Dissertations / Theses on the topic 'Festphasenextraktion'

Ein Großteil der Lebensmittel wird in der heutigen Zeit vor allem aufgrund ihrer langen Haltbarkeit in Konservendosen verpackt. Zur Qualitätserhaltung des Lebensmittels werden Weißblechdosen im Innenbereich in der Regel mit einer Lackierung versehen. Lackrohstoffe sind dabei u. a. Phenol- und Epoxidharze, die als Basis- oder Vernetzerkomponente eingesetzt werden. Bei der Herstellung und Lagerung dieser Lebensmittel kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass es zur Migration von Bestandteilen aus der Kunststoffinnenbeschichtung in das Füllgut kommt. Toxikologisch und somit auch analytisch sind dabei vor allem die migrierenden Verbindungen unter 1000 Da von Interesse, da Substanzen mit einer Molmasse von über 1000 Da nur zu weniger als 1 % im Gastrointestinaltrakt absorbiert werden. Analytik von phenolischen Verbindungen Bei Untersuchungen zur Migration phenolischer Verbindungen unter Verwendung verschiedener Modellcoatings und Simulanzlösemittel wurden Konzentrationen an migrierenden phenolischen Substanzen in Summe bis 160 µg/dm² bestimmt, womit dieser Gehalt deutlich unter dem gesetzlichen Grenzwert für die Gesamtmigration von 10 mg/dm² liegt. Die Quantifizierung erfolgte dabei über SEC-FLD-Kalibriergeraden der für diese Coatings verwendeten Phenolharze. Tendenziell steigt dabei die Menge an übergehenden Verbindungen mit abnehmender Polarität der verwendeten Simulanzien. Ebenso abhängig vom Lösungsmittel ist die Molekulargewichts¬verteilung der im Migrat enthaltenen Phenole. So zeigte sich eine deutliche Verschiebung der phenolischen Verbindungen zu höheren Molekulargewichten mit abnehmender Polarität der Simulanzlösemittel. Mit wenigen Ausnahmen besitzen jedoch alle migrierenden Substanzen eine Molmasse von unter 1000 Da. Das beobachtete Migrationsverhalten kann u. a. auf die unterschiedliche Reaktivität der phenolischen Basismonomere der Harze zurückgeführt werden, wodurch die Fähigkeit variiert, unter den Einbrennbedingungen ein ausgeprägtes Netzwerk zu bilden. Zur näheren Charakterisierung der Phenolharze wurden einzelne Hauptverbindungen der RP-HPLC-FLD-Chromatogramme identifiziert. Über Derivatisierungsreaktionen mit Picolinsäure, Essigsäureanhydrid sowie Dansylchlorid konnten Informationen zur Anzahl an alkoholischen und phenolischen Hydroxylgruppen im Molekül erhalten werden. Mit dem Wissen um die eingesetzten Phenolmonomere und einer eventuellen Veretherung konnten Strukturvorschläge erstellt werden. Die Quantifizierung der migrierenden phenolischen Verbindungen in Migraten kommerzieller Coatings in Summe wurde über eine universell anwendbare Kalibrierung angestrebt. Dazu wurden 17 verschiedene Phenolharze bezüglich der Steigung der SEC-FLD-Kalibriergeraden, des mittleren Molekulargewichtes, der Hydroxylzahl und dem Verhältnis OH-Gruppen/Molekül charakterisiert. Wie erwartet steigt mit wenigen Ausnahmen die Anzahl der OH-Gruppen im Molekül tendenziell mit dem mittleren Molekulargewicht. Es zeigte sich zudem, dass die verschiedenen Phenolharze in ihren fluorophoren Eigenschaften stark variieren. Die Steigung der SEC-FLD-Kalibriergeraden konnte zudem in keine Korrelation mit einem anderen ermittelten Parameter gebracht werden. Die Anwendung einer universellen Kalibriergerade zur Quantifizierung war deshalb nicht möglich. Die Größenordnungen der Migratkonzentrationen konnten daher nur über die zwei im Anstieg am stärksten variierenden SEC-FLD-Kalibriergeraden abgeschätzt werden. Bei der Analyse kommerzieller Epoxy-Phenol-Coatings war im Gegensatz zu Polyester-Phenol-Coatings die isolierte Detektion der phenolischen Verbindungen im Migrat mittels Fluoreszenz nicht möglich, da sowohl Epoxide als auch Phenole fluorophorer Eigenschaft besitzen. Es wurde daher eine Methode zur Abtrennung der Phenole von anderen