Studie van geneesmiddelen in afval-en oppervlaktewater met behulp van geavanceerde vloeistofchromatografische technieken

In deze thesis werd de afbraak van de geneesmiddelen iopromide (IOP), sulfamethoxazole (SMX), 17α-ethinylestradiol (EE2) en diclofenac (DCF) bestudeerd. Deze componenten werden gespiked in gesimuleerd afvalwater (SWW) en reëel ziekenhuis afvalwater (RWW) en vervolgens onderworpen aan elektrochemische oxidatie door middel van een met boor gedoteerde diamant electrode (BDD). Om de afbraak te optimaliseren, werd de invloed van de stroomsterkte, het debiet doorheen de elektrochemische cel, de initiële concentratie aan medicijnen en de afvalwatermatrix (SWW versus RWW) geëvalueerd. Deze studie bevestigde dat de afbraak steeds een pseudo eerste-orde reactiekinetiek volgt voor alle experimenteel geteste parameters. Ondanks het feit dat SMX, EE2 en DCF eenvoudig werden afgebroken in zowel SWW als RWW, was de afbraak van IOP beduidend trager. Deze lagere eliminatiesnelheid was in overeenstemming met eerder gerapporteerde waarden die een trage afbraakkinetiek aantoonden voor IOP in typische geavanceerde oxidatieprocessen. Verder werden de activeringsenergieën voor de afbraakreacties berekend en bleek het debiet doorheen de elektrochemische cel slechts een klein effect te hebben op de afbraaksnelheid van EE2 en DCF. De stroomsterkte daarentegen was van groot belang. Voor het verwijderen van geneesmiddelen uit het effluent van een biologische ziekenhuis waterzuiveringsinstallatie bleek de BDD elektrochemische oxidatie een efficiënte techniek te zijn. Wanneer echter een volledige mineralisatie van deze afvalstoffen en een positieve toxiciteitscreening nagestreefd wordt, moet rekening gehouden worden met het feit dat de verwijdering van afbraakproducten welke meestal hydrofieler zijn, veel trager is.

Dit onderzoek leidde tot de interesse om stalen met toenemende complexiteit te kunnen analyseren. Om de aanwezigheid, het metabolisme en de afbraak van specifieke verbindingen te kunnen evalueren, zijn geschikte analytische methoden noodzakelijk. Daarom werd in deze thesis een generische methodologie ontwikkeld om alle componenten in één run te kunnen scheiden, waardoor geen meerdere analyses op orthogonale kolommen vereist zijn om de grote verschillen in polariteit aan te kunnen. Hiervoor werd een commercieel beschikbaar ultra-hoog performant vloeistof chromatografie (UHPLC) toestel uitgerust met twee externe schakelkranen om hydrofiele interactie vloeistofchromatografie (HILIC) en omgekeerde fase vloeistof chromatografie (RPLC) kolommen serieel met elkaar te verbinden waardoor polaire en niet-polaire moleculen sequentieel geanalyseerd konden worden. Het principe berustte op de tijdelijke isolatie van componenten die niet weerhouden werden op de eerste dimensie kolom in een apart reservoir. Nadat de scheiding in eerste dimensie afgelopen was, werden de weggeleide componenten naar de tweede kolom gestuurd om de analyse verder te zetten. De opstelling werd succesvol toegepast voor de scheiding van 32 farmaceutische verbindingen met een sterke variabiliteit in polariteit. Aangezien de mobiele fasen gebruikt in deze zeer orthogonale scheidingen sterk verschillend waren van elkaar, was een mengeenheid nodig om de samenstelling na de eerste dimensie te wijzigen vooraleer de tweede dimensie gestart kon worden. Om het HILIC-eluent geschikt te maken voor de daaropvolgende RPLC-scheiding werden in eerste instantie commercieel beschikbare mixers ingepast in de opstelling. Later werd een nieuwe mengeenheid ontwikkeld op basis van restrictiecapillairen met verschillende stromingsweerstanden. Op deze manier kon de mobiele fase uit de eerste dimensie eenvoudig verdund worden met een oplossing die geschikt was om de scheiding in de tweede dimensie aan te vatten.

De restrictiecapillairen werden geïmplementeerd door middel van drie schakelkranen en twee T-stukken. Er werd aangetoond dat de verdunningsverhouding bij goede benadering voorspeld kon worden volgens de wet van Hagen-Poiseuille en gemakkelijk kon worden aangepast door de afmetingen van de restrictiecapillairen te wijzigen. Het verdunningsvolume dat nodig was om aanvaardbare recovery’s te bekomen werd onderzocht en het gebruik van verschillende kolomdiameters in de eerste en tweede dimensie werd voorgesteld om de gevoeligheid van de analyse te verhogen. Voor elke combinatie werden onder optimale verdunningsomstandigheden steeds recovery’s tussen 82% en 99% bekomen, terwijl de herhaalbaarheden uitstekend waren. Het concept werd succesvol toegepast om 20 geneesmiddelen met log D-waarden tussen -5,75 en 4,22 te scheiden.

Aangezien er slechts weinig informatie beschikbaar is over de aanwezigheid van geneesmiddelen in water en farmaceutische producten gewoonlijk slechts in de µg/L tot ng/L range aanwezig zijn in Europese waterlopen, werd een extra vaste fase extractie (SPE) methode getest om de gevoeligheid van de analyse te verhogen. Hierbij werden hydrofiel lipofiel gebalanceerde (HLB) en sterke kation uitwisseling (MCX) adsorbentia gecombineerd om gelijktijdig polaire en niet-polaire geneesmiddelen uit gesimuleerd afvalwater te kunnen extraheren. Behalve voor metformine, wat niet van de SPE-cartridge geëlueerd kon worden en ticlopidine dat onvoldoende geëxtraheerd kon worden, werden goede recovery’s tussen 75% en 106% bekomen voor alle bestudeerde verbindingen. Om de toepasbaarheid van de voorgestelde setup voor routine analyses aan te tonen, is echter meer onderzoek vereist om de hele methodologie te valideren.