Potential of composite materials in analytical sample preparation

Abstract

The overexploitation and destruction of natural resources threaten the future of the new generations. In this complex scenario, citizens expect science to provide solutions that can solve or at least minimize this ecological crisis. Chemistry, which is one of the human activities causing this situation, is essential in the solution. In fact, chemists are conscious of this duality, and several efforts have been made in the last decades to reduce the negative impact of chemical processes while profound research on chemical remediation alternatives has been developed. This trend crystalized in the definition of the Green Chemistry principles in 1998. Analytical Chemistry (AC) plays an essential role in environmental protection because it enables the detection of pollutants in the environment (including all the compartments: air, water, and soil) and the evaluation of the remediation processes by controlling pollution removal. However, as any human activity, AC involves processes with a potential environmental impact that must be reduced while maintaining the utility of the analytical procedures. Reducing the impact is the main objective of Green Analytical Chemistry (GAC), whose definition in 2013 was a turning point in our discipline. The GAC guidelines recommend, among other objectives, avoiding sample preparation since it is identified as a step where a lot of resources (solvents, reagents, energy) are used. However, as sample preparation is essential in many analytical procedures, making this step greener seems a more realistic objective. This greening can be done in different ways. The first approach would consist of miniaturizing the procedures, thus reducing the required resources. In a second approach, the use of renewable resources as raw materials for the preparation of solvents and sorbents has emerged as a hot topic in the last years. The determination of drugs in biofluids has become very relevant in bioanalysis due to the development of new drugs, of which it is necessary to know their incidence or pharmacokinetics, and the changes in the information requirements (e.g. generating data faster for rapid decision making). The isolation, including the preconcentration as secondary but desirable objective, of the target analytes from complex samples is possible thanks to the advances in microextraction techniques and sorptive materials but results a great challenges due to the sample matrices where a variety of compounds (such as salts, acids, bases, proteins, cells, and exogenous/endogenous small chemical molecules) may interfere with the determination of the analytes. This challenge is even higher when multistep sample preparation since they dramatically reduce analysis throughput. In this context, this Thesis aims, as the main objective, to contribute to the development of new eco-friendly approaches in bioanalysis by designing composite materials based on natural resources. The present work comprises four chapters. • In the first chapter, an extensive bibliographic contextualization is presented where the main fundaments, essential to understanding the impact of the research done, are described in detail. This contextualization includes the description of the main sample preparation techniques in bioanalysis and their classification according to the type of extractant phase: liquid-phase and sorbent-phase (micro)extraction techniques. Afterward, the role of natural materials in the design of the sorptive phases in microextraction is discussed as an eco-friendly alternative to classical sorbents. The importance of cellulose, wood, or cork is highlighted, and the potential of composite materials is discussed in the light of the literature. • The second chapter describes the use of octanol-supported wooden tips as sustainable devices in microextraction. In this case, a lignocellulo sic material (commercial wooden tips, WTs) is used to support a thin layer of octanol that finally acts as the actual sorptive phase. The sorption performance of octanolsupported WTs (o-WTs) is evaluated by the extraction of non-steroidal antiinflammatory drugs (NSAIDs) from oral fluid samples. • The third chapter describes the covalent modification of cotton fibers with polystyrene (PS) to extract antidepressant drugs (TCAs) from oral fluid. The OHrich surface of cotton is exploited to react with an anhydride-modified PS in a simple synthetic procedure. The fibrous and flexible structure of the resulting composite allows its immobilization in a pipette tip, permitting the sample flowthrough. This workflow is convenient from the kinetic point of view since the contact surface sample-sorptive phase is large enough to guarantee a rapid mass transference. • The fourth chapter deals with the modification of cellulose paper with polyethylene vinyl acetate (PEVA), a commercial thermal glue. The synthesis is simply done by dip-coating a segment of paper in a PEVA solution in chloroform. The rapid evaporation of the solvent leaves a layer of the polymer over the cellulose substrate. The coating PEVA-coated paper renders hydrophobic interactions, enabling the extraction of the target analytes via reverse-phase mode. The new sorptive phase is evaluated on the extraction of TCAs from urine samples.

