Hygiene and SanitationHygiene and SanitationГигиена и санитария0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman63899710.47470/0016-9900-2022-101-9-1103-1110METHODS OF HYGIENIC AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONSМЕТОДЫ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙMethodological features of chromato-mass spectrometric identification of organic compounds in the air during landscape firesМетодические особенности хромато-масс-спектрометрической идентификации органических соединений в воздушной среде при ландшафтных пожарахhttps://orcid.org/0000-0003-4980-5304AlekseenkoAnton N.АлексеенкоАнтон Николаевич
Russian Federation

MD, PhD, senior researcher, Laboratory of analytical ecotoxicology and biomonitoring of the East-Siberian Institution of Medical and Ecological Research, Angarsk, 665827, Russian Federation.

e-mail: alexeenko85@mail.ru

Канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. аналитической экотоксикологии и биомониторинга, ФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований», 665827, Ангарск.

e-mail: alexeenko85@mail.ru

alexeenko85@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9961-6408ZhurbaOlga M.ЖурбаО. М.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0002-8165-8052VokinaVera A.ВокинаВ. А.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0001-7848-6432MerinovAlexey V.МериновА. В.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0001-8740-3133ShayakhmetovSalim F.ШаяхметовС. Ф.
Russian Federation
East-Siberian Institute of Medical and Ecological ResearchФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»0810202210191103111025102024Copyright ©; 2024, Alekseenko A.N., Zhurba O.M., Vokina V.A., Merinov A.V., Shayakhmetov S.F.Copyright ©; 2024, Алексеенко А.Н., Журба О.М., Вокина В.А., Меринов А.В., Шаяхметов С.Ф.2024Alekseenko A.N., Zhurba O.M., Vokina V.A., Merinov A.V., Shayakhmetov S.F.Алексеенко А.Н., Журба О.М., Вокина В.А., Меринов А.В., Шаяхметов С.Ф.https://journals.eco-vector.com/0016-9900/article/view/638997

Introduction. In landscape fires, the question of the nature and character of the formed organic substances remains unexplored. The method of gas chromatography with mass spectrometric detection (GC-MS) has long been used in environmental analysis to identify organic compounds in complex multicomponent mixtures. Depending on the volatility and polarity of the components of organic compounds, air sampling is carried out on a solid sorbent, liquid absorber, fiber filter.

The purpose of this study is to develop a comprehensive procedure for the identification of organic compounds by gas chromatography-mass spectrometry with sampling into different absorption media.

Materials and methods. The studies were carried out in laboratory conditions specially created in the smoldering plant, seed chamber, chemical-analytical equipment. Biomass consisting of forest litter was used as a fuel substrate: moss, lichen, tree litter, branches, pieces of bark. An Agilent 5975 gas chromatography-mass spectrometer was used for GC-MS identification. An aspirator, a gas pipette, a Richter absorber with distilled water, and an AFA-HP-20 fiber filter were used to select the air medium. Sample preparation of concentrated air was carried out using microfibre “85 microns Carboxen/PDMS”, thermostat, vials for vapor phase analysis, ultrasonic bath, derivatizing reagent — o-pentafluorobenzylhydroxylamine, hexane.

Results. A proposed complex procedure includes sampling into different absorption media, various sample preparation options. Extraction of organic compounds from absorption media was carried out by methods of solid-phase microextraction, derivatization, and liquid extraction. Volatile organic compounds were extracted from a gas bulb by the method of solid-phase microextraction on microfibre“85 microns Carboxen/PDMS”. Aldehydes and ketones were found in distilled water due to the derivatization of o-pentafluorobenzylhydroxylamine. Semi-volatile compounds were detected on the AFA-HP-20 filter due to liquid extraction in ultrasound.

Limitations. The limitations of the study are related to the need to select the products of decay of a sample of forest litter under model conditions.

Conclusion. The identification results showed that the following classes of substances released into the air during the burning of forest litter are present in the maximum amount: aldehydes, phenols, terpenes. The coefficient of coincidence of mass spectra also confirmed by the coincidence of experimental and library retention indices also confirmed by the coincidence of experimental and library retention indices is more than 90%.

Compliance with ethical standards. The study does not require the submission of the conclusion of the Biomedical Ethics Committee or other documents.

