Estratégias de pré-concentração em eletroforese capilar (CE): parte 1. Manipulação da velocidade eletroforética do analito

Capillary electrophoresis has become a well-established and routine-based separation technique. It is based on the differences between charged analyte mobility in aqueous or organic electrolytes. Its major limitation is the sensitivity due to small sample injection volumes and the narrow diameter of the capillaries, especially when UV detection is used. There are a number of ways to increase the concentration sensitivity. This report shows some on-line preconcentration strategies to perform it in free solution capillary electrophoresis that are based on manipulation of the analyte electrophoretic velocity during the sample introduction (stacking, field amplification and transient isotachophoresis).

Determinação simultânea de cátions empregando eletroforese capilar com detecção condutométrica sem contato em equipamento construído em laboratório

This work describes the development of a home-made capillary electrophoresis (CE) system based on the capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) for the separation of the metallic species Zn2+, Cr3+, Pb2+, Cd2+, Co2+, Cu2+, Ni2+ e Tl+. A background electrolyte composed of MES/Histidine 0,02 mol L-1 (pH 5.0) was optimized for the separation of the metallic species by using organic solvents and complexing agents as additives. The system allowed the determination of the metallic species using MES/Histidine 0,02 mol L-1 and methanol 5% (pH 5.0) as a background electrolyte, 15 kV separation voltage and hydrodynamic injection by gravity.

Determination of cetirizine in tablets and compounded capsules: comparative study between CE and HPLC

A capillary electrophoresis (CE) method was developed and validated for determination of cetirizine dihydrochloride in tablets and compounded capsules. The electrophoretic separation was performed in an uncoated fused-silica capillary (40 cm x 50 μm i.d.) using 20 mmol L-1 sodium tetraborate buffer (pH 9.3) as background electrolyte, a hydrodinamic sample injection at 50 mBar for 5 s, 20 KV applied voltage at 25 °C, and detection at 232 nm. The proposed method was compared with the high performance liquid chromatographic (HPLC) method previously validated for this drug, and statistical analysis showed no significant difference between the techniques.

Desenvolvimento e validação de método analítico para determinação de benzoato, sorbato, metil e propilparabenos em produtos alimentícios utilizando a eletroforese capilar

In this work, a rapid and simple method using capillary electrophoresis (CE) was developed for the determination of the benzoate, sorbate, methyl and propylparaben in foodstuffs. A running buffer consisting of 20 mmol L-1 (pH = 9.3) tetraborate enabled separation of the analytes in less than 5 min. The detector wavelength was set at 220 nm. The method was successfully applied to the analysis of sodas, sweeteners, sauces and juices. The range of preservatives found were from 478.5-466.6 mg kg-1 for methylparaben , 83.7-231.3 mg kg-1 for sorbate and 336.7-428.3 mg kg-1 for benzoate.

Ympäristö- ja yhdyskuntavesien monitorointi Saimaan vesistöalueella

Diplomityössä tutkittiin kromatografian, elektroforeesin ja spektrometrian käyttöä ympäristövesianalytiikassa. Kokeellisessa osassa analysoitiin Saimaan Vesi- ja Ympäristötutkimus Oy:n keräämistä kaatopaikka-, jätevesi-, pohjavesi-, vesistö-, uimahalli-, yksityiskaivo-, poreallas- ja suovesinäytteistä epäorgaaniset anionit (F-, Cl-, Br-, NO3-, NO2- SO42-ja PO42-) sekä ionikromatografilla että kapillaarielektroforeesilla. Näytteet on kerätty Saimaan alueen ympäristökunnista. Kapillaarielektroforeesilla analysoitiin lisäksi tiosulfaatti. Liekkiatomiabsorptio-spektrometrilla analysoitiin Cu, Fe, Na ja Al. Natriumia löytyi jokaisesta vesinäytteestä. Pohjavesistä ei löytynyt rautaa eikä alumiinia ja kuparipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Vesistövesistä kahdessa näytteessä oli alle määritysrajan olevia rautapitoisuuksia. Muissa näytteissä ei rautaa ollut. Suovesistä kuparia löytyi hyvin pieniä määriä ja yhdestä näytteestä alumiinia alle määritysrajan. Kaatopaikkavesissä kuparipitoisuudet sekä kolmessa näytteessä alumiinipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Jätevesistä oletettiin löytyvän suuria määriä typpispesieksiä ja fosforia. Niitä kuitenkin esiintyi isoissa pitoisuuksissa vain suovesinäytteissä. Jätevesinäytteet sisälsivät bromidia, nitraattia ja fluoridia jopa yli 140 mg/l. Kapillaarielektroforeesilla ja ionikromatografilla mitatut anionipitoisuudet korreloivat hyvin toisiaan. Kontaminoituja vesiä löytyi pohja-, kaatopaikka-, jäte- ja vesistövesistä sekä uima-altaan terapiaaltaan vedestä.

