Aplicación de extracción en fase sólida (SPME Y SPE) al control ambiental y biológico de la exposición a agentes químicos en ambientes laborales

Abstract

El objetivo de este trabajo ha sido estudiar y evaluar la aplicación de la técnica de extracción y microextracción en fase sólida (SPE y SPME) para el desarrollo de metodologías de toma de muestra y análisis que sean útiles tanto al control ambiental como biológico de la exposición laboral a compuestos orgánicos volátiles. Los objetivos específicos propuestos son los siguientes: 1. Desarrollar y evaluar un muestreador pasivo radial basado en SPME para su aplicación al control ambiental de la exposición, estudiando su comportamiento en concentraciones variables en el tiempo, situación que es habitual en ambientes laborales. 2. Desarrollar y evaluar un método de toma de muestra y análisis utilizando SPME que permita llevar a cabo el control biológico de compuestos orgánicos mediante su análisis en la fracción final de aire exhalado. 3. Desarrollar y optimizar un método para el análisis de compuestos orgánicos sin metabolizar en orina mediante SPME. 4. Estudiar y evaluar la aplicación de la técnica de SPE para la toma de muestra en campo y la determinación de estireno sin metabolizar en orina. El dispositivo de muestreo pasivo desarrollado, basado en un prototipo de muestreador en campo de SPME, utiliza como barrera de difusión un cilindro poroso de polietileno y, como adsorbente, una fibra de 80 m de Polidimetilsiloxano/Carboxen. Se ha determinado experimentalmente la velocidad de captación por difusión para los contaminantes estudiados mediante la generación de atmósferas controladas de concentración conocida de dichos contaminantes y se han llevado a cabo ensayos con concentraciones variables. También se ha estudiado la influencia de distintas variables como la temperatura, la humedad relativa, el tiempo de almacenamiento, la velocidad del aire, la difusión reversa y la adsorción competitiva sobre la cantidad de compuesto adsorbido por el dispositivo de muestreo. Se ha estudiado también el comportamiento del muestreador en estaciones de servicio comparado los resultados con los obtenidos con otro muestreador difusivo. El estudio del método de muestreo y análisis de la fracción final de aire exhalado, utilizando la técnica de SPME, ha requerido la generación de atmósferas controladas con diferentes concentraciones de los contaminantes. La muestra se recoge en un bulbo de vidrio cuyos extremos se cierran una vez terminada la exhalación. El método se ha comparado con otro de muestreo de la fracción final de aire exhalado, concentración en adsorbente y análisis mediante desorción térmica. Se ha calculado la precisión y el límite de detección del método. Se ha llevado a cabo un estudio de campo del sistema de medida tomando muestras de tetracloroetileno de un trabajador expuesto en una tintorería, y de benceno, tolueno y xilenos de un grupo de trabajadores expuestos en estaciones de servicio. Entre los factores que pueden afectar a la eficiencia del método de análisis de compuestos orgánicos sin metabolizar en orina mediante SPME se encuentran el tipo de fibra, el tiempo de equilibrio o incubación, la temperatura y el tiempo de extracción, y la presencia o ausencia de sales. Estas variables se han evaluado y optimizado mediante el diseño experimental. Bajo las condiciones óptimas, se ha calculado la precisión y el límite de detección del método. Para estudiar su comportamiento, el método desarrollado se ha comparado con un método automático de espacio de cabeza y se ha participado en un programa de intercomparación. Para la aplicación de cartuchos de SPE para la toma de muestra en campo de orina de trabajadores se ha evaluado en primer lugar el efecto del tipo de adsorbente, el eluyente, el volumen de elución, el flujo de elución, y la adición de metanol en el disolvente de lavado, sobre la recuperación de estireno sin metabolizar en orina mediante el diseño experimental con el fin de obtener las condiciones óptimas. Bajo estas condiciones se ha evaluado la incertidumbre global del método y el límite de detección. Se ha estudiado también la estabilidad del compuesto, tanto en los cartuchos como en viales, para diferentes periodos de almacenamiento. Los resultados obtenidos en este trabajo, aplicando las técnicas de SPE y SPME, indican que las metodologías de toma de muestra y análisis desarrolladas resultan útiles tanto para el control ambiental como para el biológico de la exposición laboral a compuestos orgánicos volátiles. Debido a que son técnicas no invasivas, fácilmente accesibles para laboratorios no especializados y a que facilitan la toma de muestra, el transporte, la conservación y el análisis -gracias a la preconcentración de los analitos de interés- permitirán la aplicación rutinaria de estas herramientas para la evaluación de la exposición laboral.