im Migrat enthaltenen Subtanzen auf Basis eines Anionenaustauschermaterials entwickelt. Dabei wurde die Eigenschaft der Phenole genutzt, im basischen Milieu Phenolate zu bilden. Diese, aber auch Säuren adsorbieren am Austauschermaterial, während Epoxide oder Polyester nicht retardiert werden. Für zwei kommerzielle Epoxy-Phenol-Coatings konnte somit der Anteil an phenolischen Verbindungen im Migrat zu 7 und 28 % bestimmt werden. Mittels RP-HPLC/ESI-MS war es möglich, einige der phenolischen Verbindungen in diesen Migraten zu identifizieren. Dabei handelt es sich um nichtepoxidierte BPA-Derivate der Epoxidkomponente des Coatings, die aufgrund des BPA-Grundkörpers eine phenolische Hydroxylgruppe besitzen. Phenolische Vernetzungsprodukte beider Basisharze konnten dagegen nicht identifiziert werden. Die Menge an migrierenden phenolischen Verbindungen der beiden Epoxy-Phenol-Coatings konnte über die Kalibration eines niedermolekularen Epoxidharzes zu 0,1 mg/dm² bzw. 0,27 mg/dm² abgeschätzt werden. Während für einzelne phenolische Verbindungen gesetzliche Grenzwerte für die Migration bestehen, gibt es für Oligomere, mit Ausnahme von BPA keine spezifischen Migrationslimits. Ebenso sind in der Literatur kaum toxikologische Untersuchungen zu Phenololigomeren zu finden. Um einen ersten Einblick in die toxikologische Relevanz migrierender phenolischer Verbindungen zu erhalten, wurden mehrere kommerzielle als auch selbst synthetisierte phenolische Standardsubstanzen und verschiedene Molekulargewichtsfraktionen eines Phenolharzes, im Fischembryotest an Eiern des Zebrabärblings (Brachydanio rerio) nach DIN 38415-T647 und/oder Neutralrottest an Hep-G2 und HT-29 Zellen untersucht. Die stärksten Effekte im Fischembryotest bewirkte das Trimer BPM, hier reichte bereits eine Konzentration von etwa 2 mg/l aus, um 50 % der Fischembryonen letal zu schädigen. Im Gegensatz dazu waren beim Dimer 5-Hydroxymethyl-2,4´-dihydroxydiphenylmethan (M 230) mit einem EC50-Wert von 170 mg/l die geringste toxikologische Wirkung zu beobachten. Für alle anderen Subtanzen konnten EC50-Werte im Bereich 20 - 100 mg/l bestimmt werden. Tendenziell zeichnete sich dabei eine Zunahme der EC50-Werte mit steigender Lipophilie, ausgedrückt über den KOW-Wert ab, was auf den Aufbau der Fischeier zurückzuführen ist. So müssen die zu untersuchenden Xenobiotika mehrere lipophile Membranen durchdringen, um am eigentlichen Wirkungsort Einfluss auf die Embryonalentwicklung nehmen zu können. Im Zelltest konnten tendenziell ähnliche Ergebnisse ermittelt werden wie im Fischembryotest, wobei in der Regel die Hep-G2 Zellen empfindlicher reagieren als die HT-29 Zellen. Während für Phenol im untersuchten Konzentrationsbereich keine toxischen Effekte beobachtet werden konnten, liegen die EC50-Werte für das Trimer BPM, analog zum Fischembryotest deutlich unter 10 mg/l. Für die anderen Verbindungen wurden EC50-Werte zwischen 16 und 100 mg/l bestimmt. Analog zu den Untersuchungen der Einzelsubstanzen zeigte sich auch bei den 5 untersuchten Molekulargewichtsfraktionen zwischen 0 und 1000 Da, dass das toxikologische Potential im niedermolekularen Bereich (0 - 200 Da) gegenüber den Fraktionen 200 400 und 400 600 Da vergleichsweise gering ist. Bereits 25,1 mg/l bzw. 17,3 mg/l der Fraktionen 200 400 Da und 400 600 Da waren in den Tests ausreichend, um alle Embryonen letal zu schädigen. Im Molekulargewichtsbereich über 600 Da konnten dagegen lediglich subletale oder gar keine Missbildungen beobachtet werden. Analytik von Epoxiden In der amtlichen Überwachung beschränkt sich die Analytik von Epoxidverbindungen bisher auf die Bestimmung rechtlich geregelter Einzelsubstanzen. Eine Summenmethode zur Erfassung aller in einem Migrat enthaltenen Substanzen mit reaktionsfähigen Oxirangruppen, wodurch das gesamte Reaktionspotential erfasst werden kann, liegt dagegen