ICP-MS/MS for comprehensive sample matrix validation of biobased materials and method validation and verification in fuel and fuel feedstock analysis
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
112 + 34
Series
Abstract
Validation and development of laboratory procedures and instruments are crucial for ensuring accuracy and efficiency of the methods used. Any advancements or changes presented to procedures intended for research often require this. Chemical analysis, particularly elemental analysis, is a critical area of science where validation procedures often take place. ICP-MS/MS is a valuable tool used for elemental analysis of investigated samples which provides rapid analysis and low detection limits for several elements simultaneously. This thesis focuses on method development of ICP-MS/MS which encompasses sample matrix validation of algae, lignocellulosic biomass and wood. Sample matrix validation is done in order to inspect the samples for further development of renewable fuels and other materials. Additionally, a new ICP-MS/MS is validated by determining its limit of quantification (LOQ) values. Verification of this instrument is also done by comparing results to a non-tandem ICP-MS. Test samples (dissolved in either xylene or Premisolv) varying from fossil and renewable fuels as well as fuel feedstocks are used to assess the compatibility of the new device with the method used for the non-tandem ICP-MS. Findings for this thesis include that algae and lignocellulosic biomass samples can very well be managed with ICP-MS/MS. However, due to the varying nature of the samples within a certain sample type (algae washing water versus algae paste for example) results can be quite different regarding repeatabilities and recoveries obtained. Additionally, the origin of the sample as well as possible pretreatments contribute to the results as well. The more homogeneous a sample was, the more coherent results for different sample repeats in regards to concentrations and repeatabilities were. All in all algae washing waters, algae oils and lignocellulosic biomass were the most promising sample types for this method. Wood samples produced the most variabilities in results, resulting in higher repeatability values as well as poorer recoveries. In regards to the validation of the new ICP-MS/MS, slightly increased LOQ-values were obtained for certain elements in comparison to non-tandem ICP-MS, especially when Premisolv was used as a solvent. All tested samples seemed to be somewhat compatible with the instrument and promising repeatabilities were obtained for the spiked samples. However, Premisolv seemed to yield recoveries too low and also affect the results of sodium and phosphorus. Sodium, boron and phosphorus were in general difficult to investigate and obtain entirely reliable results for. It was conducted that other factors affecting results include the material of the torch used in the instrument, the frequency of cleaning the instrument parts, and the replacement frequency of the peristaltic pump used. Samples dissolved in both solvents showcased some variation for certain elements between different sample repeats of the same sample and measurement mode.Laboratoriomenetelmien ja -instrumenttien validointi ja kehittäminen on tärkeää käytettävien menetelmien tarkkuuden ja tehokkuuden varmistamiseksi. Tutkimuksellisiin menetelmiin tehdyt muutokset vaativat usein juurikin validointia. Kemiallinen analyysi, erityisesti alkuaineanalyysi, on tärkeä tieteenala, jolla validointimenettelyt usein tapahtuvat. ICP-MS/MS on alkuaineanalyysissa käytettävä spektroskopinen menetelmä, joka tarjoaa nopean analyysin ja alhaiset määritysrajat useille alkuaineille samanaikaisesti. Tämä diplomityö keskittyy ICP-MS/MS menetelmän kehitykseen, joka sisältää näytematriisivalidoinnin leville, lignoselluloosabiomassalle sekä puupohjaisille näytteille. Näytematriisivalidointi tehtiin uusiutuvien polttoaineiden ja muiden materiaalien kehittelyä varten. Lisäksi uusi ICP-MS/MS laite validoitiin selvittämällä sen määritysrajat (LOQ). Verifiointi suoritettiin vertaamalla tuloksia jo validoituun ICP-MS:ään. Fossiilisista ja uusiutuvista polttoaineista, sekä polttoaineiden raaka-aineista muodostuvat testinäytteet (liuotettu joko ksyleeniin tai Premisolviin) käytettiin arvioitaessa uuden laitteen yhteensopivuutta jo validoidun ICP-MS:ssä käytetyn menetelmän kanssa. Havainnot perusteella voitiin todeta, että levänäytteet ja lignoselluloosabiomassanäytteet ovat pääsääntöisesti sovellettavissa ICP-MS/MS:ään. Kuitenkin näytetyyppien sisäisistä eroista johtuen (esimerkiksi levien pesuvesi vs. levämassa) tulokset voivat olla hyvinkin erilaisia toistettavuuksien ja saantojen suhteen. Lisäksi näytteen alkuperä ja mahdolliset esikäsittelyt vaikuttavat tuloksiin. Mitä homogeenisempi näyte oli, sitä johdonmukaisemmat tulokset eri näytetoistoille olivat pitoisuuksien ja toistettavuuksien suhteen. Kaiken kaikkiaan levien pesuvedet, leväöljyt ja lignoselluloosabiomassa olivat lupaavimpia näytetyyppejä tälle menetelmälle. Puupohjaiset näytteet osoittivat enemmän variaatiota mitatuissa tuloksissa ja siten suurempia toistettavuuksia ja alhaisempia saantoja useammalle tutkitulle alkuaineelle. Mitä tulee uuden ICP-MS/MS:n validointiin osalle tutkituista alkuaineista saatiin hieman korkeammat määritysrajat jo validoituun ICP-MS:ään verrattuna, etenkin kun Premisolvia käytettiin liuottimena. Kaikki testatut näytteet olivat jokseenkin yhteensopivia menetelmän ja laitteen kanssa. Lupaavia toistettavuuksia saatiin spaikatuille näytteille. Premisolv näytti kuitenkin tuottavan hieman liian alhaisia saantoja testatuilla näytteissä ja vaikuttavan myös natriumin ja fosforin tuloksiin. Natriumin, boorin ja fosforin kohdalla oli yleisesti ottaen vaikea saada täysin luotettavia tuloksia. Tutkimuksen aikana huomattiin myös, että muita tuloksiin vaikuttavia tekijöitä ovat laitteessa käytetyn soihdun materiaali, instrumentin osien puhdistusvälit sekä käytetyn peristalttisen pumpun vaihtoväli. Kumpaankin liuottimeen valmistetut näytteet näyttivät saavan hieman eriäviä tuloksia eri toistoille, vaikka itse näyte ja mittausmoodi olivatkin samat.Description
Supervisor
Kontturi, EeroThesis advisor
Sirviö, SonjaKeywords
ICP-MS, ICP-MS/MS, multielemental analysis, mass spectrometry, fuels, biofuels