Microextracción dispersiva con nanopartículas magnéticas y en fase líquida acoplada a técnicas cromatográficas

Abstract

En los últimos años las técnicas miniaturizadas han centrado una parte muy importante de las investigaciones en el área de Química Analítica y, en particular, en la etapa de preparación de la muestra. Los métodos analíticos desarrollados en la presente Tesis Doctoral no son ajenos a esta tendencia, habiéndose desarrollado procedimientos basados en microextracción en fase líquida (LPME) y en fase sólida magnética (MSPE), que han permitido mejorar la sensibilidad de los procedimientos analíticos, ya que los compuestos de interés son aislados de la muestra y preconcentrados en un microvolumen de extractante que puede encontrarse en fase líquida o sólida. Además, de forma simultánea, se produce un efecto de limpieza en la muestra, que redunda en una mejora de la selectividad de los métodos. De entre las diferentes variantes de LPME, la microextracción dispersiva líquido-líquido (DLLME) ha demostrado marcadas ventajas sobre el resto, siendo la técnica LPME seleccionada en esta Tesis. Además de aplicar DLLME en su versión clásica usando disolventes extractantes más densos que el agua, algunas modificaciones han supuesto un paso más hacia la minimización del uso de disolventes orgánicos tóxicos: las fases extractantes más ligeras que el agua y compatibles con la fase móvil empleada en cromatografía líquida (LC) en fase reversa, la generación in situ de líquidos iónicos y la posibilidad de omitir el uso de dispersantes en determinadas muestras. Aunque el análisis de los extractos obtenidos en la etapa de microextracción puede abordarse a través de distintos sistemas instrumentales, los métodos cromatográficos permiten separar compuestos estrechamente relacionados. La combinación de los procedimientos de microextracción con LC y cromatografía de gases (GC) ha permitido en esta Tesis el desarrollo de métodos selectivos, sensibles y precisos, que además, pueden ser englobados en el marco de la Química Analítica Verde, ya que el consumo de disolventes orgánicos tóxicos es nulo o muy bajo, así como el de muestra, generando por tanto cantidades muy pequeñas de residuos. Un inconveniente de la combinación de la microextracción con las técnicas cromatográficas reside en la posible incompatibilidad entre el extracto enriquecido con los analitos y el sistema de separación. La evaporación del disolvente extractante y la reconstitución del residuo seco en una fase compatible con la modalidad de LC seleccionada o el uso de sistemas de desorción térmica para análisis GC de líquidos iónicos conteniendo los analitos, han sido las soluciones aplicadas en esta Tesis Doctoral. La detección de los compuestos separados se ha llevado a cabo usando espectrometría de masas. Para GC, la ionización de los analitos se produce mediante una fuente de impacto electrónico y el analizador es un cuadrupolo simple, mientras que para LC, la fuente de electrospray posibilita el acoplamiento de dos sistemas incompatibles, siendo el analizador empleado un triple cuadrupolo, que permite identificaciones inequívocas siguiendo los patrones de fragmentación. La selección de las condiciones óptimas en microextracción se ha llevado a cabo aplicando métodos estadísticos multivariantes, ya que existen variables directamente interrelacionadas. La aplicación de diseños Taguchi y de tipo central compuesto resultaron muy buenas herramientas para la selección de las condiciones experimentales que proporcionaban la mejor eficiencia de preconcentración. En esta Tesis se presentan seis métodos analíticos que demuestran la aplicabilidad de la combinación de las técnicas de microextracción con las separaciones cromatográficas para la resolución de temas de interés en distintos ámbitos. Así, dentro del campo del análisis de alimentos se ha propuesto la determinación de terpenos en bebidas alcohólicas y uva, diferenciando entre las formas libres y glicosiladas a través de hidrólisis enzimática (Capítulos I y II). Más concretamente en relación a seguridad alimentaria, la determinación de inhibidores de la enzima fosfodiesterasa tipo 5 (PDE-5) se ha abordado en bebidas energéticas y en suplementos dietéticos, pudiendo detectar fraudes por presencia de compuestos no declarados en la composición de los productos comerciales (Capítulo V). La determinación de inhibidores de PDE-5 en pelo humano puede resultar una aportación de interés en el ámbito forense. Procedimientos analíticos para control ambiental han sido propuestos en los Capítulos III, IV y VI para la determinación de clorobencenos, toxinas marinas lipofílicas y herbicidas tipo ácido clorofenoxi en suelos y aguas de distinta procedencia. Todos los métodos desarrollados han sido validados, de acuerdo con las guías internacionales, a través de las características analíticas más relevantes (intervalos de linealidad, exactitud, precisión y sensibilidad) y aplicados al análisis de muestras reales de muy diferente naturaleza.

