Evaluation of novel mixed-mode ion-exchange materials to address environmental analytical problems

Abstract

Actualment, és necessari determinar contaminants orgànics emergents en mostres ambientals a causa del seu ús generalitzat i dels problemes de contaminació que provoquen en el medi ambient. A causa dels diversos compostos i la seva baixa concentració en el medi ambient, s'han de desenvolupar mètodes analítics selectius i sensibles per determinar aquests contaminants a les mostres ambientals.Els mètodes analítics que impliquen la preparació de mostres i la determinació d'anàlits en matrius complexes són essencials en l'anàlisi actual, sent la preparació de mostres el factor crític. Es poden utilitzar diverses tècniques d'extracció segons el tipus de mostra, sent l'extracció en fase sòlida (SPE), la microextracció en fase sòlida i l'extracció per sorció en barra magnètiques (SBSE), entre d'altres desenvolupades recentment, les més utilitzades per al tractament de mostres líquides. En els darrers anys, la preparació de materials amb alta capacitat de sorció i selectivitat cap a anàlits determinats ha estat el focus d'interès en la investigació sobre tècniques d'extracció per sorció. Per tant, aquesta Tesi Doctoral se centra en el desenvolupament i l'avaluació de materials de mode mixt d'intercanvi iònic per a tècniques d'extracció per sorció per abordar problemes analítics ambientals. La primera secció se centra en la preparació d'aquests materials de mode mixt altament entrecreuats i la seva avaluació per a l'SPE per extreure analits ionitzables, que inclouen productes farmacèutics, edulcorants artificials i drogues il·lícites, d'aigües ambientals. La novetat d'aquests estudis es basa en la introducció del caràcter zwitteriònic al sorbent que permet extreure analits àcids i bàsics de manera simultània i selectiva de la mostra. A la secció dedicada a les tècniques de microextracció en forma de càpsula (CPME) i SBSE, es van sintetitzar materials de mode mixt i intercanvi iònic per utilitzar-los com a recobriments per a l'SBSE i la CPME d'un grup de compostos ionitzables. Els mètodes desenvolupats mitjançant cromatografia líquida seguida d'espectrometria de masses en tàndem es van validar i aplicar per determinar selectivament els compostos estudiats en diferents mostres d'aigua ambiental.

En la actualidad, existe la necesidad de determinar contaminantes orgánicos emergentes en muestras ambientales debido a su uso generalizado y los problemas de contaminación que provocan en el medio ambiente. Debido a los diversos compuestos y su baja concentración en el medio ambiente, se deben desarrollar métodos analíticos selectivos y sensibles para determinar estos contaminantes en las muestras ambientales. Los métodos analíticos que involucran la preparación de muestras y la determinación de analitos en matrices complejas son esenciales en el análisis moderno, siendo la preparación de muestras el factor crítico. Se pueden utilizar varias técnicas de extracción dependiendo del tipo de muestra, siendo la extracción en fase sólida (SPE), la microextracción en fase sólida y la extracción por sorción en barra magnética agitadora (SBSE), entre otras de reciente desarrollo, las más utilizadas para el tratamiento de muestras líquidas. En los últimos años, la preparación de materiales con alta capacidad de sorción y selectividad hacia analitos determinados ha sido el foco de interés en la investigación de técnicas de extracción por sorción. Por lo tanto, esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo y evaluación de materiales de intercambio iónico de modo mixto para técnicas de extracción por sorción para abordar problemas analíticos ambientales. La primera sección se centra en la preparación de materiales de intercambio iónico de modo mixto altamente entrecruzados y su evaluación por SPE para extraer analitos ionizables, incluidos productos farmacéuticos, edulcorantes artificiales y drogas ilícitas, de aguas ambientales. La novedad de estos estudios se basa en la introducción del carácter zwitteriónico al sorbente que permite extraer analitos ácidos y básicos de forma simultánea y selectiva de la muestra.En la sección dedicada a las técnicas SBSE y microextracción en forma de cápsula (CPME), se sintetizaron materiales de intercambio iónico de modo mixto para ser utilizados como recubrimientos para el SBSE y CPME de un grupo de compuestos ionizables. Los métodos desarrollados que utilizan cromatografía líquida seguida de espectrometría de masas en tándem se validaron y aplicaron para determinar selectivamente los compuestos estudiados en diferentes muestras de agua ambiental.

Nowadays, there is a necessity of determining emerging organic contaminants in environmental samples owing to their widespread use and the contamination issues they cause on environment. Due to the several compounds and their low concentration in the environment, selective and sensitive analytical methods have to be developed to determine these contaminants in the environmental samples. Analytical methods involving sample preparation and determination of analytes in complex matrices are essential in modern-day analysis, being sample preparation the critical factor. Several extraction techniques can be used depending on the type of sample, being solid-phase extraction (SPE), solid-phase microextraction, and stir bar sorptive extraction (SBSE), among others recently developed, the most used for sample treatment of liquid samples. In recent years, the preparation of materials with high sorption capacity and selectivity toward target analytes has been the focus of interest in the research on sorptive extraction techniques. Therefore, this Doctoral Thesis focuses on the development and evaluation of in-house mixed-mode ion-exchange materials for sorptive extraction techniques to address environmental analytical problems. The first section focuses on the preparation of in-house hypercrosslinked mixed-mode ion-exchange materials and their evaluation by SPE to extract ionizable analytes including pharmaceuticals, artificial sweeteners and illicit drugs from environmental waters. The novelty of these studies is based on the introduction of the zwitterionic character to the sorbent which enable acidic and basic analytes to be simultaneously and selectively extracted from the sample. In the section devoted to the SBSE and capsule phase microextraction (CPME) techniques, in-house mixed-mode ion-exchange materials were synthesized to be used as coatings for the SBSE and CPME of a group of ionizable compounds. The developed methods using liquid chromatography followed by tandem mass spectrometry were validated and applied to selectively determine the studied compounds in different environmental water samples.