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Orientador: Kenneth E.Collins / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-13T22:31:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_MariadeFatimaCarvalho_M.pdf: 3442927 bytes, checksum: 7773d7b6735e50cd6389613227a2f13f (MD5) Previous issue date: 1990 / Mestrado

En la presente Tesis Doctoral se han evaluado nuevas herramientas analíticas; instrumentales, metodológicas y de tratamiento de datos, para mejorar la detección del consumo de sustancias dopantes en el deporte. Se trata, con todo esto, de reducir los límites de cuantificación, aumentar el tiempo de detección posible o del descubrimiento de nuevos metabolitos o marcadores del abuso de una sustancia en concreto.

El amplio uso de plaguicidas en el área Mediterránea, hace que la exposición a los mismos suponga un evidente riesgo para la salud pública, debido a su demostrada toxicidad. La actividad donde el uso de plaguicidas es mayor es la agricultura, ya que las cosechas se ven afectadas por una gran diversidad de plagas, así como por la competencia de las malas hierbas. Pero no solamente el sector agrícola se encuentra expuesto a plaguicidas, la población en general también están expuestos a ellos, aunque en distinto grado. Uno de los riesgos para la población general es la exposición a largo plazo provocada por la presencia de residuos de plaguicidas en los alimentos como consecuencia de los tratamientos fitosanitarios, así como por los contaminantes ambientales. Atendiendo a la necesidad de controlar y evaluar esta exposición humana, el objetivo principal de la presente Tesis Doctoral ha consistido en el estudio y puesta a punto de procedimientos analíticos eficaces basados en cromatografía de gases (GC) capilar para la determinación de plaguicidas organofosforados (OPs) y organoclorados (OCs) en muestras biológicas de origen humano.En una primera etapa del presente trabajo, se han desarrollado dos procedimientos multiresiduales sencillos para el análisis de plaguicidas en muestras humanas de suero y orina. Se han basado en técnicas tradicionales como son la microextracción líquido-líquido (LLME) y la extracción en fase sólida (SPE). El procedimiento basado en SPE ha resultado más rápido, ha evitado la formación de emulsiones, frecuentes en la técnica de extracción con disolventes orgánicos, y ha permitido la obtención de extractos más limpios. Sin embargo, los límites de detección obtenidos han sido, en muchos casos, insuficientes para el control biológico de la población en general, aunque sí resulten adecuados para la determinación de altos niveles de contaminantes en población expuesta.En una segunda etapa de la investigación, se ha incorporado el uso de una técnica más novedosa, como es la microextracción en fase sólida (SPME) para la determinación de residuos de plaguicidas OPs y OCs en muestras de fluidos biológicos. Esta técnica permite simplificar notablemente el tratamiento de muestra en comparación con las técnicas tradicionales, lo cual supone una reducción del tiempo de análisis, así como una menor manipulación de la muestra. Además y debido a la complejidad de las muestras estudiadas, el uso del modo de trabajo de espacio de cabeza ha permitido la obtención de precisiones satisfactoria y bajos niveles de detección, muy adecuados para el control, tanto de población expuesta como no expuestaFinalmente, y coincidiendo con la tercera etapa del proceso de investigación, también se han analizado muestras de tejido adiposo humano, las cuales presentan una elevada complejidad por su alto contenido lipídico (aproximadamente un 84%). La cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) en fase normal con columnas de Silicagel ha sido la técnica seleccionada para la etapa de purificación en la determinación de compuestos OCs, tanto plaguicidas OCs como PCBs, en este tipo de matrices. Los procedimientos de purificación desarrollados han permitido obtener los plaguicidas y sus metabolitos en fracciones libres de grasa, o con un contenido menor a la máxima cantidad de carga de grasa recomendada para columnas de gases capilares. Esto ha hecho posible la inyección directa de las fracciones HPLC en GC.La sensibilidad y selectividad de los procedimientos de extracción y purificación desarrollados se ha conseguido aumentar con el empleo de técnicas cromatográficas de análisis mediante espectrometría de masas (GC-MS), permitiendo la confirmación inequívoca de los compuestos detectados. También se ha utilizado para la detección una técnica más novedosa como la espectrometría en tándem masas (MS/MS), la cual se revela como una herramienta poderosa para el análisis de matrices complejas, ya que aporta un factor adicional por la realización del espectro de los iones secundarios formados a partir de un precursor seleccionado. La adecuada selección de los iones precursores y de los iones secundarios permite disponer de una de las técnicas más sensible y selectivas para trabajar con muestras complejas.Y por último, todos los métodos analíticos desarrollados se han aplicado al análisis de muestras de fluidos y tejidos humanos, tanto de agricultores como de población supuestamente no expuesta a plaguicidas, detectándose con frecuencia algunos de los analitos objetos del presente estudio.

