Metodo innovativo per la determinazione di composti organici volatili in acqua mediante SPME e GC/MS ISO Standard 17943
Frank Michel1, Yong Chen2, Robert Shirey2
1Sigma-Aldrich (part of Merck KGaA, Darmstadt, Germany), Taufkirchen, Germany, 2MilliporeSigma, Bellefonte PA, USA
L'importanza di determinare i composti organici volatili (COV) in acqua è legata alla loro tossicità. I metodi attualmente in uso a tale scopo hanno mostrato una sensibilità e una selettività limitate e si sono rivelati difficilmente automatizzabili. Il presente articolo illustra la nuova norma ISO 17943, che combina microestrazione in fase solida (SPME) e GC/MS. La preparazione del campione mediante SPME permette di operare con bassi limiti di rivelabilità e di automatizzare l’intero metodo senza difficoltà. La GC/MS fornisce la sensibilità e la selettività necessarie. La norma ISO è stata validata mediante un trial interlaboratorio i cui risultati confermano le eccellenti prestazioni di questo metodo.
Introduzione
I composti organici volatili (COV) possono avere origine naturale: si pensi, per esempio, ai composti aromatici presenti nel mondo vegetale. Tuttavia, una grande quantità di COV ha origine antropica: composti rilasciati dai prodotti di uso quotidiano o emessi nel corso della produzione di quegli stessi prodotti o nella produzione di polimeri, adesivi, vernici, prodotti petroliferi o farmaceutici. I COV trovano solitamente impiego come additivi delle benzine, solventi, fluidi idraulici o nel lavaggio a secco. Dal momento che molti COV sono tossici o sono noti (o sospetti) agenti cancerogeni, la contaminazione da COV delle risorse idriche costituisce, su scala globale, un pericolo molto serio per la salute umana.
Figura 1.Supporto per fibra SPME, con la fibra immersa in un campione acquoso
In ragione di ciò, a livello internazionale sono state implementate numerose normative allo scopo di limitare e controllare le quantità di COV nelle acque potabili, nelle acque di falda e di superficie. Esempi di questo genere di normative sono il Safe Drinking Water Act (SDWA)1 statunitense o la normativa canadese equivalente, che hanno definito misure di carattere nazionale per l’acqua potabile contenenti elenchi di VOC stilati in base a valutazioni di carattere sanitario. Un altro esempio è costituito dalla Direttiva 98/83/EC del Consiglio dell’Unione Europea sulla qualità delle acque destinate al consumo umano, che disciplina i valori di riferimento per le singole sostanze organiche volatili2 Nell’ambito della Direttiva Quadro sulle Acque (DQA) dell’UE, l’articolo 16 della Direttiva 200/60/EC definisce le “strategie per combattere l’inquinamento idrico”3.
In base alla Direttiva 2008/105/EC (Direttiva SQA) 4 i valori degli standard di qualità ambientale (SQA) dei singoli COV devono essere compresi tra 0,4 e 20 μg/l. Nell’allegato V della DQA (standard per il monitoraggio degli elementi di qualità), è prescritto il ricorso alle norme ISO e CEN per l’analisi delle acque, qualora disponibili.
Le norme ISO e CEN per la determinazione dei COV in acqua attualmente in vigore non sono più metodi allineati allo stato dell’arte. La ISO 103015 utilizza l’estrazione Liquido/Liquido (LLE) in combinazione con la gascromatografia (GC) e la rivelazione mediante rivelatore a Ionizzazione di Fiamma (FID) o rilevatore a cattura elettronica (ECD). La ISO 114236 utilizza il campionamento in spazio di testa (HS) associato a GC/FID o GC/ECD. Purtroppo, per alcuni COV importanti i limiti di rivelabilità richiesti non sono alla portata di questi metodi ISO perché i rivelatori non sono sufficientemente sensibili o selettivi.
La norma ISO 156807 fornisce una prima alternativa, che consiste nell’effettuare l’arricchimento del campione con la tecnica del purge and trap e l’analisi mediante gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS), con risultati migliori in termini di selettività e limiti di rivelabilità. L’impiego del purge and trap presenta però alcuni inconvenienti, come la tendenza della trappola ad essere contaminata e le difficoltà che si incontrano nell’automatizzare il processo8.
