Nuevos disolventes supramoleculares funcionales para procesos de extracción analíticos

Abstract

La memoria de esta Tesis Doctoral se ha estructurado en las secciones que se comentan a continuación. En la primera sección (Introducción) se discute la necesidad de desarrollar estrategias de tratamiento de muestra que permitan el análisis de multicomponentes en los laboratorios de control de sustancias reguladas y en diferentes áreas de investigación, y se analizan las prestaciones ofrecidas por los tratamientos de muestras basadas en el uso de disolventes orgánicos convencionales. A continuación, se discute la necesidad de desarrollar nuevos disolventes, más sostenibles y con prestaciones más innovadoras en relación al análisis de multicomponentes y de poner a punto métodos independientes de la matriz de la muestra. En este contexto se analizan las prestaciones ofrecidas por los líquidos iónicos y disolventes eutécticos. Finalmente, y dado que los disolventes supramoleculares constituyen la base de las innovaciones propuestas en esta Memoria, se describen en la Introducción diferentes aspectos teóricos de los mismos y se presentan sus principales aportaciones en el análisis de multicomponentes. A continuación, distribuidos en cuatro bloques (Bloques A-D), se presentan los artículos científicos derivados de las investigaciones realizadas (Capítulos I-VII). Seguidamente, se han recapitulado las Conclusiones más relevantes de los diferentes estudios realizados. Por último, en los Anexos, se recogen otras publicaciones científicas en las cuales la doctoranda es coautora y que están relacionadas con la temática de la Tesis, así como las comunicaciones presentadas en congresos científicos y las actividades de divulgación realizadas. A continuación, se resume el contenido de cada uno de los cuatro bloques.

Bloque A. Biomonitorización de contaminantes emergentes en aves rapaces europeas Este bloque incluye dos capítulos (I-II) y son el resultado de la estancia de la doctoranda en los Departamentos de Biología y Química Analítica de la Norwegian University of Science and Technology (NTNU), en Trondheim, Noruega, en el marco de la acción COST CA16224. El capítulo I es una revisión crítica de los estudios de biomonitorización de contaminantes emergentes realizados en aves rapaces europeas en el periodo 2002-2020. La revisión se centra en las especies de aves rapaces investigadas, los tipos y concentraciones de contaminantes emergentes hallados, las matrices analizadas y las metodologías empleadas. Asimismo, se destacan los retos prioritarios que deberían abordarse, tanto desde un punto de vista de avance en el conocimiento sobre la distribución de contaminantes emergentes en aves rapaces, que son consideradas como centinelas de la contaminación ambiental por su posición en la cadena trófica, como desde el punto de vista de la necesidad de estrategias más eficientes y sostenibles para la determinación de contaminantes emergentes en este tipo de matrices. En el Capítulo II se muestran y discuten los resultados obtenidos en el estudio de la biomonitorización de bisfenoles y benzofenonas en diferentes tejidos de varias aves rapaces encontradas muertas en Francia y Groenlandia. Los tejidos analizados fueron músculo, riñón, hígado, cerebro, glándula sebácea y tejido adiposo. Se investigó la presencia y distribución en los diferentes tejidos de 8 bisfenoles y 5 benzofenonas. Este estudio se considera pionero en la detección de ambos tipos de contaminantes en aves rapaces. Bloque B. Desarrollo de plataformas genéricas de tratamiento de muestra para el control de contaminantes en alimentos Este bloque incluye el Capítulo III que recoge las investigaciones realizadas con el objetivo de desarrollar plataformas genéricas de tratamiento de muestra aplicables a la determinación de contaminantes en una amplia variedad de matrices. Para ello, las metodologías aplicadas deben ser independientes del tipo de matriz analizado. Con este fin, se desarrolla un método analítico basado en el uso combinado de (i) un disolvente supramolecular con propiedades de material de acceso restringido (SUPRAS-RAM), formado a