Determination of arsenic and selenium compounds in water samples organotin compounds in fish samples by LC-ICP-MS

O arsênio é um dos mais tóxicos elementos químicos e reconhecidamente carcinogênico. Ele pode ser encontrado em alimentos basicamente em 5 formas: arsenobetaína (AsB), dimetil-arsênio (DMA), monometil-arsênio (MMA), arsenato (As5+) e arsenito (As3+), sendo estas duas últimas (As-i) as mais tóxicas. Assim, é de suma importância a utilização da especiação química de As para avaliação dos reais riscos associados à ingestão de alimentos contaminados. Neste sentido, o presente trabalho teve como objetivos o desenvolvimento de um método para separação das espécies de As por LC e detecção por ICP-MS; extrações quantitativas das espécies de As de tecidos animais e em grãos de arroz; aplicação dos métodos em amostras de alimentos consumidos no Brasil; e estudo do metabolismo do As em diferentes cultivares de arroz. O método desenvolvido para a extração das espécies de As em tecidos animais (ovo, músculos de ave, peixe e boi, etc.) utilizou apenas metanol (10%v/v) e ácido nítrico (2%v/v) como extratores e 2 minutos de sonicação, mostrando recuperação quantitativa do analito (>88%, n=3) pela análise dos materiais de referência (CE278, DOLT-3, DORM-3 e SRM NIST 1577). No entanto, para a análise de arroz, apenas ácido nítrico 2%v/v foi utilizado como extrator, possibilitando uma recuperação quantitativa (>94%, n=6), quando da análise do material de referência (NIST Rice Flour 1568a). Para a separação cromatográfica foram avaliadas diversas colunas, das quais a troca aniônica (Hamilton PRP-X100®) foi utilizada em todos os experimentos. A aplicação dos métodos na análise de alimentos diversos consumidos no Brasil mostrou uma grande variação nas concentrações das diferentes espécies do arsênio em músculos, ovos e, especialmente, no arroz. Devido as altas concentrações de As encontradas em amostras de arroz comercializadas no Brasil (em vários casos com predominância das espécies mais tóxicas, As3+ e As5+) e ao grande consumo deste alimento no país e no mundo, foi também realizado um estudo de metabolismo do As em 6 diferentes cultivares. O foco deste estudo foi a síntese de fitoquelatinas (PCs), compostos não peptídicos produzidos por plantas expostas a elementos tóxicos, e sua influência no fator de transferência (TF) do As solo-grãos. O TF do As, assim como a concentração das PCs, variaram em relação aos cultivares (genótipos) estudados. Além disso, as PCs mostraram ter uma forte correlação positiva entre si e com a concentração de As-i nos grãos, bem como uma correlação negativa do TF do As raízes-grãos. Portanto, os métodos desenvolvidos demonstraram fácil aplicação em rotina para avaliação toxicológica dos alimentos em relação às espécies de As e, finalmente, o estudo de metabolismo do As pela planta do arroz pode contribuir para escolha de cultivares que o absorvam menos, reduzindo sua ingestão frente ao consumo de arroz. / Arsenic is one of the most toxic chemicals and known carcinogen. It can be found in food basically in 5 different forms: arsenobetaine (AsB), dimethyl arsenic (DMA), monomethyl arsenic (MMA), arsenate (As5+) and arsenite (As3+), the latter two forms (i-As) are the most toxic. Thus, it is of extreme importance the use of chemical speciation for the evaluation of the real risks associated to arsenic intake from contaminated food. In this sense, this study aimed develop a simple method for separation of arsenic species by LC and detection by ICP-MS, quantitative extraction of arsenic species from animal tissues and rice grains, the application of the proposed method in the analysis of food samples commercialized in Brazilian markets, and the study of arsenic metabolism in different rice cultivars. The method developed for the extraction of arsenic species in animal tissues (egg, muscle of chicken, fish and cattle, etc.) used only methanol (10%v/v) and nitric acid (2%v/v) as extractant and 2 minutes of sonication, showing quantitative recovery of the analyte (>88%, n=3) when analyzing reference materials (CE278, DOLT-3, DORM-3 e SRM NIST 1577). However, for the analysis of rice grains, only nitric acid (2%v/v) was used as extractant, allowing a quantitative recovery (>94%, n=6), when analyzing the reference material (NIST Rice Flour 1568a). For the chromatographic separation several columns were evaluated and an anion exchange column (Hamilton PRP X-100) was used in all experiments. The analysis of several foods consumed in Brazil, showed a wide variation in the concentrations of different arsenic species in muscle, eggs, and especially in rice. Due to the high concentrations of arsenic found in rice samples (in several cases with predominance of more toxic species, As3+ and As5+) and the large consumption of this food in the country and abroad, it was also carried out a study on arsenic metabolism in 6 different rice cultivars. The focus of this study was the synthesis of phytochelatins (PCs), non-peptide compounds produced by plants exposed to toxic elements, and its influence on the transfer factor (TF) soil-grains. The TF of arsenic as well as the concentration of PCs varied in relation to the cultivars (genotype) studied. Furthermore, the PCs have shown a strong positive correlation between themselves and with the concentration of i-As in the grains, and a negative correlation with TF roots-grains. Therefore, the developed method demonstrated feasibility for routine use in toxicological studies of arsenic species in food samples and, finally, the study of arsenic metabolism in rice plant can contribute to the selection of cultivars that absorb less arsenic, thereby reducing the intake of this toxic element by rice consumption.

