Coupling of chromatographic techniques and mass spectrometry and ion mobility spectrometry : targeted and untargeted studies

Abstract

Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo y validación de métodos analíticos innovadores, que combinan la cromatografía de gases (GC) o la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) con detectores como la espectrometría de masas (MS), la espectrometría de movilidad iónica (IMS), detección mediante fila de diodos (DAD) y fluorescencia (FD) para la determinación de distintos tipos de analitos, como nitrosaminas (NAs), protoporfirinas, pteridinas y compuestos orgánicos volátiles (COV), en muestras alimentarias y biológicas, utilizando para ello dos estrategias diferentes que varían según el tipo de información que se busca obtener del estudio: el enfoque dirigido y enfoque no dirigido. Para llevar a cabo estas investigaciones, se han empleado las disciplinas emergentes foodómica y volatilómica. En la primera Sección de esta Tesis Doctoral se han desarrollado cinco métodos analíticos para la determinación de tres grupos específicos de compuestos analíticos. En el Capítulo I de esta Tesis Doctoral se han determinado y cuantificado NAs carcinogénicas en productos cárnicos mediante GC-MS, examinando específicamente si los envoltorios de goma elástica pueden incrementar sus niveles. En el Capítulo II, se ha desarrollado y validado un método analítico para la determinación de 15 NAs en muestras de heces y se ha estudiado cómo influye la dieta en la concentración de estos compuestos cancerígenos empleando un modelo animal de ratas en las que se ha inducido carcinogénesis. En el Capítulo III, se ha explorado la composición de protoporfirinas en jamones cocidos, elaborados tanto con nitritos como sin ellos. En el Capítulo IV, se ha investigado el potencial de las protoporfirinas en muestras de orina como biomarcadores de anemia en pacientes con la enfermedad inflamatoria intestinal, ya que los marcadores convencionales para monitorizar la anemia pueden ser ineficaces debido a la influencia de la inflamación. En el Capítulo V, se han monitorizado pteridinas en muestras de orina utilizando como método de preparación de la muestra una técnica conocida como diluir y disparar (dilute-and-shoot) que implica una mínima manipulación de la muestra. Este estudio exploró la correlación entre la presencia de pteridinas y diversas enfermedades, evaluando su potencial como biomarcadores prometedores. En la segunda Sección de esta Tesis Doctoral se han desarrollado cinco métodos analíticos empleando el enfoque no dirigido. Concretamente, aplicando la volatilómica se han analizado las huellas espectrales características de diversas matrices, permitiendo la detección de los compuestos volátiles presentes. El Capítulo VI recoge una revisión bibliográfica de los trabajos realizados hasta la fecha sobre el uso de la instrumentación IMS para la detección de COVs en el ámbito clínico. En el Capítulo VII, se investigó cómo el reemplazo de nitritos por polifenoles en la dieta de jamón cocido afecta la peroxidación lipídica luminal y la formación de focos desprovistos de mucina y aldehídos fecales genotóxicos en un modelo de cáncer de colon en ratas. En los Capítulos VIII, IX y X, se han realizado estudios para clasificar melocotones y peras de acuerdo con su origen geográfico, con el fin de validar la denominación de origen protegida otorgada recientemente a varias variedades en la Región de Murcia, cuyos perfiles de COVs no habían sido previamente examinados. Además, se han realizado estudios para predecir el estado óptimo de maduración de estas frutas, garantizando la calidad de la fruta y evitando pérdidas económicas. Finalmente, en el Capítulo XI se han desarrollado dos métodos analíticos basados en el volatiloma para asegurar la calidad del zumo de limón, ofreciendo una alternativa al método aplicado en la industria alimentaria basado en el uso de parámetros químicos de referencia o en el empleo de la técnica espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR).

This Doctoral Thesis focuses on the development and validation of innovative analytical methods combining gas chromatography (GC) or high performance liquid chromatography (HPLC) with detectors such as mass spectrometry (MS), ion mobility spectrometry (IMS), diode array detection (DAD) and fluorescence detection (FD) for the determination of different types of analytes such as nitrosamines (NAs), protoporphyrins, pteridines and volatile organic compounds (VOCs) in food and biological samples, using two different strategies depending on the type of information sought from the study: The targeted approach and the non-targeted approach. The emerging disciplines of foodomics and volatilomics have been used to carry out these studies. In the first part of this Thesis, five analytical methods were developed for the determination of three specific groups of analytical compounds. In Chapter I of this Doctoral Thesis, carcinogenic NAs in meat products were determined and quantified by GC-MS, with particular reference to the possibility that elastic rubber wrapping may increase their levels. In Chapter II, an analytical method for the determination of 15 NAs in faecal samples was developed and validated, and the influence of diet on the concentration of these carcinogenic compounds was studied using a rat model of induced carcinogenesis. In Chapter III, the composition of protoporphyrins in cooked ham, both with and without nitrites, was investigated. Chapter IV investigated the potential of protoporphyrins in urine samples as biomarkers of anemia in patients with inflammatory bowel disease, as conventional markers for monitoring anemia may be ineffective due to the influence of inflammation. In Chapter V, pteridines were monitored in urine samples using a sample preparation method known as dilute-and-shoot, which involves minimal sample manipulation. This study investigated the correlation between the presence of pteridines and various diseases and assessed their potential as promising biomarkers. In the second part of this Doctoral Thesis, five analytical methods have been developed using the non-directed approach. Specifically, volatilomics has been used to analyse the characteristic spectral fingerprints of different matrices, allowing the detection of the volatile compounds present. Chapter VI contains a literature review of the work carried out to date on the use of IMS instruments for the detection of VOCs in clinical settings. In Chapter VII, the effects of replacing nitrites with polyphenols in a cooked ham diet on luminal lipid peroxidation and the formation of mucinless foci and genotoxic faecal aldehydes in a rat model of colon cancer are investigated. In Chapters VIII, IX and X, studies were carried out to classify peaches and pears according to their geographical origin in order to validate the Protected Designation of Origin recently granted to several varieties in the Region of Murcia whose VOC profiles had not previously been studied. Studies have also been carried out to predict the optimum ripening stage for these fruits, in order to guarantee fruit quality and avoid economic losses. Finally, in Chapter XI, two analytical methods based on the volatilome have been developed to guarantee the quality of lemon juice, as an alternative to the method used in the food industry, which is based on the use of chemical reference parameters or the use of near infrared spectroscopy (NIR).