El objetivo general de esta Tesis es el desarrollo de diversos avances con electrodos selectivos de iones basados en membranas poliméricas plastificadas dentro de la Potenciometría Moderna, incluyendo la ampliación de sus aplicaciones analíticas en análisis toxicológico y biorremediación, análisis enzimático y análisis de fármacos y de bebidas. La metodología llevada a cabo está basada en una serie de estrategias de actuación con los electrodos selectivos de iones de membrana polimérica plastificada, en cuanto a la optimización de los componentes de la membrana, el estudio de sus respuestas potenciométricas incluyendo respuestas dinámicas, el diseño de plataformas conductoras para su miniaturización y su aplicación en campos de interés actual. Así, se ha construido un electrodo que responde a cationes alquilmetilimidazolio, componentes de líquidos iónicos. Además se han calculado los coeficientes de reparto de estos cationes entre las fases membrana/disolución y se ha utilizado como descriptor de la toxicidad de los líquidos iónicos correspondientes en distintos microorganismos. El electrodo se ha utilizado también para la determinación del catión 1-butil-3-metilimidazolio en aguas contaminadas, así como para la monitorización de su bioadsorción sobre hojas de Posidonia oceanica y sobre piel de naranja. Se han introducido tres compuestos formadores de enlaces por puente de hidrógeno, como nuevos ionóforos de aniones. Dos de ellos son derivados del benzodipirrol y son buenos ionóforos para los aniones divalentes tipo oxo: sulfato, sulfito, tiosulfato y oxalato. El tercer compuesto es un derivado del carbazolocarbazol que resultó ser un buen ionóforo para los aniones dicarboxilato: oxalato, malonato, succinato, glutarato y adipato. Se ha desarrollado un nuevo electrodo selectivo de acetilcolina y se ha aplicado al seguimiento de su cinética de hidrólisis catalizada enzimáticamente por la acetilcolinesterasa, obteniéndose una serie de parámetros cinéticos y enzimáticos de interés. Dicha reacción también se ha estudiado en presencia del inhibidor galantamina. Además se ha desarrollado un nuevo tratamiento matemático que llega a una ecuación que se ha utilizado como gráfica de calibrado para la determinación analítica de galantamina en fármacos y orina humana y para la obtención de la constante de inhibición correspondiente. Se presenta una nueva técnica llamada potenciometría dinámica diferencial que se basa en la obtención de la diferencia entre las respuestas dinámicas de dos electrodos selectivos de iones, en nuestro caso uno conteniendo una ?-ciclodextrina como ionóforo y el otro con la correspondiente membrana blanco. Se han obtenido unas nuevas señales que se proponen como “huellas dactilares” de una serie de principios activos catiónicos y de aniones. La técnica se ha aplicado para la determinación de lidocaína en productos farmacéuticos y también, mediante el uso del análisis de componentes principales, se ha obtenido un descriptor de la lipofilia para aniones. Por último se ha extendido dicha técnica al estudio de mezclas binarias de aniones. Se ha desarrollado un nuevo electrodo selectivo de contacto sólido basado en una porfirina de cinc(II), para la determinación de dióxido de azufre en diferentes vinos blancos y tintos. Las excelentes características del electrodo lo posicionan como una buena alternativa para el procedimiento de control rutinario en la industria vinícola. Se han preparado un nuevo electrodo de potasio y un electrodo de referencia miniaturizados, sobre una goma conductora basada en nanotubos de carbono. Se ha construido un brazalete para la determinación de potasio en sudor artificial con excelentes resultados, constituyendo un nuevo “objeto inteligente”. Adicionalmente, las gomas conductoras tienen otras funciones como servir de sello de atmósferas aisladas y como sensores físicos de movimiento, tomando ventaja de su flexibilidad. / The general aim of the present PhD thesis is the development of several advances with ion-selective electrodes, based on plasticized