Voimalaitos- ja jätevesitutkimus

Tässä työssä tutkittiin Stora Enso Oyj:n Heinolan Flutingtehtaan voimalaitos- ja jätevesien seuranta-analyysimenetelmien kehittämistä. Käytössä olevia menetelmiä vertailtiin vaihtoehtoisiin uusiin menetelmiin, jotka perustuvat erotustekniikoihin ja automaatioon. Flutingtehtaalla nykyisin käytössä olevat analyysimenetelmät perustuvat suurelta osin standardimäärityksiin, joissa käytetään pääasiassa titrausta. Määritykset vievät paljon aikaa, koska titraukset toteutetaan manuaalisesti. Titrausten päätepisteet tulkitaan esim. indikaattorin värinmuutoksella ja saostamalla, joten määritysten tarkkuus vaihtelee. Kokeellisessa osassa Flutingtehtaan puhtaista voimalaitosvesistä yhdistetty sekoitenäyte analysoitiin kahdella ionikromatografilla, liekkiatomiabsorptiospektrometrillä ja kapillaarielektroforeesilla. Yksittäisiä näytteitä ei tutkittu. Lisäksi vesilaboratoriossa määritettävistä jätevesistä yhdistettiin sekoitenäyte, joka analysoitiin kapillaarielektroforeesilla. Samat sekoitenäytteet analysoitiin myös nykyisillä menetelmillä tehtaan vesilaboratoriossa. Tulokset osoittivat, että kokeellisessa osassa tutkitut menetelmät soveltuvat sekoitenäytteen perusteella hyvin vesilaboratoriossa käytössä oleviin kuukausianalyyseihin. Automaattisella näytteensyötöllä varustettuna kaikki kolme kokeellisessa osassa tutkittua menetelmää ovat yksikertaisia käyttää ja ne nopeuttavat analyysejä. Päivittäisiä titrausanalyysejä voidaan tehostaa ja nopeuttaa automaation avulla. Erotustekniikoilla esimerkiksi typpi voidaan määrittää kokonaistyppenä, mutta myös komponentteinaan eli ammoniakkina, nitraattina ja nitriittinä. Lisäksi samalla erotuksella voidaan määrittää useita alkali- ja maa-alkalimetalleja sekä raskas-metalleja toistomittauksilla. Menetelmän käyttöalue on laajempi erotustekniikoilla kuin perinteisillä liuoskemian mittauksilla. Erotustekniikoilla tunnistetaan helposti määritysten oikeellisuus detektointimahdollisuuksien monipuolisuuden vuoksi.

