Measurement of polycyclic aromatic hydrocarbons in ambient air by fluorescence spectroscopic techniques

Resumen

Este proyecto de Tesis Doctoral se inici¿ en marzo de 2011 gracias a la becapredoctoral otorgada por la Universidad del Pa¿s Vasco (UPV/EHU), a trav¿s delprograma de ¿Formaci¿n de Personal Investigador¿, para trabajar en el Grupo deInvestigaci¿n Atmosf¿rica (GIA) del Departamento de Ingenier¿a Qu¿mica y del MedioAmbiente de la Escuela T¿cnica Superior de Ingenier¿a de Bilbao (Universidad delPa¿s Vasco, UPV/EHU). Asimismo, parte de este trabajo de investigaci¿n se hadesarrollado en colaboraci¿n con otros grupos de investigaci¿n nacionales einternacionales a trav¿s de dos estancias. En primer lugar, con el Grupo deQuimiometr¿a del Departamento de Qu¿mica Anal¿tica de la Universidad de Barcelona(UB), durante un per¿odo de 4 meses, de abril a julio de 2013. En segundo lugar, conel grupo de Espectroscopia y Quimiometr¿a del Departamento de Ciencias de losAlimentos de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), tambi¿n durante 4 meses,de septiembre a diciembre de 2014.A lo largo de estos a¿os, el trabajo realizado ha estado orientado al desarrollo dem¿todos, alternativos a los indicados en la normativa actual, para la determinaci¿n dehidrocarburos arom¿ticos polic¿clicos (HAPs) en la fracci¿n particulada del aerosolatmosf¿rico, bas¿ndose en el uso de t¿cnicas de espectroscopia de fluorescencia encombinaci¿n con t¿cnicas avanzadas de an¿lisis de datos. Como resultado, se hanpublicado varios art¿culos cient¿ficos en diferentes revistas indexadas comoChemometrics and Intelligent Laboratory Systems o Journal of Chemometrics, y sehan presentado tambi¿n diversas contribuciones en conferencias internacionales.En cuanto a la estructura de esta memoria, se presenta en primer lugar un ¿ndicegeneral indicando la numeraci¿n de cada cap¿tulo. Seguidamente, se incluye unresumen, escrito tanto en ingl¿s como en castellano, que proporciona al lector unaidea general de la labor realizada. Posteriormente, la memoria se estructura en lossiguientes siete cap¿tulos:El Cap¿tulo 1 consiste en una introducci¿n en la cual se describen las caracter¿sticas yla importancia del an¿lisis de los HAPs en la atm¿sfera, as¿ como una evaluaci¿n delestado del arte sobre su an¿lisis mediante t¿cnicas de espectroscopia defluorescencia. Este cap¿tulo proporciona una visi¿n general de sus principalespropiedades, dispersi¿n en la atm¿sfera, transformaciones f¿sico-qu¿micas, y efectossobre la salud, as¿ como las normas y criterios de calidad del aire existentes. Acontinuaci¿n, se discuten los niveles y los ratios utilizados en la identificaci¿n de susfuentes en zonas urbanas. Por ¿ltimo, se describen los principales m¿todos de an¿lisisde los HAPs en aire, haciendo especial ¿nfasis en el estado del arte de las t¿cnicas deespectroscopia de fluorescencia y an¿lisis multivariante de datos aplicados hastaahora.El Cap¿tulo 2 presenta el enfoque metodol¿gico utilizado as¿ como su justificaci¿n.Adem¿s, se indica el objetivo principal y los objetivos espec¿ficos de este proyecto detesis doctoral.La parte experimental se describe en el Cap¿tulo 3, incluyendo los materiales y losm¿todos anal¿ticos utilizados. Asimismo, se detallan los diferentes conjuntos de datosexperimentales, la forma en la que se obtuvieron y su finalidad.El Cap¿tulo 4 desarrolla la metodolog¿a aplicada a lo largo de esta memoria. En primerlugar, se presenta la metodolog¿a general, en la que se describen los principalesaspectos desarrollados as¿ como las estrategias