Determination of volatile organic compounds in indoor air with GC-MS : method development

Abstract

An average western person spends most of his life indoors, therefore volatile organic compounds may play a significant role in healthiness. Certain VOCs have been classified as carcinogenic or mutagenic, and elevated TVOC concentrations have been statistically linked to adverse health effects. (Klepeis 1996, 15; Apte & Daisey 1999, 1–5.)

This thesis was commissioned by the chemistry laboratory of Tampere University of Applied Sciences. The aim of this bachelor’s thesis was to provide a GC-MS-method for reliable determination of indoor air VOCs. The objective was to develop and validate a method based on the ISO 16000-6 to identify and quantitate VOCs between hexane and hexadecane utilizing adsorbent solvent extraction.

In the method to be created, the individual VOC-components of a sample were to be identified in scan-mode and simultaneous scan/SIM-mode was to be used for quantitation. The results of the quantitation were to be expressed as toluene equivalents, for which toluene response factors were to be determined.

To practically approach the determination, a tentative method was created and evaluated. However, the intensity of the tentative method was found lacking, therefore a thorough fine-tuning of the method parameters was performed to meet the extremely high requirements comparing to an air sample.

A method was successfully created. With the finalized method, toluene response factors and a linear range of operations required were determined. The finalized method reached a detection limit of 3 μg/ml in scan mode and 1 ηg/ml in SIM-mode. Validation of the method was not performed due to encountering a recurring contamination and limited time resources.

The aim and objective could be considered partially met. With the finalized method, the quantitation limits comparable of a generic air sample were met in SIM-mode. However, the capability of the method in scan-mode was found insufficient for practical identification. The optimization of the parameters enhanced greatly the chromatographic separation, and the quality and the intensity of the peaks. The obtained results can be considered significant and may provide significant insights leading to enhanced results and more efficient determinations of VOCs in the future.

Keskivertoihminen viettää suurimman osan elinajastaan sisätiloissa. (Klepeis 1996, 15) Haihtuvat orgaaniset kemikaalit on todettu yhdeksi merkittävistä tekijöistä sisäilman laadun suhteen, ja tutkimuksissa ollaan yhdistetty tietyt VOC-yhdisteet terveydelle haitallisiksi. (Apte & Daisey 1999, 1–5.)

Opinnäytetyön toimeksiantaja oli TAMKn kemian laboratorio. Opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää laboratoriolle menetelmä VOC-yhdisteiden määrittämiseksi GC-MS-tekniikalla. Tarkoituksena oli kehittää sekä validoida menetelmä standardin ISO 16000–6 pohjalta, jolla kyettäisiin tunnistamaan ja kvantitoimaan VOC-yhdisteet heksaanin ja heksadekaanin väliltä liuotinuuttomenetelmällä.

Kehitettävässä menetelmässä yksittäiset komponentit oli tarkoitus tunnistaa scan-moodissa, ja kvantitointi oli tarkoitus suorittaa yhtäaikaisessa scan- / SIM-moodissa. Kvantitointia varten yksittäisille komponenteille muodostettiin tolueenivasteet sekä muodostettiin tolueenin avulla lineaarisuusalue.

Tarkoituksen saavuttamiseksi luotiin alustava menetelmä, jonka perusteella arvioitiin määrityksen toteutettavuutta. Alustavan menetelmän suorituskyky todettiin riittämättömäksi ilmanäytettä vastaaville analyyttimäärille, joten suoritettiin laaja parametrien optimointi kaasukromatografille sekä massaspektrometrille. Menetelmälle ei suoritettu riittävää validointia prosessin loppuvaiheessa tapahtuneen kontaminaation sekä ajan puutteen johdosta.

Viimeistellyllä menetelmällä määritettiin tolueenivasteet sekä määrityksen lineaarisuusalue ilmanäytettä vastaaville pitoisuuksille. Saavutetut toteamisrajat olivat 3 μg/ml scan-moodissa ja 1 ηg/ml SIM-moodissa.

Tavoite ja tarkoitus voitiin todeta vain osittain saavutetuksi. Kehitetyllä menetelmällä ei saavutettu suorituskykyä, jolla pystyttäisiin tunnistamaan yksittäiset komponentit scan-moodissa. SIM-moodissa saavutettiin kvantitoinnille asetetut intensiteettivaatimukset. Luodulla menetelmällä saavutettiin hyviä tuloksia muun muassa kromatografisen erottumisen suhteen, tolueenivasteille ja nesteinjektion määritysrajojen suhteen. Kehitetyn menetelmän tuloksia voidaan pitää merkittävinä, ja prosessin aspekteja voidaan hyödyntää tulevaisuudessa parempien ja tarkempien tuloksien saavuttamisessa sekä VOC-yhdisteisiin liittyvien ilmiöiden tulkitsemisessa.