Materiales (bio)poliméricos como sustratos para el análisis de muestras mediante espectrometría de masas a presión atmosférica

Abstract

El análisis de muestras complejas (biofluidos, alimentos, muestras ambientales) supone un reto debido a la baja concentración en la que se encuentran presentes los analitos, así como a la cantidad de interferentes procedentes de la matriz de la muestra. Por ello, en la mayoría de los casos, es imprescindible una etapa de tratamiento de muestra previa a su análisis para preconcentrar los analitos, minimizar los interferentes y hacerla compatible con la técnica instrumental utilizada. Es conocido y aceptado ampliamente por la comunidad científica que esta etapa es la que mayor impacto tiene, tanto en la calidad de los resultados al estar más sujeta a errores, como en las cuestiones medioambientales que afectan negativamente a su sostenibilidad. Además, el coste de esta etapa es elevado debido al precio de los reactivos y fases sorbentes necesarios. Por ello, se han desarrollado distintas estrategias basadas en la miniaturización de las fases sorbentes para reducir el volumen de disolventes orgánicos y de muestras, dando lugar a la técnicas de microextracción. Asimismo, la miniaturización de los reactivos y muestras necesarios permite simplificar el proceso analítico. Sin embargo, esto no ha sido suficiente para reducir el impacto ambiental de esta etapa. Durante en los últimos años se ha extendido el uso de materiales naturales como fases sorbentes para la extracción de analitos de las muestras de interés. Estos materiales presentan un componente sostenible y asequible, siendo una alternativa viable a los materiales comerciales, que presentan un mayor coste, así como a los materiales sintéticos, cuya preparación implica un mayor impacto ambiental. Además, su empleo en este ámbito es bastante simple, pudiendo emplearse sin modificar o tras un procedimiento sencillo de modificación. Por otra parte, el uso de detectores lo suficientemente sensibles y selectivos también contribuye a simplificar el proceso analítico, obviando la etapa de separación previa a la detección de los analitos. Concretamente, el uso de la espectrometría de masas permite prescindir del uso de técnicas cromatográficas o electroforéticas, reduciendo el tiempo de análisis por muestra y el consumo de disolventes utilizados como fase móvil. Esta eliminación de la etapa de separación de los analitos puede acarrear un efecto negativo en la sensibilidad del método, debido a la supresión de la ionización producida por la entrada simultánea de los iones en el espectrómetro de masas. Sin embargo, esta limitación puede ser paliada con una etapa de tratamiento de muestra previa a la medida instrumental. Esta modalidad, conocida como infusión directa acoplada a espectrometría de masas, permite obtener una mayor frecuencia de análisis de muestras, reduciendo el consumo de disolventes orgánicos utilizados como fase móvil y, consecuentemente, disminuye el coste y el impacto ambiental del método analítico. Existe una modalidad de espectrometría de masas, conocida como espectrometría de masas a presión atmosférica, en la que se prescinde de los módulos del instrumento asociados a la introducción de la muestra, al bombeo de fases móviles y a la separación de los analitos. De esta forma, solo se utiliza el módulo correspondiente al espectrómetro de masas. Dentro de la espectrometría de masas a presión atmosférica existe una técnica denominada de substrate spray, que consiste en la formación del electrospray que contiene los analitos al añadir un disolvente orgánico y aplicar un alto voltaje a un material acabado en punta, conocido como elemento emisor del electrospray. En el caso en el que el elemento emisor del electrospray también actúe como dispositivo de extracción, el