Estrategias analíticas sostenibles para la determinación de arsénico y metales en muestras ambientales y de alimentos

Abstract

La presencia de arsénico y metales en el agua, el suelo y los alimentos en concentraciones superiores a las recomendadas por organismos oficiales constituye una grave amenaza para el ambiente y la salud pública. Estos contaminantes, provenientes tanto de fuentes naturales como de actividades humanas, pueden acumularse y alcanzar concentraciones peligrosas, afectando directamente la calidad del agua potable, la fertilidad del suelo y la seguridad de los alimentos consumidos. La contaminación por arsénico y metales ha sido vinculada con diversas enfermedades crónicas y condiciones adversas para la salud, incluyendo cáncer y trastornos neurológicos. En este contexto, el desarrollo de métodos analíticos precisos y eficaces para la detección y cuantificación de estos elementos es fundamental. Esta Tesis se dedicó al desarrollo de nuevos métodos analíticos para la extracción y determinación de arsénico y metales en muestras ambientales y alimentarias. En el primer estudio, se creó un dispositivo impreso en 3D para la determinación cinética de As(III) mediante el análisis de imágenes digitales. El método presentó límites de detección y cuantificación que se ajustan a los valores establecidos como máximos por la Organización Mundial de la Salud. Además, en sólo 15 minutos se pueden analizar 24 muestras y generando como resultado de la miniaturización del método sólo 300 microlitros de residuos por sitio de reacción. A su vez, el método propuesto se ajusta a los principios de la Química Analítica Sostenible resultando 1,7 veces más verde que otros trabajos publicados con similar detección. El segundo estudio evaluó sistemas eutécticos naturales como extractantes de metales en un material de referencia certificado BCR®-701. La optimización del método de extracción se llevó a cabo mediante un enfoque univariado, obteniendo resultados favorables con el uso de 16,5 mL de extractante y un 45% de agua, en un tiempo de extracción de solo 16 h, un tiempo mucho menor al requerido con el método oficial que fue de 53,5 h para el mismo número de muestras. El método propuesto resultó más rápido y ecológico, y demostró el potencial de los NADES en la preparación de muestras. En el tercer estudio, se desarrolló un método de microextracción líquido-líquido dispersiva asistida por ultrasonido para la determinación multielemental utilizando un sistema eutéctico profundo magnético (MDES). La metodología permitió la separación y preconcentración de 15 elementos (Al, Ba, Ca, Cd, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Ni, P, Pb, Ti, V, y Zn) a partir de muestras de aceite comestible previo a su determinación por ICP-OES. El empleo de pequeños volúmenes del extractante MDES (268 μL) permitió la reducción de reactivos y residuos, y aumentó el carácter ecológico del método. Los métodos analíticos desarrollados en esta Tesis Doctoral no solo se centraron en alcanzar parámetros analíticos óptimos para los analitos estudiados, sino que también propusieron alternativas respetuosas con el ambiente, mediante el uso de reactivos amigables con el ambiente y la reducción de residuos. En todos los casos, la evaluación de la sostenibilidad se realizó mediante el uso de la métrica AGREE a fin de poder cuantificar de manera más objetiva los criterios establecidos por la Química Analítica Sostenible.

The presence of arsenic and metals in water, soil and food at concentrations higher than those recommended by official organizations poses a serious threat to the environment and public health. These contaminants, from both natural sources and human activities, can accumulate to dangerous levels and directly affect the quality of drinking water, soil fertility and the safety of food consumed. Contamination by arsenic and other metals has been linked to several chronic diseases and adverse health effects, including cancer and neurological disorders. In this context, the development of accurate and efficient analytical methods for the detection and quantification of these elements is of vital importance. This thesis was dedicated to the development of new analytical methods for extraction and determination of arsenic and metals in environmental and food samples. In the first study, a 3D printed device for the kinetic determination of As(III) by digital image analysis was developed. The method showed limits of detection and quantification that were according to the maximum levels set by the World Health Organization. In addition, 24 samples can be analyzed in only 15 minutes and, as a result of the miniaturization of the method, only 300 microlitres of residue were generated per reaction site. Furthermore, the proposed method is according to the principles of Green Analytical Chemistry and is 1.7 times more environmentally friendly than other published work with similar detection. In the second study, a BCR®-701 certified reference material was used to evaluate natural eutectic systems as metal extractants. Optimization of the extraction method was carried out using a univariate approach and optimal results were obtained using 16.5 mL of extractant and 45% water, with an extraction time of only 16 h, much shorter than the official method which required 53.5 h for the same number of samples. The sustainability of the proposed method was demonstrated by evaluation with the AGREE metric approach and comparison with the modified BCR® method. The proposed method is presented as a different, faster and more environmentally friendly alternative, highlighting the potential of using NADES in sample preparation. In the third study, an ultrasound-assisted dispersive liquid-liquid microextraction method was developed for multi-elemental determination using a magnetic deep eutectic system (MDES). The methodology allowed the separation and preconcentration of 15 metals (Al, Ba, Ca, Cd, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Ni, P, Pb, Ti, V, and Zn) from edible oil samples prior to their determination by ICP-OES. The use of small volumes of MDES extractant (268 microliters) allowed the reduction of reagents and residues, and increased the environmental friendliness of the method. The analytical methods developed in this thesis not only focused on achieving optimal analytical parameters for the studied analytes, but also proposed environmentally friendly alternatives through the use of environmentally friendly reagents and the reduction of waste. In all cases, in order to quantify more objectively the criteria established by Green Analytical Chemistry, the sustainability assessment was carried out using the AGREE metric.