nicht vor. Zur selektiven Erfassung aller oxirangruppenhaltigen Verbindungen wurde daher mittels statistischer Versuchsplanung eine Derivatisierung mittels Cysteamin entwickelt. Die Reaktion mit Cysteamin erfolgt dabei nach Abtrennung der Substanzen > 1000 Da mittels Größenausschlusschromatographie. Im Anschluss werden die Derivate durch Zugabe eines Kationenaustauschers aus der Lösung entfernt. Durch den Vergleich der RP-HPLC-FLD Chromatogramme vor und nach der Aufarbeitung können Substanzen mit intakten Oxirangruppen somit einfach erkannt werden. Eine quantitative Abschätzung der enthaltenen Epoxidverbindungen ist bei Lacken auf Basis von BPA-Harzen über die BPA-Chromophorkonzentration möglich. Bei der Untersuchung von 5 kommerziellen Coatings wurden in den einzelnen Migraten recht unterschiedliche Gehalte an Substanzen mit intakten Epoxidgruppen ermittelt. Ebenso ist die Anzahl der oxriangruppenhaltigen Verbindungen, auf die sich dieser Gehalt verteilt sehr unterschiedlich, was möglicherweise an unterschiedlichen Einbrennzeiten, -temperaturen aber auch der Menge an Lack pro m² und an der Art und Menge des Reaktionspartners liegt. Für die Konzentration der epoxidischen Verbindungen in den Coatingmigraten wurden Werte zwischen 18,5 und 835 µg/dm² bestimmt. Dies entspricht einem Anteil der reaktionsfähigen Substanzen an der Fraktion unter 1000 Da berechnet über die Flächen im Chromatogramm zwischen 2,6 und 76,3 %. Neben dem Einsatz als Basismaterial für Konservendoseninnenbeschichtungen werden Epoxidharzsysteme auch in Zubereitungen wie Grundierungen, Füllmassen, Lacken oder Klebstoffen für die Bauchemie vielfach in verschiedenen Mischungen (aromatische, aliphatische oder cycloaliphatische Glycidylether bzw. Siloxanglycidylether) eingesetzt. Durch den Kontakt dieser Materialien mit der Haut kann es zu Kontaktekzemen kommen, deren Ursache durch Epikutantests (Patchtests) mit den potentiell auslösenden Substanzen ermittelt werden kann. Der Umfang der in den Standardtestsystemen enthalten Testsubstanzen entspricht dabei jedoch nicht dem Spektrum der in der Industrie verwendeten Materialien. Über die genaue Zusammensetzung der in den Patchtest´s eingesetzten Materialien ist zudem wenig bekannt. Durch die Analyse einer Vielzahl von Patchtestsubstanzen und industriellen Epoxidkomponenten mittels RP-HPLC/UVD bzw. -ELSD Chromatographie und die Identifizierung der enthaltenen Verbindungen über RP-HPLC/ESI-MSD, konnte ein genaueres Bild über den Charakter dieser Materialen gewonnen werden. Bei den BPA- und BPF-Harzen wurden überwiegend Monomere, die entsprechenden Di- und Trimere aber auch dessen hydrolysierte Verbindungen identifiziert. Im Gegensatz dazu liegen bei den analysierten aliphatischen Produkten z. T. die reinen Glycidylether gar nicht oder nur in geringen prozentualen Anteilen vor. Vielmehr wird durch die sauer geführte Reaktion bei den aliphatischen Verbindungen die Bildung von 1,3 Chlorhydrinen als Nebenreaktion zur 1,2 Chlorhydrinbildung gefördert, wodurch eine beträchtliche Menge an Substanzen, die nicht verseifbares Chlor enthalten, in den Materialien vorhanden ist. Um die enthaltenen Verbindungen von aliphatischen und cycloaliphatischen Epoxidzubereitungen quantifizieren zu können, wurde eine Derivatisierung mit einem selbst synthetisierten Fluorophor (5-(Dimethylamino)-N-(2-mercaptoethyl)-1-naphthalen-sulfonamid) entwickelt. Dadurch konnten auch Verbindungen erfasst werden, die aufgrund ihrer Flüchtigkeit mittels ELSD nicht detektierbar waren. Bei der Analyse von Handelsprodukten zeigte sich, dass die einzelnen Komponenten in ihrer Zusammensetzung gut mit den untersuchten aromatischen und aliphatischen Rohmaterialien vergleichbar sind. Bei entsprechend eingesetzten Patchtestsubstanzen spiegeln diese somit die Produkte gut wieder, mit denen die Patienten in Kontakt kommen.

