desarrollo de metodologías analíticas para la determinación de contaminantes orgánicos ...

330 Pages·2011·18.09 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Departamento de Química Física y Analítica
Programa de Doctorado Análisis químico, bioquímico y estructural
avanzado (Mención de Calidad)

DESARROLLO DE METODOLOGÍAS ANALÍTICAS
PARA LA DETERMINACIÓN DE CONTAMINANTES
ORGÁNICOS HALOGENADOS EN MUESTRAS DE
INTERÉS MEDIOAMBIENTAL MEDIANTE
ESPECTROMETRÍA DE MASAS (MS)
TESIS DOCTORAL
ADRIANA GONZÁLEZ GAGO
Oviedo, 2012
llama en muchos materiales poliméricos que forman parte de gran variedad de productos de
uso cotidiano. Estas sustancias se pueden liberarse con facilidad de su matriz dispersándose
en su entorno, por lo que los niveles de concentración encontrados en muestras biológicas y
medioambientales son cada vez más elevados. Los importantes efectos adversos relacionados
con la exposición a PBDEs hacen necesario el control de estas sustancias en todo tipo de
muestras de interés medioambiental. Las metodologías desarrolladas para la determinación de
PBDEs se basaron en la técnica de análisis por dilución isotópica (IDA), caracterizada por la
calidad de sus resultados analíticos en términos de exactitud y precisión. Para aprovechar
todas las ventajas que ofrece IDA se trabajó en el modo específico, por lo que fue necesario
sintetizar los compuestos marcados isotópicamente en 81Br y purificarlos con el fin de obtener
un trazador adecuado para esta aplicación. Dicho trazador fue caracterizado en abundancias
isotópicas y en concentraciones y se evaluó su aplicabilidad a la determinación de PBDEs
mediante IDA en términos de estabilidad y contaminación con sus análogos naturales.
Finalmente se utilizó como trazador para la determinación de PBDEs en una muestra de
pescado mediante GC-(EI)MS y en muestras de agua de río mediante GC-(NCI)MS.

RESUMEN (en Inglés)

Halogenated organic compounds are a wide group of substances which have been produced
for years by the chemical industry for its use in all kind of applications. Consequently, these
substances have been widely spread being found in all environmental compartments. The
continuous exposure to this kind of pollutants can cause serious adverse effects in human
health, which will mainly depend on the type of substance, the exposure time and the exposure
degree. The great concern about the potential risks of halogenated organic pollutants exposure
has lead to the development of new regulations with the aim to improve the protection of human
health and the environment by performing risk assessment studies and setting maximum allowable
concentrations.

In this regard, the development of simple, fast and reliable analytical methodologies for the
determination of halogenated organic pollutants in biological and environmental samples is still
needed. These methodologies usually require a sample preparation stage which usually
involves several steps such as extraction of the analyte from the sample matrix, clean up and
fractionation of the organic extract, followed by a chromatographic separation coupled to
sensitive and selective detectors such as Mass Spectrometry (MS).

Therefore, the general aim of this Thesis was the development of new analytical methodologies
enabling the determination of some halogenated organic pollutants by using different MS
techniques.

Firstly, a new analytical methodology for the determination of trihalomethanes (THMs) in
drinking water was developed and validated. THMs are halogenated volatile organic
compounds (HVOCs) formed as by-product when chlorine react with naturally occurring organic
and inorganic matter in water. Toxicological studies have demonstrated that THMs are potential
carcinogens, especially for long term exposure, so their determination in drinking water is of
primary interest. The development of the new methodology required the optimization of GC-
(ICP)MS working conditions. It was also necessary to check that the analytical response
provided by this system was independent of the molecular structure of the analyte. Finally, the
proposed methodology was applied to the determination of THMs in drinking water by
compound independent calibration (CIC) with internal standard GC-(ICP)MS.

On the other hand, several methodologies for the determination of polybrominated diphenyl
ethers (PBDEs) in environmental samples were developed and validated. PBDEs are included
in the group of persistent organic pollutants (POPs) and have been widely used as flame
retardants in polymeric materials constituting many products of regular use. However, PBDEs
can easily release into the environment and bioaccumulate in living organisms. Findings that
PBDEs are present at increasing levels in people have raised concerns about the potential risks
of PBDE exposure to human health and the environment. Potential adverse effects linked to
exposure to PBDEs have required an adequate control of these substances in biological and
ÍNDICE

A. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1
A.1 Contaminación ambiental por compuestos orgánicos halogenados .................. 3
A.1.1 Compuestos orgánicos volátiles halogenados (HVOCs) .............................. 6
A.1.1.1 Subproductos de desinfección. Trihalometanos (THMs) ..................... 6
A.1.1.2 Toxicidad de los THMs ............................................................................. 9
A.1.1.3 Legislación de los THMs ......................................................................... 11
A.1.2 Contaminantes orgánicos persistentes (POPs) ............................................. 13
A.1.2.1 Retardantes de llama. Difenil éteres polibromados (PBDEs) ............. 14
A.1.2.2 Toxicidad de los PBDEs ........................................................................... 17
A.1.2.3 Legislación de los PBDEs ........................................................................ 26
A.2 Métodos de análisis de contaminantes orgánicos halogenados ........................ 34
A.2.1 Métodos de preparación de muestra ............................................................. 34
A.2.1.1 Métodos de preparación de muestra para la determinación de THMs
en matrices acuosas ...................................................................................................... 35
A.2.1.2 Métodos de preparación de muestra para la determinación de PBDEs
en muestras biológicas y medioambientales ............................................................ 45
A.2.1.2.1 Pretratamiento de muestra .................................................................. 46
A.2.1.2.2 Extracción de la muestra ...................................................................... 47
A.2.1.2.3 Limpieza y fraccionamiento de los extractos .................................... 60
A.2.1.2.4 Extracción y limpieza simultáneas ..................................................... 63
A.2.2 Métodos de separación y detección ............................................................... 63
A.2.2.1 Métodos de separación y detección de THMs ..................................... 63
A.2.2.1.1 Detector de captura electrónica (ECD) ............................................... 64
A.2.2.2 Métodos de separación y detección de PBDEs ..................................... 65
A.2.2.2.1 Detector de captura electrónica (ECD) ............................................... 67
A.2.3 Métodos oficiales de análisis .......................................................................... 67
A.2.3.1 Métodos oficiales para la determinación de THMs en aguas ............ 68
A.2.3.2 Métodos oficiales para la determinación de PBDEs en muestras
medioambientales ........................................................................................................ 71
A.3 Detección de contaminantes organicos halogenados mediante espectrometría
de masas ................................................................................................................................ 71
A.3.1 Fuentes de ionización ...................................................................................... 72
A.3.1.1 Ionización electrónica (EI) ....................................................................... 72
III
A.3.1.2 Ionización química negativa (NCI) o ionización negativa por captura
de electrones (ECNI) .................................................................................................... 73
A.3.1.3 Plasma de acoplamiento inductivo (ICP) .............................................. 75
A.3.1.4 Fotoionización a presión atmosférica (APPI) ....................................... 77
A.3.2 Analizadores de masas .................................................................................... 77
A.3.2.1 Analizador de masas tipo cuadrupolo (Q) ............................................ 78
A.3.2.2 Trampa iónica de cuadrupolo (QIT) ...................................................... 79
A.3.2.3 Analizador de triple cuadrupolo (QqQ) ................................................ 80
A.3.2.4 Analizador de masas de alta resolución (HRMS) ................................ 81
A.3.3 Métodos de determinación y confirmación .................................................. 82
A.3.3.1 Identificación y confirmación ................................................................. 82
A.3.3.2 Cuantificación ........................................................................................... 85
A.4 Bibliografía ................................................................................................................ 88
B. OBJETIVOS ................................................................................................................ 115
C. EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 119
C.1 Instrumentación ...................................................................................................... 120
C.1.1 GC acoplado a (ICP)QMS .............................................................................. 120
C.1.2 GC acoplado a (ICP)QMS con celda de colisión/reacción ....................... 123
C.1.3 GC-MS .............................................................................................................. 124
C.1.4 HPLC-DAD ..................................................................................................... 126
C.1.5 Otra instrumentación ..................................................................................... 126
C.2 Materiales y reactivos ............................................................................................ 127
C.2.1 Patrones, disolventes y material de vidrio .................................................. 127
C.2.2 Muestras y materiales de referencia ............................................................ 129
C.3 Procedimientos ....................................................................................................... 132
C.3.1 Procedimientos experimentales .................................................................... 132
C.3.1.1 Determinación de THMs en aguas de consumo humano ................. 132
C.3.1.2 Síntesis de PBDEs marcados isotópicamente en 81Br ......................... 133
C.3.1.3 Purificación de PBDEs marcados isotópicamente en 81Br ................. 134
C.3.1.4 Caracterización del patrón de PBDEs marcados en 81Br ................... 135
C.3.1.5 Determinación de PBDEs en muestras de pescado (SRM 1947 Lake
Michigan fish tissue) ..................................................................................................... 136
