Métodos analíticos verdes aplicados al análisis de especies químicas de relevancia ambiental

Abstract

Se denomina contaminante ambiental a toda sustancia química con efectos nocivos para la salud, la seguridad y el bienestar de los seres vivos. La creciente sensibilización respecto al impacto de las actividades agrícolas e industriales en el ambiente ha dado lugar al desarrollo de métodos para reducir los efectos de la contaminación, y los gobiernos han adoptado medidas de carácter regulatorio para minimizar las consecuencias negativas, garantizando el cumplimiento de las normas sobre calidad ambiental.Dentro de la amplia gama de contaminantes químicos se encuentran los agroquímicos, los hidrocarburos policíclicos aromáticos y los disruptores endócrinos. Los agroquímicos son sustancias ampliamente utilizadas en la actividad agrícola, y pueden generar efectos nocivos en los seres vivos por contacto directo o cuando se aplican en forma incorrecta. Por otra parte, los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs) se pueden encontrar naturalmente en combustibles fósiles o como productos de la combustión incompleta de la materia orgánica y son de alto riesgo por sus propiedades carcinogénicas. Finalmente, se ha acuñado el término de disruptores endócrinos para definir el conjunto de compuestos químicos de diferentes orígenes que interaccionan con el sistema hormonal de animales y del ser humano, interfiriendo en sus sistemas metabólicos, alterando tanto el crecimiento como la reproducción y causando enfermedades como el cáncer.La mayoría de los compuestos antes mencionados se encuentran catalogados como altamente peligrosos, razón por la cual es necesario desarrollar métodos analíticos sensibles que permitan determinar vestigios de estos contaminantes en muestras ambientales o que tomen contacto con los seres vivos.En el presente trabajo de tesis se propuso como objetivo desarrollar y validar nuevas estrategias y metodologías analíticas, siguiendo los protocolos de la química analítica verde, para la cuantificación de agroquímicos, HPAs y disruptores endócrinos seleccionados en matrices alimenticias y ambientales. Los métodos propuestos incluyeron el análisis quimiométrico de datos multivariados de origen espectroscópico y cromatográfico.En una primera instancia, se cuantificaron de manera simultánea diez agroquímicos, comprendiendo cuatro fungicidas (tiabendazol, fuberidazol, carbendazim y fenarimol), tres herbicidas (dicamba, imazaquin, norflurazon), dos insecticidas (carbaril, metiocarb) y un activador de crecimiento vegetal (1-naftol). Se desarrolló una nueva estrategia con datos de segundo orden obtenidos por cromatografía líquida de alta eficiencia acoplada a dos detectores en serie (detector de arreglo de diodos y detector de fluorescencia). La doble detección cromatográfica posibilitó la selección de la señal apropiada para cada analito (absorbancia y/o fluorescencia) y la aplicación de calibración multivariada con datos de segundo orden permitió obtener las ventajas propias de este tipo de calibración: resolución matemática de bandas cromatográficas parcialmente solapadas y cuantificación en presencia de potenciales interferentes (ventaja de segundo orden). Se destaca que por primera vez se obtuvieron matrices tiempo de elución-longitud de onda de emisión de fluorescencia a dos longitudes de onda de excitación distintas, mejorando notablemente la sensibilidad del análisis para los compuestos fluorescentes. El algoritmo utilizado en el procesamiento de los datos, MCR-ALS, permitió lograr una excelente selectividad en un sistema complejo. El método se aplicó a diferentes muestras de vegetales que potencialmente están en contacto con los agroquímicos investigados, incluyendo hongos comestibles, dos variedades de lechuga, brotes de alfalfa, pepino y apio. El tratamiento de dichas muestras fue muy sencillo y el análisis cromatográfico, bajo condiciones isocráticas, se llevó a cabo en menos de 5 minutos.En una segunda etapa del trabajo, se obtuvieron datos de tercer orden de origen cromatográfico con matrices de excitación y emisión fluorescente (CL-MEEF) medidas en línea con el objetivo de determinar un conjunto de HPAs. El procesamiento de estos datos con herramientas quimiométricas permitió la cuantificación simultánea de ocho HPAs: fluoranteno, pireno, benzo[a]antraceno, criseno, benzo[b]fluoranteno, benzo[k]fluoranteno, benzo[a]pireno y dibenzo[a,h]antraceno.La estrategia experimental para obtener este tipo de datos consistió en reducir la velocidad lineal de flujo (VLF) de la fase móvil aumentando el diámetro del tubo que conecta la columna al detector fluorescente. De este modo, las MEEFs se registraron correctamente durante el experimento cromatográfico, sin implicar un tiempo largo de análisis total. Dado que el sistema resultante cumplió con el requisito de cuadrilinealidad, los datos se pudieron procesar