Background: Measurement of plasma metanephrine, normetanephrine and 3-methoxytyramine is useful in the diagnosis of phaeochromocytomas, but many assays require a large volume of plasma due to poor assay sensitivity, and often require lengthy sample preparation. Our aim was to develop a method for measurement of plasma metanephrines using a small sample volume with minimal hands-on preparation. Methods: Samples were deproteinised using 10 K spin filters prior to online solid phase extraction using a Waters Acquity UPLC Online SPE Manager (Waters, Manchester, UK) coupled to a Waters Xevo TQ-S mass spectrometer (Waters, Manchester, UK). The assay was validated and results compared to a previously published method. Results: We achieved a limit of quantification of 37.5 pmol/L for metanephrine and 3-methoxytyramine and 75 pmol/L for normetanephrine using only 150 mL of sample. The assay was linear up to 30,000 pmol/L for all analytes and in a method comparison study results showed good agreement with a previously published LC-MS/MS assay. Conclusions: We have developed a simple method for measurement of plasma metanephrine, normetanephrine and 3-methoxytyramine using only 150 mL of sample. There is minimal hands-on sample preparation required and the assay is suitable for routine use in a clinical laboratory.

Die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit ergab sich aus der Notwendigkeit organische Schwefelverbindungen in stark belasteten wäßrigen Proben zu identifizieren, um das toxische Potential dieser Wässer abschätzen zu können. Bei der chromatographischen Trennung und Identifizierung der einzelnen Komponenten traten insbesondere dann Probleme auf, wenn die einzelnen Komponenten in Konzentrationsbereichen auftraten die um Größenordnungen differierten. Da auch durch selektive Detektion unbekannte Komponenten nicht direkt identifiziert werden können, wurde angestrebt durch geeignete Probenvorbereitungsschritte einerseits die gesuchten Zielsubstanzen anzureichern und andererseits störende Matrixbestandteile abzutrennen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es effektive und möglichst selektive Verfahren zu entwickeln, um organische Schwefelverbindungen aus wäßrigen Proben anzureichern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Möglichkeiten erarbeitet. Für die Anreicherung von leicht- bis mittelflüchtigen Substanzen erwies sich die Adsorption an Ag2S aus der Gasphase als geeignet. Zur Extraktion mittel- bis schwerflüchtiger Verbindungen wurde eine Festphasenextraktionstechnik an einem mit Blei(II)ionen modifizierten Kationenaustauschermaterial entwickelt. Ein Vergleich beider Techniken erfolgte mit dem Verfahren der Festphasenmikroextraktion (SPME). Die adsorptive Anreicherung an Ag2S wurde mit einem Membranextraktionsschritt (ME) , Thermodesorption (TD) und GC/MS gekoppelt. Wie die SPME kann sie für den Nachweis leicht- bis mittelflüchtiger Verbindungen aus flüssigen, festen und gasförmigen Proben eingesetzt werden. Gegenüber der Festphasenmikroextraktion ermöglicht sie den Einsatz größerer Probemengen, was in niedrigeren Nachweisgrenzen (oberer bis mittlerer ng/l-Bereich) resultiert. Nachteile der entwickelten Technik bilden der höhere experimentelle Aufwand und die längeren Analysenzeiten. Das Festphasenextraktionsverfahren an dem mit Pb(II)ionen beladenen Kationenaustauschermaterial erlaubt gegenüber der SPME ebenfalls die Anwendung größerer Probenmengen und höherer Konzentrationen. Beide Verfahren zeigen vergleichbare Nachweisgrenzen (unterer µg/l - bis oberer ng/l-Bereich) für die verwendeten Modellsubstanzen. Sowohl durch die adsorptive Anreicherung an Silbersulfid als auch durch die Festphasenextraktion an Pb(II)-modifizierten Ionenaustauschmaterialien wird die Identifizierung unbekannter organischer Schwefelverbindungen in stark belasteten Proben erheblich erleichtert. Beide Methoden bilden als einfache und leistungsfähige Techniken wirkungsvolle Ergänzungen zu bereits etablierten Anreicherungsverfahren. Neben der Identifizierung und Analyse können die Techniken ebenfalls zur Entfernung von schwefelhaltigen Substanzen aus verschiedenen Matrizes dienen. Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Methoden bestehen neben der Umweltanalytik auch in der Lebensmittelchemie.