proceso analítico se simplifica al realizar un acoplamiento directo del proceso de tratamiento de muestra con la técnica instrumental utilizada, en este caso la espectrometría de masas. En base a la casuística previamente expuesta, el objetivo general de la presente Tesis Doctoral es la evaluación del potencial de los materiales (bio)poliméricos como sustratos para el análisis de muestras mediante espectrometría de masas a presión atmosférica. Para alcanzar este objetivo general, se proponen los siguientes objetivos específicos indicando la parte de la memoria en la que se encuentran los resultados obtenidos: • Uso de materiales naturales como fases sorbentes en el ámbito de la microextracción, descrito en el Capítulo 1 del Bloque I. Este capítulo introduce el papel de la madera y del algodón como fases sorbentes, cuyo potencial se desarrolla de forma transversal a lo largo de la memoria. • Acoplamiento directo de la etapa de tratamiento de muestra con la espectrometría de masas a presión atmosférica en la modalidad de substrate spray, descrito en el Capítulo 2 del Bloque I. • Uso de materiales composite basados en la combinación de polímeros y nanopartículas en el microextracción. El Bloque II describe el potencial de estos materiales nanocomposite poliméricos como fases sorbentes, así como sus diferentes procesos de síntesis y las diferentes propiedades que presentan. En el Capítulo 3 de la memoria, se clasifican los materiales nanocomposite poliméricos en función de su naturaleza y se describen las diferentes aplicaciones en las que han sido utilizadas en el contexto del tratamiento de muestra. El Capítulo 4 describe el uso de los nanocomposites poliméricos en el análisis de muestras ambientales. • Uso de la madera, como sorbente y sustrato, en espectrometría de masas. En el Capítulo 5 correspondiente al Bloque III, se realiza una revisión bibliográfica del uso de la madera, mayoritariamente en forma de palillos de madera, tanto en el análisis directo de muestras como en el tratamiento de muestras complejas para su posterior análisis. El Capítulo 6 describe el uso de palillos de madera recubiertos de nylon-6 como fase sorbente en el análisis de drogas de abuso en muestras de saliva. El Capítulo 7 detalla el efecto negativo que presentan los componentes intrínsecos de la madera en la formación del electrospray, así como la minimización de este efecto para el posterior uso de palillos de madera en microextracción. Además, se contempla la posibilidad de su uso en el análisis in vivo de fármacos gracias a la biocompatibilidad que presenta el material sorbente. • El diseño de nuevas interfases, basadas en agujas comerciales, para el acoplamiento de la etapa de tratamiento de muestra con la modalidad de substrate spray se detalla en el Bloque IV. Se describe el uso de las agujas, tanto hipodérmicas como con punta roma, como dispositivo de extracción y como elemento emisor del electrospray en el análisis de opioides en biofluidos. El Capítulo 8 describe el empaquetamiento de un material sorbente basado en fibras de algodón recubiertas de nylon-6 en la conexión luer de agujas hipodérmicas. El Capítulo 9 detalla una mejora del prototipo, permitiendo el uso de una mayor cantidad de fase sorbente, en este caso fibras de algodón recubiertas de polidopamina. Finalmente, el Capítulo 10 muestra una nueva interfase basada en el uso de intercambiadores catiónicos comerciales empaquetados en puntas de pipeta y acoplados a una aguja con punta roma. • Aplicación de las fases sorbentes descritas en los Bloques III y IV en el análisis de muestras biológicas por espectrometría de masas. Este objetivo específico es transversal a lo largo del desarrollo de la Tesis Doctoral y pone de manifiesto el potencial de los materiales e interfases desarrollados en el análisis de biofluidos.