polymeric membranes, within the field of the called Modern Potentiometry, and to increase their use in analytical applications regarding to toxicological analysis and bioremediation, enzymatic analysis and the analysis of pharmaceuticals and beverages. The methodology used is based on a series of strategies with ion-selective electrodes containing plasticized polymeric membranes regarding the optimization of the membrane components, the study of potentiometric responses including potential dynamic responses, the design of new conductive platforms for their miniaturization and their application to fieldS of actual interest. Thus, an electrode that responds to alkylmethylimidazolium cations, components of ionic liquids, has been constructed. Besides, partition coefficients of these cations for the water/membrane interface have been calculated and they have been used as a toxicity predictor for the corresponding ionic liquid in different microorganisms. The electrode was satisfactorily used for the determination of 1-butyl-3-methylimidazolium cation in contaminated waters as well as to study its biosorption process by dry biomass from Posidonia oceanica and orange rind, which may be useful for water bioremediation purposes. Three hydrogen-bonding compounds are presented as new ionophores for anion-selective electrodes. Two of them are benzodipyrrol derivatives and they are good ionophores for the divalent anions sulfate, sulfite, thiosulfate and oxalate. The third compound is a carbazolocarbazole derivative and it is a good ionophore for the dicarboxylate anions: oxalate, malonate, succinate, glutarate and adipate. A new acetylcholine-selective electrode has been developed. The electrode is suitable for monitoring the acetylcholine concentration during its hydrolysis catalyzed by acetylcholinesterase. A kinetic-potentiometric method allows the enzymatic parameters of the hydrolysis to be determined in the presence and in the absence of the inhibitor galantamine. An advantage of the method is that it is used under the physiological conditions of the enzyme. A new mathematical approach, based on the basic equations of a competitive inhibitor, has been developed. It leads to an equation that has been applied to the determination of galantamine in pharmaceuticals and human urine with excellent results, and also to obtain the inhibition constant of the process. A new technique called Differential Dynamic Potentiometry based on the difference between the dynamic responses of two ion-selective electrodes, one with an ionophore and other without, is introduced. In our case the ionophore is a ?-cyclodextrin. The differential dynamic responses obtained can be used as fingerprints for the cationic drugs and the anions tested. The technique has been applied to the analytical determination of lidocaine in pharmaceuticals with good results. In addition, the technique was used with a principal component analysis and a lipophilicity descriptor for the anions was found. Finally, the technique has been extended to anion binary mixtures. A new solid-contact ion-selective electrode based on a Zn-porphyrin for the determination of sulfur dioxide in white and red wines has been developed. The excellent characteristics showed by the electrode place it as a good alternative to be used in routine analysis in the wine industry. A miniaturized ion-selective electrode and also a reference electrode have been prepared using new conductive rubbers based on a carbon nanotubes-ink. An innovative bracelet containing these two electrodes has been prepared for the determination of potassium in human sweat. This fact transforms a traditional rubber into a smart object. From a practical point of view, the ability to incorporate electrical circuits onto commercial, commodity rubbers is interesting to use them in O-rings and seals to have these electrical circuits inside hold vacuum for gas controlled atmpspheres. Another application born by taking advantage of elastic properties of the rubbers to create physical movement sensors.