partir de mezclas de agua, THF y hexanol y (ii) extracción en fase sólida dispersiva (dSPE) utilizando una amina primariasecundaria (PSA) y sulfato de magnesio. El método se aplicó en la determinación de coccidiostatos ionóforos en todas las matrices de origen animal legisladas (riñón, hígado, músculo, grasa, leche y huevo). El método se validó de acuerdo a las directrices de la Comisión Europea (2002/657/EC). Bloque C. Desarrollo de plataformas de tratamiento de muestra para la monitorización ambiental de contaminantes en un amplio intervalo de polaridad El siguiente bloque incluye el Capítulo IV que recoge las investigaciones dirigidas a ampliar el intervalo de polaridad de los contaminantes que pueden extraerse utilizando disolventes supramoleculares. Para ello se sintetizan SUPRASs a partir de disoluciones coloidales de anfifilos de doble cabeza polar (concretamente el 1,2- decanediol, en mezclas de THF y agua). Se establecen las condiciones experimentales para la formación del SUPRAS, se estudia el volumen disolvente que se genera en función de las condiciones de síntesis, y se determina la composición química y las propiedades fisicoquímicas de los coacervados obtenidos. Asimismo, se caracterizan las nanoestructuras que conforman el SUPRAS utilizando microscopía óptica y electrónica. Por último, se han evaluado sus propiedades extractivas, mediante la determinación de compuesto perfluorados de distinta polaridad (log P en el intervalo 0,4-11,6) en muestras de agua ambiental. Bloque D. Desarrollo de plataformas de tratamiento de muestra para el análisis de multicomponentes en control antidopaje Este bloque contiene tres capítulos (Capítulos V-VII) dirigidos al desarrollo de plataformas de tratamiento de muestra para el análisis de multicomponentes en control antidopaje. Las sustancias prohibidas por la Agencia Mundial Antidopaje (World Antidoping Agency, WADA) incluyen 10 grupos de compuestos y sus metabolitos que en total suman más de 400 sustancias. Además de estos compuestos, están prohibidas todas las sustancias con estructura o efecto semejantes a las que están incluidas en la lista. Todas las investigaciones recogidas en este bloque se han desarrollado en colaboración con el Laboratorio de Control del Dopaje de Madrid. En el Capítulo V, se muestran los resultados obtenidos en un amplio estudio dirigido a determinar el efecto de seis fases estacionarias y cuatro tipos de fases móviles en la separación de 93 sustancias prohibidas (log P en el intervalo -2,4 a 9,2) pertenecientes a los 10 grupos de sustancias prohibidas por WADA. Los parámetros investigados incluyeron factores de retención, factores de asimetría, tiempo de desarrollo cromatográfico y efectos matriz. A partir de los resultados obtenidos, se discuten y proponen las condiciones cromatográficas óptimas para la detección y cuantificación de las sustancias prohibidas por WADA. En el Capítulo VI se describe el desarrollo de SUPRASs a partir de 1,2-hexanediol en disoluciones acuosas salinas (1 M, Na2SO4). Se determinan los diagramas de fases para delimitar las condiciones experimentales para la formación del SUPRAS, se estudia el volumen disolvente que se genera en función de las condiciones de síntesis, y se determina la composición química y las propiedades fisicoquímicas de los coacervados obtenidos. Asimismo, se caracterizan las nanoestructuras que conforman el SUPRAS utilizando microscopía óptica y electrónica. Se demuestra que el SUPRAS, integrado por estructuras cubosómicas que tienen un elevado contenido de agua, extrae eficientemente 93 sustancias prohibidas (log P en el intervalo -2,4 a 9,2) pertenecientes a los 10 grupos de sustancias prohibidas por WADA, a la vez que reduce eficazmente los efectos matriz en cromatografía de líquidos acoplada a espectrometría de masas con fuente de ionización electrospray (LC-ESI-MS/MS.)En el último capítulo (Capítulo VII) la estrategia se amplía al cribado de sustancias prohibidas mediante cromatografía de gases acoplada a tiempo de vuelo con fuente de ionización electrospray (LC-ESI-TOF). Todos los métodos se han validado de acuerdo a la normativa establecida por WADA.

