Diseño y desarrollo de sistemas microfluídicos automáticos para la determinación de contaminantes de interés ambiental

Abstract

[spa] La creciente presencia de contaminantes en el medio ambiente se ha convertido en un motivo de preocupación para la sociedad. En este sentido, la monitorización del agua es esencial, por lo que es importante desarrollar metodologías analíticas eficientes, rápidas y de bajo coste, que además tengan en cuenta el impacto ambiental y la seguridad del analista. Generalmente, las muestras medioambientales no se pueden analizar de manera directa, debido a la complejidad de las matrices o a las bajas concentraciones de los analitos. Por ello, suele ser necesaria una etapa de tratamiento de la muestra previa a la determinación de los compuestos de interés. La tendencia actual se dirige al uso de técnicas de microextracción, que disminuyen el consumo de reactivos y muestra. No obstante, realizar estas técnicas de manera manual sigue resultando largo y costoso. En consecuencia, se está tendiendo cada vez más a su automatización, obteniendo métodos más precisos, rápidos y económicos. Además, la versatilidad de estos sistemas automatizados permite su uso combinado con una gran cantidad de técnicas de separación que posibilitan la determinación selectiva de los analitos, como es el caso de la cromatografía. En la presente tesis se han desarrollado diferentes metodologías basadas en las técnicas de análisis en flujo y la cromatografía para la determinación de parámetros de interés ambiental en aguas. Por un lado, se han cuantificado compuestos fenólicos listados como contaminantes prioritarios por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US-EPA). Por otra parte, se han diseñado sistemas para la determinación de varios estrógenos catalogados como contaminantes emergentes por la US-EPA debido a sus características como disruptores endocrinos. Todos los procedimientos analíticos propuestos proporcionan una elevada reproducibilidad, precisión y sensibilidad, a la vez que ofrecen una importante reducción de los volúmenes de reactivos y muestra necesarios, por lo que son más sostenibles, y representan una mejora en el tiempo y coste por análisis, comparados con los métodos manuales tradicionales.

[cat] La presència creixent de contaminants en el medi s’ha convertit en un motiu de preocupació per la societat. En aquest sentit, l’anàlisi de l’agua és essencial, per la qual cosa és important desenvolupar metodologies analítiques eficients, ràpides i econòmiques, que a més tenguin en compte l’impacte ambiental i la seguretat de l’analista. Generalment, les mostres mediambientals no es poden analitzar de manera directa, a causa de la complexitat de les matrius o de les baixes concentracions dels analits. Per això, sol ser necessària una etapa de tractament de la mostra prèvia a la determinació dels composts d’interès. La tendència actual es dirigeix cap a l’ús de les tècniques de microextracció, que disminueixen el consum de reactius i mostra. No obstant, realitzar aquestes tècniques manualment segueix resultant llarg i costós. En conseqüència, es tendeix cada vegada més a la seva automatització, obtenint mètodes més precisos, ràpids i econòmics. A més, la versatilitat d’aquests sistemes automatitzats permet el seu ús combinat amb una gran quantitat de tècniques de separació que possibiliten la determinació selectiva dels analits, com és el cas de la cromatografia. En la present tesi s’han desenvolupat diferents metodologies basades en les tècniques d’anàlisi en flux i la cromatografia per a la determinació de paràmetres d’interès ambiental en aigües. Per un costat, s’han quantificat composts fenòlics llistats com a contaminants prioritaris per l’Agència de Protecció Ambiental dels Estats Units (US-EPA). Per altra banda, s’han dissenyat sistemes per a la determinació de diversos estrògens catalogats com a contaminants emergents per la US-EPA degut a les seves característiques com a disruptors endocrins. Tots els procediments analítics proposats proporcionen una elevada reproductibilitat, precisió i sensibilitat, a la vegada que ofereixen una important reducció dels volums de reactius i mostra necessaris, per la qual cosa són més sostenibles, així com una millora del temps i cost per anàlisi, comparats amb els mètodes manuals tradicionals. A continuació, apareixen llistats els treballs inclosos en aquesta tesi: 1. Un analitzador completament automatitzat, compacte i de baix cost, basat en l’acoblament de la microextracció líquid-líquid dispersiva en xeringa (in-syringe-MSA-DLLME) amb la cromatografia multixeringa (MSC), per a la extracció, preconcentració, separació i quantificació de sis composts fenòlics (fenol, 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2-clorofenol, 2,4-diclorofenol, 2,4,6-triclorofenol). 2. Un sistema in-syringe-MSA-DLLME per a la preconcentració de quatre estrògens en aigües residuals (estrona, 17β-estradiol, 17α-etinilestradiol, estriol). Les característiques del mètode desenvolupat han permès la injecció directa de l’extracte en un cromatògraf de gasos, disminuint així el temps necessari per dur a terme el pretractament de la mostra. 3. Un sistema in-syringe magnetic D-μ-SPE per a la preconcentració de tres estrògens en aigües residuals (estrona, 17β-estradiol, 17α-etinilestradiol) prèvia a la seva detecció per GC-MS, en el qual s’empren microcarbons magnètics com a fase sòlida., sintetitzats a partir de la combustió directa de cristalls de ZIF-67, un subtipus de materials cristal·lins amb estructures metall-orgàniques (MOFs). 4. Un mètode per a l’extracció de quatre estrògens en aigua de mar (estrona, 17β-estradiol, 17α-etinilestradiol, estriol) basat en el desenvolupament d’un sistema SIA-LOV, el qual proporciona un alt grau d’automatització al pretractament de les mostres ja que tant l’extracció com la renovació de la resina tenen lloc de manera automàtica, seguit de la derivatització de l’extracte dins l’injector del cromatògraf (in-port derivatization), amb la qual cosa es redueix el consum d’agents de derivatització i el temps necessari perquè la reacció es dugui a terme, i la posterior separació i quantificació dels analits mitjançant la tècnica LVI-PTV.