Die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit ergab sich aus der Notwendigkeit organische Schwefelverbindungen in stark belasteten wäßrigen Proben zu identifizieren, um das toxische Potential dieser Wässer abschätzen zu können. Bei der chromatographischen Trennung und Identifizierung der einzelnen Komponenten traten insbesondere dann Probleme auf, wenn die einzelnen Komponenten in Konzentrationsbereichen auftraten die um Größenordnungen differierten. Da auch durch selektive Detektion unbekannte Komponenten nicht direkt identifiziert werden können, wurde angestrebt durch geeignete Probenvorbereitungsschritte einerseits die gesuchten Zielsubstanzen anzureichern und andererseits störende Matrixbestandteile abzutrennen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es effektive und möglichst selektive Verfahren zu entwickeln, um organische Schwefelverbindungen aus wäßrigen Proben anzureichern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Möglichkeiten erarbeitet. Für die Anreicherung von leicht- bis mittelflüchtigen Substanzen erwies sich die Adsorption an Ag2S aus der Gasphase als geeignet. Zur Extraktion mittel- bis schwerflüchtiger Verbindungen wurde eine Festphasenextraktionstechnik an einem mit Blei(II)ionen modifizierten Kationenaustauschermaterial entwickelt. Ein Vergleich beider Techniken erfolgte mit dem Verfahren der Festphasenmikroextraktion (SPME). Die adsorptive Anreicherung an Ag2S wurde mit einem Membranextraktionsschritt (ME) , Thermodesorption (TD) und GC/MS gekoppelt. Wie die SPME kann sie für den Nachweis leicht- bis mittelflüchtiger Verbindungen aus flüssigen, festen und gasförmigen Proben eingesetzt werden. Gegenüber der Festphasenmikroextraktion ermöglicht sie den Einsatz größerer Probemengen, was in niedrigeren Nachweisgrenzen (oberer bis mittlerer ng/l-Bereich) resultiert. Nachteile der entwickelten Technik bilden der höhere experimentelle Aufwand und die längeren Analysenzeiten. Das Festphasenextraktionsverfahren an dem mit Pb(II)ionen beladenen Kationenaustauschermaterial erlaubt gegenüber der SPME ebenfalls die Anwendung größerer Probenmengen und höherer Konzentrationen. Beide Verfahren zeigen vergleichbare Nachweisgrenzen (unterer µg/l - bis oberer ng/l-Bereich) für die verwendeten Modellsubstanzen. Sowohl durch die adsorptive Anreicherung an Silbersulfid als auch durch die Festphasenextraktion an Pb(II)-modifizierten Ionenaustauschmaterialien wird die Identifizierung unbekannter organischer Schwefelverbindungen in stark belasteten Proben erheblich erleichtert. Beide Methoden bilden als einfache und leistungsfähige Techniken wirkungsvolle Ergänzungen zu bereits etablierten Anreicherungsverfahren. Neben der Identifizierung und Analyse können die Techniken ebenfalls zur Entfernung von schwefelhaltigen Substanzen aus verschiedenen Matrizes dienen. Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Methoden bestehen neben der Umweltanalytik auch in der Lebensmittelchemie.

