Filling the gap in environmental analysis: enrichment of ionizable micropollutants by electromembrane extraction or field-step electrophoresis and their analysis by capillary electrophoresis and liquid chromatography mass spectrometry for (non-)target screening

Abstract

In environmental analysis, the so called “analytical gap” (Reemtsma, Environ Sci Technol 2016, 50, 19, 10308-10315) demands for new strategies for monitoring polar micropollutants and their transformation products, especially ionic and ionizable compounds in environmental samples. Various approaches with hydrophilic interaction liquid chromatography coupled to mass spectrometry (HILIC-MS) as well as with ion chromatography-MS have been published in the last few years, but still some limitations and challenges remained. With its high separation efficiency and good matrix tolerance, capillary electrophoresis- mass spectrometry is well suited for the analysis of ionic and ionizable compounds. In this work, it was possible to establish a non-aqueous capillary electrophoresis (NACE)- MS method applicable for the analysis of micropollutants (cationic, anionic and non- charged analytes) in environmental waters and biota samples. The method showed good precision with average relative standard deviations (RSD) for migration time of 1.4% and peak area of 5.3%. Detection limits (on average) of 4.2 µg/l were reached in aqueous samples and biota extracts. A comparison concerning detection limits, matrix effects and selectivity with two chromatographic separation methods developed (reversed phase liquid chromatography-MS (RPLC-MS) and HILIC-MS) demonstrated the high potential of the NACE-MS method, though sensitivity was insufficient. For preconcentration, classical solid-phase extraction (SPE)/NACE-MS was applied to quantify the artificial sweetener acesulfame and the pharmaceutical hydrochlorothiazide, but further enrichment of micropollutants was necessary. The development of new methods to preconcentrate analytes with high coverage was the focus of this work’s second part. Instrumental strategies were developed to enrich ionic and ionizable substances in environmental samples with the aid of electric fields to establish a sample preparation step which did not discriminate substance classes, e.g. according to charge number or polarity. All methods were shown to be applicable for suspect and non-target screening. Based on previous results in the literature, a dual electromembrane extraction (EME) flow-through cell was developed and optimized. It proved compatible with chromatographic and electrophoretic separation techniques and was applied to river water. The EME/NACE-MS setup was suitable to enrich both cationic and anionic analytes possessing a wide range of physicochemical characteristics with average enrichment factors of 40 (cations) and 20 (anions). The high coverage that was reached even for highly polar analytes like metformin and sulfamic acid when using optimized polymer inclusion membranes demonstrated the potential of EME for non-target screening as well. Matrix effects were investigated for river water samples. A new sample preparation method for environmental sciences based on free flow electrophoresis (FFE) was implemented. The sample was introduced continuously into a low-conductivity buffer zone. Acidic analytes present in the sample were stacked at the boundary to a high-conductivity zone upon application of an electric field perpendicular to the sample flow. This step mode FFE, called field-step electrophoresis (FSE), proved suitable for the focusing of acidic analytes with pKa values of up to 10, demonstrating a broad range. In most cases, model analytes spiked into FSE samples could be recovered

in only one, but never more than two fractions. Neutral matrix compounds and cations present in environmental water as well as highly mobile inorganic anions passing the stacking boundary were removed successfully. FSE media were chosen to be volatile. Thus, solvent exchange and analyte enrichment via preconcentration were possible. The protocol was compatible with downstream analysis by RPLC-, HILIC- and CE-MS. The highly reproducible FSE/RPLC-MS procedure (RSD of peak areas 3-6%) was successfully used for non-target screening in a river water samples as a proof of concept demonstrating its high potential for environmental sciences. Both EME and FSE were found to be independent of analyte polarity and can thus be used complementarily to the sample preparation techniques already established in environmental analysis, e.g. SPE. Concluding, two new sample preparation methods compatible with chromatographic- and electromigrative-based separation techniques were developed. For analysis, a dual HILIC method and a new NACE-MS method were introduced and validated for their application in environmental sciences, all explicitly devoted to the analysis of polar and ionic micropollutants. Throughout the work, the analysis of environmental samples provedthe applicability of the methods.