This Doctoral Thesis is structured in various sections. In the Introduction, the need of developing sample treatment methodologies that allows the analysis of regulated multicomponents in control laboratories and in other research areas is discussed. The analysis of the benefits offered using sample treatments that are based on the use of conventional organic solvents are also commented. Next, the need of developing new sustainable solvents with innovative features is discussed. These features are related to the analysis of multicomponents and to methods that are independent to the sample matrix. The advantages provided by ionic liquids and eutectic solvents are also discussed. Finally, since supramolecular solvents are the basis of this Thesis, their theoretical aspects and their contribution in the multicomponent analysis field are shown in the Introduction as well. Next, the content of the Thesis is distributed along four different blocks (Blocks A-D) in which the different scientific articles derived from this research are included (Chapters I-VII). Subsequently, the most relevant conclusions of the different studies are recapitulated. Finally, in the Annexes, other scientific publications in which the PhD student is co-author and which are related to the subject of this Thesis, as well as communications presented at scientific conferences, are included. The content of each of the blocks is summarized below. Block A. Biomonitoring of emerging contaminants in European raptors. This block includes two chapters (I-II) and are the result of the stay of the PhD student at the Biology and Analytical Chemistry Departments of the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), in Trondheim (Norway), within the framework of the COST Action CA16224. The Chapter I is a critical review on the biomonitoring of emerging contaminants in European raptors, in the period 2002-2020. The review discusses the species of raptors that have been investigated, the type and the concentration levels of contaminants found, the analyzed matrices and the methodologies that were used. Likewise, some priority challenges that should be addressed are highlighted. On one hand the knowledge advance in the distribution of the emerging contaminants in raptors, which are consider sentinels of the environment pollution due to their position in the food chain, is described. On the other hand, the need of establishing more efficient and sustainable methodologies for the determination of emerging contaminants in these types of matrices is also described. Chapter II covers the results of the study on the biomonitoring of bisphenols and benzophenones in tissues of raptors found dead in France and Greenland. The analyzed tissues were muscle, kidney, liver, brain, preen land and fat and the presence and distribution of 8 bisphenols and 5 UV-filter benzophenones were studied. This is the first study that analyze both types of contaminants in raptors. Block B. Development of generic sample treatment platforms for the control of contaminants in foods. This block includes Chapter III and it shows the research activities carried out with the aim of developing generic sample treatment platforms that are applicable to the determination of contaminants in a wide variety of matrices. For this purpose, the applied methodologies should be independent of the analyzed matrices. The developed analytical method is based on the combined use of (i) a supramolecular solvent with restricted access material properties (SUPRAS- RAM), formed from mixtures of water, THF and hexanol and (ii) dispersive solid phase extraction (dSPE) using a primary-secondary amine (PSA) and magnesium sulfate. The method was applied to the determination of ionophore coccidiostats in all the legislated matrices (kidney, liver, muscle, fat, milk and egg). The method was also validated in accordance with the European Commission (2002/657/EC). Block C. Development of sample treatment platforms for the environmental monitoring of contaminants in a wide polarity range. The following block includes Chapter IV, which shows the research activities that were carried out to increase the polarity range of the contaminants that can be extracted with supramolecular solvents (SUPRASs). For this purpose, the SUPRASs were formed from colloidal solutions of double-headed amphiphiles (1,2-decanediol in THF and water mixtures). The experimental conditions for the SUPRAS formation were established. The generated solvent volume according to the established synthetic conditions, the chemical composition and the physicochemical properties of these coacervates were also studied. Likewise, the nanostructures of the SUPRAS were characterized with optic and electronic microscopy. Finally, their extractive properties were studied by the determination of perfluorinated compounds with different polarities (log P in the range 0.4-11.6) in environmental water samples. Block D. Development of sample treatment platforms for the analysis of multicomponents in antidoping control. This block includes three chapters (Chapters V-VII) focused on the development of sample treatment platforms for the analysis of multicomponents in antidoping control. The substances that are included in the Prohibited List of the World Antidoping Agency (WADA), contain 10 compound groups and their metabolites that involve a total of 400 compounds. In addition to these compounds, all the susbstances that have a similar structure or effect are also included in this List. All the investigations collected in this block were developed in cooperation with the Antidoping Control Laboratory of Madrid (Spain). Chapter V shows the results obtained in a wide study on the effect of six stationary and four mobile phases for the separation of 93 banned substances (log P in the range -2.4 to 9.2) corresponding to the 10 WADA groups of prohibited substances. The investigated parameters include retention factors, assymetry factors, total chromatographic run time and matrix effects. From these results, the optimal chromatographic conditions for the detection and quantification of the substances prohibited by WADA are discussed. In Chapter VI, the development of SUPRASs formed from 1,2-hexanediol molecules contained in salty water solutions (1 M, Na2SO4) is described. The phase diagrams are determined to define the experimental conditions for SUPRAS formation. The solvent volume that is produced on the basis of the different synthetic conditions established is also studied. The chemical composition and the physicochemical properties of the coacervates obtained shown too. Likewise, the nanostructures are characterized by using optic and electronic microscopy. Thus, the formation of a SUPRAS made of cubosomic structures was demonstrated. These structures have a high water content and are able to efficiently extract 93 prohibited substances (log P in the range -2.4 to 9.2) belonging to the 10 groups of substances banned by WADA. At the same time, these SUPRASs efficiently remove matrix effects in LC-ESIMS/ MS. In the last chapter (Chapter VII), this strategy is extended to the screening of prohibited substances with LC-ESI-TOF. All the methods were validated in accordance to the regulations established by WADA.