Metodo innovativo per la determinazione di COV in acqua mediante HS-SPME e GC/MS Norma ISO 17943
Per determinare i COV in acqua, la microestrazione in fase solida (SPME) abbinata alla GC-MS rappresenta sicuramente un’alternativa interessante. La SPME è stata messa a punto da Janusz Pawliszyn nel 19909 (Figure 1). Da allora, la SPME ha raccolto un consenso sempre più ampio nelle analisi ambientali, farmaceutiche ed alimentari, come dimostra il numero crescente di pubblicazioni sugli sviluppi e le applicazioni di questa tecnica. A partire dal 1993, la larga diffusione della SPME è stata ulteriormente incentivata dalla possibilità di automatizzare la tecnica ricorrendo ad autocampionatori GC di tipo ordinario. L’impiego della SPME per l’estrazione di COV dall’acqua è stata descritta in numerose pubblicazioni10-12, che hanno dimostrato l’affidabilità della SPME in spazio di testa (HS-SPME) e ne hanno confermato la validità come alternativa ai metodi classici di determinazione di COV in acqua. Inoltre, la SPME è stata utilizzata con successo in numerosi altri metodi ufficiali13-15.
In ragione di tutto ciò è stata messa a punto la norma ISO 17943, che specifica un nuovo metodo per la determinazione di COV in acqua. L’ambito di applicazione della norma è la determinazione mediante HS-SPME e GC-MS di più di 60 COV appartenenti a classi di composti molto diverse tra loro, quali gli idrocarburi alogenati, i componenti della benzina (quali BTEX, MTBE e ETBE), i composti aromatici volatili e le sostanze dal forte potere odoroso, come la geosmina e il 2-metilisoborneolo, presenti nelle acque potabili, nelle acque di falda, nelle acque di superficie e nelle acque reflue trattate. Naturalmente, il limite di rivelabilità del metodo varia in funzione della matrice, dello specifico composto e dallo spettrometro di massa utilizzato, ma per la maggior parte dei composti considerati dalla ISO 17493, tale limite è pari a 0,01 μg/l (quando non inferiore). Ulteriori dati di validazione raccolti nell’ambito del lavoro di messa a punto della norma hanno dimostrato l’efficacia del metodo in un intervallo di concentrazione per le singole sostanze che va da 0,01 μg/l a 100 μg/l.
Trial interlaboratorio su scala globale per la validazione della
nuova Norma ISO 17943
Nell’ambito dello sviluppo di questa nuova norma ISO, al fine di validare il metodo è stato necessario condurre un trial interlaboratorio internazionale16. Ognuno dei laboratori coinvolti ha provveduto a determinare la concentrazione di 61 composti in due diversi campioni di acqua (un campione di acqua di superficie ed uno di acqua reflua) Il campione di acqua di superficie è stato prelevato in un’area urbana industrializzata (dal fiume Ruhr a Mülheim, in Germania) Il campione di acque reflue urbane è stato prelevato da uno scarico d’impianto. Entrambi i campioni sono stati pretrattati per stabilizzarli e sono stati addizionati (spiked) con concentrazioni non note ai laboratori coinvolti nell’intervallo 0,02 – 0,80 μg/l (~ 50 % < 0,10 g/l) per l’acqua di superficie e 0,05 – 3,0 μg/l (~ 50 % < 0,50 g/l) per le acque reflue. I laboratori coinvolti nel trial sono stati incaricati di condurre quattro analisi ripetute e indipendenti per ognuno dei due campioni, attenendosi rigorosamente alle procedure stabilite dal nuovo metodo analitico sotto esame (draft standard method). Ogni laboratorio ha ricevuto in dotazione un set di soluzioni di calibrazione conservate in tre fiale, ognuna contenente le specie chimiche di riferimento certificate corrispondenti ai 61 COV disciolti in metanolo Queste soluzioni madre, contenenti le singole sostanze a una concentrazione pari a 100 µg/ml ciascuna, sono servite per la preparazione delle corrispondenti soluzioni acquose multicomponente di riferimento da usare per la calibrazione dell’intera procedura. È stato stabilito che i risultati dell’analisi fossero consegnati entro 30 giorni dalla ricezione dei campioni.
