Made available in DSpace on 2014-10-09T12:32:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 00348.pdf: 1090339 bytes, checksum: 89d8cfffeb0919c6046af1f7251d14ae (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IEA/D / Instituto de Energia Atomica - IEA

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Os antimicrobianos, especialmente a classe das fluoroquinolonas (FQs), são utilizados em grandes quantidades na medicina humana e veterinária. Uma atenção especial deve ser dada à ocorrência desses fármacos em diferentes matrizes ambientais, devido a potencialidade de propagação da resistência bacteriana. As principais fontes dessa contaminação são os esgoto industrial, urbanos, esgoto sanitário de hospital e de fazendas que utilizam antibióticos com finalidades veterinárias. Após a ingestão, os antimicrobianos são excretados na sua forma inalterada e, devido a baixa eficiência dos sistemas convencionais de tratamento de esgoto, são eventualmente liberados para o meio aquático. Diferentes métodos têm sido desenvolvidos para a determinação de FQs em amostras aquosas diversas, tais como esgoto sanitário , água de abastecimento, águas superficiais e esgoto sanitário de hospital. A maior parte dessas amostras ambientais é complexa e exige uma série de etapas de preparo, limpeza e pré-concentração; de maneira que, nos últimos anos, extensos esforços têm sido feitos para o desenvolvimento de novas técnicas de preparo de amostra que reduzam o tempo, trabalho, consumo de solvente e que permitam melhor desempenho do processo analítico. Nesse estudo foram desenvolvidos dois métodos de extração - a extração em fase sólida (SPE ) e a microextração por sorvente empacotado (MEPS) - sendo a separação, identificação e quantificação feitos por HPLC-MS/MS. Os métodos foram avaliados e validados segundo os parâmetros: precisão, exatidão, recuperação, linearidade, limite de detecção (LD), limite de quantificação (LQ), seletividade, efeito matriz, eficiência total do processo e robustez. Posteriormente, foi feita aplicação dos métodos desenvolvidos para investigação de FQs em águas superficiais e amostra de esgoto coletadas em diferentes pontos da cidade de São Carlos-SP. Os métodos apresentaram valores de recuperação maiores que 80% para as FQs estudadas, e valores de exatidão e precisão menores que 30% . A comparação entre as técnicas de extração desenvolvidas permitiu listar vantagens e desvantagens particulares de cada técnica. Além do menor consumo de solventes e volume de amostras, valores insignificantes de efeito matriz foram alcançados para a técnica MEPS; no entanto a SPE, devido ao seu maior fator de concentração, permitiu a quantificação de duas fluoroquinolonas em amostra de esgoto doméstico e detecção das mesmas em amostra de rio. / Antimicrobials, particularly the fluoroquinolones (FQs) class, are widely used in human and veterinary medicine. Particular attention must be given to the occurrence of these drugs in different environmental matrices, due to the potential spread of bacterial resistance. Effluents from industries, residential districts, hospitals and animal farms are the main sources of contamination by antibiotics. After ingestion, the antimicrobials are excreted in its unchanged form. Due to the low efficiency of conventional wastewater treatments, these antimicrobials are eventually released into the aquatic environment. Several methods have been developed for the determination of FQs in different water samples, such as municipal wastewater, tap water, river water, and hospital sewage. Most of these environmental samples is complex and requires a number of preparation steps, cleaning and preconcentration. For this reason, recently, extensive efforts have been made to develop new techniques for sample preparation in order to reduce: time, number of steps, solvent consumption and achieve better performance on the analytical process. This work describes the development of two methods of extraction - by solid phase extraction (SPE) and microextraction by packed sorbent (MEPS) - and separation, identification and quantification by HPLC-MS/MS. These methods were evaluated and validated by studying the following parameters: accuracy, precision, recovery, linearity, limit of detection (MDL), limit of quantification (MQL), selectivity, matrix effect, process efficiency and robustness. These methods were subsequently applied for FQs investigation in surface water and sewage sample collected at different points in the city of Sao Carlos/SP, Brazil. The methods recoveries achieved values greater than 80% for the studied FQS and the accuracy and precision values were satisfactory when compared to the values acceptable by regulatory agencies such as EPA and AOAC. A comparison between the extraction techniques developed allowed listing advantages and disadvantages of each particular technique. Besides the lowest solvent consumption and volume of samples, negligible values of matrix effects were achieved for MEPS technique. However, SPE, due to its higher pre-concentration, allowed the quantification of two fluoroquinolones in a sample of sewage and the detection in river sample.

