Innovative Sample Preparation Strategies for Emerging Pollutants in Environmental Samples

Význam tématu

Moderní environmentální analýza čelí narůstajícímu množství „emerging pollutants“ (např. mikroplasty, PFAS) s velmi nízkými koncentracemi a heterogenními matricemi (voda, vzduch, půda, sedimenty, biota). Kvalitní příprava vzorků je klíčová pro dosažení citlivých, spolehlivých a reprodukovatelných výsledků, minimalizaci přetížení analytických přístrojů a zabránění kontaminaci. Regulace a požadavky agentur (EPA, EEA) urychlují vývoj nových, šetrnějších a více robustních postupů, které zároveň snižují objem odpadů a spotřebu rozpouštědel.

Cíle a přehled studie / článku

Článek shrnuje trendy a pokrok v metodách přípravy vzorků pro environmentální analýzu v posledních pěti letech (2019–2024). Cílem je zmapovat inovativní formáty (miniaturizované a polní), nové funkční sorbenty a extrakční přístupy, hodnotit přínosy z hlediska analytické výkonnosti a udržitelnosti a naznačit směřování dalšího vývoje.

Použitá metodika a instrumentace

V přehledu jsou diskutovány a porovnány následující techniky přípravy vzorků:

• Solid-phase extraction (SPE) včetně miniaturizovaných variant (micro-SPE, MEPS, PT-SPE, spin-columns).
• Solid-phase microextraction (SPME) ve formách: vlákna, thin-film, blade, arrow, TFME; varianty headspace (HS), vacuum-, heating-, cooling- a ultrasound-assisted SPME.
• Liquid-phase microextraction (LLME, DLLME, µEME) a switchable-solvent metody.
• Matrix solid-phase dispersion (MSPD) pro pevné/semipevné vzorky.
• Needle trap devices (NTD) pro vzduchové vzorky a kombinace s robotickými sběrači.
• Nové formáty a zařízení: 3D‑printed sorbenty a „lab-in-a-bottle“ platformy, drony a robotické systém y pro sběr vzduchu a povrchových vod, magnetická levitace pro separaci mikroplastů.
• Funkční sorbenty a extrakční médiá: MIPs, MOFs, COFs, LDHs, aptamery, nanokompozity (AuNPs, MWCNTs), iontové kapaliny a deep eutectic solvents, lignin/cork deriváty a další bio‑materiály.
• Metody desorpce a analýzy: GC–MS (včetně pyrolysis-GC–MS pro mikroplasty), LC–MS/MS, UPLC/HRMS, DART‑MS, ICP‑MS, FAAS, FTIR/µ‑FTIR, Raman, termická desorpce a přenosy do přenosných nebo polních přístrojů (portable GC‑MS, portable MS).
• Nástroje pro hodnocení udržitelnosti: metriky „green analytical chemistry“ a AGREE pro kvantifikaci ekologického dopadu metod.

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní zjištění a pozorované trendy článku lze shrnout takto:

• Miniaturizace a in situ vzorkování: SPME/TMFE a 3D‑tištěné sorbenty umožňují vzorkování přímo v terénu (drony, potápěčské sondy, „lab-on-a-drone“, submarine SPME), čímž se snižuje manipulace se vzorky, riziko degradace a logistické náklady.
• Robotika a polní automatizace: kombinace NTD nebo SPME s roboty či čtyřnohými platformami umožnila rychlé a bezpečné odběry toxických VOC; robot‑MS systémy dosahují rychlých měření s nízkými LOD a dobrou přesností.
• Vyspělé sorbenty zvyšují selektivitu a kapacitu: MOFs, COFs, MIPs a modifikované nanostruktury (např. ZIF‑8/AuNP) poskytují lepší retenci cílových sloučenin (vč. PFAS a PAHs) a lepší odstraňování matrixových interferencí.
• Analytika PFAS: SPE a WAX/HLB‑WAX sorbenty zůstávají standardem; iontově-vázané sorbenty a SPME s aniontovým charakterem umožňují prekoncentrovat i krátké řetězce PFAS s LOQ na úrovních vhodných pro současné regulace.
• Mikroplasty: kombinace nemateriálových přístupů (flotace, magnetická extrakce, magnetická levitace) s analytickými technikami (µ‑FTIR, pyrolysis‑GC‑MS) umožňuje frakcionaci podle hustoty a velikosti a zároveň extrakci adsorbovaných organických kontaminantů.
• Zrychlení a snížení spotřeby rozpouštědel: vortex‑MSPD, lab‑in‑a‑bottle a jiné miniaturizované přístupy snížily objemy rozpouštědel i materiálový odpad, přičemž udržely či zlepšily analytické parametry (recoveries, LOD/LOQ, linearitu).
• Výzvy: standardizace metod (zejména pro nové formáty), kontrola kontaminace PFAS v laboratorním prostředí, saturace sorbentů v NTD/SPME a provozní omezení dronů/robotů (počasí, neprůhledné matice).