adoptadas durante este trabajo deinvestigaci¿n. En segundo lugar se proporciona una breve gu¿a sobre el an¿lisismultivariante de datos, as¿ como las principales caracter¿sticas de los algoritmos dean¿lisis de datos de segundo orden utilizados. Esta parte se centra en los aspectospr¿cticos y en el proceso de toma de decisiones involucradas en el an¿lisismultivariante de matrices de excitaci¿n - emisi¿n (MEE) de fluorescencia. Para ello sediscuten los aspectos m¿s importantes de cada m¿todo utilizado: An¿lisis de FactoresParalelos (PARAFAC), como m¿todo de resoluci¿n de curvas de m¿ltiples v¿as,Resoluci¿n Multivariante de Curvas por M¿nimos Cuadrados Alternados (MCR-ALS),como m¿todo de resoluci¿n de curvas multivariante, y M¿nimos Cuadrados ParcialesDesdoblados con Bilinealizaci¿n Residual (U-PLS/RBL), como m¿todo de regresi¿nmultivariante puro.Dado que el objetivo principal de este proyecto de Tesis Doctoral es el desarrollo deuna nueva metodolog¿a basada en t¿cnicas de espectroscopia de fluorescencia, sehan estudiado y comparado el uso de diferentes m¿todos quimiom¿tricos aplicadossobre MEE de fluorescencia. Por lo tanto, la evaluaci¿n y optimizaci¿n de lametodolog¿a desarrollada se realiza a lo largo del Cap¿tulo 5, donde los principalesresultados obtenidos se resumen en las siguientes secciones:En la Secci¿n 5.1 se define el protocolo de adquisici¿n de datos de MEE, haciendohincapi¿ en la adecuada selecci¿n de los rangos espectrales, la optimizaci¿n de losprincipales par¿metros instrumentales de medida y la determinaci¿n de lascaracter¿sticas de fluorescencia de los compuestos objetivo. Adem¿s, dadas lascaracter¿sticas espectrales de los HAPs bajo estudio, se se¿ala claramente lanecesidad de aplicaci¿n de m¿todos de an¿lisis multivariante de datos en combinaci¿ncon las medidas de MEE para fines cualitativos y cuantitativos.La optimizaci¿n y validaci¿n de los principales aspectos involucrados en el an¿lisismultivariante de datos y an¿lisis de m¿ltiples v¿as de MEE de fluorescencia se recogenen la Secci¿n 5.2. En ella se establecen tambi¿n las bases preliminares a consideraren el modelado de datos de MEE procedentes de muestras de aerosoles. Esto implicael an¿lisis y la optimizaci¿n de los m¿todos de pre-procesamiento de datos necesariospara construir modelos robustos, seleccionando el procedimiento de interpolaci¿ncomo la mejor estrategia a seguir para posteriores an¿lisis. A continuaci¿n, se definenespec¿ficamente las caracter¿sticas y los criterios adoptados para cada m¿todo dean¿lisis de datos utilizados en calibraci¿n de segundo orden, haciendo hincapi¿ en elefecto de las restricciones en el contexto del an¿lisis de muestras complejas.Finalmente, se eval¿an los m¿todos quimiom¿tricos seleccionados en virtud de laexistencia de compuestos interferentes no presentes en las muestras de calibraci¿n,con el fin de proporcionar una visi¿n general sobre el rendimiento de los modelos en elan¿lisis de HAPs en muestras de aerosol. En este sentido, se muestra c¿mo MCRALSy PARAFAC pueden utilizarse para una r¿pida detecci¿n cualitativa y semicuantitativade HAPs en muestras ambientales, aunque estos m¿todos son m¿ssensibles a desviaciones provocadas por efectos de matriz en las muestras. Encontraste, aunque el m¿todo U-PLS/RBL proporciona la mejor informaci¿n cuantitativa,la dificultad de estimar el n¿mero de contribuciones inesperadas en el paso RBL, as¿como su elevado tiempo de an¿lisis, se revelan como puntos d¿biles para un cribador¿pido de muestras ambientales.La Secci¿n 5.3 engloba la optimizaci¿n del protocolo