A presença de antibióticos no ambiente evidencia o problema do descarte inadequado de resíduos farmacêuticos e da ineficiência dos atuais sistemas de tratamento de resíduos. Como consequência a essa contaminação há a possibilidade de resistência microbiana e de outros efeitos nocivos, ainda não completamente compreendidos, sobre a fauna e flora aquática. O presente trabalho teve como um dos objetivos desenvolver métodos de preparo de amostra e análise para avaliar o potencial de um reator anaeróbio de leito fixo para a remoção de sulfonamidas de matrizes complexas, além de investigar possíveis resíduos dessa classe em diversos compartimentos ambientais da cidade de São Carlos. Para isso, métodos utilizando extração em fase sólida (SPE) e cromatografia líquida (LC) foram desenvolvidos em associação à análise por espectrometria de massas. Os resultados mostraram que o reator utilizado consegue remover satisfatoriamente o composto investigado, podendo ser, futuramente, uma alternativa aos tratamentos convencionais. Tais resultados foram obtidos a partir do desenvolvimento e validação de um método utilizando detecção por um analisador híbrido do tipo quadrupolo-tempo de voo (SPE-LC-QTOF). Outro método, baseado em SPE-LC-QTRAP (analisador híbrido quadrupolo-aprisionador de íons linear), foi validado visando mostrar que existe contaminação por sulfonamidas e trimetoprima em águas de córregos coletadas em algumas regiões da cidade. Tal objetivo foi atingindo, permitindo inclusive a comparação entre as figuras de mérito obtidas durante a validação dos métodos, que indicou que os analisadores (e os sistemas utilizados, em geral) possuem diferenças significativas que influem em parâmetros como o efeito de matriz, os limites de quantificação e a sensibilidade.<br/> Paralelamente aos métodos convencionais, alternativas de preparo e análise que reduziam a necessidade de grandes volumes de amostra e solventes também foram desenvolvidos. A associação de técnicas miniaturizadas de preparo de amostra e análise permitiu que limites de detecção comparáveis aos dos métodos utilizando SPE fossem atingidos, utilizando, inclusive, o analisador do tipo tempo de voo. Dessa forma, um novo escopo de aplicações usufruindo das características deste último analisador poderá ser desenvolvido a partir da melhor pré-concentração proporcionada pelas estratégias de miniaturização estudadas. / The presence of antibiotics in the environment demonstrates the problem of improper drug disposal and inefficiency of the current water treatment systems. As a result of this contamination, there is the possibility of microbial resistance and other harmful effects, not totally understood, on the aquatic flora and fauna. The present study aimed to develop methods for sample preparation and analysis in order to evaluate the potential of an anaerobic fixed bed reactor for removing sulfonamides from complex matrices and, in addiction, to investigate the presence of this class of contaminants in various environmental compartments of São Carlos. For this, methods using solid phase extraction (SPE) and liquid chromatography (LC), were developed in association with the analysis by mass spectrometry . The results showed that the reactor used can satisfactorily remove the compound investigated and may be, in future, an alternative to conventional treatments. These results were obtained from the development and validation of a method based on solid phase extraction associated with liquid chromatography coupled to mass spectrometry using a hybrid quadrupole-time of flight (SPE-LC-QTOF) analyzer. Another method that was also developed and validated, based on SPE-LC-QTRAP (hybrid quadrupole-linear ion trap), was useful to show that there is contamination by sulfonamides and trimethoprim in water collected from rivers in some areas of the town. This objective was achieved, inclusive allowing the comparison between the figures of merit obtained during the methods validation, which indicated that the analyzers (and the systems used, in general) have significant differences which that affect parameters as matrix effect and quantification limits.<br/> In parallel with the conventional methods, alternatives of sample preparation and analysis that reduced the need of large volumes of sample and solvent were also developed.<br/> The association of miniaturized techniques of sample preparation and analysis allowed detection limits comparable to that of methods using SPE, even using small volumes of sample and solvent and a less sensitive mass analyzer. Thus, a new scope of applications, taking advantage of the characteristics of the QTOF, can be developed from the higher pre-concentration provided by the strategies studied in this work.