Contribution: Alekseenko A.N. — concept and design of research, material collection and data processing, mathematical processing, text writing; Zhurba O.M. — material collection and data processing; Vokina V.A. — material collection and data processing; Merinov A.V. — mathematical processing; Shayakhmetov S.F. — text writing. All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version. 

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. 

Acknowledgement. The study had no sponsorship. 

Received: May 30, 2022 / Accepted: August 04, 2022 / Published: September 30, 2022 

Введение. Природа и характер органических веществ, образующихся при ландшафтных пожарах, до настоящего времени остаются малоизученными. Метод газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС) уже давно используется в экологическом анализе для идентификации органических соединений в сложных многокомпонентных смесях. В зависимости от летучести и полярности компонентов органических соединений отбор воздуха производят на твёрдый сорбент, жидкий поглотитель, волокнистый фильтр.

Цель исследования — разработать комплексную процедуру идентификации органических соединений методом газовой хромато-масс-спектрометрии с отбором в разные поглотительные среды.

Материалы и методы. Исследования проводили с использованием химико-аналитического оборудования в лабораторных условиях, созданных специально в установке тления, затравочной камере. В качестве горючего субстрата использовали биомассу, состоящую из лесной подстилки: мха, лишайника, древесного опада, веток, кусков коры. Для ГХ-МС-идентификации применяли газовый хромато-масс-спектрометр Agilent 5975. Для отбора проб воздушной среды использовали аспиратор, газовую пипетку, поглотитель Рихтера с дистиллированной водой, волокнистый фильтр АФА-ХП-20. Пробоподготовку концентрированной пробы воздуха осуществляли с помощью микроволокна Carboxen/PDMS 85 мкм, термостата, флаконов для парофазного анализа, ультразвуковой ванны, дериватизирующего реагента — о-пентафторбензилгидроксиламина, гексана.

Результаты. Предложена комплексная процедура, включающая в себя отбор в разные поглотительные среды, различные варианты пробоподготовки. Извлечение органических соединений из поглотительных сред осуществляли методами твердофазной микроэкстракции, дериватизации, жидкостной экстракции. Из газовой пипетки извлекали летучие органические соединения методом твердофазной микроэкстракции на микроволокно Carboxen/PDMS 85 мкм. В дистиллированной воде за счёт дериватизации ο-пентафторбензилгидроксиламином были выявлены альдегиды и кетоны, на фильтре АФА-ХП-20 благодаря жидкостной экстракции в ультразвуке удалось обнаружить полулетучие соединения.

Ограничения исследования. Ограничения исследования связаны с необходимостью проведения отбора продуктов горения образца лесной подстилки в модельных условиях.

Заключение. Результаты идентификации показали, что в максимальном количестве присутствуют вещества следующих классов, выделяющиеся в воздушную среду при горении лесной подстилки: альдегиды, фенолы, терпены. Коэффициент совпадения масс-спектров составляет более 90%, что также подтверждается совпадением экспериментальных и библиотечных индексов удерживания.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует представления заключения комитета по биомедицинской этике или иных документов.

Участие авторов: Алексеенко А.Н. — концепция и дизайн исследования, сбор материала и обработка данных, математическая обработка, написание текста; Журба О.М. — сбор материала и обработка данных; Вокина В.А. — сбор материала и обработка данных; Меринов А.В. — математическая обработка; Шаяхметов С.Ф. — написание текста. Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 30.05.2022 / Принята к печати: 04.08.2022 / Опубликована: 30.09.2022

