El número de aplicaciones de la energía laser en el campo científico crece día a día. Estas no solo se han extendido en los campos de química, física y ciencia de materiales, sino también en biología y medicina. Este artículo es una breve introducción a los principios fundamentales del funcionamiento del láser, así como a su aplicación en el campo de la química. / The number of applications of lasers in science is constantly growing, with applications stretching from chemistry, physics and materials science to biology and medicine. This article provides a short overview of the fundamentals of lasers and an introduction to the application of lasers and laser ablation in chemistry.

El análisis elemental de muestras clínicas presenta grandes dificultades que superar como el bajo volumen de muestra, la baja concentración de analitos de interés y la compleja matriz de la muestra. El sistema hTISIS se plantea como una posible solución para llevar a cabo este tipo de análisis, debido a que se puede trabajar en modo de introducción de muestra segmentada, siendo el volumen de muestra necesario de unos cuántos µL y a que se consigue una eficacia de transporte cercana al 100%, al trabajar con dicho sistema a elevadas temperaturas, independientemente de la matriz. Esto hace que se pueda analizar este tipo de muestras mediante calibración externa con patrones acuosos, lo cual es una gran ventaja sobre todo para aquellas muestras en las que además no existen patrones de referencia.

The present PhD is focused on the development of new analytical methods based on ICP techniques to carry out the elemental and isotopic analysis of bioethanol samples and other specimens taken along the bioethanol production process. The total sample consumption system, so-called hTISIS, has been used as sample introduction system in ICP-OES for the quantification of major and minor metals, and ICP-MS for the determination of trace metals. The hTISIS has also been successfully set up to carry out the lead isotopic analysis of bioethanol samples. Additionally, metals found in bioethanol have been monitored along the production process of this biofuel to identify the origin of these metals. Finally, volatile organic compounds have been determined in different bioethanol samples to perform the characterization of the matrices and their effect on the accuracy of the methods based on ICP techniques, developed in the present PhD for the elemental and isotopic analysis of these kind of samples. / La presente Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de nuevos métodos de análisis basados en técnicas de ICP para llevar a cabo el análisis elemental e isotópico de muestras de bioetanol y muestras tomadas a lo largo del proceso de obtención de dicho biocombustible. Se ha empleado un sistema de consumo total de muestra, conocido como hTISIS, como sistema de introducción de muestras en ICP-OES para la cuantificación de metales mayoritarios y minoritarios, y en ICP-MS para la determinación de metales traza en bioetanol. El sistema hTISIS también se ha empleado con éxito para llevar a cabo el análisis isotópico de plomo en dichas muestras. Además, los metales encontrados en las muestras de bioetanol han sido monitorizados a lo largo del proceso de obtención del mismo para identificar el origen de dichos metales. Finalmente, se han determinado los compuestos volátiles presentes en diferentes muestras de bioetanol, con el objetivo de caracterizar las matrices y como estas pueden afectar a la exactitud de los métodos desarrollados, que emplean técnicas ICP para el análisis elemental e isotópico de este tipo de muestras.

Con objeto de garantizar la calidad de los alimentos tanto desde el punto de vista nutricional como toxicológico, existen diferentes normativas a nivel internacional para el control del contenido de metales y metaloides en alimentos. Este tipo de determinaciones se suele llevar a cabo mediante técnicas de Espectrometría Atómica por su sencillez y parámetros analíticos (p.ej. límite de detección, precisión, velocidad, etc.). No obstante, debido a la complejidad que presentan las matrices de los alimentos (i.e. grasas, proteínas, etc.) y a los bajos niveles de concentración de algunos elementos, se requiere de un tratamiento de extracción-preconcentración previo. Con este fin, se ha utilizado en la bibliografía la Microextracción Dispersiva Líquido-Líquido (DLLME). Sin embargo, el uso combinado de DLLME y técnicas de Espectrometría Atómica para la determinación de metales en alimentos sigue presentado limitaciones, como: (i) empleo de disolventes extractantes no adecuados según los principios de la Química Verde; (ii) escaso aprovechamiento del acoplamiento de DLLME y la Espectrometría de Emisión mediante Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-AES) por los efectos de matriz que producen los extractantes orgánicos en el plasma; (iii) falta de criterio para seleccionar las condiciones de trabajo óptimas en ICP-AES para trabajar con extractos de DLLME; y (iv) escasa aplicación de DLLME a muestras de alimentos complejas (p.ej. vino, chocolate, etc.). En la presente Tesis Doctoral se han desarrollado nuevos métodos de análisis elemental en alimentos mediante el uso combinado de la Microextracción Dispersiva Líquido-líquido (DLLME) y técnicas Espectroscópicas Atómicas. En primer lugar, se ha investigado la posibilidad de utilizar el líquido iónico hexafluorofosfato de 1-butil-3-metilimidazolio como medio de extracción en DLLME para la determinación de Cd y Pb en muestras de vino mediante Espectrometría de Absorción Atómica con Horno de Grafito. Los resultados demuestran que esta metodología se puede utilizar para controlar los metales anteriores en todo tipo de muestras de vino (tinto, rosado, blanco, espumoso y fortificado) según la normativa de la Organización Internacional de la Viña y el Viñedo. Por otro lado, se han investigado diferentes estrategias para analizar los extractos orgánicos (1-undecanol, líquidos iónicos, cloroformo) que se obtienen en DLLME mediante ICP-AES y así aprovechar la capacidad que ofrece esta técnica para determinar varios elementos de forma simultánea. Esta metodología se ha aplicado con éxito a la determinación de 6 elementos (Al, Cu, Fe, Mn, Ni y Zn) en aguas. Finalmente, se ha evaluado la posibilidad de utilizar de forma combinada DLLME e ICP-AES para la determinación simultanea de As, Cd y Pb en alimentos (arroz, chocolate y mejillones vino.) utilizando como extractante un disolvente supramolecular (THF/1-undecanol). Los resultados obtenidos demuestran que la metodología desarrollada permite el control de dichos elementos según el Reglamento 1881/2006 de la Comisión.

