Characterization of water-soluble organic compounds in bioaerosols by liquid chromatography and fluorescence spectroscopy

Abstract

In the last decades, the effects of the air pollution have been increasing, especially in the case of the human health diseases. In order to overcome this problem, scientists have been studying the components of the air. As a part of water-soluble organic compounds, amino acids are present in the atmospheric environment as components of diverse living organisms which can be responsible for spreading diseases through the air. Liquid chromatography is one technique capable of distinguish the different amino acids from each other. In this work, aiming at separating the amino acids found in the aerosols samples collected in Aveiro, the ability of four columns (Mixed-Mode WAX-1, Mixed-Mode HILIC-1, Luna HILIC and Luna C18) to separate four amino acids (aspartic acid, lysine, glycine and tryptophan) and the way the interaction of the stationary phases of the columns with the analytes is influenced by organic solvent concentration and presence/concentration of the buffer, are being assessed. In the Mixed-Mode WAX-1 column, the chromatograms of the distinct amino acids revealed the separation was not efficient, since the retention times were very similar. In the case of lysine, in the elution with 80% (V/V) MeOH, the peaks appeared during the volume void. In the Mixed-Mode HILIC-1 column, the variation of the organic solvent concentration did not affect the elution of the four studied amino acids. Considering the Luna HILIC column, the retention times of the amino acids were too close to each other to ensure a separation among each other. Lastly, the Luna C18 column revealed to be useful to separate amino acids in a gradient mode, being the variation of the mobile phase composition in the organic solvent concentration (ACN). Luna C18 was the column used to separate the amino acids in the real samples and the mobile phase had acidified water and ACN. The gradient consisted in the following program: 0 – 2 min: 5% (V/V) ACN, 2 – 8 min: 5 – 2 % (V/V) ACN, 8 – 16 min: 2% (V/V) ACN, 16 – 20 min: 2 – 20 % (V/V) ACN, 20 – 35 min: 20 – 35 % (V/V) ACN. The aerosols samples were collected by using three passive samplers placed in two different locations in Aveiro and each sampler had two filters - one faced up and the other faced down. After the sampling, the water-soluble organic compounds was extracted by dissolution in ultra-pure water, sonication bath and filtration. The resulting filtered solutions were diluted in acidified water for the chromatographic separation. The results from liquid chromatography revealed the presence of the amino acids, although it was not possible to identify each one of them individually. The chromatograms and the fluorescence spectra showed the existence of some patterns: the samples that correspond to the up filters had more intense peaks and signals, revealing that the up filters collected more organic matter.

Nas últimas décadas, os efeitos da poluição atmosférica têm aumentado, essencialmente no caso das doenças nos seres humanos. De modo a ultrapassar este problema, a comunidade científica tem-se dedicado ao estudo dos componentes atmosféricos. Enquanto parte dos compostos orgânicos solúveis em água, os aminoácidos estão presentes na atmosfera como componentes dos organismos vivos, seres responsáveis por dispersarem doenças através do ar. A cromatografia líquida consiste numa das técnicas capazes de separar os diferentes aminoácidos entre si. Neste trabalho, com o intuito de separar os aminoácidos presentes em amostras de aerossóis recolhidas em Aveiro, foi avaliada a capacidade de separação de quatro colunas cromatográficas (Mixed-Mode WAX-1, Mixed-Mode HILIC-1, Luna HILIC e Luna C18) para quatro aminoácidos diferentes (ácido aspártico, lisina, glicina e triptofano) e a forma como a interação da fase estacionária destas colunas com os analitos é influenciada pela percentagem de solvente orgânico e pela presença/concentração do tampão. Na coluna Mixed-Mode WAX-1, os cromatogramas dos diferentes aminoácidos revelaram que a separação não era eficiente, sendo os tempos de retenção bastante similares. No caso da lisina, na eluição a 80% (V/V) MeOH, os picos apareceram durante o volume morto. No caso da coluna Mixed-Mode HILIC-1, a variação da concentração do solvente orgânico não influenciou a eluição dos quatro aminoácidos em estudo. Considerando a coluna Luna HILIC, os tempos de retenção dos vários aminoácidos eram demasiados próximos para garantir uma separação entre os mesmos. Por fim, a coluna Luna C18 mostrou-se útil na separação de aminoácidos no modo gradiente, no qual a variação da constituição da fase móvel ocorreu em termos de volume do solvente orgânico (ACN), tendo sido esta a coluna utilizada para a separação das amostras reais. A fase móvel era constituída por água acidificada e ACN, e o gradiente consistia no seguinte programa: 0 – 2 min: 5% (V/V) ACN, 2 – 8 min: 5 – 2 % (V/V) ACN, 8 – 16 min: 2% (V/V) ACN, 16 – 20 min: 2 – 20 % (V/V) ACN, 20 – 35 min: 20 – 35 % (V/V) ACN. As amostras de aerossóis foram obtidas com recurso a três amostradores passivos colocados em dois locais distintos de Aveiro, cada amostrador contendo dois filtros - um virado para cima e outro para baixo. Após a amostragem, a matéria orgânica solúvel em água foi extraída com recurso a dissolução em água ultra-pura, banho de ultrassons e filtração. Os filtrados recolhidos foram diluídos em água acidificada para a separação cromatográfica. Os resultados da cromatografia líquida evidenciaram a presença de aminoácidos, não tendo sido possível efetuar a sua identificação individual. Os cromatogramas e os espetros de fluorescência indicaram a existência de padrões: as amostras correspondentes aos filtros de cima possuíam sinais mais intensos, indicando que os filtros de cima recolheram maior quantidade de matéria orgânica.