Novel Approaches to the Sampling of Atmospheric Aerosols and Determination of Chemical Composition

The Earth s climate is a highly dynamic and complex system in which atmospheric aerosols have been increasingly recognized to play a key role. Aerosol particles affect the climate through a multitude of processes, directly by absorbing and reflecting radiation and indirectly by changing the properties of clouds. Because of the complexity, quantification of the effects of aerosols continues to be a highly uncertain science. Better understanding of the effects of aerosols requires more information on aerosol chemistry. Before the determination of aerosol chemical composition by the various available analytical techniques, aerosol particles must be reliably sampled and prepared. Indeed, sampling is one of the most challenging steps in aerosol studies, since all available sampling techniques harbor drawbacks. In this study, novel methodologies were developed for sampling and determination of the chemical composition of atmospheric aerosols. In the particle-into-liquid sampler (PILS), aerosol particles grow in saturated water vapor with further impaction and dissolution in liquid water. Once in water, the aerosol sample can then be transported and analyzed by various off-line or on-line techniques. In this study, PILS was modified and the sampling procedure was optimized to obtain less altered aerosol samples with good time resolution. A combination of denuders with different coatings was tested to adsorb gas phase compounds before PILS. Mixtures of water with alcohols were introduced to increase the solubility of aerosols. Minimum sampling time required was determined by collecting samples off-line every hour and proceeding with liquid-liquid extraction (LLE) and analysis by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The laboriousness of LLE followed by GC-MS analysis next prompted an evaluation of solid-phase extraction (SPE) for the extraction of aldehydes and acids in aerosol samples. These two compound groups are thought to be key for aerosol growth. Octadecylsilica, hydrophilic-lipophilic balance (HLB), and mixed phase anion exchange (MAX) were tested as extraction materials. MAX proved to be efficient for acids, but no tested material offered sufficient adsorption for aldehydes. Thus, PILS samples were extracted only with MAX to guarantee good results for organic acids determined by liquid chromatography-mass spectrometry (HPLC-MS). On-line coupling of SPE with HPLC-MS is relatively easy, and here on-line coupling of PILS with HPLC-MS through the SPE trap produced some interesting data on relevant acids in atmospheric aerosol samples. A completely different approach to aerosol sampling, namely, differential mobility analyzer (DMA)-assisted filter sampling, was employed in this study to provide information about the size dependent chemical composition of aerosols and understanding of the processes driving aerosol growth from nano-size clusters to climatically relevant particles (>40 nm). The DMA was set to sample particles with diameters of 50, 40, and 30 nm and aerosols were collected on teflon or quartz fiber filters. To clarify the gas-phase contribution, zero gas-phase samples were collected by switching off the DMA every other 15 minutes. Gas-phase compounds were adsorbed equally well on both types of filter, and were found to contribute significantly to the total compound mass. Gas-phase adsorption is especially significant during the collection of nanometer-size aerosols and needs always to be taken into account. Other aims of this study were to determine the oxidation products of β-caryophyllene (the major sesquiterpene in boreal forest) in aerosol particles. Since reference compounds are needed for verification of the accuracy of analytical measurements, three oxidation products of β-caryophyllene were synthesized: β-caryophyllene aldehyde, β-nocaryophyllene aldehyde, and β-caryophyllinic acid. All three were identified for the first time in ambient aerosol samples, at relatively high concentrations, and their contribution to the aerosol mass (and probably growth) was concluded to be significant. Methodological and instrumental developments presented in this work enable fuller understanding of the processes behind biogenic aerosol formation and provide new tools for more precise determination of biosphere-atmosphere interactions.