Hoy en día, las técnicas espectrométricas basadas en plasma de acoplamiento inductivo están reemplazando progresivamente a otras técnicas anteriores para el análisis elemental de rutina. Esta categoría incluye la espectrometría de emisión óptica por plasma de acoplamiento inductivo (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry, ICP OES) y la espectrometría de masas por plasma de acoplamiento inductivo (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS). De hecho, el uso de estas técnicas es muy recomendable para la determinación de elementos a niveles traza y ultratraza en muestras de matriz compleja. A pesar de ser cada vez más interesantes en el análisis químico, ambas técnicas presentan todavía ciertas limitaciones cuando se aplican al análisis de este tipo de muestras. La determinación del analito en este caso es especialmente complicada cuando se encuentra a niveles de concentración traza o inferiores. En primer lugar, una importante limitación de las técnicas basadas en plasma (i.e., ICP OES e ICP-MS) radica en la baja eficiencia de transporte de los sistemas de introducción de muestras líquidas convencionales. Su función es transferir una parte representativa de la muestra al plasma. Para ello, estos sistemas incorporan un nebulizador que transforma la muestra líquida en un aerosol. Posteriormente, el aerosol es transportado hasta el plasma por medio de una corriente de gas. Sin embargo, el porcentaje del aerosol que finalmente llega al plasma es muy bajo. Por lo tanto, una forma de mejorar los parámetros analíticos de calidad es aumentar la eficiencia de transporte del analito al plasma. Por otro lado, un cambio en las propiedades físicas de la muestra modifica la distribución de tamaño de gota del aerosol de la muestra, provocando un cambio en la eficiencia de transporte. Esto ocurre, por ejemplo, cuando se nebuliza una muestra con matriz orgánica. En segundo lugar, otra limitación significativa proviene de las interferencias causadas por las especies concomitantes en la matriz de la muestra. En la mayoría de los casos, la complejidad de la matriz de la muestra interfiere en el análisis y, por tanto, afecta a la calidad de los resultados obtenidos. Los efectos de la matriz pueden eliminarse, o al menos minimizarse, utilizando una metodología de calibración apropiada en el análisis. Sin embargo, las metodologías que se utilizan habitualmente para reducir los efectos de la matriz son lentas, tediosas y consumen un gran volumen de reactivos y de muestra. Una alternativa muy prometedora para eliminar, o al menos reducir, las mencionadas limitaciones de forma práctica y económica es la utilización de sistemas de nebulización múltiples, que permiten la introducción simultánea de varias corrientes líquidas. Estos sistemas no solo presentan una tecnología de nebulización altamente eficiente en términos de la generación del aerosol, sino que suponen un avance hacia la automatización dado que permiten realizar mezclas y/o reacciones químicas en línea. Como resultado de estas características, los sistemas de multinebulización son muy interesantes para múltiples aplicaciones, siendo la más extendida la generación de vapor químico. Esta metodología consiste en transformar el analito en fase gas para aumentar su transferencia al plasma. También es interesante para la reducción de los efectos de la matriz mediante metodologías de calibración en línea, que son más rápidas, simples y económicas que las metodologías convencionales. Una última limitación general del análisis de muestras de matriz compleja, independientemente de la técnica utilizada, es la escasez de materiales de referencia certificados que reproduzcan de forma aproximada las condiciones de la muestra que se va a analizar, de modo que resulten una referencia fiable. En resumen, el principal objetivo de esta tesis es mejorar la capacidad analítica de las técnicas basadas en plasma de acoplamiento inductivo (ICP OES e ICP-MS) y simplificar el proceso analítico en el análisis elemental de muestras con matriz compleja. Esto se consigue mediante el desarrollo y aplicación de metodologías analíticas basadas en el uso de sistemas de nebulización múltiple.