Os antimicrobianos, especialmente a classe das fluoroquinolonas (FQs), são utilizados em grandes quantidades na medicina humana e veterinária. Uma atenção especial deve ser dada à ocorrência desses fármacos em diferentes matrizes ambientais, devido a potencialidade de propagação da resistência bacteriana. As principais fontes dessa contaminação são os esgoto industrial, urbanos, esgoto sanitário de hospital e de fazendas que utilizam antibióticos com finalidades veterinárias. Após a ingestão, os antimicrobianos são excretados na sua forma inalterada e, devido a baixa eficiência dos sistemas convencionais de tratamento de esgoto, são eventualmente liberados para o meio aquático. Diferentes métodos têm sido desenvolvidos para a determinação de FQs em amostras aquosas diversas, tais como esgoto sanitário , água de abastecimento, águas superficiais e esgoto sanitário de hospital. A maior parte dessas amostras ambientais é complexa e exige uma série de etapas de preparo, limpeza e pré-concentração; de maneira que, nos últimos anos, extensos esforços têm sido feitos para o desenvolvimento de novas técnicas de preparo de amostra que reduzam o tempo, trabalho, consumo de solvente e que permitam melhor desempenho do processo analítico. Nesse estudo foram desenvolvidos dois métodos de extração - a extração em fase sólida (SPE ) e a microextração por sorvente empacotado (MEPS) - sendo a separação, identificação e quantificação feitos por HPLC-MS/MS. Os métodos foram avaliados e validados segundo os parâmetros: precisão, exatidão, recuperação, linearidade, limite de detecção (LD), limite de quantificação (LQ), seletividade, efeito matriz, eficiência total do processo e robustez. Posteriormente, foi feita aplicação dos métodos desenvolvidos para investigação de FQs em águas superficiais e amostra de esgoto coletadas em diferentes pontos da cidade de São Carlos-SP. Os métodos apresentaram valores de recuperação maiores que 80% para as FQs estudadas, e valores de exatidão e precisão menores que 30% . A comparação entre as técnicas de extração desenvolvidas permitiu listar vantagens e desvantagens particulares de cada técnica. Além do menor consumo de solventes e volume de amostras, valores insignificantes de efeito matriz foram alcançados para a técnica MEPS; no entanto a SPE, devido ao seu maior fator de concentração, permitiu a quantificação de duas fluoroquinolonas em amostra de esgoto doméstico e detecção das mesmas em amostra de rio. / Antimicrobials, particularly the fluoroquinolones (FQs) class, are widely used in human and veterinary medicine. Particular attention must be given to the occurrence of these drugs in different environmental matrices, due to the potential spread of bacterial resistance. Effluents from industries, residential districts, hospitals and animal farms are the main sources of contamination by antibiotics. After ingestion, the antimicrobials are excreted in its unchanged form. Due to the low efficiency of conventional wastewater treatments, these antimicrobials are eventually released into the aquatic environment. Several methods have been developed for the determination of FQs in different water samples, such as municipal wastewater, tap water, river water, and hospital sewage. Most of these environmental samples is complex and requires a number of preparation steps, cleaning and preconcentration. For this reason, recently, extensive efforts have been made to develop new techniques for sample preparation in order to reduce: time, number of steps, solvent consumption and achieve better performance on the analytical process. This work describes the development of two methods of extraction - by solid phase extraction (SPE) and microextraction by packed sorbent (MEPS) - and separation, identification and quantification by HPLC-MS/MS. These methods were evaluated and validated by studying the following parameters: accuracy, precision, recovery, linearity, limit of detection (MDL), limit of quantification (MQL), selectivity, matrix effect, process efficiency and robustness. These methods were subsequently applied for FQs investigation in surface water and sewage sample collected at different points in the city of Sao Carlos/SP, Brazil. The methods recoveries achieved values greater than 80% for the studied FQS and the accuracy and precision values were satisfactory when compared to the values acceptable by regulatory agencies such as EPA and AOAC. A comparison between the extraction techniques developed allowed listing advantages and disadvantages of each particular technique. Besides the lowest solvent consumption and volume of samples, negligible values of matrix effects were achieved for MEPS technique. However, SPE, due to its higher pre-concentration, allowed the quantification of two fluoroquinolones in a sample of sewage and the detection in river sample.