[eng] The growing presence of pollutants in the environment has become a social concern. In this sense, water monitoring is essential; hence it is important to develop efficient, rapid and low-cost analytical methodologies which also take into account the environmental impact and the analyst safety. Generally, environmental samples cannot be directly analyzed, due to the complexity of the matrices or the low concentrations of the analytes. Therefore, a stage of sample treatment prior to the determination of the compounds of interest is needed. Currently there is a trend towards the use of microextraction techniques, which reduce reagents and samples consumption. However, performing these techniques manually is still costly and time-consuming. Thus, the automation of sample pretreatment is a good approach to achieve efficient and fast analytical methods. In addition, the versatility of these automated systems allows their combination with a large number of separation techniques, such as chromatography, which enables the selective determination of analytes. In the present thesis, different methodologies based on flow analysis and chromatographic techniques have been developed for the determination of parameters of environmental interest in water samples. On the one hand, several phenolic compounds listed as priority pollutants by the United States Environmental Protection Agency (US-EPA) have been quantified. On the other hand, different systems have been designed for the determination of estrogenic compounds, which are catalogued as emerging pollutants by the US-EPA due to their characteristics as endocrine disruptors. All the proposed procedures provide high reproducibility, accuracy and sensitivity, while offering a significant reduction in the volumes of reagents and sample needed, resulting in more sustainable methods than the traditional manual ones and in an improvement in time and cost per analysis.

The works included in this thesis are listed below: 1. A fully automated, compact and low-cost analyzer, based on the coupling of the dispersive liquid-liquid microextraction (in-syringe-MSA-DLLME) with multisyringe chromatography (MSC), for the extraction, preconcentration, separation and quantification of six phenolic compounds (phenol, 2-nitrophenol, 4-nitrophenol, 2-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 2,4,6-trichlorophenol).

2. An in-syringe-MSA-DLLME system for the preconcentration of four estrogens (estrone, 17β-estradiol, 17α-ethinylestradiol and estriol) in wastewater samples. The characteristics of the developed method have allowed the direct injection of the extract into a gas chromatograph, thus decreasing the time necessary for the sample pretreatment.

3. An in-syringe magnetic D-μ-SPE system for the preconcentration of three estrogens (estrone, 17β-estradiol and 17α-ethinylestradiol) in wastewater samples prior their detection by GC-MS, in which magnetic carbon microparticles synthesized from the direct combustion of ZIF-67 crystals, a subtype of crystalline materials with metal-organic structures (MOFs), are used as solid phase.

4. A method for the extraction of four estrogens (estrone, 17β-estradiol, 17α-ethinylestradiol and estriol) in seawater samples, based on the development of a SIA-LOV system, which provides a high degree of automation to the samples pretreatment since both the extraction and the renewal of the resin are performed automatically, followed by the on-line derivatization of the extract (in-port derivatization), which decreases the derivatization agents consumption and the reaction time, and the subsequent quantification of the analytes using the LVI-PTV technique.