O arsênio é um dos mais tóxicos elementos químicos e reconhecidamente carcinogênico. Ele pode ser encontrado em alimentos basicamente em 5 formas: arsenobetaína (AsB), dimetil-arsênio (DMA), monometil-arsênio (MMA), arsenato (As5+) e arsenito (As3+), sendo estas duas últimas (As-i) as mais tóxicas. Assim, é de suma importância a utilização da especiação química de As para avaliação dos reais riscos associados à ingestão de alimentos contaminados. Neste sentido, o presente trabalho teve como objetivos o desenvolvimento de um método para separação das espécies de As por LC e detecção por ICP-MS; extrações quantitativas das espécies de As de tecidos animais e em grãos de arroz; aplicação dos métodos em amostras de alimentos consumidos no Brasil; e estudo do metabolismo do As em diferentes cultivares de arroz. O método desenvolvido para a extração das espécies de As em tecidos animais (ovo, músculos de ave, peixe e boi, etc.) utilizou apenas metanol (10%v/v) e ácido nítrico (2%v/v) como extratores e 2 minutos de sonicação, mostrando recuperação quantitativa do analito (>88%, n=3) pela análise dos materiais de referência (CE278, DOLT-3, DORM-3 e SRM NIST 1577). No entanto, para a análise de arroz, apenas ácido nítrico 2%v/v foi utilizado como extrator, possibilitando uma recuperação quantitativa (>94%, n=6), quando da análise do material de referência (NIST Rice Flour 1568a). Para a separação cromatográfica foram avaliadas diversas colunas, das quais a troca aniônica (Hamilton PRP-X100®) foi utilizada em todos os experimentos. A aplicação dos métodos na análise de alimentos diversos consumidos no Brasil mostrou uma grande variação nas concentrações das diferentes espécies do arsênio em músculos, ovos e, especialmente, no arroz. Devido as altas concentrações de As encontradas em amostras de arroz comercializadas no Brasil (em vários casos com predominância das espécies mais tóxicas, As3+ e As5+) e ao grande consumo deste alimento no país e no mundo, foi também realizado um estudo de metabolismo do As em 6 diferentes cultivares. O foco deste estudo foi a síntese de fitoquelatinas (PCs), compostos não peptídicos produzidos por plantas expostas a elementos tóxicos, e sua influência no fator de transferência (TF) do As solo-grãos. O TF do As, assim como a concentração das PCs, variaram em relação aos cultivares (genótipos) estudados. Além disso, as PCs mostraram ter uma forte correlação positiva entre si e com a concentração de As-i nos grãos, bem como uma correlação negativa do TF do As raízes-grãos. Portanto, os métodos desenvolvidos demonstraram fácil aplicação em rotina para avaliação toxicológica dos alimentos em relação às espécies de As e, finalmente, o estudo de metabolismo do As pela planta do arroz pode contribuir para escolha de cultivares que o absorvam menos, reduzindo sua ingestão frente ao consumo de arroz. / Arsenic is one of the most toxic chemicals and known carcinogen. It can be found in food basically in 5 different forms: arsenobetaine (AsB), dimethyl arsenic (DMA), monomethyl arsenic (MMA), arsenate (As5+) and arsenite (As3+), the latter two forms (i-As) are the most toxic. Thus, it is of extreme importance the use of chemical speciation for the evaluation of the real risks associated to arsenic intake from contaminated food. In this sense, this study aimed develop a simple method for separation of arsenic species by LC and detection by ICP-MS, quantitative extraction of arsenic species from animal tissues and rice grains, the application of the proposed method in the analysis of food samples commercialized in Brazilian markets, and the study of arsenic metabolism in different rice cultivars. The method developed for the extraction of arsenic species in animal tissues (egg, muscle of chicken, fish and cattle, etc.) used only methanol (10%v/v) and nitric acid (2%v/v) as extractant and 2 minutes of sonication, showing quantitative recovery of the analyte (>88%, n=3) when