A presença de antibióticos no ambiente evidencia o problema do descarte inadequado de resíduos farmacêuticos e da ineficiência dos atuais sistemas de tratamento de resíduos. Como consequência a essa contaminação há a possibilidade de resistência microbiana e de outros efeitos nocivos, ainda não completamente compreendidos, sobre a fauna e flora aquática. O presente trabalho teve como um dos objetivos desenvolver métodos de preparo de amostra e análise para avaliar o potencial de um reator anaeróbio de leito fixo para a remoção de sulfonamidas de matrizes complexas, além de investigar possíveis resíduos dessa classe em diversos compartimentos ambientais da cidade de São Carlos. Para isso, métodos utilizando extração em fase sólida (SPE) e cromatografia líquida (LC) foram desenvolvidos em associação à análise por espectrometria de massas. Os resultados mostraram que o reator utilizado consegue remover satisfatoriamente o composto investigado, podendo ser, futuramente, uma alternativa aos tratamentos convencionais. Tais resultados foram obtidos a partir do desenvolvimento e validação de um método utilizando detecção por um analisador híbrido do tipo quadrupolo-tempo de voo (SPE-LC-QTOF). Outro método, baseado em SPE-LC-QTRAP (analisador híbrido quadrupolo-aprisionador de íons linear), foi validado visando mostrar que existe contaminação por sulfonamidas e trimetoprima em águas de córregos coletadas em algumas regiões da cidade. Tal objetivo foi atingindo, permitindo inclusive a comparação entre as figuras de mérito obtidas durante a validação dos métodos, que indicou que os analisadores (e os sistemas utilizados, em geral) possuem diferenças significativas que influem em parâmetros como o efeito de matriz, os limites de quantificação e a sensibilidade.<br/> Paralelamente aos métodos convencionais, alternativas de preparo e análise que reduziam a necessidade de grandes volumes de amostra e solventes também foram desenvolvidos. A associação de técnicas miniaturizadas de preparo de amostra e análise permitiu que limites de detecção comparáveis aos dos métodos utilizando SPE fossem atingidos, utilizando, inclusive, o analisador do tipo tempo de voo. Dessa forma, um novo escopo de aplicações usufruindo das características deste último analisador poderá ser desenvolvido a partir da melhor pré-concentração proporcionada pelas estratégias de miniaturização estudadas. / The presence of antibiotics in the environment demonstrates the problem of improper drug disposal and inefficiency of the current water treatment systems. As a result of this contamination, there is the possibility of microbial resistance and other harmful effects, not totally understood, on the aquatic flora and fauna. The present study aimed to develop methods for sample preparation and analysis in order to evaluate the potential of an anaerobic fixed bed reactor for removing sulfonamides from complex matrices and, in addiction, to investigate the presence of this class of contaminants in various environmental compartments of São Carlos. For this, methods using solid phase extraction (SPE) and liquid chromatography (LC), were developed in association with the analysis by mass spectrometry . The results showed that the reactor used can satisfactorily remove the compound investigated and may be, in future, an alternative to conventional treatments. These results were obtained from the development and validation of a method based on solid phase extraction associated with liquid chromatography coupled to mass spectrometry using a hybrid quadrupole-time of flight (SPE-LC-QTOF) analyzer. Another method that was also developed and validated, based on SPE-LC-QTRAP (hybrid quadrupole-linear ion trap), was useful to show that there is contamination by sulfonamides and trimethoprim in water collected from rivers in some areas of the town. This objective was achieved, inclusive allowing the comparison between the figures of merit obtained during the methods validation, which indicated that the analyzers (and the systems used, in general) have significant differences which that affect parameters as matrix effect and quantification limits.<br/> In parallel with the conventional methods, alternatives of sample preparation and analysis that reduced the need of large volumes of sample and solvent were also developed.<br/> The association of miniaturized techniques of sample preparation and analysis allowed detection limits comparable to that of methods using SPE, even using small volumes of sample and solvent and a less sensitive mass analyzer. Thus, a new scope of applications, taking advantage of the characteristics of the QTOF, can be developed from the higher pre-concentration provided by the strategies studied in this work.