In der Umweltanalytik erfordert die „analytische Lücke“ (Reemtsma, Environ Sci Technol 2016, 50, 19, 10308-10315) neue Strategien zur Überwachung polarer Mikroschadstoffe und ihrer Umwandlungsprodukte, insbesondere ionischer und ionisierbarer Verbindungen in Umweltproben. In den letzten Jahren wurden verschiedene analytische Lösungsansätze mit hydrophiler Interaktionsflüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (HILIC-MS) sowie mit Ionenchromatographie-MS veröffentlicht, jedoch blieben einige Einschränkungen und Herausforderungen bestehen. Die Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie ist mit ihrer hohen Trennleistung und guten Matrixtoleranz für die Analyse ionischer Verbindungen geeignet. In dieser Arbeit konnte eine nicht-wässrige Kapillarelektrophorese (NACE)-MS-Methode etabliert werden, die für die Analyse von Mikroschadstoffen (kationische, anionische und nicht geladene Analyten) in Umweltgewässern und Biota-Proben anwendbar ist. Die Methode zeigte eine hohe Präzision mit relativen Standardabweichungen (RSD) von im Durchschnitt 1,4 % für Migrationszeiten und 5,3 % für die Peakflächen. In wässrigen Proben und Biota-Extrakten wurden durchschnittliche Nachweisgrenzen von 4,2 µg/l erreicht. Ein Vergleich von zwei neu entwickelten chromatographischen Trennmethoden (Umkehrphasenchromatographie-MS (RPLC-MS) und HILIC-MS) bezüglich Nachweisgrenzen, Matrixeffekten und Selektivität zeigte das hohe Potenzial der NACE- MS-Methode für ein Non-Target Screening ionisierbarer Substanzen. Allerdings war die Sensitivität nicht ausreichend. Zur Anreicherung wurde die klassische Festphasenextraktion (SPE) verwendet, was die Quantifizierung des künstlichen Süßstoffes Acesulfam und des häufig verschriebenen Arzneimittels Hydrochlorothiazid ermöglichte. Eine weitere Anreicherung von Mikroschadstoffen war allerdings notwendig, da die Empfindlichkeit noch nicht für alle Modellanalyten gleichermaßen ausreichend war. Die Entwicklung neuer Methoden zur Anreicherung von Analyten stand im Fokus des zweiten Teils dieser Arbeit. Dabei wurde vor allem darauf geachtet, dass ein breiter Analytbereich abgedeckt werden konnte. Es wurden instrumentelle Strategien und Methoden entwickelt, um ionische und ionisierbare Substanzen in Umweltproben mithilfe elektrischer Felder anzureichern, um eine Probenvorbereitung mit einer sehr hohen Analytabdeckung bezüglich der Polarität der ionisierbaren Analyten zu erhalten. Alle Methoden erwiesen sich als anwendbar für das Suspect- oder Non-Target Screening. Basierend auf früheren Ergebnissen in der Forschungsliteratur wurde eine Durchflusszelle für die duale Elektromembran-Extraktion (EME) entwickelt und optimiert. Die Anreicherungsmethode erwies sich als kompatibel mit chromatographischen und elektrophoretischen Trenntechniken und wurde auf Flusswasser angewandt. Der EME/NACE-MS-Aufbau war dazu geeignet, sowohl kationische als auch anionische Analyten, die ein breites Spektrum physikalisch- chemischer Eigenschaften abdeckten, mit durchschnittlichen Anreicherungsfaktoren von 40 (Kationen) und 20 (Anionen) anzureichern. Die erfolgreiche Anwendung auf hochpolare Analyten wie Metformin und Sulfaminsäure, die bei der Verwendung optimierter Polymer-Inclusion-Membranen gezeigt wurde, demonstrierte das Potenzial

von EME auch für Non-Target Screenings. Intensiv wurden Matrixeffekte bei Flusswasserproben untersucht. Eine neue Probenvorbereitungsmethode für die Umweltwissenschaften basierend aufder Free Flow Electrophoresis (FFE) wurde implementiert. Die Probe wurde kontinuierlich in eine Pufferzone mit niedriger Leitfähigkeit eingeführt. In der Probe vorhandene säurebildende Analyten wurden an der Grenze zu einer Zone hoher Leitfähigkeit nach Anlegen eines elektrischen Felds senkrecht zum Probenfluss gestackt. Dieser auch als Field-Step Electrophoresis (FSE) bezeichnete FFE-Modus erwies sich als geeignet für die Fokussierung eines breiten Spektrums saurer Analyten mit pKS-Werten bis zu 10. In den meisten Fällen konnten in FSE-Proben gespikte Modellanalyten in nur einer, aber nie in mehr als in zwei Fraktionen wiedergefunden werden. Neutrale Matrixkomponenten und Kationen, die in Umweltwasser vorhanden sind, sowie hochmobile anorganische Anionen, die die Grenzfläche der Aufkonzentrierung passieren können, wurden erfolgreich entfernt. FSE-Medien wurden so gewählt, dass sie flüchtig sind, sodass ein Lösungsmittelaustausch und eine Anreicherung durch Evaporation und Aufnahme in geringerem Volumen möglich waren. Die FSE-Probenvorbereitung war kompatibel mit nachgeschaltenen Analysen durch RPLC-, HILIC- und CE-MS. Das FSE/RPLC-MS- Verfahren erwies sich als hoch reproduzierbar (RSD der Peakflächen 3-6%) und wurde erfolgreich für das Non-Target-Screening in Flusswasserproben in einer Machbarkeitsstudie eingesetzt, die sein hohes Potenzial für die Umweltwissenschaften demonstriert. Sowohl EME als auch FSE erwiesen sich als unabhängig von der Analytpolarität und können somit komplementär zu den bereits in der Umweltanalytik etablierten Probenvorbereitungstechniken eingesetzt werden, z.B. zu SPE. Zusammenfassend wurden zwei neue Probenvorbereitungsmethoden entwickelt, die mit chromatographischen und elektromigrativen Trenntechniken kompatibel sind. Zwei separate HILIC-Methoden sowie eine neue NACE-MS-Methode für die Analyse von anionischen und kationischen Analyten konnten erfolgreich eingeführt werden. Ihre Anwendungen in den Umweltwissenschaften wurden explizit für die Analyse von polaren und ionischen Mikroverunreinigungen in Umweltproben getestet und beurteilt und so ihre Eignung für die Umweltanalytik nachgewiesen.