analyzing reference materials (CE278, DOLT-3, DORM-3 e SRM NIST 1577). However, for the analysis of rice grains, only nitric acid (2%v/v) was used as extractant, allowing a quantitative recovery (>94%, n=6), when analyzing the reference material (NIST Rice Flour 1568a). For the chromatographic separation several columns were evaluated and an anion exchange column (Hamilton PRP X-100) was used in all experiments. The analysis of several foods consumed in Brazil, showed a wide variation in the concentrations of different arsenic species in muscle, eggs, and especially in rice. Due to the high concentrations of arsenic found in rice samples (in several cases with predominance of more toxic species, As3+ and As5+) and the large consumption of this food in the country and abroad, it was also carried out a study on arsenic metabolism in 6 different rice cultivars. The focus of this study was the synthesis of phytochelatins (PCs), non-peptide compounds produced by plants exposed to toxic elements, and its influence on the transfer factor (TF) soil-grains. The TF of arsenic as well as the concentration of PCs varied in relation to the cultivars (genotype) studied. Furthermore, the PCs have shown a strong positive correlation between themselves and with the concentration of i-As in the grains, and a negative correlation with TF roots-grains. Therefore, the developed method demonstrated feasibility for routine use in toxicological studies of arsenic species in food samples and, finally, the study of arsenic metabolism in rice plant can contribute to the selection of cultivars that absorb less arsenic, thereby reducing the intake of this toxic element by rice consumption.

Développement de méthodes analytiques pour l’évaluation de l'impact de l'industrie de fertilisants chimiques sur le milieu marin / Development of Analytical methods for the evaluation of the impact of phosphate fertilizer industry on marine environment

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this study different methods for speciation of Sb(III) and Sb(V) in meglumine antimoniate (NMG) were evaluated. Liquid chromatography (LC) combined or not with hydride generation (HG) was investigated for separation of Sb(III) and Sb(V). Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was used as detector. A flow injection system together with hydride generation (FI-HG) coupled with atomic absorption spectrometry (AAS) was also employed for the selective determination of Sb(III) in presence of Sb(V). Two anion-exchange columns (Dionex, IonPacAS14 and Hamilton, PRP-X100) were evaluated for Sb(III) and Sb(V) separation by LC. Parameters related to the mobile phase, such as type (EDTA, potassium phthalate, and potassium phthalate + EDTA), concentration (0.5 to 10 mmol L-1), pH (3.5 to 7.0), flow rate (0.25 to 1.75 mL min-1) and elution mode (isocratic and gradient) were studied. The volume of sample injected into the chromatograph was set at 200 μL. For the chromatographic separation, the mobile phase which led to improved separations of Sb(III) and Sb(V) was the EDTA in concentrations of 0.5 mmol L-1 and 1.0 mmol L-1 for the IonPac and PRP-X100 columns, respectively. The most appropriate parameters related to the FI-HG system were also evaluated and set, such as reductant of Sb(III) (NaBH4 0.1%, m/v), complexant of Sb(V) (10% m/v citric acid,), water as the sample carrier, analytical path (300 cm), volume of sample (100 μL), total flow rate of solutions (8.5 mL min-1) and flow rate of carrier gas (0.4 mL min-1). In order to identify and/or quantify the species of Sb present in the NMG, the samples were diluted in water only. Through the use of LC-ICP-MS it was only possible to quantify the Sb(V), whereas the presence of Sb(III) was not detected. The determination of Sb(III) was only possible through FI-HG AAS, FI-HG-ICP-MS and LC-HG-ICP-MS (by combination of conditions set for LC and FI-HG individually). Similar