Přínosy a praktické využití metody

Praktické přínosy inovací uvedených v článku:

• Možnost provádět spolehlivé odběry v terénu a v nepřístupných lokalitách (hlubokomořské průzkumy, nebezpečné průmyslové areály, rozlehlé vodní plochy).
• Snížení ekologické a finanční zátěže díky menší spotřebě rozpouštědel a menším objemům vzorků.
• Vyšší selektivita a citlivost pro analyty s nízkými koncentracemi (ultratrace PFAS, transformované produkty raketového paliva, trace organické kontaminanty).
• Urychlení screeningových postupů (přímé napojení SPME na MS, TFME + přenosné GC‑MS), vhodné pro krizové scénáře a rychlou inspekci.
• Lepší mapování prostorových a časových profilů znečištění díky mobilním a automatizovaným platformám.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry dalšího rozvoje a aplikací:

• Další integrace miniaturizovaných extrakčních zařízení s přenosnými detektory (portable GC‑MS, compact LC‑MS, přenosné HRMS) a on‑site datovou telemetrií.
• Automatizace a robotizace odběrů v nepřístupných a nebezpečných lokalitách, včetně využití čtyřnohých robotů a autonomních dronů se standardizovanými moduly.
• Širší nasazení pokročilých materiálů (COF/MOF s funkcionalizací, molekulární imprinting, aptamery) pro selektivní zachytávání cílových látek v složitých matricích.
• Rozvoj metod pro nekonečné (non‑targeted) a suspect screening kombinovaných s robustními vzorkovacími protokoly a datovou analýzou expozomu.
• Zaměření na udržitelnost: zelené extrakční média (DES), recyklovatelné sorbenty, hodnocení metod metrikami jako AGREE a širší využití open‑source hardwaru (3D‑tisk) pro cenově dostupné řešení.
• Standardizace a validace nových přístupů pro regulaci a mezi‑laboratorní porovnávání (pro zvýšení důvěryhodnosti dat pro rozhodování veřejných orgánů).

Závěr

V posledních pěti letech došlo k výraznému posunu směrem k miniaturizaci, polnímu vzorkování a použití pokročilých funkčních materiálů v přípravě environmentálních vzorků. Kombinace inovativních sorbentů, zařízení (drony, robotika, 3D‑printing) a moderních analytických technik umožňuje zvýšení citlivosti, selektivity a udržitelnosti metod. Nicméně je třeba další standardizace, ověření v reálných podmínkách a širší zaměření na snižování ekologické stopy analytických postupů.