Kalsiumkarbonaatin kemiallisfysikaalinen käsittely ja materiaalin karakterisointi

Saostettua karbonaattia voidaan käyttää useiden eri teollisuuksien tuotteissa. Pääosin saostettua kalsiumkarbonaattia kuitenkin käytetään paperin, maalien, muovien sekä elintarviketuotteiden täyteaineena. Koska monet käyttökohteet vaativat saostetulta kalsiumkarbonaatilta tiettyjä puhtausvaatimuksia, sen koostumuksen tutkiminen on suuren kiinnostuksen kohteena. Työn perimmäisenä tarkoituksena on ollut määrittää saostetun kalsiumkarbonaatin kemiallinen koostumus ja selvittää, vaikuttavatko materiaalin kemiallisfysikaalinen modifiointi sen ominaisuuksiin. Kirjallisuusosassa käsitellään yleisesti kalsiumkarbonaattimateriaaleja, saostetun kalsiumkarbonaatin valmistusmenetelmiä ja vastaavanlaisen materiaalin esikäsittelymenetelmiä. Lisäksi tarkastellaan erilaisia analyysimenetelmiä, joita voidaan käyttää kiinteiden epäorgaanisten tai mineraalinäytteiden kemiallisen koostumuksen sekä fysikaalisten ja kemiallisten reaktioiden määrittämiseen. Kokeellisessa osassa tutkittiin käsittelemättömiä saostettuja kalsiumkarbonaattinäytteiden ominaisuuksia ja kemiallista koostumusta erilaisilla alkuaine-, ioni-/spesies- sekä pyrolyysimittauksilla. Näytteitä modifioitiin lämmityksen ja jauhatuksen avulla. Modifioinnin vaikutusta näytteiden kemiallisiin koostumuksiin tutkittiin vertailemalla tuloksia käsittelemättömien näytteiden antamiin tuloksiin. Tutkimus osoitti, että näytteiden lämpökäsittelyllä ei ollut lähes ollenkaan vaikutusta näytteiden kemialliseen koostumukseen. Toisin osoitti näytteiden jauhatus, joka laski ammoniumin pitoisuutta näytteissä. Laitetekniikkaa käytettäessä kapillaarielektroforeesi, ionikromatografi, ICP-AES ja SEM (FTIR) antoivat luotettavinta tietoa näytteiden kemiallisista koostumuksista. Näytteiden fysikaalisia ja kemiallisia reaktioita voitiin havainnollistaa parhaiten käyttäen STA-QMS -laitetta.

Steroidien selektiivinen erottaminen sähköavusteisesti mikroemulsioita käyttäen

Mikroemulsiosähkökineettinen kromatografia on sähköavusteinen erotusmenetelmä. Yhdisteiden erottuminen tapahtuu mikroemulsiopisaroiden vaikutuksesta, kun nanometrien kokoiset öljypisarat ovat dispergoituneena veteen valmistettuun puskuriliuokseen. Yleensä mikroemulsiot valmistetaan raakaöljynkin sisältämistä hiilivedyistä, joita ovat esimerkiksi oktaani ja heptaani. Työn kokeellisessa osassa perehdyttiin seitsemän hydrofobisen ja varauksettoman steroidihormonin erottamiseen mikroemulsioliuoksessa kapillaarielektroforeesitekniikalla. Työssä valmistettiin öljyistä koostuvia mikroemulsioita, joista osan koostumus valittiin kirjallisuuden perusteella. Työssä kokeiltiin myös uusia mikroemulsiokoostumuksia, joissa käytettiin luonnosta peräisin olevia öljyjä: rypsi-, oliivi-, pellavansiemen- ja saksanpähkinäöljyä. Seitsemästä steroidihormonista viisi yhdistettä saatiin erottumaan optimoiduilla menetelmillä. Steroidien erotus perustuu niiden oktanoli-vesi jakautumiskertoimien avulla saatavaan migraatiojärjestykseen. Mikroemulsiossa, jossa käytettiin 1-oktanolia, steroidihormonit erottuivat nopeammin, kuin saksanpähkinäöljyä käytettäessä. Lyhyimmät migraatioajat saatiin mikroemulsiolla, jossa öljyfaasina käytettiin 1-heksanolia ja viidentenä yhdisteenä asetonitriiliä. Selektiivisimmillään menetelmä on, kun erotus tapahtuu liuoksessa, joka koostuu etyyliasetaatista, natriumdodekyylisulfaatista, butanolista, asetonitriilistä ja natriumtetraboraatista. Toteamisrajat tutkituille steroidihormoneille olivat 0,20–0,43 mg/L mikroemulsioissa.