The analysis of complex samples (biofluids, food, environmental samples) is a challenge due to the low concentration at which the analytes are present, as well as the amount of interferents from the sample matrix. Therefore, in most cases, a sample treatment step prior to analysis is essential to preconcentrate the analytes, minimize interferents and make it compatible with the instrumental technique used. It is well known and widely accepted by the scientific community that this stage has the greatest impact, not only on the quality of the results as it is more subject to errors, but also on the environmental issues that negatively affect its sustainability. In addition, the cost of this stage is high due to the price of the reagents and sorptive phases required. Therefore, different strategies have been developed based on the miniaturization of the sorbent phases to reduce the volume of organic solvents and samples, giving rise to microextraction techniques. Likewise, the miniaturization of the reagents and samples that are required simplifies the analytical process. However, this has not been enough to reduce the environmental impact of this stage. In recent years, the use of natural materials as sorptive phases for the extraction of analytes from the samples of interest has become widespread. These materials present a sustainable and affordable component, being a viable alternative to commercial materials, which present a higher cost, as well as to synthetic materials, whose preparation implies a greater environmental impact. Moreover, their use in this field is quite simple, and they can be used unmodified or after a simple modification procedure. On the other hand, the use of sufficiently sensitive and selective detectors also contributes to simplify the analytical process, avoiding the separation step prior to the detection of the analytes. Specifically, the use of mass spectrometry allows the elimination of chromatographic or electrophoretic techniques, reducing the analysis time per sample and the consumption of solvents used as a mobile phase. This elimination of the analyte separation step can have a negative effect on the sensitivity of the method, due to the suppression of ionization produced by the simultaneous entry of ions into the mass spectrometer. However, this limitation can be mitigated with a sample treatment step prior to instrumental measurement. This modality, known as direct infusion coupled to mass spectrometry, allows a higher frequency of sample analysis, reducing the consumption of organic solvents used as mobile phase and, consequently, decreasing the cost and environmental impact of the analytical method. There is a modality of mass spectrometry, known as ambient ionization mass spectrometry, in which the instrument modules associated with sample introduction, mobile phase pumping, and analyte separation are bypassed. Thus, only the module corresponding to the mass spectrometer is used. Within ambient ionization mass spectrometry, there is a technique called substrate spray, which consists of the formation of the electrospray containing the analytes by adding an organic solvent and applying a high voltage to a sharp material, known as the electrospray emitter. In the case where the electrospray emitter also acts as an extraction device, the analytical process is simplified by directly coupling the sample treatment process with the instrumental technique. Based on the previously exposed circumstances, the general objective of the present Doctoral Thesis is the evaluation of the potential of (bio)polymeric materials as substrates for the analysis of samples by mass spectrometry at atmospheric pressure. In order to achieve this general objective, the following specific objectives are proposed, indicating the part of the report where the results obtained are to be found: • Use of natural materials as sorbent phases in the field of microextraction, described in Chapter 1 of Block I. This chapter introduces the role of wood and cotton as sorbent phases, whose potential is developed transversally throughout the report. • Direct coupling of the sample treatment step with atmospheric pressure mass spectrometry in the substrate spray mode, described in Chapter 2 of Block I. • Use of composite materials based on the combination of polymers and nanoparticles in microextraction. Block II describes the potential of these polymeric nanocomposite materials as sorbent phases, as well as their different synthesis processes and the different properties they present. In Chapter 3 of the report, the polymeric nanocomposite materials are classified according to their nature and the different applications in which they have been used in the context of sample treatment are described. Chapter 4 describes the use of polymer nanocomposites in the analysis of environmental samples. • Use of wood as sorptive phases and substrate materials in mass spectrometry. In Chapter 5 corresponding to Block III, a bibliographic review of the use of wood, mostly in the form of wooden toothpicks, both in the direct analysis of samples and in the treatment of complex samples for subsequent analysis, is carried out. Chapter 6 describes the use of nylon-6 coated wooden toothpicks as a sorbent phase in the analysis of drugs of abuse in saliva samples. Chapter 7 details the negative effect of intrinsic wood components on electrospray formation, as well as the minimization of this effect for the subsequent use of wooden toothpicks in microextraction. In addition, the possibility of its use in the in vivo analysis of drugs due to the biocompatibility of the sorbent material is considered. • The design of new interfaces, based on commercial needles, for the coupling of the sample treatment step with the substrate spray modality is detailed in Block IV. The use of needles, both hypodermic and blunt, as an extraction device and as an electrospray emitter the analysis of opioids in biofluids is described. Chapter 8 describes the packaging of a sorbent material based on nylon-6 coated cotton fibers in the luer connection of hypodermic needles. Chapter 9 details an improvement of the prototype, allowing the use of a larger amount of sorbent phase, in this case polydopamine-coated cotton fibers. Finally, Chapter 10 shows a new interface based on the use of commercial cation exchangers packaged in pipette tips and coupled to a blunt needle. • Application of the sorbent phases described in Blocks III and IV in the analysis of biological samples by mass spectrometry. This specific objective is transversal throughout the development of the Doctoral Thesis and shows the potential of the materials and interfaces developed in the analysis of biofluids.