Determination of intestinal permeability in healthy horses using the contrast medium iohexol

Tämä lisensiaatin tutkielma koostuu kolmesta osasta; kirjallisuuskatsauksesta, kokeellisesta osasta ja liitteistä. Iohexol on ionisoitumaton, trijodattu ja vesiliukoinen röntgenvarjoaine. Iohexolia on hyödynnetty lääketieteessä useita vuosia. Iohexolia on käytetty muun muassa angio- ja myelografiassa, lisäksi iohexolia on hyödynnetty arvioitaessa munuaiskerästen suodattumisnopeutta sekä suoliston läpäisevyyden muutoksia. Hevosen tulehduksellisessa suolistosairaudessa (Inflammatory bowel disease, IBD) suoliston rakenne ja sen läpäisevyys muuttuu; tyypillistä on tulehdussolujen kertyminen suoliston seinämään ja myös sidekudosmuodostusta saattaa esiintyä. Suolisto muutoksia saatetaan havaita sekä ohut- että paksusuolessa. IBD aiheuttaa hevoselle laihtumista, johtuen ravintoaineiden puutteellisesta imeytymisestä ja proteiinien menetyksestä suoleen suoliston häiriötilan yhteydessä. Tällä hetkellä IBD:n diagnostiikka perustuu tyypillisiin oireisiin, kliiniseen tutkimukseen, verinäytteisiin, glukoosin imeytymistestiin ja peräsuolesta otettuun koepalaan. IBD:n diagnostiikka on kuitenkin erittäin haastavaa ja tutkimusmenetelmiin liittyy lukuisia ongelmia, jotka vähentävät niiden luotettavuutta IBD:n diagnostiikassa. Tutkimuksemme tarkoituksena on kehittää hevosen IBD:n diagnostiikkaa entistä helpompaan, luotettavampaan ja turvallisempaan suuntaan. Tämän alustavan tutkimuksen tavoitteet olivat: (1) tutkia voidaanko iohexol havaita hevosen seerumissa oraalisen annostelun jälkeen ja (2) muodostaa iohexolin pitoisuuskuvaaja ajan funktiona terveillä hevosilla. Materiaalimme koostui kymmenestä terveestä hevosesta, joilla ei ollut havaittu laihtumista tai ripulia. Ennen iohexolin annostelua hevosille suoritettiin kliininen tutkimus ja verinäytteet otettiin maha-suolikanavan sairauden poissulkemiseksi. Hevosille suoritettiin myös mahalaukun tähystys. 16 tunnin paaston jälkeen 1 ml/kg Iohexolia annosteltiin 10 % -liuoksena nenämahaletkulla suoraan mahaan ja verinäytteet otettiin 0, 30, 60, 120, 180, 240, 300 ja 360 minuuttia annostelun jälkeen. Iohexolin pitoisuus määritettiin käyttämällä korkean erotuskyvyn nestekromatografiaa. Iohexolin pitoisuuksista tietyillä ajanhetkillä muodostettiin kuvaaja. Hevosilla ei havaittu maha-suolikanavan sairauksia. Kaikki hevoset olivat hyvässä kuntoluokassa ja mahalaukun tähystyksessä ei havaittu merkittäviä muutoksia. Verinäytteiden tulokset olivat viiterajoissa. Kaikki hevoset sietivät iohexolia hyvin ja haittavaikutuksia ei havaittu. Iohexol oli havaittavissa seerumissa 60 minuutin kuluttua annostelusta. Kuvaajassa voitiin havaita kaksi huippua. Statistiset menetelmät tukivat löydöksiä. Iohexol testi oli yksinkertainen suorittaa ja siihen ei liittynyt haittavaikutuksia. Annos 1ml/kg oli havaittavissa seerumissa. Iohexolin pitoisuuskuvaaja muodosti kaksi huippua, ja tämänkaltainen ilmiö on kuvattu kirjallisuudessa aikaisemmin useiden lääkkeiden tapauksessa. Hevosella ilmiö liittyy todennäköisesti maha-suolikanavan rakenteellisiin ja fysiologisiin eroavaisuuksiin ja lisätutkimuksia ilmiön varmistamiseksi tarvitaan. Iohexol näyttää olevan potentiaalinen merkkiaine suoliston läpäisevyyden arviointiin ja lisätutkimuksia IBD:tä sairastavien hevosten seerumin iohexolin pitoisuuksista verrattuna terveiden hevosten seerumin iohexolin pitoisuuksiin on suunnitteilla.