Desarrollo y evaluación de nuevas estrategias y técnicas para mejorar la eficacia en la preparación de muestra para el análisis químico

Résumé

Con el término preparación de la muestra tratamos de indicar la conversión de la muestra real en una forma adecuada para la medición. El conjunto de procedimientos empleados en la preparación de muestras es bastante amplio e incluye procesos como la homogenización, secado, trituración/tamizado, conservación, disolución/digestión, destrucción de la materia orgánica, separación de los analitos de la matriz, concentración de los componentes de interés, reacciones químicas (derivatization), entre otros. Entre los pasos del proceso analítico total, la preparación de la muestra sigue siendo una etapa limitante y fuente frecuente de errores e incertidumbre debido a la lentitud, laboriosidad y complejidad de algunos de los procedimientos que incluye [1]. El desarrollo de nuevos métodos avanzados y sencillos de preparación de muestras para la determinación y cuantificación de su composición química es una de las áreas más importantes y activas en la química analítica actual y, como tal, es objeto de un constante interés por parte de muchos investigadores. Por un lado el objetivo es mejorar el rendimiento de los métodos empleados. Por otro lado es cada vez más popular el desarrollo de métodos respetuosos con el medio ambiente, según los principios de la química verde [2] con el objetivo de disminuir y/o eliminar la contaminación medioambiental producida por los laboratorios analíticos. Entre las tendencias más significativas en la investigación y desarrollo de la química analítica en general y de la preparación de la muestra en particular actual podemos destacar las siguientes [1, 3]: - Utilización de nuevas fuentes de radiación como método para la activación y/o aceleración de determinados procesos físico-químicos. Muchos de los procesos que intervienen durante la preparación de la muestra se activan o aceleran mediante energía externa, frecuentemente de calor. La sustitución de las fuentes de energía tradicionales por otras nuevas y más eficaces, como la radiación de microondas, la energía de ultrasonidos o la energía proporcionada por un laser presenta una serie de ventajas entre las que se encuentran la reducción del tiempo del proceso, posibilidades de tratamiento selectivo y/o focalizado, efectos específicos no térmicos sobre la muestra, entre otros. - Miniaturización. Esta tendencia se materializa en la reducción drástica del tamaño de las herramientas usadas, la cantidad tanto de los reactivos como de la muestra así como del tiempo en las etapas de preparación de la muestra. Sin duda es una de las tendencias más actuales en química analítica debido al gran impacto provocado por el amplio desarrollo, por un lado, de los sistemas microfluidicos y, por otro lado, de la nanotecnología. - Simplificación y automatización. El desarrollo de nuevas herramientas analíticas abre la posibilidad de simplificar drásticamente la preparación de la muestra. Esto se podría conseguir mediante reducción del número de los procesos implicados o mediante la integración de varios procesos sobre un único dispositivo. Por otro lado, la automatización de un proceso a menudo implica la reducción (o eliminación) de la participación humana en el mismo, lo que implica mejora en las propiedades analíticas, sobre todo en la precisión. Aunque el nivel de automatización en la instrumentación y el tratamiento de datos está hoy día muy avanzado, su integración en la preparación de la muestra es todavía escasa. - Desarrollo de técnicas híbridas. La posibilidad de combinar distintos procedimientos de preparación de la muestra o, incluso distintas etapas del proceso analítico total en una solo herramienta combina las ventajas ya indicadas entre las tendencias mencionadas anteriormente a la vez que marca la tendencia final del desarrollo del proceso analítico total, es decir, la existencia de sistemas analíticos totales miniaturizados (i.e. µTAS), los cuales incorporan todos los pasos de un análisis químico. La tesis presentada trata de abarcar el amplio tema de la preparación de la muestra con fines analíticos desde distintas perspectivas, que pretenden corresponderse con las tendencias actuales mencionadas anteriormente. Por tal fin, se divide en cuatro apartados o capítulos. Cada capítulo trata de abordar y resolver un problema concreto siguiendo los principios de la química ambiente ecológica prestando una especial atención a la etapa de preparación de la muestra. Capítulo 1: En primer lugar se ha investigado el uso de la radiación electromagnética de microondas para la activación y aceleración de la etapa de desorción en los procesos de extracción en fase sólida, con el objetivo de mejorar el proceso de preconcentracion de los analitos y su separación de la matriz de la