El meu treball de recerca va consistir en la millora, desenvolupament i aplicació de tècniques analítiques per a l'anàlisi qualitatiu i quantitatiu de carotenoides en cereals, principalment en blat de moro i arròs. Inicialment vaig treballar en l'optimització del mètode d'extracció d'aquests pigments. Es compararen diferents combinacions de solvents per determinar el millor solvent extractant que permetés alliberar tots els carotenoides de la llavor de blat de moro, malgrat les seves diferents polaritats. Addicionalment, vaig millorar i desenvolupar dos mètodes cromatogràfics per HPLC i UHPLC per realitzar la separació d'aquests pigments. Es compararen diverses fases estacionàries i mòbils amb la finalitat de trobar el millor sistema que permetés la separació de la majoria d'aquests compostos. La identificació dels analits es va realitzar mitjançant l'ús detectors de fotodíodes en sèrie i de masses. Es compararen tècniques d'ionització com ara ESI, APCI i APPI per ionitzar aquests pigments. / Mi trabajo de investigación consistió en la mejora, desarrollo y aplicación de técnicas analíticas para el análisis cualitativo y cuantitativo de carotenoides en cereales, principalmente en maíz y arroz. Inicialmente trabajé en la optimización del método de extracción de estos pigmentos. Diferentes combinaciones de solventes fueron comparadas para determinar el mejor solvente de extracción, que permitiera liberar de la semilla de maíz, todos los carotenoides a pesar de sus distintas polaridades. Adicionalmente, mejoré y desarrollé dos métodos cromatográficos por HPLC y UHPLC para conseguir realizar la separación de estos pigmentos. Varias fases estacionarias y móviles fueron comparadas con el fin de encontrar el mejor sistema que permitirá la separación de la mayoría de estos compuestos. La identificación de los analitos se realizó mediante el uso detectores de fotodiodos en serie y de masas. Técnicas de ionización tales como ESI, APCI y APPI fueron comparadas para ionizar los pigmentos. / My research program focused on the development and optimization of qualitative and quantitative analytical methodology for carotenoid determination in cereal crops. Initially, I improved the protocol to extract carotenoids from maize and rice tissues. I compared different combinations of solvents in order to identify the most suitable mixture that allowed me to extract, in spite of its different polarities, all the carotenoids present in the samples. I also improved and developed two chromatographic methods by high performance liquid chromatography (HPLC) and ultra high performance liquid chromatography (UHPLC) to separate these pigments. Various stationary and mobile phases were evaluated in order to obtain the most optimal resolution among the different pigments found in the samples. The identification of these molecules was carried out using photo diode array (PDA) and mass (MS) detectors. I investigated the effect of ionizing carotenoids using electrospray ionization (ESI), atmospheric pressure chemical ionization (APCI) and atmospheric pressure photoionization (APPI) techniques.

El análisis por dilución isotópica y espectrometría de masas (IDMS) es reconocido como una de las técnicas más potentes para obtener resultados altamente fiables y de gran calidad metrológica en el campo de la química analítica. IDMS destaca como la forma de cuantificación más adecuada ante determinaciones realizadas en matrices de alta complejidad, siendo por ello ampliamente utilizado durante el acoplamiento de las técnicas de cromatografía a la espectrometría de masas. Además IDMS también permite corregir variaciones de la señal en el detector así como las interconversiones o pérdidas de analito durante todo el tratamiento de muestra. IDMS permite, por tanto, corregir problemas que pueden aparecer a lo largo de todo el proceso analítico. La presente tesis versa sobre el desarrollo de metodología analítica basada en IDMS haciendo uso de la herramienta matemática de Deconvolución de Perfiles Isotópicos (IPD) para la cuantificación de los analitos. A pesar de que este tipo de cuantificación evita el uso de curvas de calibrado metodológico y permite el solapamiento espectral entre compuestos de composición natural y enriquecidos, su aplicación en métodos de rutina todavía se encuentra en pleno desarrollo. La técnica IPD permite la cuantificación mediante una sola inyección, reduciendo de forma considerable el tiempo total de análisis. En todas las metodologías desarrolladas a lo largo de esta tesis se ha hecho uso del acoplamiento de la cromatografía líquida a la espectrometría de masas, ya sea simple o en tándem. Para ello se han seleccionado distintas combinaciones matriz-analito en determinaciones con conocida