Kokzidiostatika werden in der Kleintiermast als Futtermittelzusatzstoffe zur Vorbeugung der Kokzidiose eingesetzt. Die Verwendung der Wirkstoffe ist in der Europäischen Union gesetzlich geregelt und unterliegt der amtlichen Lebens- und Futtermittelkontrolle. In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur flüssigchromatographisch tandem-massen¬spektro¬metrischen (LC-MS/MS-) Bestimmung von Kokzidiostatika in Futtermitteln und in Ei entwickelt. Durch Bestandteile des Probenmaterials traten Störungen des Analytsignals auf. Die Untersuchung solcher Matrixeffekte ist in der pharmazeutischen und der Pestizidanalytik üblich. Zu Matrixeffekten bei der LC-MS/MS-Analytik in Futtermitteln gibt es kaum Daten. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war daher die Untersuchung der Einflussfaktoren auf Matrixeffekte bei der Analyse von Kokzidiostatika. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wurde eine Methode zur Bestimmung von Verschleppungen von Kokzidiostatika in Futtermittel für Nichtzieltierarten entwickelt und validiert. Weitere LC-MS/MS-Methoden wurden zur Bestimmung Maduramicins in Futtermittel, Eiweiß und Eigelb optimiert. Diese wurden zur wurden zur Untersuchung des Übergangs des Kokzidiostatikums aus dem Futtermittel in das Ei benötigt. Dazu wurde eine Fütterungsstudie mit Legehennen durchgeführt. Futtermittel mit drei Konzentrationen von Maduramicin bis zum Höchstgehalt in Futtermittel für Nichtzieltierarten wurden hergestellt und je einer Gruppe von Legehennen verabreicht. Das aufgenommene Maduramicin ging ausschließlich ins Eigelb über, es ergab sich eine Carry-over-Rate von 8 %. Der für Eier festgelegte Höchstgehalt von 2 µg/kg wurde überschritten, obwohl die Konzentrationen Maduramicins in den verfütterten Futtermitteln unterhalb des Höchstgehaltes für Futtermittel lagen. Als Folge dieser Ergebnisse wurde der Maduramicin-Höchstgehalt in Ei auf 12 µg/kg angepasst. Der in Verordnung (EG) Nr. 124/2009 festgelegte Höchstgehalt wurde durch die Verordnung (EU) 610/2012 geändert.
Prevention of coccidosis by anticoccidial feed additives is of great economic importance in poultry farming. Application of these substances is regulated by European law and is a matter of official feed and food control requiring appropriate determination methods for coccidiostats. In this study, liquid chromatographic tandem mass spectrometric (LC-MS/MS-) methods for the quantification of coccidiostats in feed and eggs were developed. The influence of the sample material resulted in poor method performance. These matrix effects are intensively investigated in other analytical fields like drug or pesticide analysis. In contrast, there are limited data concerning matrix effects in LC-MS/MS analysis in feedingstuffs. This study therefore focussed on the systematic investigation of factors influencing matrix effects during analysis of coccidiostats. The findings were implemented in the development and validation of a method for the determination of cross-contamination levels of authorized coccidiostats in feed for non-target animals. This method was optimized for the determination of the anticoccidial feed additive maduramicin in feed, egg white, and egg yolk for a carry-over study. By means of the conducted feeding trial with laying hens the carry-over of maduramicin from feed into eggs was comprehensively characterized. Three feedingstuffs containing different levels of maduramicin up to the maximum tolerable level in non-target animal feed were prepared and fed to groups of ten laying hens. Maduramicin is exclusively transferred into egg yolk, and a carry-over rate into whole eggs of 8 % was calculated. Although the applied diets were in compliance with the maximum level in feed, resulting concentrations in whole eggs exceeded the maximum level in eggs. As a consequence of these findings, the maximum permitted level of maduramicin in eggs was adapted to 12 µg/kg. The maximum level assigned by Regulation (EC) No. 124/2009 was amended in Regulation (EU) 610/2012.