The aim of this work has been to study and assess the application of both solid phase extraction and microextraction techniques (SPE and SPME) to develop methodologies for sampling and analysis for both environmental and biological monitoring of occupational exposure to volatile organic compounds. The specific aims proposed were: 1. The development and assessment of a radial diffusive sampler based on SPME for its application to environmental monitoring of exposure. The behavior of the sampler under concentrations changing with time, a situation that is common in the workplace, was studied. 2. The development and assessment of a SPME method for the biological monitoring of organic compounds by analyzing the final fraction of exhaled air. 3. The development and optimization of a method to analyze unmetabolized organic compounds in urine by SPME. 4. The study and assessment of the application of the SPE technique for field sampling and subsequent determination of unmetabolized styrene in urine. The sampling passive device is based on a prototype SPME field sampler. It uses a porous polyethylene cylinder as the diffusive barrier and an 80 m Polydimethylsiloxane/Carboxen sorbent fiber coating. The determination of the experimental diffusive uptake rates required the generation of controlled test atmospheres having different concentration of toluene and chlorobenzene. The system was used to carry out two fluctuating concentration profiles. The influence of different temperatures, relative humidity, storage time, air velocity, on the sampler behavior was also studied. Back-diffusion and competitive adsorption effects were also checked. A field sampler comparison with respect to a reference sampler was also carried out. The method of sampling and analysis of the final fraction of the exhaled breath using SPME required the generation of controlled atmospheres having different concentrations of the pollutant for the corresponding calibration curves. The sample was collected in a glass tube which ends were closed once the exhalation finished. The tube had an orifice sealed with a septum through which the fiber is inserted. A comparison with other end-exhaled air sampling method, based on sorbent concentration and thermal desorption analysis has been carried out. The precision and the limit of detection of the proposed method have been evaluated. The method has been applied to the determination of tetrachloroethylene from exhaled breath samples of an occupationally exposed person in a cleaning shop, and to the determination of benzene, toluene and xylene from exhaled breath samples from occupationally exposed workers in petrol stations. Parameters affecting the recovery of unmetabolized solvents from urine by SPME, such as type of fiber, extraction temperature, equilibrium time, extraction time, salt addition, and their interactions, were investigated and optimized by experimental design methodology. Under the optimized conditions the precision and the limit of detection were studied. The performance of the method was compared with that of a method based on automatic headspace. The method has been also tested by an intercomparison programme. The effect of sorbent type, eluting solvent, elution volume, elution flow-rate, and the addition of methanol to the washing solvent, on unmetabolized styrene recovery from urine by SPE was evaluated by experimental design methodology to know the optimal conditions. Under these conditions the overall uncertainty and the limit of detection were evaluated. The effect of urine storage conditions, both in cartridges and vials, on styrene recovery has been studied. The sampling and analysis methodologies developed when applying solid phase extraction and Microextraction techniques (SPE y SPME) are useful both for environmental and biological monitoring of occupational exposure to volatile organic compounds. These techniques are easily accessible for a non-specialized laboratory, allowing for an easy and non invasive sampling, as well as an easy transport, storage and analysis. All these mentioned advantages facilitate their routine application to the occupational exposure assessment.