In recent years, miniaturized techniques have focused on a very important part of research in the area of Analytical Chemistry, and, particularly, in the sample pretreatment step. The analytical methods developed in this Doctoral Thesis follow to this trend, and procedures based on liquid phase microextraction (LPME) and magnetic solid phase microextraction (MSPE) have been developed, leading to improved sensitivity of the analytical procedures, since the compounds of interest are isolated from the sample and preconcentrated in a microvolume of extractant that can be found in liquid or solid phase. Furthermore, a cleaning effect is simultaneously produced in the sample, which results in improved method selectivity. Among the different variants of LPME, dispersive liquid-liquid microextraction (DLLME) has shown marked advantages over others, and is the technique selected in this Thesis. In addition to the classical version using extraction solvents denser than water, some modifications have been applied to minimize the use of toxic organic solvents: extraction phases which are lighter than water and compatible with the mobile phase used in reversed phase-liquid chromatography (LC); the in situ generation of ionic liquids and the possibility of omitting the use of dispersants in certain samples. Although the analysis of extracts obtained in the microextraction stage can be approached through various instrumental systems, chromatographic methods offer the possibility of separating closely related compounds. The combination of microextraction procedures with LC and gas chromatography (GC) enabled the development of selective, sensitive and accurate methods in this Thesis, and they can, in addition, be included in the framework of Green Analytical Chemistry, since the consumption of both toxic organic solvents and amount of sample is very low, thus generating little waste. One drawback of the combination of microextraction with chromatographic techniques is the possible incompatibility between the extract enriched with the analytes and the separation system. The evaporation of the extractant solvent and the reconstitution of the dry residue in a phase compatible with the selected LC mode or the use of thermal desorption systems for GC analysis of ionic liquids containing the analytes are the solutions applied in this PhD Thesis. The detection of the separated compounds was performed with mass spectrometry. For GC, the ionization of the analytes was produced by an electronic impact source and the analyzer was a single quadrupole, while for LC, the electrospray source allowed the coupling of two incompatible systems, and the analyzer used was a triple quadrupole, which enabled unambiguous identification following fragmentation patterns. The selection of optimal microextraction conditions was carried out by applying multivariate statistical methods, since there are directly related variables. Taguchi and Central Compound designs proved to be very good tools for the selection of the experimental conditions that provided the best preconcentration efficiency. Six analytical methods are presented in the Thesis, thus demonstrating the applicability of the combination of microextraction techniques with chromatographic separations for the resolution of interesting issues. Thus, within the field of food analysis, the determination of terpenes in alcoholic beverages and grapes, differentiating between free and glycosylated forms through enzymatic hydrolysis is proposed (Chapters I and II). Concerning food safety, the determination of PDE-5 enzyme inhibitors has been addressed in energy drinks and dietary supplements, with the ensuing detection of frauds due to the presence of undeclared compounds in the composition of commercial products (Chapter V). The determination of these inhibitors in human hair may be of interest in the forensic field. Analytical procedures for environmental control are proposed in Chapters III, IV and VI for the determination of chlorobenzenes, marine toxins and herbicides in soils and waters of different origins. All the methods developed have been validated, according to international guidelines based on the most relevant analytical characteristics (linearity intervals, accuracy, precision and sensitivity) and applied to the analysis of real samples of very different nature.