dificultad analítica, tanto de naturaleza inorgánica como orgánica. El trabajo realizado se ha estructurado en tres bloques. En el primero, se ha desarrollado un método para la cuantificación de cromo hexavalente (Cr(VI)) en suelos y otras muestras sólidas de índole medioambiental, mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (LC-ICP-MS). El segundo bloque se centra en la determinación de alquilfenoles (nonilfenol y octilfenol) y del bisfenol A en distintas muestras de agua. Para asegurar la ausencia de efectos isotópicos, o distinto comportamiento entre compuestos naturales y sus análogos marcados isotópicamente, se han sintetizado sus correspondientes patrones internos con un solo carbono-13: el 13C1-nonilfenol y el 13C1-octilfenol. Para finalizar, en el último bloque se ha evaluado el efecto matriz en las cuantificaciones mediante LC-MS. Se ha utilizado como caso de estudio la determinación de micotoxinas en piensos y especias, matrices con conocido efecto matriz y se han ensayado diversas formas de calibrado que lo corrigen, entre ellas IPD. Tal y como se ha comentado anteriormente, el primer bloque incluye el desarrollo de un método para la correcta determinación de Cr(VI) en muestras sólidas medioambientales, principalmente suelos. Para ello se utilizaron dos trazadores isotópicos, el 50Cr(VI) y el 53Cr(III), con el propósito de poder estudiar y corregir las interconversiones entre ambas especies. El grueso de la investigación fue la optimización de la etapa de extracción. Se alcanzaron resultados cuantitativos para el Cr(VI) en sólo 10 minutos mediante microondas focalizadas, utilizando como extractante una solución 50 mmol/L de ácido etiliendiaminotetraacétido (EDTA) a pH 10. El tratamiento de muestra fue simplificado respecto a trabajos anteriores ya que una dilución 1:10 de la solución anterior fue empleada como fase móvil y el Cr(III) fue estabilizado. Además, la formación de Cr(III)-EDTA- permitió separar el Cr(III) cromatográficamente del Cr(VI) (presente como CrO42-) mediante cromatografía de intercambio aniónico. Para garantizar los resultados obtenidos el estudio fue realizado sobre los materiales de referencia certificados NIST 2700 y NIST 2701 (suelos contaminados por Cr(VI) a dos niveles de concentración). La metodología propuesta evita la oxidación del Cr(III) en los dos materiales de referencia estudiados, no siendo por tanto necesario el uso de dos trazadores y pudiéndose emplear sólo el de Cr(VI) en futuras aplicaciones del método optimizado. Tras aplicar la metodología de IPD en su contexto habitual, el análisis elemental, a partir del segundo bloque se inicia su aplicación al campo de análisis de compuestos orgánicos. Así, el segundo bloque se enmarca en el campo de los compuestos disruptores endocrinos a través de su cuantification en aguas mediante IDMS e IPD. Para ello, en un primer momento se llevó a cabo la síntesis, caracterización y aplicación de trazadores enriquecidos isotópicamente con un solo 13C, con el objetivo de asegurar la ausencia de efectos isotópicos. A tal efecto, el 13C1-nonilfenol fue sintetizado en un primer trabajo y el 13C1-octilfenol en el segundo trabajo, en el que fueron utilizados conjuntamente. En un tercer trabajo se utilizaron los dos compuestos anteriores junto al 13C12-bisfenol A, para cuantificar a sus análogos de composición isotópica natural. Estos tres trabajos tienen en común el uso de la cromatografía líquida de ultra alta resolución, acoplada a la espectrometría de masas en tándem (UHPLC-MS/MS (QqQ)) para llevar a cabo la cuantificación de los compuestos. Los analitos seleccionados, los alquilfenoles y el bisfenol A, fueron determinados en aguas embotelladas, residuales y superficiales. Cabe destacar las estrictas medidas necesarias para evitar la contaminación durante el tratamiento de muestra y análisis, sobre todo en el caso del nonilfenol. En el primer trabajo de este bloque, el isómero sintetizado, el 13C1-4-(3,6-dimetil-3-heptil)fenol (13C1-NP), se utilizó para cuantificar la mezcla técnica de nonilfenol en aguas, tras una extracción previa y preconcentración mediante cartuchos de extracción en fase sólida (SPE). La cuantificación basada en IPD y marcaje isotópico mínimo fue comparada con el uso de un patrón interno habitual en este tipo de análisis, la forma lineal de nonilfenol (n-nonilfenol). Las cuantificaciones realizadas con el patrón interno n-nonilfenol aportaron resultados significativamente superiores a los reales. Sin embargo, los valores para los ensayos de recuperación por IPD con 13C1-NP estuvieron entre el 83 y el 108% con coeficientes de variación entre el 1.5 y el 9%. En el segundo trabajo de este bloque se utilizaron ambos trazadores isotópicos sintetizados, el 13C1-NP y