Dimethyl carbonate as a green organic modifier in supercritical fluid extraction of pesticide residue analysis in apple samples

Význam tématu

V kontextu Green Analytical Chemistry (GAC) je klíčové snižovat používání toxických a neobnovitelných organických rozpouštědel při analytických postupech. Studie představuje dimethylkarbonát (DMC) jako ekologický organický modifikátor v superkritické extrakci (SFE) pro multireziduální analýzu pesticidů v jablkách. Kombinace CO2 a DMC slibuje snížení environmentální zátěže, lepší bezpečnost obsluhy a čistší extrakty, což má přímý dopad na provozní náklady a údržbu analytických přístrojů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo poprvé ověřit použití DMC jako modifikátoru v SFE a porovnat jeho výkonnost se standardními rozpouštědly acetonitrilem (ACN) a bio-etanolem (EtOH) pro extrakci 64 pesticidů různých chemických tříd, polarit (log kow −0.9 až 7.7) a molekulových hmotností (141–532). Studie zkoumala optimalizaci extrakčních podmínek, výtěžky, selektivitu vůči matrici, matrix effect a „greenness“ metriky včetně praktického nasazení na komerčních vzorcích jablek.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Vzorky: šest jablek, homogenizováno, navlhčeno a naspikovány (běžně 15 mg kg−1 pro vývoj, testováno i 0,05 mg kg−1). Vysušení provedeno přídavkem Miyazaki Hydro-Protect v poměru 4:1 (vzorek:dehydratační činidlo). Do extrakčních nádob naplněno 170 mg směsi (136 mg jablek).
• SFE: optimalizované podmínky 30 % modifikátoru (obj.), tlak 150 bar, teplota 70 °C, celkový průtok 1 mL min−1 a celkový čas extrakce ≈ 21 min (statická 1 min + dynamická 20 min). Po dynamickém kroku 1 min 100 % CO2 pro odvádění zbytků; systém proplachován modifikátorem po 3 min pro eliminaci carry-over.
• Analýza: extrakty ředěny do definovaného objemu (10 nebo 20 mL) a přímo analyzovány LP-GC-QqQMS; pro ověření limitů použito koncentrování za dusíkem.

Použitá instrumentace:

• SFE přístroj: Shimadzu Nexera-UC off-line SFE (CBM-40, SFE-30A s 48-destičkovým rackem a 0.2 mL extrakčními nádobami, LC-30AD SF CO2 pumpa, LC-40ADXR dualplunger modifikátorová pumpa, LC-40D make-up pumpa, SFC-30A back pressure regulator, DGU-40 degasser, FRC-40 frakční kolektor).
• Separace/detekce: Low-pressure GC s trojitým kvadrupólem – Shimadzu GC-2010 Plus + TQ8040, autosampler AOC-20i, splitless injekce 3 μL (vysokotlaká injekce 290 kPa po 0.5 min). Před separační kolonou zapojená nepotrhaná prekolona 0.48 m × 0.1 mm ID; analytická kolona Equity-5 (5 m × 0.53 mm ID × 0.53 μm). Program pece 40 °C (2 min) → 320 °C při 30 °C min−1; nesoucí plyn helium, konstantní lineární rychlost 100 cm s−1. Ionizace EI 70 eV; interface 320 °C, ion source 280 °C; kolizní plyn argon 200 kPa. MRM akvizice (2 přechody/analyt), frekvence 3.3 Hz.

Hlavní výsledky a diskuse

Výběr a optimalizace:

• Optimální množství modifikátoru bylo 30 % – zlepšení proti 10 %; při 50 % došlo ke snížení výtěžku kvůli významné změně kritických parametrů CO2.
• Teplota 70 °C poskytla nejlepší extrakční výtěžky (zlepšení průměrných výtěžků pro ACN, EtOH a DMC o 46 %, 29 % a 30 % vůči 30 °C).
• Delší dynamická extrakce (20 min) mírně zlepšila výtěžky pro EtOH (~12 %) a DMC (~10 %); u ACN nebylo přínosu.

Výsledky (srovnání):

• Průměrné výtěžky: ACN 95.1 %, EtOH 106.4 %, DMC 85.0 % přes 64 pesticidů. U DMC byly u 15 látek zaznamenány recovery < 70 % (např. flonicamid, dimethoate, pyridaben), avšak s RSD ≤ 12 %, což odpovídá SANTE tolerancím za podmínky dobré přesnosti.
• Selektivita a ko-extrakce matrice: DMC poskytl nejčistší extrakty – množství ko-extrahované matrice: DMC ≈ 5 mg, ACN ≈ 28 mg, EtOH ≈ 52 mg (měřeno při optimálních podmínkách každého rozpouštědla). To vedlo ke ~10× méně ko-injektované matrice při použití DMC oproti EtOH pro 3 μL injekt.
• Matrix effect (průměr): ACN ≈ 90.5 % (spíše potlačení signálu u většiny analyzovaných), EtOH ≈ 140.1 % (časté zesílení), DMC ≈ 137.4 % (časté zesílení u většiny analyzovaných). Rozsah %ME byl široký a závisel na konkrétním analyzu.
• Sensitivita: při modelovém spikování 0.05 mg kg−1 a koncentraci extraktu dosáhl průměrného S/N = 199 (rozsah 17–882); pouze dvě látky pod LOD v tomto testu.
• Rychlost analýzy: díky LP-GC-QqQMS byla analýza značně rychlá (okolo 10 min kromě přípravy), což zvyšuje propustnost laboratoře.