Emerging contaminants represent newly identified organic chemical pollutants that are not yet covered by routine monitoring and regulatory programs. Current research on these contaminants is greatly hindered by the shortage of analytical methods due to the complex matrices, extremely low concentration and their “emerging” nature. In this study the innovative analytical and monitoring methods have been developed and validated for determination of emerging pollutants in water (including pharmaceutical and personal care products, pesticides and artificial sweeteners) based on graphene-silica composite as the solid-phase extraction (SPE) sorbent and as the receiving phase in passive sampler. Graphene, a new allotropic member in the carbon family, has been considered to be a promising candidate for sorption material with high loading capacity because of its ultra-high specific surface area and large delocalized π-electron-rich structure. The composite employed in this work was synthesized by using the cross-link agent to covalently combine carboxylic acid groups of graphene-oxide with the amino groups of the modified silica gel. Afterwards, graphene-silica composite was obtained after treated with hydrothermal reaction in the microwave autoclave, which was demonstrated by X-ray diffraction (XRD). The analytical procedure entails SPE followed by high performance liquid chromatography equipped with tandem mass spectrometers (HPLC-MS/MS). Several crucial parameters were optimized to improve recovery of the analytes, including the amount of sorbents, the ratio of graphene oxide/amino-silica and pH value of water samples. The best recovery results were achieved with 100 mg 10 % (w/w) graphene-silica composite, which were over 70 % except four artificial sweeteners, ranitidine and triclosan. Compared with its commercial counterpart Oasis HLB, pH value variation of water samples has less effect on the recoveries, making graphene composite to be a potential receiving phase of monitoring tool. The batch-to-batch reproducibility was verified on six independently SPE cartridges with graphene-silica composites from two repeatable synthetic batches, showing relative standard deviations (RSDs) in the range of 8.3 % to 19.1 %, except ibuprofen and saccharin. The cartridges proved to be reusable for at least 10 times consecutive extractions, with RSD < 14.9 %, except ibuprofen and diclofenac. The Chemcatcher® passive sampler is frequently used for monitoring polar organic chemicals in surface water. Uptake kinetics is necessary to be quantified to calculate time-weighted average (TWA) concentration. A series of calibration experiments were conducted in the beaker renewal experiments as well as in the flow-through system with styrenedivinylbenzene-cross connect (SDB-XC) disks and graphene-silica composite as the receiving phase. The results obtained from the beaker renewal experiments showed that the uptake kinetics of accumulated compounds with all Chemcatcher® configurations can keep linear within 2 weeks. The innovative configuration using graphene-silica composite powder placed between two PES membranes was able to accumulate eleven of the selected compounds with uptake rate (Rs) from 0.01 L/day (acesulfame K and sucralose) to 0.08 L/day (chlothianidin), while its commercial counterpart SDB-XC disks with polyethersulfone (PES) membranes can accumulate seven substances with Rs from 0.02 L/day (sucralose and chlothianidin) to 0.15 L/day (carbamazepine). In the flow-through system, when Chemcatchers® were equipped with SDB-XC disks without PES membranes, the linear uptake range for the majority of compounds was only in one week, except atrazine. The Rs of accumulated compounds were from 0.16 L/day (chloramphenicol) to 1.04 L/day (metoprolol) that are higher than the same substances in the beaker renewal experiments, in which the Rs of chloramphenicol and metoprolol were 0.09 L/day and 0.56 L/day respectively. However, if the PES membranes were employed, the uptake kinetics in both calibration experimental designs were comparable: the Rs of accumulated compounds from the configuration with SDB-XC disks covered by PES membranes were from 0.035 L/day (sucralose) to 0.17 L/day (carbamazepine) and from the configuration with graphene-silica composite were from 0.01 L/day (gemfibrozil) to 0.08 L/day (chlothianidin). Moreover, the uptake range can keep linear within two weeks. The developed Chemcatcher® method was successfully applied in real surface waters. 