Analytical methods for analyzing organic peroxides

Työn tarkoituksena oli kehittää analyyttinen erotusmenetelmä eräässä valmistusprosessissa käytettävän hapettavan aineen ja liuottimen välillä syntyvien reaktiotuotteiden tutkimiseen ja analysoimiseen. Lisäksi tarkoituksena oli tutkia prosessiolosuhteiden turvallisuutta. Kirjallisuusosassa käsitellään erilaisia orgaanisia peroksideja, niiden käyttötarkoituksia ja niiden käyttöön liittyviä huomioitavia asioita. Lisäksi tarkastellaan yleisimpiä analyysimenetelmiä, joita on käytetty erilaisten peroksidien analysoinnissa. Näitä analyysimenetelmiä on useimmiten käytetty nestemäisten näytteiden tutkimuksissa. Harvemmin on analysoitu kaasu- ja kiintoainenäytteitä. Kokeellisessa osassa kehitettiin kirjallisuuden perusteella peroksidiyhdisteille identifiointimenetelmä ja tutkittiin prosessin näytteet. Analyysimenetelmiksi valittiin iodometrinen titraus ja HPLC-UV-MS-menetelmä. Lisäksi käytettiin peroksidimittaukseen soveltuvia testiliuskoja. Tutkimus osoitti, että iodometrisen titrauksen ja testiliuskojen perusteella näytteissä oli vähäisiä määriä peroksideja viikon jälkeen peroksidilisäyksestä. HPLC-UV-MS-analyysien perusteella näytteiden analysointia häiritsi selluloosa, jota löytyi jokaisesta näytteestä.

Pulsed corona discharge as an advanced oxidation process for degradation of organic

Advanced oxidation processes (AOPs) have been studied and developed to suffice the effective removal of refractory and toxic compounds in polluted water. The quality and cost of wastewater treatment need improvements, and electric discharge technology has a potential to make a significant difference compared to other established AOPs based on energy efficiency. The generation of active oxidant species such as ozone and hydroxyl radicals by high voltage discharge is a relatively new technology for water treatment. Gas-phase pulsed corona discharge (PCD), where a treated aqueous solution is dispersed between corona-producing electrodes free of the dielectric barriers, was developed as an alternative approach to the problem. The short living radicals and ozone formed in the gas phase and at the gas-liquid interface react with dissolved impurities. PCD equipment has a relatively simple configuration, and with the reactor in an enclosed compartment, it is insensitive towards gas humidity and does not need the gas transport. In this thesis, PCD was used to study and evaluate the energy efficiency for degrading various organic compounds, as well as the chemistry of the oxidation products formed. The experiments investigate the aqueous oxidation of phenol, humic substances, pharmaceutical compounds (paracetamol, ibuprofen, indomethacin, salicylic acids, -estradiol), as well as lignin degradation and transformation to aldehydes. The study aims to establish the influence of initial concentration of the target pollutant, the pulsed discharge parameters, gas phase composition and the pH on the oxidation kinetics and the efficiency. Analytical methods to measure the concentrations of the target compounds and their by-products include HPLC, spectrophotometry, TOC and capillary electrophoresis. The results of the research included in this summary are presented in the attached publications and manuscripts accepted for publication. Pulsed corona discharge proved to be highly effective in oxidizing each of the target compounds, surpassing the closest competitor, conventional ozonation. The increase in oxidation efficiencies for some compounds in oxygen media and at lower pulse repetition frequencies shows a significant role of ozone. The role of the ·OH radicals was established in the surface reactions. The main oxidation products, formation of nitrates, and the lignin transformation were quantified. A compound specific approach is suggested for optimization of the PCD parameters that have the most significant impact on the oxidation energy efficiency because of the different characteristics and responses of the target compound to the oxidants, as well as different admixtures that are present in the wastewater. Further studies in the method’s safety (nitration and nitrosation of organic compounds, nitrite and nitrate formation enhancement) are needed for promoting the method.