chromato-mass spectrometric identificationair sampleabsorption mediavolatile and semi-volatile organic compoundslandscape firesхромато-масс-спектрометрическая идентификациявоздушный образецпоглотительные средылетучие и полулетучие органические соединенияландшафтные пожарыDimopoulou M., Giannikos I. Towards an integrated framework for forest fire control. Eur. J. Oper. Res. 2004; 152(2): 476–86. https://doi.org/10.1016/s0377-2217(03)00038-9Dimopoulou M., Giannikos I. Towards an integrated framework for forest fire control. Eur. J. Oper. Res. 2004; 152(2): 476-86. https://doi.org/10.1016/s0377-2217(03)00038-9Larson T.V., Koenig J.Q. Wood smoke: Emissions and noncancer respiratory effects. Annu. Rev. Public Health 1994; 15(1): 133–56. https://doi.org/10.1146/annurev.pu.15.050194.001025Larson T.V., Koenig J.Q. Wood smoke: Emissions and noncancer respiratory effects. Annu. Rev. Public Health 1994; 15(1): 133-56. https://doi.org/10.1146/annurev.pu.15.050194.001025Nolte C.G., Schauer J.J., Cass G.R., Simoneit B.R.T. Highly polar organic compounds present in wood smoke in the ambient environment. Environ. Sci. Technol. 2001; 35(10): 1912–9. https://doi.org/10.1021/es001420rNolte C.G., Schauer J.J., Cass G.R., Simoneit B.R.T. Highly polar organic compounds present in wood smoke in the ambient environment. Environ. Sci. Technol. 2001; 35(10): 1912-9. https://doi.org/10.1021/es001420rJohnston F.H., Henderson S.B., Chen Y., Randerson J.T., Marlier M., DeFries R.S., et al. Estimated global mortality attributable to smoke from landscape fires. Environ. Health Perspect. 2012; 120: 695–701. https://doi.org/10.1289/ehp.1104422Johnston F.H., Henderson S.B., Chen Y., Randerson J.T., Marlier M., DeFries R.S., et al. Estimated global mortality attributable to smoke from landscape fires. Environ. Health Perspect. 2012; 120: 695-701. https://doi.org/10.1289/ehp.1104422Reid C.E., Brauer M., Johnston F.H., Jerrett M., Balmes J.R., Elliott C.T. Critical review of health impacts of wildfire smoke exposure. Environ. Health Perspect. 2016; 124(9): 1334–43. https://doi.org/10.1289/ehp.1409277Reid C.E., Brauer M., Johnston F.H., Jerrett M., Balmes J.R., Elliott C.T. Critical review of health impacts of wildfire smoke exposure. Environ. Health Perspect. 2016; 124(9): 1334-43. https://doi.org/10.1289/ehp.1409277Drugov Yu.S., Rodin A.A., Zenkevich I.G. Gas Chromatographic Identification of Air, Water, Soil and Biological Pollution [Gazokhromatograficheskaya identifikatsiya zagryazneniy vozdukha, vody, pochvy i biosred]. Moscow: Binom. Laboratoriya znaniy; 2018. (in Russian)Другов Ю.С., Родин А.А., Зенкевич И.Г. Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды, почвы и биосред. М.: Бином. Лаборатория знаний; 2018.Drugov Yu.S., Konopel’ko L.A., Popov O.G. Air Pollution Control of Residential Premises, Offices, Administrative and Public Buildings [Kontrol’ zagryazneniy vozdukha zhilykh pomeshcheniy, ofisov, administrativnykh i obshchestvennykh zdaniy]. St. Petersburg: Nauka; 2013. (in Russian)Другов Ю.С., Конопелько Л.А., Попов О.Г. Контроль загрязнений воздуха жилых помещений, офисов, административных и общественных зданий. СПб.: Наука; 2013.Milman B.L., Zhurkovich I.K. Summarized criteria of chemical compounds identification using the chromatography-mass spectrometry. Analitika i kontrol’. 2020; 24(3): 164–73. https://doi.org/10.15826/analitika.2020.24.3.003 (in Russian)Мильман Б.Л., Журкович И.К. Обобщенные критерии идентификации химических соединений методами хроматографии - масс-спектрометрии. Аналитика и контроль. 2020; 24(3): 164-73. https://doi.org/10.15826/analitika.2020.24.3.003Zenkevich I.G. Joint interpretation of mass spectrometric and chromatographic data in the identification of organic compounds. Mass-spektrometriya. 2004; 1(1): 45–52. (in Russian)Зенкевич И.Г. Новые возможности совместной интерпретации масс-спектрометрических и хроматографических данных при идентификации органических соединений. Масс-спектрометрия. 2004; 1(1): 45-52.Zhokhov A.K., Loskutov A.Yu., Rybalchenko I.V. Methodological approaches to the calculation and prediction of retention indices in capillary gas chromatography. Zhurnal analiticheskoy khimii. 