Resumen de Nuevas metodologías analíticas con detección luminiscente en análisis agroalimentario
La necesidad de nuevas metodologías analíticas rápidas y fiables ha dado lugar a que se continúe trabajando en esta área de investigación en Química Analítica. La demanda de una mayor velocidad de procesamiento de muestras está impulsando el desarrollo de nuevas metodologías de respuesta rápida, así como el avance de nuevas técnicas analíticas, con las consecuentes innovaciones instrumentales que ello implica. La Química Analítica debe responder a las nuevas necesidades que la sociedad actual plantea, ofreciendo métodos adecuados que ofrezcan sensibilidad, selectividad, rapidez y facilidad de automatización.
Para conseguir la rapidez requerida en las metodologías analíticas existen dos estrategias principales, como son 1) la reducción del número de muestras sometidas al proceso analítico completo mediante el uso de métodos de selección y 2) la disminución del tiempo requerido para realizar el análisis completo El uso de métodos de selección, además de disminuir el tiempo de análisis, reduce los costes [1]. Entre los métodos de selección cabe destacar los métodos de alto rendimiento (“high-throughput”) [2] y los basados en el uso de sensores [3]. Por otra parte, en los métodos analíticos usados con fines confirmatorios también se requiere una respuesta rápida, la cual puede conseguirse mediante desarrollos en cromatografía líquida rápida (“fast liquid chromatography”), que permitan acortar la duración del proceso analítico [4-6].
La integración de la Nanotecnología en metodologías analíticas está teniendo un gran impacto debido al desarrollo de una amplia variedad de nanomateriales de diversos tamaños, formas y composición. El interés de las nanoestructuras radica en dos aspectos principales: la elevada relación superficie/volumen y la distinta reactividad química que presentan, en comparación con la materia a micro y macroescala, ofreciendo unas propiedades químicas, eléctricas, ópticas, mecánicas, térmicas y magnéticas únicas a escala nanométrica [7]. Estas interesantes propiedades justifican que los nanomateriales estén siendo considerados objeto de estudio desde distintos puntos de vista: 1) como reactivos analíticos alternativos a los convencionales y 2) como herramientas analíticas para el desarrollo de nuevas metodologías o mejora e innovación de las existentes [8, 9].
La preocupación por la salud pública y el bienestar de los consumidores de productos agroalimentarios ha originado una legislación extensa sobre los niveles máximos permitidos de aditivos, residuos y contaminantes. Por tanto, los métodos desarrollados en este ámbito deben proporcionar respuestas fiables a los relativamente bajos niveles de concentración de los analitos en las muestras y la complejidad de sus matrices.
El objetivo genérico de las investigaciones de esta Tesis Doctoral ha sido el desarrollo de métodos analíticos rápidos para el análisis de muestras agroalimentarias mediante detección luminiscente. Se ha incidido básicamente en dos aspectos actuales en la Química Analítica, como son la aplicación de la Nanotecnología al proceso analítico y el desarrollo de metodologías de respuesta rápida, utilizando principalmente cromatografía de líquidos. Para alcanzar este objetivo se han realizado las siguientes investigaciones: Estudio de la aplicabilidad de nuevos nanomateriales como sorbentes y como reactivos en análisis agroalimentario.
Desarrollo de métodos cuantitativos rápidos mediante cromatografía de líquidos de ultra-alta resolución (UHPLC).
Utilización de sistemas de derivatización post-columna para mejorar la detección en cromatografía de líquidos rápida.
Aplicación de las metodologías propuestas al análisis agroalimentario con objeto de demostrar su utilidad práctica.
También ha formado parte del objetivo de la Tesis la formación de la doctoranda mediante la realización de actividades complementarias a la labor investigadora, como la asistencia a cursos formativos y la presentación de comunicaciones a congresos.
Contenido de la investigación La investigación realizada durante esta Tesis Doctoral se ha estructurado en tres bloques diferenciados, en los que se ha abordado el desarrollo de metodologías analíticas basadas en el empleo de nanomateriales y/o cromatografía de líquidos.
En el primer bloque se ha investigado la utilidad de nuevos nanomateriales como reactivos analíticos luminiscentes, desarrollándose un método para la determinación de lasalocid en muestras de alimentos utilizando nanopartículas de óxido de terbio (Tb4O7 NPs) para originar luminiscencia sensibilizada. Se ha realizado, además, un estudio sistemático en el que se han comparado los resultados obtenidos con Tb4O7 NPs como reactivo analítico con sus sistemas análogos utilizando iones terbio(III), demostrando la utilidad de estos nanomateriales como reactivos analíticos alternativos. Este trabajo se ha publicado en la revista Journal of Agricultural and Food Chemistry, situada en el primer cuartil de la categoría Chemistry, Applied.
