Sistemas analíticos de respuesta rápida basados en el acoplamiento directo de soportes planos y técnicas instrumentales

Abstract

En las últimas décadas, la Química Analítica ha estudiado en profundidad el desarrollo de metodologías capaces de proporcionar resultados fiables de manera rápida para así responder a la creciente demanda informativa de la sociedad actual. En este contexto, la etapa de tratamiento de muestra se ha visto directamente afectada debido al tiempo que requiere y, además, por ser la principal fuente de error como consecuencia del alto grado de participación humana. La simplificación, miniaturización y automatización han sido las principales fuerzas impulsoras de la evolución del tratamiento de muestra en estos años. La aplicación de estas tres tendencias ha dado lugar a la aparición de las técnicas de microextracción. La reducción del consumo de reactivos, disolventes y energía, así como de los residuos generados, responden al compromiso social y medioambiental de la Química Verde y, al mismo tiempo, contribuyen al desarrollo de metodologías simples capaces de proporcionar resultados de calidad en un tiempo reducido. Esta simplificación engloba, asimismo, a los materiales sorbentes empleados en las técnicas de microextracción. En esta línea, los dispositivos analíticos basados en papel han despertado un gran interés debido a las múltiples ventajas de este material como fase sorbente, entre las que destacan su flexibilidad, porosidad y bajo coste. Asimismo, en los últimos años, la modificación del papel con distintos materiales ha sido una tendencia estable que ha derivado en la mejora de la versatilidad de este soporte. La modificación del papel con polímeros o nanomateriales ha hecho posible el desarrollo de soportes planos con una elevada área superficial capaces de interaccionar con una gran variedad de analitos. No obstante, los procedimientos llevados a cabo para la modificación del papel a menudo son complicados y requieren un control muy estricto de las condiciones experimentales. Por este motivo, es necesario buscar alternativas capaces de solventar estas dificultades. La simplificación de la etapa de tratamiento de muestra no supondría un gran avance si las técnicas instrumentales empleadas para la determinación de los analitos no estuviesen igualmente influenciadas por esta tendencia. En este sentido, los soportes basados en papel han sido también muy útiles debido a su fácil manipulación y acoplamiento con técnicas instrumentales, como las técnicas espectroscópicas (fluorimetría, Raman, etc.) o la espectrometría de masas en la modalidad de paper-spray. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, el objetivo principal de la Tesis Doctoral presentada en esta Memoria es el desarrollo de sistemas analíticos de respuesta rápida basados en el acoplamiento directo de soportes planos basados en papel con técnicas instrumentales, tales como la fluorimetría, la espectroscopia Raman y/o la espectrometría de masas. De este objetivo principal, surgen los siguientes objetivos específicos: • Síntesis de soportes planos basados en papel compatibles con espectrometría de masas en la modalidad de infusión directa. Este objetivo se afronta en los Bloques II y III con el desarrollo de dos soportes planos basados en papel. En primer lugar, se ha explotado la capacidad sorbente intrínseca del papel (Capítulo 2). En el segundo caso, se ha modificado papel de filtro con un polímero de impresión molecular para mejorar la selectividad en el aislamiento de los analitos (Capítulo 5). • Síntesis de soportes planos basados en papel compatibles con técnicas espectroscópicas. En el Capítulo 3 de la Memoria se describe el empleo de sorbentes con una alta selectividad en diversas técnicas instrumentales. Por otro lado, se ha desarrollado un sustrato basado en papel modificado con un polímero de impresión molecular y se ha propuesto su acoplamiento con fluorimetría (Capítulo 4). • Síntesis de soportes planos basados en papel duales compatibles tanto con técnicas espectroscópicas como con espectrometría de masas. Esta investigación se desarrolla en el Bloque IV de la Memoria, donde se describen las tendencias sobre las membranas modificadas con nanomateriales (Capítulo 6). Además, se llevó a cabo la modificación de un sustrato basado en papel con nanoflores de plata para la determinación de ketoprofeno en muestra de saliva mediante espectroscopia Raman amplificada en superficie y espectrometría de masas ambiental en la modalidad de paper-spray (Capítulo 7). Por otro lado, también se han desarrollado los siguientes objetivos transversales durante el transcurso de la Tesis Doctoral: • Caracterización de los soportes sintetizados mediante diversas técnicas instrumentales. • Aplicación de los procedimientos desarrollados en el análisis de alimentos y muestras biológicas.

In the last decades, the development of methodologies able to provide rapid and reliable results has been deeply investigated in order to address the growing information demand of modern society. In this context, the sample preparation field is greatly concerning, since it is one of the most time-consuming steps and the main source of errors in the analytical procedure, due to the high level of human intervention. Simplification, automation and miniaturization have been the three main tendencies followed in the sample preparation field in the past years, leading to the rise of the microextraction techniques. Furthermore, the decrease of reagents, solvents and energy consumption agrees with the Green Chemistry principles and at the same time contributes to the development of methodologies capable of providing high-quality results in a shorter time. The simplification also involves the materials used in the microextraction techniques. Paper-based analytical devices have emerged as a very promising material due to the advantages of paper as a sorbent, e.g., flexibility, porosity or costeffectiveness. Likewise, the chemical modification of paper with different materials is a steady trend that has led to the increase of the versatility of this support. The modification of paper with polymers or nanomaterials has enabled the synthesis of flat supports with a high surface area able to interact with a wide variety of analytes. However, the procedures employed to carry out these modifications are usually tedious, and a strict control of the experimental conditions is mandatory. For this reason, it is of high importance searching for alternative methods that can overcome this drawback. The simplification of the sample preparation step must consider not only the materials used, but also the instrumental techniques employed for the determination of the analytes. In this sense, paper-based analytical devices have been really useful due to their easy handling and coupling to instrumental techniques, such as spectroscopic techniques or paper-spray mass spectrometry. Based on the foregoing, the foremost aim of this Doctoral Thesis is the development of rapid response analytical systems based on the coupling of paper-based flat supports and instrumental techniques, such as fluorimetry, Raman spectroscopy or mass spectrometry, together with substrates that can be simultaneously employed in different techniques. The specific objectives derived from this general objective are as follows: • Synthesis of paper-based flat supports compatible with direct infusion mass spectrometry. This research is detailed in Blocks II and III, where two paperbased flat supports are developed. On the one hand, the intrinsic sorbent capacity of non-modified cellulose was exploited in Chapter 2. On the other hand, the obtention of a molecularly imprinted paper is explained in Chapter 5 of this Doctoral Thesis. • Synthesis of paper-based flat supports compatible with spectroscopic techniques. The employment of selectivity enhanced sorbents with different instrumental techniques is described in Chapter 3 of this Doctoral Thesis. Furthermore, a molecularly imprinted paper-based analytical device was developed and combined with fluorimetry (Chapter 4). • Synthesis of dual paper-based flat supports compatible with both spectroscopic techniques and mass spectrometry. The results of this study are shown in Block IV, where the current trends about particle loaded membranes are firstly described (Chapter 6). On the other hand, the development of a silver nanoflower-coated paper for the determination of ketoprofen in saliva samples via Surface-enhanced Raman spectroscopy and ambient pressure mass spectrometry was carried out (Chapter 7). Additionally, the following specific objectives have been treated transversally throughout the entire Doctoral Thesis: • Characterization of the supports obtained employing various instrumental techniques. • Application of the developed procedures in the analysis of food products and biological samples.