results for Sb(III) were obtained through the techniques FI-HG AAS and HGICP- MS. Thus, it was possible to quantify free Sb(III) and Sb(V), while probable compounds of Sb(III) and/or Sb(V) bound to NMG were observed but could not be identified and quantified, mainly because of lack of reference solutions and difficulty in separating the observed Sb species. The precision of methods for determination of Sb(III) and Sb(V) (expressed as relative standard deviation for 5 consecutive measurements) was about 9% and 3% respectively. As there were no certified reference materials to evaluate the accuracy of the developed methods, recovery tests of Sb(III) and Sb(V) were made, where they were in the range 96 to 101% for Sb(V) and 85 to 104% for Sb(III). Moreover, the results were compared with those obtained by official methods to quantify Sb(III), Sb(V) and Sb total in meglumine antimoniate. / Neste trabalho foram avaliados diferentes métodos para a análise de especiação de Sb(III) e Sb(V) em antimoniato de meglumina (NMG). Cromatografia a líquido (LC) combinada, ou não, com a técnica de geração de hidretos (HG) foi investigada para a separação de espécies de Sb. A espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) foi empregada como detector. Um sistema de injeção em fluxo (FI) em conjunto com HG (FI-HG) e acoplado à espectrometria de absorção atômica (AAS) foi também empregado para a determinação seletiva de Sb(III) na presença de Sb(V). Duas colunas de troca aniônica (Dionex, IonPacAS14 e Hamilton, PRP-X100) foram avaliadas para separar as espécies de Sb por LC. Parâmetros relacionados com a fase móvel, tais como tipo (EDTA, ftalato de potássio e EDTA + ftalato de potássio), concentração (0,5 a 10 mmol L-1), pH (3,5 a 7,0), vazão (0,25 a 1,75 mL min-1) e o modo de eluição (isocrático e gradiente) foram estudados. O volume de amostra injetada no cromatógrafo foi fixado em 200 μL. Para a separação cromatográfica, a fase móvel que levou a melhores separações de Sb(III) e Sb(V) foi o EDTA nas concentrações de 0,5 mmol L-1 e 1,0 mmol L-1, para as colunas IonPac e PRP-X100, respectivamente. Os parâmetros relacionados com o sistema FI-HG mais adequados foram também avaliados e escolhidos, tais como o redutor do Sb(III) (NaBH4 0,1%, m/v), complexante do Sb(V) (ácido cítrico 10%, m/v), a água como carregador da amostra, o percurso analítico (300 cm), volume de amostra (100 μL), a vazão total das soluções (8,5 mL min-1) e a vazão do gás de arraste (0,4 mL min-1). Para a identificação e/ou quantificação das espécies de Sb presentes no NMG, as amostras foram somente diluídas em água. Com o emprego de LC-ICP-MS foi possível quantificar somente o Sb(V), não sendo detectada a presença da espécie Sb(III). A determinação de Sb(III) foi somente possível mediante as técnicas FI-HG AAS, FI-HG-ICP-MS e LC-HG-ICP-MS (esta mediante combinação das condições ajustadas para LC e FI-HG individualmente). Resultados concordantes para Sb(III) foram obtidos mediante as técnicas FI-HG AAS e FI-HGICP- MS. Desta forma, foi possível quantificar Sb(III) e Sb(V) livres, enquanto que possíveis compostos de Sb(III) e/ou Sb(V) ligados ao NMG foram observados mas não puderam ser identificados e quantificados, principalmente por causa da falta de soluções de referência e dificuldade de separação das possíveis espécies de Sb observadas. A precisão dos métodos de determinação de Sb(III) e Sb(V) (expressa como desvio padrão relativo para 5 medições consecutivas) foi cerca de 9% e 3%, respectivamente. Como não havia materiais de referência certificados para avaliar a exatidão dos métodos desenvolvidos, foram feitos testes de recuperação de Sb(III) e Sb(V), sendo que as mesmas ficaram na faixa de 96 a 101% para o Sb(V) e de 85 a 104% para o Sb(III). Além disso, os resultados obtidos foram comparados com aqueles obtidos por métodos oficiais para a quantificação Sb(III), Sb(V) e Sb total no antimoniato de meglumina.