Metodologías miniaturizadas basadas en impresión 3D para la extracción y detección in situ de antibióticos en aguas

Abstract

[spa] La actual escasez de agua a nivel mundial y la contaminación hídrica promueve el uso de medidas de gestión y control del agua, donde su reutilización mediante el tratamiento de aguas residuales representa una estrategia esencial para combatir la escasez y remover contaminantes que afectan negativamente la salud y el medio ambiente.

Las Estaciones de Depuración de Aguas Residuales (EDARs) convencionales, no eliminan por completo los contaminantes derivados de productos farmacéuticos, como los antibióticos, lo que contribuye al desarrollo de resistencia antimicrobiana en microorganismos. En este contexto, la monitorización de los efluentes de las EDARs es esencial, así como de otras matrices de agua, para conocer su estado, evaluar su riesgo potencial y así alcanzar una gestión eficiente y sostenible. Entre las últimas tendencias, el desarrollo de métodos analíticos modernos permite alcanzar un mayor nivel de miniaturización en la preparación de muestra y la fabricación de dispositivos ópticos portátiles, de bajo costo y fáciles de usar para la detección in situ de antibióticos en muestras de agua.

En esta Tesis doctoral se han desarrollado nuevas metodologías analíticas miniaturizadas para la monitorización de antibióticos en diferentes matrices de agua. Los métodos desarrollados se clasifican en sistemas portátiles in sítu que integran dispositivos 3D en combinación con materiales avanzados y sistemas semiautomatizados que integran la extracción in situ y posterior elución y determinación en línea en el laboratorio mediante técnicas de flujo.

En el primer trabajo, se ha desarrollado un dispositivo mediante impresión 3D, recubierto con una resina comercial selectiva y acoplado a un agitador portátil magnético para la extracción y preconcentración de siete sulfonamidas (SAs) en muestras de agua y su posterior detección por HPLC-DAD. La extracción puede realizarse tanto in situ como en el laboratorio. Este método propuesto ha permitido el uso de pequeños volúmenes de eluyente, uso de una menor cantidad de resina en comparación con los cartuchos SPE comerciales y su simplicidad de manejo, ya que se puede retirar fácilmente de las disoluciones mediante pinzas o una barra agitadora, mientras que el proceso de elución no requiere el uso de instrumentos adicionales. En condiciones optimizadas, el método propuesto se ha aplicado al análisis de agua residual y agua de grifo.

En el segundo trabajo, se ha implementado un método en campo basado en un sistema totalmente portátil con un lector de microplaca impresos en 3D para la detección fluorescente de SAs en muestras de agua residual, agua del grifo y agua potable usando un teléfono inteligente como detector. Debido a las bajas concentraciones de estos compuestos en muestras ambientales, se ha utilizado microextracción en fase sólida basada en punta de pipeta (PT-μSPE) empaquetada con nanoplaquetas de grafeno (GNPs), para la preconcentración de SAs antes del análisis instrumental. Este método propuesto permite la integración de pasos analíticos combinando la extracción y cuantificación in situ, lo que representa una alternativa más confiable y prometedora, evitando el muestreo y transporte de la muestra al laboratorio, que es una tarea crítica para preservar la integridad de los analitos.

En el tercer trabajo, se ha desarrollado un método semiautomatizado para la detección de fluoroquinolonas, que incluye un dispositivo portátil impreso en 3D recubierto con carbono derivado de una estructura zeolítica de imidazolato bimetálico (Zn/Co-ZIF) para la extracción in situ. Este dispositivo se combina con un procedimiento automatizado que utiliza técnicas de flujo para la desorción y detección de los analitos, en un solo paso. El método optimizado ha sido utilizado para el análisis de aguas residuales. Este enfoque propuesto destaca la simplicidad, la portabilidad que evita el transporte de muestras al laboratorio, menor intervención del analista y bajo consumo de muestras y disolventes.