el 13C1-4-tertoctilfenol (13C1-OP). A diferencia del trabajo anterior, se apostó por una técnica de extracción más novedosa, la microextracción en fase líquida utilizando fibras huecas como soporte de la fase aceptora (HF-LPME). Tras la optimización, la extracción se realizó durante 30 minutos, utilizando octanol como fase aceptora de los analitos. En comparación con otras técnicas como la SPE, la HF-LPME reduce los costes por extracción a unos pocos céntimos por fibra y el volumen de disolventes orgánicos necesario a unos pocos microlítros. Durante su validación, se alcanzaron límites de cuantificación de 0,1 µg/L y recuperaciones entre el 97 y el 109% para ambos compuestos. En el último trabajo incluido en este bloque se desarrollaron dos métodos de extracción para la determinación conjunta de bisfenol A (BPA), octilfenol y nonilfenol en aguas de consumo y medioambientales. En este caso, el análogo marcado utilizado fue el 13C12-BPA, adquirido de forma comercial. Por una parte, se optimizó la extracción por SPE utilizando cartuchos de tipo C18. Por otra, se optimizó la extracción mediante el uso de HF-LPME. Ambas metodologías fueron comparadas en términos de precisión, coste, facilidad de uso, tiempo y uso de disolventes. Como en trabajos anteriores, los límites de cuantificación para los alquilfenoles alcanzados fueron 0,1 µg/L mientras que el caso del bisphenol tuvo que ser elevado a 0,5 µg/L por cuestiones de sensibilidad y precisión durante las medidas. El tercer y último bloque aborda el problema del efecto matriz en el análisis de micotoxinas mediante fuente de ionización electrospray en determinaciones por LC-MS/MS. Para ello, se extiende la cuantificación por IPD hasta 9 micotoxinas, ya que sus análogos marcados isotópicamente con todos los 12C sustituidos por 13C se encontraban disponibles de forma comercial. El estudio fue llevado a cabo en matrices con alta complejidad, incluyendo especias y piensos. En una primera aproximación se estudió la corrección del efecto matriz mediante la monitorización continua de un compuesto introducido de forma constante junto a la fase móvil, aunque sin obtener resultados satisfactorios. También se estudió el efecto matriz mediante la fortificación de los extractos tras la etapa de extracción. En una segunda parte del estudio se realizó de forma simultánea la cuantificación mediante 5 aproximaciones distintas: adiciones estándar con un punto y con calibrado, calibrado utilizando patrones internos marcados isotópicamente, así como dos formas de calcular con un solo punto las concentraciones: IPD y el calibrado interno isotópico (OPIC). En general, los valores de recuperaciones fueron adecuados en todas las aproximaciones excepto en los casos de IPD y OPIC para las fumonisinas y de adiciones estándar con un solo punto si la adición era demasiado próxima a la concentración de la muestra. Se observó que en el caso de que los patrones internos marcados isotópicamente no estuvieran disponibles, el uso de adiciones estándar a un solo nivel, suficientemente elevado dentro de un rango, ofrecía los mejores resultados.

La investigación de drogas ilícitas (IDs) en aguas se ha convertido en tema de actualidad en los últimos años. Las IDs pueden entrar en las aguas residuales, inalteradas o como metabolitos, después de su consumo y excreción. Los procesos de depuración, comúnmente aplicados en las plantas de tratamiento de aguas residuales (WWTPs), son a menudo insuficientes y algunas IDs y/o sus productos de transformación (TPs) pueden ser transferidos continuamente a aguas medioambientales. La determinación de IDs y sus metabolitos en el ciclo del agua puede contribuir a entender el potente impacto de estos compuestos en el ecosistema acuático, así como proveer información sobre el consumo de drogas y sus tendencias. Por consiguiente, se requiere desarrollar metodologías analíticas sofisticadas para obtener datos de concentración exactos de estos compuestos en el medio acuático. En esta tesis doctoral, se ha investigado el potencial de técnicas analíticas modernas basadas en el acoplamiento cromatografía líquida-espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS), con analizadores de triple cuadrupolo (QqQ), híbrido cuadrupolo-tiempo de vuelo (QTOF) y trampa de iones lineal Orbitrap (LTQ-Orbitrap), para la determinación de IDs y sus metabolitos/TPs en diferentes tipos de muestras de agua. El trabajo se ha estructurado en cinco partes. De los datos obtenidos en esta tesis han resultado nueve artículos científicos y un capítulo de un libro, escrito por invitación. En la primera parte, se ha explorado el potencial de la UHPLC-MS/MS, con analizador de triple cuadrupolo, para la determinación cuantitativa de las IDs más frecuentemente