Atualmente, a demanda e a necessidade de metodologias analíticas e bioanalíticas que promovam análise rápida e seletiva tem impulsionado o constante desenvolvimento de sorventes para preparo de amostra e fases estacionárias para cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Desta maneira, esta tese tem por objetivo desenvolver materiais utilizando precursores de sílica com aplicação em preparo de amostra e suportes cromatográficos para cromatografia líquida de ultra alta eficiência (UHPLC). Foram sintetizadas e caracterizadas duas fases extratoras as quais tiveram sua aplicabilidade demonstrada na extração de fármacos em fluidos biológicos empregando a técnica de extração em fase sólida (SPE). A primeira metodologia desenvolvida foi a síntese de partículas de sílica empregando precursores de baixo custo (silicato de sódio) pelo método sil-gel. Após a funcionalização com grupamento C18, e caracterização da fase extratora, o material sintetizado foi aplicado em SPE off-line para a determinação de fluoxetina e seu metabólito, norfluoxetina, em plasma humano por HPLC-UV. O método desenvolvido foi validado e aplicado em amostra de plasma de pacientes sob tratamento de fluoxetina. Além disso, o sorvente desenvolvido apresentou resultados similares quando comparado com fases extratoras comerciais. O segundo método desenvolvido utilizou a técnica de impressão molecular (MIP) a qual tem se tornado uma fase extratora atrativa devido a sua maior seletividade em relação as fases típicas empregadas em SPE. Ao mesmo tempo, o uso de SPE online com MIP (MISPE) é uma alternativa atraente no preparo de amostra, pois é simples, diminui o tempo total da análise, necessita de pequena quantidade de amostra, e pode ser automatizado. Assim, MIP amino-funcionalizado pelo processo sol-gel utilizando ibuprofeno como template foi sintetizado. Para comparação, o polímero não impresso (NIP) foi preparado nas mesmas condições, sem a presença do template. As análises por cromatografia líquida foram realizadas utilizando uma coluna de extração MIP e uma coluna analítica em fase reversa configuradas para operar no modo SPE online por column switching. O método desenvolvido, MISPE-HPLC-UV, foi validado e aplicado na extração seletiva de cinco anti-inflamatórios não esteroidais (NSAIDs) em urina humana com um tempo total de análise de 22 minutos. Além dos materiais voltados para preparo de amostra, foi avaliado a síntese e caracterização de suporte cromatográfico baseado em sílica com diâmetro de partícula abaixo de 2 &micro;m com aplicabilidade em análises rápidas em cromatografia (UHPLC). Nesta vertente, partículas de sílica esférica não porosa (0,9 &micro;m) foram sintetizadas pelo método sol-gel com DPR abaixo de 10 %. As partículas foram funcionalizadas com o grupamento C18 (ODS) e submetidas posteriormente ao processo de endcapping (TMS) para operar em modo reverso. Métodos físico-químicos de caracterização foram utilizados para determinar a morfologia, área superficial e quantidade de carbono na superfície do material. Adicionalmente, as técnicas de infravermelho e ressonância magnética nuclear forneceram informações sobre a estrutura da sílica e das ligações após a funcionalização. A fase estacionária foi empacotada em uma coluna (40 mm x 0,25 mm) e a sua aplicabilidade foi avaliada em cromatografia líquida capilar (cLC). Apesar de não alcançar a eficiência ótima da separação cromatográfica devido a limitação instrumental, a fase estacionária sub 1 &micro;m apresenta potencial para separações rápidas sem perda de eficiência. / Currently, the demand and need for bioanalytical and analytical methodologies that promotes rapid and selective analysis has stimulated the development of sorbents for sample preparation and stationary phases for high performance liquid chromatography (HPLC). Therefore, this thesis aims to develop materials using silica precursors with application in sample preparation and chromatographic supports for ultra high performance liquid chromatography (UHPLC). Thus, in this study two sorbents were synthesized and characterized and their applicability was demonstrated in the extraction of drugs in biological fluids employing the solid phase extraction technique (SPE). The first method developed was the synthesis of silica particles employing low cost precursors (sodium silicate) using the sil-gel method. After functionalization with C18 group and characterization of the extraction phase, the synthesized material was applied to SPE off-line for the determination of fluoxetine and its metabolite, norfluoxetine, in human plasma by HPLC-UV. The method was validated and applied to plasma samples from patients treated with fluoxetine. Furthermore, the labmade sorbent presented similar results when compared with commercial ones. The second method developed used the molecular