En el cuarto y último trabajo, se propone la síntesis de un polímero impreso molecularmente (MIP) y su incorporación bajo condiciones de vacío sobre papel de microfibra de vidrio para la extracción y preconcentración in situ de tetraciclina en muestras de agua. Este sistema ha sido integrado sobre una plataforma impresa en 3D para su posterior detección fluorescente mediante la captura de imágenes digitales usando un teléfono inteligente. Este método propuesto integra el muestreo, la extracción y la cuantificación en un solo paso, sin la necesidad de utilizar instrumentación costosa.

[cat] L´actual escassetat d´aigua a nivell mundial i la contaminació hídrica promou l´ús de mesures de gestió i control de l´aigua, on la seva reutilització mitjançant el tractament d´aigües residuals representa una estratègia essencial per combatre l´escassetat i eliminar contaminants que afecten negativament la salut i el medi ambient.

Les Estacions de Depuració d'Aigües Residuals (EDARs) convencionals no eliminen completament els contaminants derivats de productes farmacèutics, com els antibiòtics, fet que contribueix al desenvolupament de resistència antimicrobiana en microorganismes. En aquest context, la monitorització dels efluents de les EDAR és essencial, així com d'altres matrius d'aigua, per conèixer-ne l'estat, avaluar-ne el risc potencial i així assolir una gestió eficient i sostenible. Entre les últimes tendències, el desenvolupament de mètodes analítics moderns permet assolir un major nivell de miniaturització en la preparació de mostra i el desenvolupament de dispositius òptics portàtils, de baix cost i fàcils d’utilitzar per a la detecció in situ d’antibiòtics en mostres d’aigua.

En aquesta tesi doctoral s'han desenvolupat noves metodologies analítiques miniaturitzades per a la monitorització d'antibiòtics en diferentes matrius d'aigua. Els mètodes desenvolupats es classifiquen en sistemes portàtils in situ que integren dispositius 3D en combinació amb materials avançats i sistemes semiautomatitzats que integren l'extracció in situ i posterior elució i determinació en línia al laboratori mitjançant tècniques de flux.

En el primer treball, s'ha desenvolupat un dispositiu mitjançant impressió 3D, recobert amb una resina comercial selectiva i acoblat a un agitador portàtil magnètic per a l'extracció i la preconcentració de set sulfonamides (SAs) en aigües i la posterior detecció per HPLC-DAD. L'extracció es pot fer tant in situ com al laboratori. Aquest mètode proposat ha permès l'ús de petits volums d'eluent, ús d'una quantitat menor de resina en comparació dels cartutxos SPE comercials i la seva simplicitat de maneig, ja que es pot retirar fàcilment de les dissolucions mitjançant pinces o una barra agitadora, mentre que el procés d'elució no requereix l'ús d'instruments addicionals. En condicions optimitzades, el mètode proposat s'ha aplicat a l'anàlisi d'aigua residual i aigua d'aixeta.

Al segon treball s'ha implementat un mètode en camp basat en un sistema totalment portàtil amb un lector de microplaca impresos en 3D per a la detecció fluorescent de SAs en mostres d'aigua residual, aigua de l'aixeta i aigua potable usant un telèfon intel·ligent com a detector. A causa de les baixes concentracions d'aquests compostos en mostres ambientals, s'ha utilitzat extracció en fase sòlida miniaturitzada basada en punta de pipeta (PT-μSPE) empaquetada amb nanoplaquetes de grafè (GNPs) per a la preconcentració de SA abans de l'anàlisi instrumental. Aquest mètode proposat permet la integració de passos analítics combinant l'extracció i quantificació in situ, cosa que representa una alternativa més fiable i prometedora, evitant el mostreig i transport de la mostra al laboratori, que és una tasca crítica per preservar la integritat dels anàlits .

Al tercer treball, s'ha desenvolupat un mètode semiautomatitzat per analitzar fluoroquinolones, que inclou un dispositiu portàtil imprès en 3D recobert amb carboni derivat d'una estructura zeolítica d'imidazolat bimetàl·lic (Zn/Co-ZIF) per a l'extracció in situ. Aquest dispositiu es combina amb un procediment automatitzat que utilitza tècniques de flux per a la desorció i detecció dels analits, en un sol pas. El mètode optimitzat s'ha utilitzat per a l'anàlisi d'aigües residuals. Aquest enfocament proposat destaca la simplicitat, la portabilitat que evita el transport de mostres al laboratori, la menor intervenció de l'analista i el baix consum de mostres i dissolvents.