C.3.1.6 Determinación de PBDEs en muestras de agua de río ...................... 138
C.3.2 Procedimientos matemáticos ........................................................................ 139
IV
C.3.2.1 Calibrado independiente del compuesto (CIC) ................................. 139
C.3.2.2 Análisis por dilución isotópica ............................................................. 143
C.3.2.2.1 Análisis por dilución isotópica elemental ........................................ 143
C.3.2.2.2 Análisis por dilución isotópica molecular ....................................... 156
C.3.2.3 Cálculo de incertidumbres .................................................................... 174
C.3.2.3.1 Incertidumbre derivada del cálculo de la regresión lineal
multivariable ........................................................................................................... 177
C.3.2.3.2 Incertidumbre asociada las abundancias isotópicas teóricas ........ 179
C.3.2.3.3 Incertidumbre derivada del cálculo de los factores de
fragmentación ......................................................................................................... 181
C.3.2.3.4 Estudios de propagación de errores ................................................. 181
C.4 Referencias .............................................................................................................. 183
D. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................. 187
D.1 Determinación de trihalometanos en aguas de consumo humano ................. 189
D.1.1 Introducción .................................................................................................... 191
D.1.2 Objetivos .......................................................................................................... 193
D.1.3 Resultados ....................................................................................................... 194
D.1.3.1 Artículo científico I: J. Anal. At. Spectrom. 2007, 22, 1138–1144 ........ 194
D.1.4 Discusión de los resultados........................................................................... 201
D.1.4.1 Optimización de las condiciones de trabajo para la detección de cloro
y bromo mediante el sistema GC-(ICP)MS ............................................................. 201
D.1.4.1.1 Optimización del flujo de gas portador y la potencia de
radiofrecuencias ..................................................................................................... 202
D.1.4.1.2 Optimización de la posición de la antorcha .................................... 204
D.1.4.1.3 Optimización del voltaje de las lentes iónicas ................................. 205
D.1.4.2 Optimización de las condiciones cromatográficas ............................ 205
D.1.4.3 Determinación de THMs mediante GC-(ICP)MS .............................. 208
D.1.4.4 Aplicabilidad de la metodología desarrollada según los requisitos de
la normativa Europea ................................................................................................ 211
D.1.5 Referencias ...................................................................................................... 214
D.2 Síntesis y caracterización de difenil éteres polibromados enriquecidos
isotópicamente en bromo-81 ............................................................................................. 217
D.2.1 Introducción .................................................................................................... 219
D.2.2 Objetivos .......................................................................................................... 220
V
D.2.3 Resultados ....................................................................................................... 221
D.2.3.1 Artículo científico II: Anal. Chem., 2010, 82, 2879–2887 ..................... 221
D.2.4 Discusión de los resultados ........................................................................... 230
D.2.4.1 Optimización de las condiciones de la reacción de síntesis ............. 230
D.2.4.2 Identificación de los compuestos sintetizados marcados
isotópicamente en 81Br ............................................................................................... 238
D.2.5 Referencias ....................................................................................................... 241
D.3 Determinación de difenil éteres polibromados prioritarios en muestras de
interés medioambiental mediante distintas metodologías de análisis por dilución
isotópica ............................................................................................................................... 243
D.3.1 Introducción .................................................................................................... 245
D.3.2 Objetivos .......................................................................................................... 246
D.3.3 Resultados ....................................................................................................... 248
D.3.3.1 Artículo científico III: J. Anal. Chem., 2011, 83, 3024–3032 ................. 248
D.3.3.2 Artículo científico IV: Anal. Bioanal. Chem., 2011, 401, 2639-2649 .... 263
D.3.4 Discusión de los resultados ........................................................................... 274
D.3.4.1 Comparación entre las metodologías desarrolladas para la
determinación de PBDEs prioritarios ...................................................................... 274
D.3.5 Referencias ....................................................................................................... 282
E. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 283
F. SUGERENCIAS PARA TRABAJOS FUTUROS ................................................. 289
G. OTRAS PUBLICACIONES RELACIONADAS ................................................... 293
G.1 Determinación de incertidumbres en la distribución de isotopómeros de masa
de moléculas ........................................................................................................................ 295
VI
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Estructura de los primeros compuestos orgánicos halogenados sintéticos ................... 4
Figura 2. Procesos de bioacumulación y biomagnificación del DDT ........................................... 6
Figura 3. Estructura general de los PBDEs donde m + n está entre 1 y 10 .............................. 15
Figura 4. Tendencia temporal en la concentración de PBDEs en leche materna de madres suecas