Las investigaciones del segundo bloque han tenido como objetivo ampliar y demostrar la aplicabilidad de los nanomateriales en el desarrollo de métodos cromatográficos. Se ha realizado un trabajo bibliográfico que discute la utilidad, ventajas y limitaciones del uso de la nanotecnología en las tres etapas del proceso cromatográfico: tratamiento de muestra, separación cromatográfica y derivatización-detección. Este trabajo ha sido publicado en la revista Trends in Analytical Chemistry, situada en el primer cuartil de la categoría Chemistry, Analytical. También se ha demostrado la utilidad de un nuevo nanomaterial híbrido, constituido por un núcleo magnético recubierto con terbio y europio, como sorbente para la extracción en fase sólida de quinolonas y tetraciclinas, previa a la separación mediante cromatografía de líquidos de ultra-alta resolución (UHPLC) con detección fluorimétrica. El uso del sorbente propuesto evita etapas de centrifugación y/o filtración por sus características magnéticas. Además, se consigue una extracción selectiva por la capacidad de los iones terbio(III) y europio(III) para formar quelatos con quinolonas y tetraciclinas, respectivamente. Los resultados se han publicado en Journal of Chromatography A, revista situada en el primer cuartil de la categoría Chemistry, Analytical.
En el último bloque se incluyen los métodos cromatográficos rápidos con detección luminiscente cuyo desarrollo no implica la utilización de nanomateriales. El objetivo básico ha sido mejorar las propiedades analíticas de métodos previamente descritos, como sensibilidad, selectividad o rapidez, constituyendo alternativas válidas para su aplicación al control de calidad en el sector agroalimentario. Se han desarrollado dos métodos basados en el uso de cromatografía líquida rápida y detección luminiscente, mediante 1) medida directa de la fluorescencia nativa de los analitos y 2) utilización de una reacción de derivatización para originar productos fluorescentes. El primero aborda la determinación de ácido acetilsalicílico y sus tres principales metabolitos (ácido salicílico, ácido gentísico y ácido salicilúrico) mediante UHPLC, consiguiendo la separación y cuantificación de estos compuestos en menos de dos minutos. Estas investigaciones se han publicado en la revista Journal of Chromatography B, situada en la parte superior del 2º cuartil en la categoría Chemistry, Analytical. En el segundo método se propone una reacción de derivatización post-columna para penicilinas de uso veterinario basada en el sistema redox cloruro de rutenio(II)-tris-bipiridina-cerio(IV). La separación cromatográfica previa a la derivatización es una separación rápida, basada en el uso de columnas con tecnología “fused-core” con partículas cuyo diámetro es inferior a 3 µm. Este artículo ha sido enviado a la revista Analytical and Bioanalytical Chemistry para su publicación.
Conclusión En esta Tesis Doctoral se han propuesto diversas metodologías analíticas rápidas, basadas en el uso de nanomateriales y/o cromatografía de líquidos, para la determinación de especies de interés agroalimentario, con el fin de mejorar algunas prestaciones de los métodos convencionales, principalmente su rapidez y sensibilidad. A continuación, se resumen las conclusiones más relevantes de las investigaciones realizadas: 1) Se ha demostrado la utilidad de las nanopartículas de óxido de terbio como nuevos reactivos analíticos luminiscentes, alternativos a otros reactivos convencionales para la determinación de ácido salicílico y lasalocid. Las características analíticas de los métodos desarrollados se han comparado con las obtenidas utilizando iones terbio(III) en disolución.
2) Se ha sintetizado y caracterizado un nuevo nanomaterial híbrido formado por nanopartículas magnéticas recubiertas con iones terbio(III) y europio(III), el cual se ha aplicado a la separación selectiva de quinolonas y tetraciclinas mediante extracción en fase sólida magnética. Este tratamiento se ha utilizado como etapa previa a la determinación de estos antibióticos mediante un nuevo método, basado en el uso de cromatografía de líquidos ultra-rápida, que permite la separación de los analitos en menos de cinco min.
3) Se ha establecido un método para la determinación de ácido acetilsalicílico y sus principales metabolitos mediante cromatografía de líquidos ultra-rápida, en el que se consigue la separación en menos de dos min. El uso conjunto de detectores fotométrico y fluorimétrico permite la cuantificación simultánea del ácido acetilsalicílico, que carece de propiedades fluorescentes, y de sus metabolitos, que tienen fluorescencia nativa. El método presenta mejores límites de detección que los obtenidos en métodos previamente descritos para estos compuestos utilizando detección fotométrica o fluorimétrica.
4) Se ha desarrollado un método cromatográfico para la determinación de seis penicilinas de uso veterinario en el que la separación se realiza en menos de cinco min mediante una columna con tecnología “fused-core” en un cromatógrafo de líquidos convencional. Para la cuantificación de los analitos se ha utilizado detección luminiscente acoplando un sistema de derivatización post-columna basado en un quelato de rutenio y cerio(IV), que permite realizar las medidas a larga longitud de onda.
5) Se ha demostrado la utilidad analítica de los métodos desarrollados mediante su aplicación al análisis de muestras de interés en agroalimentación.
6) Además del trabajo experimental desarrollado, se ha realizado una revisión bibliográfica en la que se demuestra la utilidad de la Nanotecnología en las tres etapas básicas del proceso cromatográfico: tratamiento de muestra, separación cromatográfica y derivatización/detección.