Přínosy a praktické využití metody

• DMC jako zelený modifikátor snižuje množství a složitost ko-extrahované matrice, čímž prodlužuje intervaly mezi údržbami GC/MS a zlepšuje spolehlivost analýz.
• Metoda vyžaduje velmi malý vzorek (136 mg), což je výhoda pro vzácné nebo cenné matrice a snižuje potřebu homogenizace velkých vzorků.
• DMC je méně toxický, biologicky odbouratelný a může být vyráběn z CO2, což výrazně zlepšuje kompatibilitu s GAC.
• LP-GC-QqQMS kombinace umožňuje krátké doby běhu a vysokou selektivitu díky MRM módu.

Omezení a kritická poznámka

• Některé sloučeniny vykazovaly nízké recovery v DMC; příčina může být omezená rozpustnost v DMC nebo specifická interakce s matricí — vyžaduje další zkoumání.
• Celkové množství DMC spotřebované v metodě (přibližně 23 mL včetně wash) je sice vyšší než u ultraminiaturizovaných postupů, ale vzhledem k jeho ekologickým vlastnostem je to přijatelná kompenzace.
• SFE vybavení je sofistikované a energeticky náročnější než běžný QuEChERS; to ovlivňuje některé zelené metriky (energie, produkce odpadu související s delším chodem přístroje).

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další validace a optimalizace pro analyty s nízkými recovery v DMC; zkoumání binárních nebo ternárních směsí modifikátorů ke zlepšení rozpustnosti problémových látek.
• Rozšíření aplikace na jiné potravinové a environmentální matrice (oleje, listová zelenina, půda), včetně multi-matricových validací a porovnání s LC‑MS metodami.
• Integrace SFE s on-line separací (SFE-GC/LC) pro plně automatizované workflow a snížení spotřeby solventu během přenosu extraktu.
• Environmentální a ekonomické zlepšení prostřednictvím zdrojů DMC vyrobeného z CO2 (carbon capture & utilization), recyklace CO2 a optimalizace spotřeby energie SFE zařízení.
• Využití DMC v kombinaci s pokročilými čistícími kroky nebo adsorpčními sorbenty pro selektivnější odstraňování rušivých složek matrice.

Závěr

Dimethylkarbonát v roli organického modifikátoru pro SFE představuje životaschopnou, ekologičtější alternativu k acetonitrilu a bio‑etanolu při multireziduální analýze pesticidů v jablečných matricích. Metoda dosahuje průměrného výtěžku 85 % přes široký panel 64 pesticidů a poskytuje podstatně čistší extrakty (značně nižší ko-extrakce matrice), což zlepšuje provozní spolehlivost GC/MS. Přestože u některých analyzů jsou výtěžky nižší, přesnost byla adekvátní a metoda splňuje požadavky SANTE v rámci akceptovatelných RSD. DMC tak představuje perspektivní směr pro udržitelnější laboratorní praxi, pokud budou řešeny zbývající omezení týkající se rozpustnosti a energetických nároků SFE.

Reference

• Galuszka A, Migaszewski Z, Namiesnik J. The 12 principles of green analytical chemistry and the SIGNIFICANCE mnemonic of green analytical practices. Trends Anal Chem. 2013;50:78–84.
• Pyo SH et al. Dimethyl carbonate as a green chemical. Curr Opin Green Sustain Chem. 2017;5:61–66.
• Abdalla AOG, Liu D. Dimethyl carbonate as a promising oxygenated fuel for combustion: a review. Energies. 2018;11(6):1552.
• Henderson RK et al. Expanding GSK’s solvent selection guide – embedding sustainability into solvent selection. Green Chem. 2011;13:854–862.
• Kalisz O et al. Exploring the potential of green chemistry in reversed-phase liquid chromatography: a review. Trends Anal Chem. 2024;181:118007.
• Felletti S et al. Dimethyl carbonate as a green alternative to acetonitrile in RP‑LC. J Chromatogr A. 2023;1712:464–477.
• Bozza D et al. Dimethyl carbonate as a green alternative in RP‑LC: purification of a therapeutic peptide. J Chromatogr A. 2024;1713:464–530.
• Folprechtová D et al. Advantages of dimethyl carbonate as organic modifier in (sub)SFC. Anal Chim Acta. 2024;1332:343–380.
• Alfieri M et al. Optimized ultrasound-assisted extraction of lignans with green solvents. Molecules. 2022;27:2732.
• Gurrani S et al. Fast drug extraction (FaDEx) for environmental and bio-monitoring. Environ Res. 2023;217:114787.
• Errichiello F et al. Extraction of oleanolic acid from grape pomace with DMC. Green Chem. 2024;26:10177–10188.
• Zoccali M, Donato P, Mondello L. Recent advances in coupling CO2-based extraction and separation. TrAC Trends Anal Chem. 2019;116:158–165.
• Tolcha T et al. Optimization of combined static/dynamic SFE for pesticides in honey. J Sep Sci. 2021;44:1716–1726.
• Sapozhnikova Y, Lehotay SJ. Review of developments in low-pressure GC. Anal Chim Acta. 2015;899:13–22.
• Ferracane A et al. Monitoring of 260 pesticides in extra virgin olive oil. Food Chem. 2025;464:141528.
• European Commission DG‑SANTE. SANTE/11312/2021 Analytical quality control and method validation for pesticide residues.
• Nemoto S et al. Effect of extraction conditions and modifiers on SFE of pesticides. J Chromatogr Sci. 1997;35(10):467–477.
• Sun Y, Zhang M, Fang Z. Efficient physical extraction of active constituents from edible fungi. Trends Food Sci Technol. 2020;105:468–482.
• Wojnowski W et al. AGREEprep - Analytical greenness metric for sample preparation. TrAC Trends Anal Chem. 2022;149:116553.
• EN 15662:2018. Multimethod for determination of pesticide residues using QuEChERS (CEN standard).