity was compared by considering the double bonds in the molecule. Finally, a nine-component standard mixture similar in composition to a piperylene stream grab sample was analyzed by GC-MS and PrMS. The additional complexity incurred by increasing the number of components to a total of nine required that the stereoisomer pairs each be treated as one quasi-component. In other words, to achieve a reasonable accuracy and precision each pair of cis- / trans- isomer reference spectra were averaged and considered as one component leaving a total of components. Upon reducing the mixture complexity to a total of seven components it was found that cis- / trans-piperylene, 2-methyl-2-butene and cyclopentene were among the major components in the piperylene stream that could be quickly analyzed with reasonable accuracy and precision by PrMS. The remaining components were at levels that appeared to be present below the limit of detection