Reference

1. Bunkoed O, Orachorn N, Jullakan S, Nurerk P. 2024. Composite solid phase adsorbents: carbon-based and framework-based materials for micro-extraction of trace organic compounds. Trends Anal. Chem. 177:117808.
2. Saleh TA. 2020. Trends in the sample preparation and analysis of nanomaterials as environmental contaminants. Trends Environ. Anal. Chem. 28:e00101.
3. Martínez-Pérez-Cejuela H, Gionfriddo E. 2024. Evolution of green sample preparation: fostering a sustainable tomorrow in analytical sciences. Anal. Chem. 96:7840–63.
4. Jiménez-Skrzypek G, Hernández-Sánchez C, Ortega-Zamora C, González-Sálamo J, González-Curbelo MÁ, Hernández-Borges J. 2021. Microplastic-adsorbed organic contaminants: analytical methods and occurrence. Trends Anal. Chem. 136:116186.
5. Jiménez-Skrzypek G, Lusiardi R, González-Sálamo J, Vega-Moreno D, Hernández-Borges J. 2024. Insights into emerging organic pollutants extraction from polypropylene, polystyrene, and polyethylene microplastics. Anal. Chim. Acta 1287:342071.
6. Rehman AU, Crimi M, Andreescu S. 2023. Current and emerging analytical techniques for the determination of PFAS in environmental samples. Trends Environ. Anal. Chem. 37:e00198.
7. Manz KE, Feerick A, Braun JM, Feng Y-L, Hall A, et al. 2023. Non-targeted analysis (NTA) and suspect screening analysis (SSA): a review of examining the chemical exposome. J. Exposure Sci. Environ. Epidemiol. 33:524–36.
8. Tufail A, Price WE, Hai FI. 2020. A critical review on advanced oxidation processes for the removal of trace organic contaminants: a voyage from individual to integrated processes. Chemosphere 260:127460.
9. Mazivila SJ, Ricardo IA, Leitão JMM, Esteves da Silva JCG. 2019. A review on advanced oxidation processes: From classical to new perspectives coupled to two- and multi-way calibration strategies to monitor degradation of contaminants in environmental samples. Trends Environ. Anal. Chem. 24:e00072.
10. Aryal N, Wood J, Rijal I, Deng D, Jha MK, Ofori-Boadu A. 2020. Fate of environmental pollutants: a review. Water Environ. Res. 92:1587–94.
11. Llompart M, Celeiro M, García-Jares C, Dagnac T. 2019. Environmental applications of solid-phase microextraction. Trends Anal. Chem. 112:1–12.
12. Backe WJ, Field JA. 2012. Is SPE necessary for environmental analysis? A quantitative comparison of matrix effects from large-volume injection and solid-phase extraction based methods. Environ. Sci. Technol. 46(12):6750–58.
13. Esrafili A, Ghambarian M, Tajik M, Baharfar M. 2019. Spin-column micro-solid phase extraction of chlorophenols using MFU-4l metal-organic framework. Microchim. Acta 187(1):39.
14. Jing T, Zhou Y, Wu W, Liu M, Zhou Y, Mei S. 2014. Molecularly imprinted spin column extraction coupled with high-performance liquid chromatography for the selective and simple determination of trace nitrophenols in water samples. J. Sep. Sci. 37:2940–46.
15. Alidoust M, Yamini Y, Baharfar M. 2022. Microfluidic paper-based analytical devices and electromembrane extraction; Hyphenation of fields towards effective analytical platforms. Anal. Chim. Acta 1216:339987.
16. Catalá-Icardo M, Gómez-Benito C, Martínez-Pérez-Cejuela H, Simó-Alfonso EF, Herrero-Martínez JM. 2024. Green synthesis of MIL53(Al)-modified paper-based analytical device for efficient extraction of neonicotinoid insecticides from environmental water samples. Anal. Chim. Acta 1316:342841.
17. Carasek E, Morés L, Huelsmann RD. 2022. Disposable pipette extraction: a critical review of concepts, applications, and directions. Anal. Chim. Acta 1192:339383.
18. Moein MM, Abdel-Rehim A, Abdel-Rehim M. 2015. Microextraction by packed sorbent (MEPS). Trends Anal. Chem. 67:34–44.
19. Souza-Silva ÉA, Jiang R, Rodríguez-Lafuente A, Gionfriddo E, Pawliszyn J. 2015. A critical review of the state of the art of solid-phase microextraction of complex matrices I. Environmental analysis. Trends Anal. Chem. 71:224–35.
20. Olcer YA, Tascon M, Eroglu AE, Boyacı E. 2019. Thin film microextraction: towards faster and more sensitive microextraction. Trends Anal. Chem. 113:93–101.
21. Hansen FA, Pedersen-Bjergaard S. 2020. Emerging extraction strategies in analytical chemistry. Anal. Chem. 92:2–15.
22. Martínez-Pérez-Cejuela H, Carrasco-Correa EJ, Moga A, Vergara-Barberán M, Beneito-Cambra M, et al. 2022. Reticular framework materials in miniaturized and emerging formats in analytical chemistry. J. Chromatogr. A 1673:463092.
23. Hsieh SA, Shamsaei D, Ocaña-Rios I, Anderson JL. 2023. Batch scale production of 3D printed extraction sorbents using a low-cost modification to a desktop printer. Anal. Chem. 95(36):13417–22.
24. Kokosa JM. 2019. Selecting an extraction solvent for a greener liquid phase microextraction (LPME) mode-based analytical method. Trends Anal. Chem. 118:238–47.

Poznámka: Kompletní seznam odkazů (1–123) je uveden v původním článku Annual Review of Analytical Chemistry 2025, Martínez-Pérez-Cejuela & Gionfriddo; výše je vybraná reprezentativní část literatury citované v přehledu.