A la quarta i última feina, es proposa la síntesi d'un polímer imprès molecularment (MIP) i la seva incorporació sota condicions de buit sobre paper de microfibra de vidre per a l'extracció i la preconcentració in situ de tetraciclina en mostres d'aigua. Aquest sistema ha estat integrat sobre una plataforma impresa en 3D per a la posterior detecció fluorescent mitjançant la captura d'imatges digitals usant un telèfon intel·ligent. Aquest mètode proposat integra el mostreig, l'extracció i la quantificació en un sol pas, sense necessitat d'utilitzar instrumentació costosa.

[eng] The current global water scarcity and water pollution promote the use of water management and control measures, where its reuse through wastewater treatment represents an essential strategy to combat scarcity and remove contaminants that negatively affect health and the environment.

Conventional Wastewater Treatment Plants (WWTPs) do not completely remove contaminants derived from pharmaceutical products, such as antibiotics, contributing to the development of antimicrobial resistance in microorganisms. In this context, monitoring WWTP effluents is essential, as well as other water matrices, to understand their status, assess their potential risk, and thus achieve efficient and sustainable management. Among the latest trends, the development of modern analytical methods allows for a higher level of miniaturization in sample preparation and the development of portable optical devices, low-cost, and easy-to-use for on-site detection of antibiotics in water samples.

In this doctoral thesis, new miniaturized analytical methodologies have been developed for monitoring antibiotics in different water matrices. The proposed methods are divided into portable on-site systems that integrate 3D devices in combination with advanced materials and semi-automated systems that integrate on-site extraction and subsequent elution and determination online in the laboratory using flow techniques.

In the first work, a device has been developed through 3D printing, coated with a selective commercial resin and coupled to a portable magnetic stirrer for the extraction and preconcentration of seven sulfonamides (SAs) in water and their subsequent detection by HPLC-DAD. The extraction can be performed both on-site and in the laboratory. This proposed method has allowed the use of small volumes of eluent, the use of a smaller amount of resin compared to commercial SPE cartridges, and its ease of handling, as it can be easily removed from solutions using tweezers or a stirring bar, while the elution process does not require the use of additional instruments. Under optimized conditions, the proposed method has been applied to the analysis of wastewater and tap water.

In the second work, a field-based method has been implemented based on a fully portable system with a 3D printed microplate reader for the fluorescent detection of SAs in wastewater, tap water, and drinking water using a smartphone as a detector. Due to the low concentrations of these compounds in environmental samples, miniaturized solid-phase extraction based on pipette tip (PT-μSPE) packed with graphene nanoplatelets (GNPs) has been used for the preconcentration of SAs before instrumental analysis. This proposed method allows the integration of analytical steps combining on-site extraction and quantification, representing a more reliable and promising alternative, avoiding the sampling and transportation of the sample to the laboratory, which is a critical task to preserve the integrity of the analytes.

In the third work, a semi-automated method for the detection of fluoroquinolones has been developed. This method includes a portable 3D printed device coated with carbon derived from a bimetallic imidazolate zeolitic framework (Zn/Co-ZIF) for on-site extraction. This device is combined with an automated procedure using flow techniques for the desorption and detection of analytes in a single step. The optimized method has been applied to the analysis of wastewater samples. This proposed approach highlights simplicity, portability that avoids sample transportation to the laboratory, less analyst intervention, and low consumption of samples and solvents.

In the fourth and final work, the synthesis of a molecularly imprinted polymer (MIP) and its incorporation under vacuum conditions onto glass microfiber paper for on-site extraction and preconcentration of tetracycline in water samples is proposed. This system has been integrated onto a 3D printed platform for subsequent fluorescent detection by capturing digital images using a smartphone. This proposed method integrates sampling, extraction and quantification in a single step, without the need to use expensive instrumentation.