La sobreexplotación y la destrucción de los recursos naturales amenazan el futuro de las nuevas generaciones. En este complejo escenario, los ciudadanos esperan que la ciencia aporte soluciones que puedan resolver o al menos minimizar esta crisis ambiental. La química, que es una de las actividades humanas causantes de esta situación, es esencial en la solución. De hecho, los químicos son conscientes de esta dualidad, y en las últimas décadas se han realizado diversos esfuerzos para reducir el impacto negativo de los procesos químicos, al tiempo que se han desarrollado profundas investigaciones sobre alternativas de remediación química. Esta tendencia cristalizó en la definición de los principios de la Química Verde en 1998. La Química Analítica (QA) desempeña un papel esencial en la protección del medio ambiente porque permite detectar contaminantes en el entorno (incluidos todos los compartimentos: aire, agua y suelo) y evaluar los procesos de remediación controlando la eliminación de la contaminación. Sin embargo, como cualquier actividad humana, la QA implica procesos con un potencial impacto ambiental que debe reducirse manteniendo la utilidad de los procedimientos analíticos. Reducir el impacto es el principal objetivo de la Química Analítica Verde (QAV), cuya definición en 2013 supuso un punto de inflexión en nuestra disciplina. Las directrices QAV recomiendan, entre otros objetivos, evitar la preparación de muestras ya que se identifica como un paso en el que se utilizan muchos recursos (disolventes, reactivos, energía). Sin embargo, dado que la preparación de muestras es esencial en muchos procedimientos analíticos, hacer que este paso sea más sostenible parece un objetivo más realista. Esto puede hacerse de diferentes maneras. El primer enfoque consistiría en miniaturizar los procedimientos, reduciendo así los recursos necesarios. En un segundo enfoque, el uso de recursos renovables como materias primas para la preparación de disolventes y sorbentes se ha convertido en un tema candente en los últimos años. La determinación de fármacos en biofluidos ha cobrado gran relevancia en bioanálisis debido al desarrollo de nuevos fármacos, de los que es necesario conocer su incidencia o farmacocinética, y a los cambios en los requerimientos de información (por ejemplo, generar datos más rápidamente para la toma rápida de decisiones). El aislamiento, incluyendo la preconcentración como objetivo secundario pero deseable, de los analitos diana a partir de muestras complejas es posible gracias a los avances en las técnicas de microextracción y materiales sorbentes, pero resulta un gran reto debido a las matrices de muestra donde una variedad de compuestos (como sales, ácidos, bases, proteínas, células y pequeñas moléculas químicas exógenas/endógenas) pueden interferir en la determinación de los analitos. Este reto es aún mayor cuando la preparación de la muestra se realiza en varios pasos, ya que reducen drásticamente el rendimiento del análisis. En este contexto, esta Tesis pretende contribuir, como objetivo principal, al desarrollo de nuevos enfoques sostenibles en bioanálisis mediante el diseño de materiales compuestos basados en recursos naturales. El presente trabajo consta de cuatro capítulos. • En el primer capítulo, se presenta una amplia contextualización bibliográfica donde se describen detalladamente los principales fundamentos, esenciales para comprender el impacto de la investigación realizada. Esta contextualización incluye la descripción de las principales técnicas de preparación de muestra en bioanálisis y su clasificación según el tipo de fase extractante: técnicas de (micro)extracción en fase líquida y en fase sorbente. Posteriormente, se discute el papel de los materiales naturales en el diseño de las fases sorbentes en microextracción como alternativa sostenible a los sorbentes clásicos. Se destaca la importancia de la celulosa, la madera o el corcho, y se discute el potencial de los materiales compuestos a la luz de la bibliografía. • El segundo capítulo describe el uso de puntas de madera recubiertas de octanol como dispositivos sostenibles en microextracción. En este caso, se utiliza un material lignocelulósico (puntas de madera comerciales, WTs) para soportar una fina capa de octanol que finalmente actúa como la fase extractante real. El rendimiento de sorción de las WTs recubiertos con octanol (o-WTs) se evalúa mediante la extracción de fármacos antiinflamatorios no esteroideos a partir de muestras de fluidos orales. • El tercer capítulo describe la modificación covalente de fibras de algodón con poliestireno (PS) para extraer fármacos antidepresivos de fluidos orales. Se aprovecha la superficie rica en OH del algodón para reaccionar con un PS modificado con anhídrido mediante un sencillo procedimiento de síntesis. La estructura fibrosa y flexible del compuesto resultante permite su inmovilización en una punta de pipeta, permitiendo el paso de la muestra. Este flujo de trabajo es conveniente desde el punto de vista cinético, ya que la superficie de contacto muestra-fase sorbente es lo suficientemente grande como para garantizar una rápida transferencia de masa. • El cuarto capítulo trata de la modificación del papel de celulosa con acetato de polietileno vinilo (PEVA), una cola térmica comercial. La síntesis se realiza simplemente sumergiendo un segmento de papel en una solución de PEVA en cloroformo. La rápida evaporación del disolvente deja una capa del polímero sobre el sustrato de celulosa. El papel recubierto de PEVA produce interacciones hidrofóbicas, lo que permite la extracción de los analitos objetivo mediante el modo de fase inversa. La nueva fase sorbente se evalúa en la extracción de fármacos antidepresivos de muestras de orina.