Arseeni ja elohopea maaperässä ja vesistöissä

Maapallon väestön kasvaessa ja tarpeen makealle vedelle, ruualle ja viljelymaalle noustessa on tärkeää alkaa kiinnittää entistä tarkemmin huomiota vesistöjen ja maaperän saastumiseen myrkyllisillä raskasmetalleilla. Erityisesti elohopea ja arseeni, jotka jo nyt vaikuttavat heikentävästi miljoonien ihmisten elämään eri puolilla maapalloa, on syytä ottaa huolelliseen tarkkailuun. Raskasmetallien päästölähteet voidaan jakaa kahteen luokkaan, luonnollisiin ja ihmisperäisiin. Ihmisperäisiin päästölähteisiin voidaan vaikuttaa muun muassa teollisuutta ja liikennettä koskevalla lainsäädännöllä. Luonnollisiin päästölähteisiin vaikuttaminen on huomattavasti haastavampaa, mutta niiden haittaa ihmisille on mahdollista pienentää muun muassa parempien vedenpuhdistustekniikoiden avulla. Tämän työn kirjallisuusosassa tullaan esittelemään erityyppisiä luonnossa esiintyviä arseenin ja elohopean yhdisteitä, suurimpia arseenin ja elohopean päästölähteitä, sekä näiden raskasmetallien haitallisia terveysvaikutuksia. Kokeellisessa osassa tullaan keskittymään arseenin analysointiin nestemäisistä näytteistä. Näytteinä käytettiin tuntemattomilta kaatopaikoilta otettuja suotovesinäytteitä, sekä Pien-Saimaan pintavesinäytteitä. Analyyseihin on käytetty ICP-AES laitteistoa sekä kapillaarielektroforeesia.

On-line determination of residual collector concentration in flotation process

Valuable minerals can be recovered by using froth flotation. This is a widely used separation technique in mineral processing. In a flotation cell hydrophobic particles attach on air bubbles dispersed in the slurry and rise on the top of the cell. Valuable particles are made hydrophobic by adding collector chemicals in the slurry. With the help of a frother reagent a stable froth forms on the top of the cell and the froth with valuable minerals, i.e. the concentrate, can be removed for further processing. Normally the collector is dosed on the basis of the feed rate of the flotation circuit and the head grade of the valuable metal. However, also the mineral composition of the ore affects the consumption of the collector, i.e. how much is adsorbed on the mineral surfaces. Therefore it is worth monitoring the residual collector concentration in the flotation tailings. Excess usage of collector causes unnecessary costs and may even disturb the process. In the literature part of the Master’s thesis the basics of flotation process and collector chemicals are introduced. Capillary electrophoresis (CE), an analytical technique suitable for detecting collector chemicals, is also reviewed. In the experimental part of the thesis the development of an on-line CE method for monitoring the concentration of collector chemicals in a flotation process and the results of a measurement campaign are presented. It was possible to determine the quality and quantity of collector chemicals in nickel flotation tailings at a concentrator plant with the developed on-line CE method. Sodium ethyl xanthate and sodium isopropyl xanthate residuals were found in the tailings and slight correlation between the measured concentrations and the dosage amounts could be seen.

Ionic liquid mediated biomass deconstruction: from analysis challenges to fermentable sugars