muestra. Para ello, se ha utiliza un horno de microondas doméstico que permite acelerar la desorción de paladio (Pd) y platino (Pt) como etapa previa a su determinación por espectrometría atómica de masas con fuente de ionización de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS). Se han optimizado los parámetros de trabajo del sistema construido y se han determinado las figuras analíticas de mérito. El método desarrollado ha sido aplicado para la determinación de Pd en muestras certificadas de referencia de carácter biológico y para la determinación de Pd y Pt en muestras medioambientales. Capítulo 2: En segundo lugar se ha desarrollado y estudido un nuevo prototipo de nebulizador múltiple basado en el principio de nebulización denominado Flow Focusing®, para su uso con las técnicas analíticas espectrales basadas en plasma de acoplamiento inductivo (ICP). La principal ventaja que ofrece este dispositivo es que permite la nebulización simultánea de distintas disoluciones, utilizando un orificio de nebulización diferente para cada una de ellas, abriendo así nuevas rutas creativas de preparación de la muestra en el interior de la cámara de nebulización. El nuevo nebulizador múltiple desarrollado se ha estudiado y caracterizado utilizando la técnica de espectrometría atómica de emisión con fuente de excitación de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-OES). Finalmente el nebulizador múltiple se ha aplicado al análisis de muestras certificadas de referencia, tanto en modo de calibración convencional, como aplicando la técnica de calibración mediante adición de patrón en línea. Capítulo 3: En tercer lugar se han estudiado las posibilidades que ofrece la miniaturización de la instrumentación analítica para integrar y mejorar las estrategias analíticas existentes. Para ello, se ha investigado la aplicación de plataformas microfluídicas (microchips) de electroforesis capilar con detección electroquímica para la determinación de antioxidantes naturales en dos modos: índice electroquímico selectivo por familias y determinación individual de los antioxidantes. El método desarrollado ha sido aplicado para el análisis de antioxidantes naturales en una gran variedad de muestras reales. Capítulo 4: Finalmente, los dos últimos estudios descritos anteriormente se han combinado dando lugar al desarrollo y la evaluación de un novedoso sistema integrado constituido por una electroforesis capilar y un nebulizador basado en el mecanismo Flow Focusing® (CEFFS, Capillary Electrophoresis Flow Focusing® nebulization System). Dicho sistema podría ser de gran utilizad para llevar a cabo análisis de especiación elemental mediante técnicas de espectrometría atómica basadas en ICP. En concreto, el sistema desarrollado se ha estudiado y caracterizado utilizando las técnicas ICP-OES e ICP-MS para la separación de especies de cromo en aguas. Las principales conclusiones derivadas del desarrollo de la investigación que se recoge en la presente memoria son las siguientes: Capítulo 1: La aplicación de la energía de microondas ha permitido acelerar y favorecer el proceso de elución de los analitos lo que ha permitido obtener una recuperación cuantitativa con un alto grado de preconcentración lo que ha mejorado apreciadamente los límites de detección. Esto, junto con los buenos resultados obtenidos en el análisis de materiales certificados de referencia, ha demostrado la viabilidad del concepto así como su posible aplicación en el análisis rutinario de muestras reales. Capítulo 2: La optimización y la aplicación al análisis de muestras certificadas de referencia del prototipo de nebulizador múltiple desarrollado han confirmado la potencialidad del principio de nebulización Flow Focusing® para la construcción de sistemas de preparación de la muestra dentro de la cámara de nebulización. Capítulo 3: Los resultados obtenidos en el análisis de muestras complejas de alimentos mediante plataformas microfluídicas con detección electroquímica han mostrado el alto nivel de madurez de las tecnologías miniaturizadas. Dichos resultados se pueden considerar como un paso más hacia la utilización de los microchips en análisis de rutina. Capítulo 4: El principio de nebulización Flow Focusing® ha sido integrado con éxito en un sistema de separación por electroforesis capilar y detección mediante espectrometría por plasma de acoplamiento inductivo. Los resultados iniciales obtenidos de esta investigación han demostrado las posibilidades que presenta el concepto propuesto para construcción futura de dispositivos simples y robustos dedicados a la especiación elemental. Finalmente, y de forma general, en el presente trabajo se han propuesto, desarrollado y estudiado nuevas estrategias de la preparación de la muestra con la finalidad última de mejorar así una de las etapas más críticas del proceso analítico total.