con el modelo PARAFAC de cuatro vías. La ventaja de segundo orden nuevamente permitió la cuantificación de los analitos en presencia de constituyentes no calibrados, y se logró la resolución de un sistema con alto grado de colinealidad gracias a la ventaja de tercer orden. La calibración de tercer orden mejoró significativamente la selectividad y la sensibilidad del método, que se aplicó a diversas muestras de aguas previamente enriquecidas con los HPAs estudiados. Se empleó extracción en fase sólida, logrando determinar bajas concentraciones y recuperaciones adecuadas de los analitos en estudio.Continuando con esta línea de trabajo, se determinaron simultáneamente cuatro indicadores de la presencia de HPAs (benzo[a]pireno, benzo[a]antraceno, criseno y benzo[b]fluoranteno) en muestras de hojas de té. La cuantificación se llevó a cabo aplicando, por primera vez, calibración de tercer orden/cuatro vías a un sistema con modos instrumentales dependientes. Se utilizó un cromatógrafo líquido acoplado a un espectrofluorómetro de barrido rápido para obtener datos no-cuadrilineales tipo 4 adquiridos en línea, registrando MEEFs en función del tiempo de elución. El empleo de este tipo de datos de tercer orden no solo da lugar a métodos más sensibles y selectivos, sino que también reduce notablemente el tiempo de trabajo experimental en comparación con otras estrategias informadas para la adquisición de datos CL-MEEF. El algoritmo MCR-ALS permitió procesar los datos sin inconvenientes, concatenando dos modos instrumentales mutuamente dependientes (modo excitación-modo temporal). El método desarrollado se aplicó para la cuantificación de estos indicadores en diversas muestras de tés y se validó utilizando como método de referencia cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. De esta forma se logró cuantificar al conjunto de HPAs estudiados en niveles de concentración aún menores a los establecidos por la legislación para este tipo de muestras. En una etapa siguiente de esta tesis doctoral, y continuando con la cuantificación de HPAs con una metodología verde, se determinaron simultáneamente cinco HPAs pesados aplicando calibración de tercer orden/cuatro vías con datos no cromatográficos. La estrategia se basó en las propiedades luminiscentes de los HPAs, así como en su fácil degradación a través de la reacción de Fenton. Se siguió la evolución cinética de muestras conteniendo benzo[a]pireno, dibenzo[a,h]antraceno, benzo[b]fluoranteno, benzo[k]fluoranteno y benzo[a]antraceno en contacto con el reactivo de Fenton. Específicamente, se registraron las MEEFs de las muestras a diferentes tiempos de reacción, obteniendo de esta manera los datos de tercer orden MEEF-tiempo. Se consiguió además, un aumento de la sensibilidad del método, llevando a cabo la reacción en presencia de metil-β-ciclodextrina, responsable del aumento en la señal fluorescente de los analitos. En el procesamiento de datos se utilizó PARAFAC de cuatro vías y PARAFAC tres vías (modelado que se realizó con las MEEFs sin someter a los analitos a la degradación de Fenton). A partir de los resultados obtenidos con muestras conteniendo potenciales interferentes se demuestra la clara superioridad de la calibración de tercer orden respecto a la calibración de segundo orden. El método desarrollado se aplicó exitosamente a diferentes muestras de aguas. El empleo de un simple tratamiento de extracción en fase solida con membranas de C18 permitió cuantificar a los analitos en niveles de partes por trillón.En la etapa final de la tesis se decidió diseñar un procedimiento similar al anterior para la determinación simultánea de dos xenoestrógenos de interés, bisfenol A y nonilfenol, que muestran propiedades fluorescentes similares. En efecto, la calibración de tercer orden/cuatro vías utilizando las medidas de MEEFs en función del tiempo de reacción durante la degradación de Fenton de estos analitos, mejoró notablemente la sensibilidad del método, proporcionando también la selectividad requerida para cuantificar analitos con señales fluorescente severamente superpuestas. Aunque PARAFAC de cuatro vías resolvió el sistema en ausencia de interferentes, U-PLS/RTL y MCR-ALS fueron los modelos adecuados para predecir satisfactoriamente las concentraciones de ambos analitos en muestras reales de materiales plásticos conteniendo otros constituyentes no calibrados.En conclusión, se desarrollaron novedosas estrategias experimentales simples que, asociadas a diversos tratamientos quimiométricos, permitieron generar métodos analíticos más sensibles y selectivos. En este trabajo se pudo determinar fácilmente contaminantes peligrosos en muestras de relevancia ambiental gracias a la implementación de metodologías que respetan los postulados de la química verde, logrando cortos tiempos de análisis, sencillos tratamientos de las muestras y, en especial, un mínimo consumo de solventes orgánicos.