2018; 73(3): 163–80. https://doi.org/10.7868/S0044450218030015 (in Russian)Жохов А.К., Лоскутов А.Ю., Рыбальченко И.В. Методические подходы к вычислению и прогнозированию индексов удерживания в капиллярной газовой хроматографии. Журнал аналитической химии. 2018; 73(3): 163-80. https://doi.org/10.7868/S0044450218030015Drugov Yu.S., Rodin A.A. Sample Preparation in Ecological Analysis. Practical Guide [Probopodgotovka v ekologicheskom analize. Prakticheskoerukovodstvo]. Moscow: Binom. Laboratoriya znaniy; 2009. (in Russian)Другов Ю.С., Родин А.А. Пробоподготовка в экологическом анализе. Практическоеруководство. М.: Бином. Лаборатория знаний; 2009.Grote A.A., Kennedy E.R. Workplace monitoring for volatile organic compounds using thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry. J. Environ. Monit. 2002; 4(5): 679–84. https://doi.org/10.1039/b203000bGrote A.A., Kennedy E.R. Workplace monitoring for volatile organic compounds using thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry. J. Environ. Monit. 2002; 4(5): 679-84. https://doi.org/10.1039/b203000bCarrick W.A., Cooper D.B., Muir B. Retrospective identification of chemical warfare agents by high-temperature automatic thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 2001; 925(1–2): 241–9. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(01)01024-xCarrick W.A., Cooper D.B., Muir B. Retrospective identification of chemical warfare agents by high-temperature automatic thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 2001; 925(1-2): 241-9. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(01)01024-xPawliszyn J. SPME in environmental analysis. Anal. Bioanal. Chem. 2006; 386(4): 1059–73. https://doi.org/10.1007/s00216-006-0460-zPawliszyn J. SPME in environmental analysis. Anal. Bioanal. Chem. 2006; 386(4): 1059-73. https://doi.org/10.1007/s00216-006-0460-zChou C.C., Lee M.R. Determination of organotin compounds in water by headspace solid phase microextraction with gas chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 2005; 1064(1): 1–8. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2004.08.166Chou C.C., Lee M.R. Determination of organotin compounds in water by headspace solid phase microextraction with gas chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 2005; 1064(1): 1-8. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2004.08.166Yang J., Duan Y., Zhao W., Yang L., Han J., Zhu D., et al. Analysis of volatile components in e-liquid by headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry. Tobacco Sci. Technol. 2015; 48(4): 42–8. https://doi.org/10.16135/j.issn1002-0861.20150409Yang J., Duan Y., Zhao W., Yang L., Han J., Zhu D., et al. Analysis of volatile components in e-liquid by headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry. Tobacco Sci. Technol. 2015; 48(4): 42-8. https://doi.org/10.16135/j.issn1002-0861.20150409Uhde E. Application of Solid Sorbents for the Sampling of Volatile Organic Compounds in Indoor Air. In: Salthammer T. Organic Indoor Air Pollutants: Occurrence, Measurement, Evaluation. Wienheim; 1999: 1–14.Uhde E. Application of Solid Sorbents for the Sampling of Volatile Organic Compounds in Indoor Air. In: Salthammer T. Organic Indoor Air Pollutants: Occurrence, Measurement, Evaluation. Wienheim; 1999: 1-14.Schmarr H.G., Potouridis T., Gans S., Sang W., Kopp B., Bokuz U., et al. Analysis of carbonyl compounds via headspace solid-phase microectraction with on-fiber derivatization and gas chromatographic-ion trap tandem mass spectrometric determination of their O-(2,3,4,5,6-pentafluorobenzyl)oxime derivatives. Anal. Chim. Acta. 2008; 617(1–2): 119–31. https://doi.org/10.1016/j.aca.2008.02.002Schmarr H.G., Potouridis T., Gans S., Sang W., Kopp B., Bokuz U., et al. Analysis of carbonyl compounds via headspace solid-phase microectraction with on-fiber derivatization and gas chromatographic-ion trap tandem mass spectrometric determination of their O-(2,3,4,5,6-pentafluorobenzyl)oxime derivatives. Anal. Chim. Acta. 2008; 617(1-2): 119-31. https://doi.org/10.1016/j.aca.2008.02.002