Tra i laboratori partecipanti al trial era presente anche il Supelco® Application Lab. I due campioni di acqua sono stati sottoposti ad analisi secondo quanto prescritto dalla norma ISO 17943 in sperimentazione (tabelle 1 & 2 e figura 2) utilizzando toluene-d8, benzene-d6 e fluorobenzene come standard interni. Per l’analisi GC è stata utilizzata una colonna GC capillare VOCOL®, una colonna a polarità intermedia progettata per l’analisi dei COV che assicura elevata ritenzione ed elevata risoluzione dei composti a volatilità elevata. Per l’HS-SPME si è fatto ricorso ad una fibra rivestita in DVB/CAR/PDMS, impiegata anche dalla maggior parte degli altri laboratori partecipanti al trial. Una minoranza dei laboratori ha invece optato per una fibra rivestita in CAR/PDMS.
La norma ISO 17943 consente l’uso di entrambe le fibre, Carboxen/PDMS (85 μm) e DVB/Carboxen/PDMS (50/30 μm).
Figura 2.Cromatogramma di 61 COV in acqua dopo HS-SPME, ottenuto utilizzando una colonna GC VOCOL con uno strumento GC/MS Agilent®
Valutazione del trial interlaboratorio
I laboratori di tutto il mondo registratisi per questo trial interlaboratorio sono stati più di 40. Di questi, 27 laboratori in tutto hanno presentato risultati utili al processo di valutazione secondo quanto previsto dalla norma ISO 5725-217. Nove laboratori non hanno presentato alcun risultato. È stato necessario escludere sei laboratori dal processo di valutazione a causa di scostamenti di rilievo rispetto alla procedura prescritta. Alcuni singoli risultati sono stati eliminati a causa di valori erratici.
Dieci sono stati i laboratori che hanno analizzato tutti e 61 i parametri; nove quelli che hanno analizzato quasi tutti i 61 parametri. Volendo esprimere tali risultati in altri termini, quasi tutti e 61 i parametri sono stati analizzati da più di 20 laboratori, il che costituisce una base valida per una analisi statistica. I dati sono stati analizzati al fine di determinare il valore medio sull’insieme dei risultati (senza valori erratici), la percentuale di recupero (rispetto al valore assegnato), la riproducibilità dei risultati (variazione tra laboratori diversi) e la ripetibilità dei risultati (all’interno del singolo laboratorio).
La figura 3 riporta un esempio, riferito al 2-clorotoluene, di questo processo di valutazione. Per tale composto è stato possibile tener conto dei risultati provenienti da 24 laboratori. Il valore medio sull’insieme dei risultati (linea verde) è molto vicino al valore assegnato (linea viola). La maggior parte dei 24 laboratori, anche quelli che utilizzavano la tecnica SPME per la prima volta, hanno ottenuto risultati molto vicini al valore assegnato. Per oltre il 90% dei composti, la percentuale di recupero è stata tra l’84 e il 116 % (acqua di superficie) ovvero tra l’81 e il 118 % (acqua di scarico). Per più del 90% dei composti, la riproducibilità (variazione tra i laboratori) è risultata inferiore al 31% (acqua di superficie) ovvero al 35% (acqua di scarico), mentre la ripetibilità (variazione all’interno del singolo laboratorio) è stata inferiore al 10% (acqua di superficie) ovvero dell’8% (acqua di scarico).
Figura 3.Grafico che presenta i risultati relativi al 2-clorotoluene ottenuti nel trial interlaboratorio per la validazione della norma ISO 17943. La linea orizzontale viola è il valore assegnato, la linea orizzontale verde è la media calcolata sull’insieme dei risultati.
Riepilogo
Gli eccellenti risultati del trial interlaboratorio mettono in rilievo l’alto livello di efficacia, di affidabilità e di riproducibilità della tecnica HS-SPME in combinazione con la GC/MS per la determinazione di COV in acqua. In termini di sensibilità e di selettività, la nuova norma ISO 17943 rappresenta un netto passo in avanti rispetto agli attuali metodi ufficiali per questa determinazione. In più, la possibilità di automatizzare in toto la tecnica SPME è di enorme vantaggio per condurre questo tipo di analisi 24/7.
Per maggiori informazioni sull’intera gamma di soluzioni di cui disponiamo in tema di protocolli per analisi ambientali, si rimanda alla pagina: SigmaAldrich.com/environmental-testing
Bibliografia
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