1-H benzontriazole, tolyltriazole and caffeine were the main contaminants in Elbe River and the Saidenbach drinking water reservoir. The investigated results between summer and autumn monitoring period were not significantly different.:Acknowledgement I Abstract III Zusammenfassung V Content IX List of Figures XIII List of Tables XVII Table of Abbreviations XIX 1. Motivation 1 2. Introduction 3 2.1 Emerging contaminants 3 2.1.1 Definition 3 2.1.2 Sources 3 2.1.3 Concern about the adverse impacts 5 2.2 Analysis of the emerging contaminants 7 2.2.1 General analytical process 7 2.2.2 Enrichment techniques 8 2.2.2.1 Liquid-liquid extraction (LLE) 8 2.2.2.2 Solid-phase extraction (SPE) 9 2.2.2.3 Innovative type of solid-phase extraction 13 2.2.3 Analytical methods 15 2.3 Graphene and its application in analytical chemistry 19 2.3.1 Introduction 19 2.3.2 Synthesis methods of graphene 20 2.3.3 Application in sample pre-treatment 21 2.3.3.1 Graphene-based material as SPE sorbent 21 2.3.3.2 Graphene-coated fibers as SPME sorbent 22 2.3.3.3 Magnetic graphene as MSPE sorbent 23 2.3.3.4 Graphene-based MIPs 24 2.4 Chemcatcher®—a passive sampling technique 25 2.4.1 Introduction 25 2.4.2 Theory 26 2.4.2.1 Equilibrium passive sampling 27 2.4.2.2 Kinetic passive sampling 28 2.4.3 Concept of Chemcatcher® 28 2.4.4 Calibration of Chemcatcher® 33 2.4.5 Performance and reference compounds 36 3. Study objectives and hypotheses 39 3.1 Study objectives 39 3.2 Hypotheses 41 4. Material and methods 43 4.1 Materials 43 4.1.1 Chemicals and solutions 43 4.1.2 Consumable materials and instruments 44 4.2 Synthesis of graphene-silica composite 46 4.3 SPE experiments 49 4.3.1 Packing method 49 4.3.2 SPE procedure 49 4.3.3 Optimization of SPE procedures 51 4.3.4 Repeatability and reusability test 52 4.4 Chemcatcher® experiments 53 4.4.1 Preparation and precondition 53 4.4.2 Calibration of Chemcatcher® 55 4.4.2.1 Preliminary test 55 4.4.2.2 Experimental design of the beaker batch tests 56 4.4.2.3 Experimental design of the flow-through system 57 4.4.3 Monitoring application of Chemcatcher® in surface water 59 4.4.4 Elution process 60 4.4.5 Statistic data evaluation 61 4.5 HPLC-MS/MS analysis 62 5. Results and discussion 63 5.1 Preparation and characterization of graphene-silica composite 63 5.2 SPE performance of the graphene-silica composite 67 5.2.1 Preliminary test of packing methods 67 5.2.2 Optimization of SPE procedures 68 5.2.2.1 The amount of sorbent 68 5.2.2.2 Graphene ratio in the composites 68 5.2.2.3 pH value of the water sample 69 5.2.3 Repeatability and reusability test 72 5.2.3.1 Performance of the off-line SPE 72 5.2.3.2 Repeatability and reusability test results 75 5.2.4 Summarized discussion of the SPE performance 76 5.3 Calibrating results of Chemcatcher® 86 5.3.1 Pre-test results 86 5.3.1.1 Feasibility test of commercial disks as receiving phase 86 5.3.1.2 Stability test 88 5.3.1.3 Elution optimization. 88 5.3.1.4 Recovery of the filters 92 5.3.2 Calibration results of renewal experiments 93 5.3.2.1 SDB-XC disks without and with membranes 93 5.3.2.2 Graphene-silica composite as receiving phase 97 5.3.3 Calibration results of the flow-through system experiments 101 5.3.3.1 Determination of experimental parameters 101 5.3.3.2 Concentration control 103 5.3.3.3 Calibration results 105 5.3.3.4 Preliminary evaluation of performance and reference compounds 112 5.4 Application of Chemcatcher® in surface water 114 5.5 Discussion about problems of commercial disks as receiving phase in Chemcatcher® 118 5.5.1 Deformation of commercial disks 118 5.5.2 The particles in the solution after elution 119 6. Conclusion and perspective 121 7. Annex 125 7.1 Material and methods 125 7.1.1 Chemicals 125 7.1.2 Silica gel and graphene oxide 144 7.1.3 Microwave reduction program 144 7.1.4 Working schedule of the calibration experiments in flow-through system 144 7.1.5 HPLC-MS/MS conditions 146 7.2 Experimental results 149 7.2.1 Stability of the colloid solution of graphene oxide 149 7.2.2 EDX analysis results 149 7.2.3 HPLC-MS/MS results 152 7.2.4 Calibrating results of the beaker renewal experiment 153 7.2.5 Calibrating results of the flow-through system experiments 157 7.2.6 Monitoring results in the Elbe River 161 Reference 163