imprinting technique (MIP) that has become an attractive sorbent due to its greater selectivity over the typical phases employed in SPE. At the same time, the use of online SPE with MIP (MISPE) is an attractive alternative in sample preparation because it is simple, reduces the total time of analysis, needs little amount of sample and can be automated. Thus, MIP amino-functionalized by the sol-gel method using ibuprofen as template was synthesized. For comparison, the non-imprinted polymer (NIP) was prepared under the same conditions without the presence of template. LC analysis was performed using a MIP extraction column and a reverse phase analytical column in order to perform column switching on-line sample separation. The developed method, MISPE-HPLC-UV, was validated and applied to the selective extraction of five anti-inflammatory drugs (NSAIDs) in human urine with a total analysis time of 22 minutes. Moreover it was evaluated the synthesis and characterization of chromatographic support based on silica with particle diameter under 2 &micro;m with applicability in fast LC analysis (UHPLC). In this instance, spherical particles of non-porous silica (0.9 &micro;m) were synthesized by sol-gel method with RSD below 10 %. The particles were functionalized with the C18 group and submitted to the endcapping process with TMS to operate in reverse phase mode. Physico-chemical methods were used to determine the morphology, surface area and amount of carbon in the silica surface. Additionally, the infrared and nuclear magnetic resonance techniques provided information about the structure of silica and bonds after the functionalization step. The stationary phase was packed into a column (40 mm x 0.25 mm), and its applicability was evaluated in capillary liquid chromatography (cLC). Although optimum chromatographic efficiency was not achieved separation due to instrumental limitations, the sub 1 &micro;m stationary phase has potential for rapid separations without loss of efficiency.

Phospholipids (PLs) are a component of cell membranes, biological fluids and tissues. These compounds are problematic for the bioanalytical chemist, especially when PLs are not the analytes of interest. PL interference with bioanalysis highly impacts reverse-phase chromatographic methods coupled with mass spectrometric detection. Phospholipids are strongly retained on hydrophobic columns, and can cause significant ionization suppression in the mass spectrometer, as they out-compete analyte molecules for ionization. Strategies for improving analyte detection in the presence of PLs are reviewed, including in-analysis modifications and sample preparation strategies. Removal of interfering PLs prior to analysis seems to be most effective at moderating the matrix effects from these endogenous cellular components, and has the potential to simplify chromatography and improve column lifetime. Products targeted at PL removal for sample pre-treatment, as well as products that combine multiple modes of sample preparation (i.e. Hybrid SPE), show significant promise in mediating the effect on PL interference in bioanalysis.

Biological sample analysis is a costly and time-consuming process. It involves highly trained technicians operating large and expensive instruments in a temperature and dust controlled environment. In the world of rising healthcare cost, the drive towards a more cost-effective solution calls for a point-of-care device that performs accurate analyses of human blood samples. To achieve this goal, today's bulky laboratory instruments need to be scaled down and integrated on a single microchip of only a few square centimeters or millimeters in size. Dielectrophoresis (DEP), a phenomenon where small particles such as human blood cells are manipulated by non-uniform electric fields, stands to feature prominently in the point-of-care device. An original device that enhances DEP effect through novel geometry of the electrodes is presented. When activated with two inverting sinusoidal waveforms, the novel-shaped electrodes generate horizontal bands of increasing electric fields on the surface of the microchip. With these bands of electric fields, particles can be manipulated to form a straight horizontal line at a predictable location. Experimental results showing the collection, separation, and transportation of mammalian cells are presented. A strategy for simultaneous processing of two or more types of particles is also demonstrated. With capabilities for an accurate position control and an increased throughput by parallel processing, the novel microchip device delivers substantial improvements over the existing DEP designs. The research presented here explores the effects of novel electrode geometries in cell manipulations and contributes to the overall progress of an automated blood analysis system.