Σχεδιασμός, κατασκευή και αξιολόγηση Μονάδας Θερμικής Εκρόφησης προσαρμοσμένης σε GC/MS - Μετρήσεις εκπνεόμενου αέρα

Abstract

Η παρούσα διατριβή εντάσσεται στο πεδίο της Αναλυτικής Χημείας της ανάλυσης περιβαλλοντικού αέρα. Η βασική οργανολογική κατεύθυνση της παρούσας διατριβής ήταν εξαρχής, η ευρύτατα διαδεδομένη για δεκαετίες, αέρια χρωματογραφία συνδυασμένη με φασματομετρία μάζας (GC/MS). Αντικείμενο της διατριβής ήταν η παραγωγή μιας αναλυτικής μεθόδου που θα είναι ικανή να ανιχνεύσει πτητικές οργανικές ενώσεις (Volatile Organic Compounds - VOCs) σε πολύ χαμηλά, ίσως και ακραία, όρια ανίχνευσης της τάξης των λίγων ng ή ακόμη και fg ανά L αέρα. Η επιλογή αυτής της μεθόδου ήταν η δειγματοληψία των VOCs με προσρόφηση σε συνδυασμό με θερμική εκρόφησή τους σε σύστημα GC/MS. Στόχος της εργασίας ήταν η κατασκευή ενός συστήματος θερμικής εκρόφησης. Η επιλογή, όμως, της κατασκευής του συστήματος θερμικής εκρόφησης που θα προσαρμοστεί σε υπάρχον σύστημα GC/MS, εξυπηρετεί το σκοπό της δημιουργίας τεχνογνωσίας. Το ίδιο το σύστημα θερμικής εκρόφησης σχεδιάσθηκε να μην ανταγωνίζεται με τα εμπορικά διαθέσιμα συστήματα. Επιπροσθέτως οι προδιαγραφές σχεδιασμού επιλέχθηκε να συμμορφώνονται με τις απαιτούμενες από ένα ιδιαίτερα σημαντικό οργανισμό προτυποποίησης όπως η Environmental Protection Agency (EPA) των ΗΠΑ. Με την ολοκλήρωση της κατασκευής του οργάνου εκτελέσθηκε μια πλήρης και πρωτότυπη διαδικασία δοκιμών και πιστοποίησης καλής λειτουργίας. Οι δοκιμές και τα κριτήρια επιτυχίας τους, προέκυψαν από τυπικές προδιαγραφές καλής λειτουργίας αναλυτικών οργάνων, αλλά και από προδιαγραφές συστημάτων θερμικής εκρόφησης που αφορούν τη ποσοτική κατακράτηση τους στη δευτερογενή κρυογενική παγίδα επανεστίασης και τη ποσοτική απομάκρυνσης τους από τη παγίδα προσροφητικού υλικού προς το GC/MS. Oι αναλυτικές του ικανότητες του εισαγωγέα θερμικής εκρόφησης εντάχθηκαν στην ερευνητική προσπάθεια του εντοπισμού εγκλωβισμένων στα ερείπια κτιρίων, στη περίπτωση σεισμού. Αποτέλεσμα ήταν δύο πρωτότυπες εφαρμογές του συστήματος. Η πρώτη αφορούσε την μέτρηση και ποσοτικοποίηση VOCs στην εκπνοή υγιών ανθρώπων, σε επίπεδο nmol / L. Η δεύτερη εφαρμογή της διατριβής διερεύνησε το χημικό αποτύπωμα, πάντα σε VOCs που εκλύεται από την αποσύνθεση του ανθρώπινου σώματος και ιδιαίτερα πως αυτό το αποτύπωμα διαφοροποιείται από αυτό των υγιών ζώντων ανθρώπων.

The present Ph.D. Thesis can be grouped under Analytical Chemistry and especially under the field of ambient air analysis. The basic instrumental direction of this Thesis, is the use of, widespread for decades, Gas Chromatography combined with Mass Spectrometry (GC/MS). The main objective of this Thesis was the development of an analytical method that is capable of identifying Volatile Organic Compounds (VOCs) at very low, even extreme, detection limits of few ng or even fg per L of ambient air. This resulted in the choice of VOC sampling on absorbent material and thermal desorption to a GC/MS system. Target of this Thesis was the in-house construction of a thermal desorption system and not the simple purchase and use of a commercially available one, even such systems are readily available for more than a decade. This in-house made system was connected to an existing GC/MS system and its construction served the cause of creating know-how that can be used in the future. The design was not intended to compete with commercial systems. Nevertheless, it was chosen that its specifications would not be, at least significantly, worse than that of commercial systems. Moreover the specifications complied with those requested by the United States Environmental Protection Agency. Following the construction completion, a thorough and novel set of system tests was done. These tests and the pass /fail criteria, were derived from typical analytical equipment validation procedures. Some tests also were taken out of thermal desorption system specifications such as the percentage of analyte re-focusing on the cryogenic secondary trap and the full release during thermal desorption from the sorbent tube. The system’s analytical power was used for a research project for detecting entrapped people in building ruins at the instance of an earthquake. The result was two novel applications. The first involved the identification and quantification of VOCs present in the exhaled air of healthy humans, at a concentration threshold of nmol / L. The second application of this Thesis investigated the VOC chemical fingerprint that is derived from the decomposition of the human body and especially how this is differentiated from this of the alive and healthy humans.