de extracci¿n de muestras deaerosol, previamente requerido al an¿lisis de HAPs por espectroscopia defluorescencia. En primer lugar, se discute la selecci¿n del disolvente y subrogado m¿sapropiado para la correcci¿n de la eficiencia de extracci¿n, donde el n-hexano comodisolvente y el 2-2' binaftilo como subrogado, cumplen con los requisitos fisicoqu¿micosy espectrofluorim¿tricos necesarios. Despu¿s, se presenta la optimizaci¿n delprotocolo de extracci¿n Soxhlet, utilizando un dise¿o de experimentos que condujo a laelecci¿n del modo ¿warm¿ como el modo de extracci¿n m¿s adecuado. Finalmente, laoptimizaci¿n del tiempo de extracci¿n se realiz¿ utilizando un material de referenciaest¿ndar, con el que se seleccion¿ un tiempo de extracci¿n de 5 horas para elposterior an¿lisis de las muestras de aerosol.Dada la particular complejidad del an¿lisis de HAPs en muestras de aerosoles, en laSecci¿n 5.4 se validan los tres algoritmos de segundo orden indicados, con finescualitativos y cuantitativos, en extractos de muestras de aerosoles. Los m¿todos desegundo orden de resoluci¿n de curvas, PARAFAC y MCR-ALS, se muestranadecuados para la determinaci¿n semi-cuantitativa y el seguimiento de los patrones devariaci¿n de los HAPs en la fracci¿n fina de part¿culas en aire ambiente. Adem¿s,estas metodolog¿as muestran una mayor sensibilidad que la obtenida mediante GCMS,ofreciendo grandes ventajas desde el punto de vista del muestreo para lamonitorizaci¿n de estos contaminantes con una mayor resoluci¿n temporal. En cuantoa la cuantificaci¿n, ambos m¿todos proporcionan predicciones inexactas, debido a ladiferencia en la matriz entre las muestras analizadas y las muestras de calibraci¿n. Deesta forma y con el fin de evitar efectos de matriz en las muestras de aire urbanoanalizadas, se aconseja optar por la combinaci¿n de m¿todos de adici¿n est¿ndar yalgoritmos de an¿lisis de datos de segundo orden, validados por medio de un materialest¿ndar de referencia. Los resultados obtenidos definen la combinaci¿n de MCR-ALSy adici¿n est¿ndar como m¿todo de cuantificaci¿n para el an¿lisis de muestras deaerosol.Una vez que los diferentes enfoques han sido ampliamente probados, optimizados yvalidados, la Secci¿n 5.5 explora la aplicaci¿n de la metodolog¿a desarrollada parallevar a cabo un estudio preliminar de detecci¿n y cuantificaci¿n de 9 HAPs enmuestras de aerosoles urbanos durante varios meses. En este sentido, se discuten ycomparan los patrones de variaci¿n mensual y diaria de los HAPs, en relaci¿n con lospatrones de tr¿fico. Por otra parte, la vigilancia complementaria de otros HAPspesados se revela necesaria para poder evaluar convenientemente el potencial t¿xicototal de los HAPs asociados a part¿culas. Adem¿s, se analiza la influencia de otrosfactores, como diversos par¿metros meteorol¿gicos y otros contaminantesconvencionales, para una descripci¿n m¿s completa de los patrones atmosf¿ricos delos HAPs asociados a part¿culas. Finalmente, se hace uso de ratios de diagn¿stico yotros m¿todos multivariantes (e.g. el An¿lisis de Componentes Principales) para unacaracterizaci¿n m¿s profunda del ¿rea de estudio, aplicable a la asignaci¿n de fuentesde HAPs.El Cap¿tulo 6 presenta las conclusiones alcanzadas a lo largo de este trabajo deinvestigaci¿n.El Cap¿tulo 7 recoge la bibliograf¿a utilizada en esta memoria, incluyendo art¿culos,monograf¿as, tesis y otras publicaciones.Finalmente, se adjuntan en Anexo los art¿culos publicados y la lista de contribucionescient¿ficas presentadas en conferencias internacionales, derivadas del trabajorealizado.