Ανάπτυξη μεθόδων προσδιορισμού ιόντων μετάλλων και μορφών τους συμπλεγμένων με βιομόρια, με τεχνικές της ατομικής φασματομετρίας και χρήση χημειομετρικών μεθόδων βελτιστοποίησης

Abstract

The aim of the present dissertation study was to develop and optimize analytical methods for the analysis of eight different metals: Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Hg in the human blood and its fractions as well as the elements Hg and methylmercury in human urine and natural water reserves (drinking water and sea water). Since the concentrations for most of the above mentioned metals are especially low, two different spectroscopic techniques were used in order to minimize the time of analysis and to achieve the best possible accuracy in the measurements. Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP- AES) was used as a multi-element analytical technique and the electrothermal atomic absorption technique (ET-AAS) was used complementarily for very low concentrations. Finally, only in the case of mercury and methylmercury a novel nonchromatographic on-line cold vapour atomic absorption spectrometric method (CV-AAS) was utilized for analysis. In the beginning an analytical method was developed using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) for the direct determination of seven elements (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni and Pb) in the fractions of human blood: plasma, cytoplasm and whole blood. The optimum wavelength for each metal was chosen according to several criteria such as sensitivity, linearity and the estimated recovery of the standard aqueous solution. The procedure of pretreatment of each sample was also studied such as the centrifugal conditions, the necessity of utilizing digestion procedures for the sample and the necessary dilution of the digests. For the plasma sample it was possible to avoid utilizing digestion procedures, but for the cytoplasm and the whole blood such a procedure was unavoidable. The samples were acid digested with HNO3 in closed tubes made of PTFE under high temperature and pressure conditions and then they were diluted before their injection in the ICP-AES. In addition, the optimization of inductively coupled plasma conditions was performed such as the Argo flow rate, the sample flow rate and the power of the radiofrequency for each of the samples. Finally, the impact of the calibration technique on the total variation of the method was examined. The standard addition technique was found to be the most accurate for the determination of the metals, as far as the retention of the metals was concerned. The recovery for all the samples examined with this particular method was satisfactory (Cd 99 %, Co 101 %, Cr 100 %, Cu 99 %, Mn 101 %, Ni 100 %, and Pb 97 %). Based on the analytical characteristics of the previously mentioned method, the detection limits which were achieved and the control of the accuracy of the method was examined using Seronorm trace elements whole blood L-3. It is recommended that this method could be used to monitoring people who have been exposed to high concentrations of those metals. Especially for the quantitative determination of copper, which usually is present at high concentrations, it is possible to implement this method directly even in cases of samples taken from people that have not been exposed.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν αναλυτικές μέθοδοι για την ανάλυση οχτώ μετάλλων, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb και Hg σε ολικό ανθρώπινο αίμα και κλάσματά του, καθώς επίσης και Hg και μεθυλ-υδραργύρου σε ανθρώπινα ούρα και φυσικά ύδατα. Γνωρίζοντας ότι για τα περισσότερα από τα μελετούμενα μέταλλα οι συγκεντρώσεις είναι ιδιαίτερα χαμηλές στα προαναφερθέντα δείγματα χρησιμοποιήθηκαν δύο φασματομετρικές τεχνικές προκειμένου να μειωθεί ο χρόνος ανάλυσης και να επιτευχθεί η μέγιστη ακρίβεια στην ποσοτική αποτίμηση των αποτελεσμάτων. Έτσι αρχικά χρησιμοποιήθηκε η φασματομετρία ατομικής εκπομπής επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP-AES) ως πολυστοιχειακή τεχνική ανάλυσης και η ατομική απορρόφηση ηλεκτροθερμικού φούρνου γραφίτη (ET-AAS) ως πιο ευαίσθητη τεχνική ανάλυσης συγκριτικά με την προηγούμενη. Τέλος για την περίπτωση και μόνο του υδραργύρου και του μεθυλ-υδραργύρου χρησιμοποιήθηκε η ατομική απορρόφηση ψυχρού ατμού (CV-AAS). Σε πρώτη φάση αναπτύχθηκε αναλυτική μέθοδος που χρησιμοποιεί την φασματομετρία ατομικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP-AES) για γρήγορο και ταυτόχρονο προσδιορισμό επτά βαρέων μετάλλων (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni και Pb) στα κλάσματα του ανθρώπινου αίματος, όπως το πλάσμα, το κυτταρικό κλάσμα του αίματος και το ολικό αίμα.Το βέλτιστο μήκος κύματος για κάθε μέταλλο επιλέχτηκε χρησιμοποιώντας ως κριτήριο την ευαισθησία, τη γραμμικότητα και την υπολογιζόμενη ανάκτηση των υδατικών προτύπων διαλυμάτων. Μελετήθηκε η διαδικασία προκατεργασίας του κάθε δείγματος, οι συνθήκες φυγοκέντρησης, η αναγκαιότητα υποβολής του δείγματος σε πέψη και η απαιτούμενη αραίωση των δειγμάτων. Για τα δείγματα πλάσματος ήταν δυνατό να αποφευχθεί η διαδικασία της πέψης του δείγματος, αλλά για το κυτταρικό κλάσμα και το ολικό αίμα η πέψη είναι απαραίτητη. Τα δείγματα υποβλήθηκαν σε όξινη πέψη με HNO3 σε κλειστά δοχεία από PTFE, υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης και αραιώθηκαν πριν από την εισαγωγή στο ICP-AES. Επίσης, πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας του φασματομέτρου ατομικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα, όπως η ροή αργού στον εκνεφωτή, η παροχή εισαγωγής του δείγματος και η ισχύς της γεννήτριας ραδιοσυχνοτήτων για κάθε είδος δείγματος. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση της τεχνικής χάραξης της καμπύλης αναφοράς στην ολική διακύμανση της μεθόδου. Η τεχνική της προσθήκης προτύπου αποδείχθηκε ακριβέστερη για τον προσδιορισμό των μετάλλων από την άποψη της ανάκτησής τους στα δείγματα. Για το σύνολο των εξεταζομένων κλασμάτων παρουσιάζονται η ευαισθησία και η ανάκτηση(Cd 99 %, Co 101 %, Cr 100 %, Cu 99 %, Mn 101 %, Ni 100 % και Pb 97 %) για τη συγκεκριμένη μέθοδο που αναπτύχθηκε. Με βάση τα καλά αναλυτικά χαρακτηριστικά της μεθόδου, τα όρια ανίχνευσης που επιτεύχθηκαν και τον έλεγχο της ακρίβειας της μεθόδου με το πρότυπο υλικό αναφοράς ολικού αίματος ιχνοστοιχείων, επιπέδου 3 του οίκου Seronorm (Seronorm trace elements whole blood L-3) προτείνεται η εφαρμογή της μεθόδου για άτομα, τα οποία έχουν εκτεθεί σε υψηλές συγκεντρώσεις των μελετούμενων μετάλλων και γενικότερα για τη γρήγορη παρακολούθηση (monitoring) των επιπέδων των επτά αυτών στοιχείων. Ιδιαίτερα για τον ποσοτικό προσδιορισμό του χαλκού, ο οποίος εμφανίζει υπό φυσιολογικές τιμές υψηλές συγκεντρώσεις είναι δυνατή η άμεση εφαρμογή της μεθόδου ακόμη και σε περιπτώσεις δειγμάτων, όπου δεν υφίσταται κάποια επιπλέον επιβάρυνση.