........................................................................................................................................ 19
Figura 5. Hormonas tiroideas T y T y PBDEs hidroxilados equivalentes ............................... 22
3 4
Figura 6. Acción agonista y antagonista de los disruptores hormonales ................................... 23
Figura 7. Esquema de un sistema SDME .................................................................................. 36
Figura 8. Esquema del procedimiento de DLLME ..................................................................... 37
Figura 9. Esquema de un sistema HF-LPME ............................................................................ 38
Figura 10. Perfiles isotópicos característicos de iones y fragmentos halogenados ...................... 83
Figura 11. Sistema GC-(ICP)QMS ......................................................................................... 120
Figura 12. Esquema del equipo (ICP)QMS (HP-4500, Agilent) ............................................. 121
Figura 13. Interfase utilizada para el acoplamiento GC-(ICP)MS .......................................... 122
Figura 14. Sistema GC-(ICP)QMS con celda de colisión/reacción .......................................... 123
Figura 15. Esquema del equipo (ICP)QMS con celda de colisión/reacción (Agilent 7500ec).. 124
Figura 16. GC-MS ................................................................................................................... 125
Figura 17. Puntos de toma de muestra para la determinación de THMs en aguas potables ... 129
Figura 18. Puntos de toma de muestra para la determinación de PBDEs en agua de río ........ 130
Figura 19.Esquema de síntesis para la obtención de patrones de PBDEs marcados
isotópicamente en 81Br .................................................................................................. 134
Figura 20. Fundamento del análisis por dilución isotópica para un elemento que contiene dos
isótopos ......................................................................................................................... 145
Figura 21. Curva de magnificación de error para los patrones marcados de PBDEs enriquecidos
en 81Br .......................................................................................................................... 154
Figura 22. Cálculo de fracciones molares mediante la función ESTIMACIÓN.LINEAL ....... 164
Figura 23. Procedimiento de cálculo empleado para la obtención del perfil isotópico teórico de la
molécula de metano ...................................................................................................... 166
Figura 24. Macro de visual Basic para Excel desarrollado para el cálculo de perfiles isotópicos
teóricos ......................................................................................................................... 167
Figura 25. Hoja de cálculo utilizada para el cálculo de perfiles isotópicos teóricos.................. 168
VII
Figura 26. Comparación de perfiles isotópicos teórico y experimental para BDE-28 (C H OBr )
12 7 3
...................................................................................................................................... 173
Figura 27. Hoja de cálculo modelo para realizar el cálculo de propagación de incertidumbres
según Kragten .............................................................................................................. 176
Figura 28. Hoja de cálculo para el cálculo de perfiles isotópicos teóricos y sus incertidumbres
...................................................................................................................................... 180
Figura 29. Curva de propagación de error en IDA molecular .................................................. 182
Figura 30. Esquema del sistema empleado para llevar a cabo la optimización de las condiciones
del acoplamiento GC-(ICP)MS para la detección de cloro y bromo ............................. 202
Figura 31. Dependencia de la intensidad de la señal obtenida con el flujo de gas portador
(mL·min-1) y la potencia de radiofrecuencias para (a) Cl y (b) Br ............................... 203
Figura 32. Dependencia de la intensidad de la señal obtenida para el dímero de Ar con el flujo
de gas portador (mL·min-1) y la potencia de radiofrecuencias ...................................... 204
Figura 33. Dependencia de la intensidad de la señal obtenida para Br con el potencial aplicado a
la lente Extract 1 .......................................................................................................... 205
Figura 34. Cromatogramas obtenidos para la separación de THMs, CCl y patrón interno ... 207
4
Figura 35. Esquema del proceso de síntesis y cromatogramas obtenidos para las reacciones de
síntesis de (a) CF y (b) BDCM ..................................................................................... 209
Figura 36. Mecanismo de la halogenación electrofílica aromática ........................................... 230
Figura 37. Mecanismo de síntesis de PBDEs ........................................................................... 230
Figura 38. Cromatogramas de los crudos de reacción obtenidos mediante GC-(ICP)MS para
distintas condiciones de trabajo .................................................................................... 232
Figura 39. Esquema de reacción de oxibromación con H O .................................................... 233
2 2
Figura 40. Cromatograma obtenido por GC-(ICP)MS para el crudo de la reacción de síntesis de
oxibromación con H O como agente oxidante ............................................................. 234
2 2
Figura 41. Esquema de reacción de oxibromación con oxone ................................................... 235
Figura 42. Cromatograma obtenido por GC-(EI)MS para el crudo de la reacción de síntesis de
oxibromación con oxone como agente oxidante ............................................................ 236
Figura 43. Influencia de la relación Br /Ph O sobre el grado de bromación de los productos
2 2
obtenidos mediante la reacción de halogenación en dos pasos con oxone como agente
oxidante ........................................................................................................................ 238
Figura 44. Identificación de los compuestos sintetizados marcados isotópicamente por
comparación de tiempos de retención ........................................................................... 239
VIII