Ionic liquids, ILs, have recently been studied with accelerating interest to be used for a deconstruction/fractionation, dissolution or pretreatment processing method of lignocellulosic biomass. ILs are usually utilized combined with heat. Regarding lignocellulosic recalcitrance toward fractionation and IL utilization, most of the studies concern IL utilization in the biomass fermentation process prior to the enzymatic hydrolysis step. It has been demonstrated that IL-pretreatment gives more efficient hydrolysis of the biomass polysaccharides than enzymatic hydrolysis alone. Both cellulose (especially cellulose) and lignin are very resistant towards fractionation and even dissolution methods. As an example, it can be mentioned that softwood, hardwood and grass-type plant species have different types of lignin structures leading to the fact that softwood lignin (guaiacyl lignin dominates) is the most difficult to solubilize or chemically disrupt. In addition to the known conventional biomass processing methods, several ILs have also been found to efficiently dissolve either cellulose and/or wood samples – different ILs are suitable for different purposes. An IL treatment of wood usually results in non-fibrous pulp, where lignin is not efficiently separated and wood components are selectively precipitated, as cellulose is not soluble or degradable in ionic liquids under mild conditions. Nevertheless, new ILs capable of rather good fractionation performance have recently emerged. The capability of the IL to dissolve or deconstruct wood or cellulose depends on several factors, (e.g. sample origin, the particle size of the biomass, mechanical treatments as pulverization, initial biomassto-IL ratio, water content of the biomass, possible impurities of IL, reaction conditions, temperature etc). The aim of this study was to obtain (fermentable) saccharides and other valuable chemicals from wood by a combined heat and IL-treatment. Thermal treatments alone contribute to the degradation of polysaccharides (e.g. 150 °C alone is said to cause the degradation of polysaccharides), thus temperatures below that should be used, if the research interest lies on the IL effectiveness. On the other hand, the efficiency of the IL-treatment can also be enhanced to combine other treatment methods, (e.g. microwave heating). The samples of spruce, pine and birch sawdust were treated with either 1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, Emim Cl, or 1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate, Emim Ac, (or with ionized water for comparison) at various temperatures (where focus was between 80 and 120 °C). The samples were withdrawn at fixed time intervals (the main interest treatment time area lied between 0 and 100 hours). Double experiments were executed. The selected mono- and disaccharides, as well as their known degradation products, 5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF, and furfural were analyzed with capillary electrophoresis, CE, and high-performance liquid chromatography, HPLC. Initially, even GC and GC-MS were utilized. Galactose, glucose, mannose and xylose were the main monosaccharides that were present in the wood samples exposed to ILs at elevated temperatures; in addition, furfural and 5-HMF were detected; moreover, the quantitative amount of the two latter ones were naturally increasing in line with the heating time or the IL:wood ratio.

Puun kemiallinen koostumus ja sen uuteaineiden analysointi

Tämä kandidaatintyö jakaantuu teoriaosuuteen ja kokeelliseen osaan. Teoriaosuudessa käsitellään puun kemiallista koostumusta, jossa keskitytään erityisesti puun uuteaineisiin. Puun uuteaineista käsitellään erityisesti hartsihappoja, koska ne ovat taloudellisesti arvokkaita yhdisteitä. Teoriaosuudessa esitellään puun uuteaineille eri analyysimenetelmiä kaasu- ja nestekromatografialla sekä kapillaarielektroforeesilla. Analyysimenetelmät ovat koottu tieteisartikkeleista, joissa on tutkittu ja analysoitu puun uuteaineita. Työn kokeellisessa osuudessa analyysilaitteeksi valittiin kapillaarielektroforeesi (CE). Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voisi analysoida puun uuteaineista hartsi- ja rasvahappoja. Kapillaarielektroforeesille testattiin viittä erilaista menetelmää. Referenssinäytteinä työssä käytettiin oleiinihappoa ja abietiinihappoa. Yhdellä testatuista menetelmistä saatiin analysoitua oleiinihappoa referenssinäytteistä, mutta mahdollisesti myös abietiinihappoa. Tässä menetelmässä CE:n puskuriliuoksena käytettiin 50 mM boraattia + 100 mM natriumlauryylisulfaattia. Menetelmässä näytteen injektioaika oli 10 sekuntia ja CE:n sähköjännite oli 25 kV. Menetelmä oli toimiva 1000 mg/L liuoksilla, joiden pH oli nostettu 9-10 natriumhydroksidilla. Menetelmän haittapuolena on se, että alle 200 mg/L:n kantaliuoksilla CE:llä ei voitu analysoida oleiini- ja abietiinihappoa. Menetelmä ei siis sovellu esimerkiksi sellaisten näytteiden analysointiin, jossa oleiini- ja abietiinihappo pitoisuudet ovat hyvin pienet (alle 200 mg/L).