consumidas y sus metabolitos en agua. Se han desarrollado dos métodos multiresiduales basados en una etapa de pre-tratamiento de muestra mediante extracción en fase sólida (SPE) “off-line” y posterior determinación por UHPLC-MS/MS. En ambos métodos, se pudieron cuantificar e identificar en un solo análisis compuestos pertenecientes a diferentes clases de IDs, con propiedades físico-químicas diferentes. En el primer método se seleccionaron 11 compuestos ácido/base pertenecientes a tres clases de IDs (anfetaminas, cocaína y cánnabis) en base a su elevado consumo en el área Mediterránea. Posteriormente, el método se actualizó tras la reciente adquisición de un instrumento UHPLC-MS/MS, resultando el método presentado en el segundo trabajo, en el cual se aumentó el espectro de aplicación a varios opiáceos y a la ketamina. La selección de estos compuestos se realizó de acuerdo con los datos obtenidos en estudios de control europeos donde, por ejemplo, la ketamina fue detectada, ocasionalmente, en muestras de agua residual. Se llevó a cabo un estudio detallado para la minimización del efecto matriz, evaluando su impacto en la determinación cromatográfica y en la sensibilidad. Ambos métodos fueron validados y, posteriormente, aplicados al análisis de aguas residuales urbanas de WWTPs situadas en la provincia de Castellón, España. Algunos de estos resultados forman parte del programa de control europeo, apoyado por el “Observatorio Europeo de las Drogas y las Toxicomanías” (EMCDDA), donde nuestro laboratorio es uno de los centros participantes. Las IDs más frecuentemente detectadas fueron la cocaína y el cannabis. Además, los resultados indicaron un aumento del consumo de la cocaína durante los fines de semana, así como un aumento de la mayoría de las otras drogas durante algún festival de música importante. Los datos de concentración obtenidos para las aguas residuales de entrada y salida permitieron estimar la eficiencia de las WWTPs en la eliminación de cada compuesto estudiado, la cual fue, generalmente, satisfactoria para los bajos niveles de concentración encontrados en las aguas residuales de entrada. Sin embargo, la eliminación de IDs disminuyó durante la semana del festival de rock. La segunda parte resultó en un capítulo de libro y dos artículos científicos, focalizándose en el estudio del potencial de la LC acoplada a Espectrometría de Masas de Alta Resolución (HRMS) para investigar la presencia de IDs en aguas residuales. La versatilidad de la LC, junto con el alto poder de resolución del masas y la masa exacta de la HRMS, así como la posibilidad de realizar experiencias en modo MS/MS o pseudo MS/MS, permitió la detección e identificación de IDs y sus metabolitos con la selectividad y sensibilidad requerida. Inicialmente, se exploró el potencial de la técnica UHPLC-QTOF MS para un rápido “screening” cualitativo de 76 IDs, fármacos con potencial de abuso y algunos de sus metabolitos en muestras de agua residual recogidas en España. Los análisis fueron llevados a cabo en modo MSE, el cual implica la adquisición simultánea de dos funciones con energías de colisión diferentes. Esto permite obtener datos de masa exacta para las moléculas protonadas (baja energía de colisión) e iones fragmento (alta energía de colisión) en un solo análisis. El “screening” de muestras de agua residual de entrada y salida sospechosas de estar contaminadas permitió la detección e identificación de diez compuestos, de los cuales cinco analitos (codeína, cotinina (metabolito de la nicotina), ketamina, oxazepam y temazepam) pudieron ser provisionalmente identificados sin disponer inicialmente de patrones de referencia. El análisis cualitativo y cuantitativo mediante el analizador de masas LTQ Orbitrap fue también estudiado para 24 IDs y metabolitos relevantes en aguas residuales utilizando simultáneamente datos de masa exacta de “full-scan” y medidos en MSn. Este último fue generado en el LTQ y facilitó información útil de iones producto. La validación del método demostró satisfactoriamente la capacidad cuantitativa para la determinación de IDs a niveles de sub-ppb. La metodología fue aplicada a muestras de aguas residuales de los Países Bajos. Varias IDs tales como MDMA, benzoilecgonina (BE), codeína y benzodiacepinas pudieron ser identificadas y cuantificadas. Además, los datos de MS obtenidos mediante el Orbitrap permitieron una investigación retrospectiva de los metabolitos de la ketamina en las muestras. La tercera parte consistió en la elaboración de dos artículos científicos donde el espectro de masa exacta obtenido por LC-QTOF MS en modos MS/MS y MSE permitió, por una parte, investigar la fragmentación de varios IDs y sus metabolitos, y por otra, la elucidación de TPs de la cocaína y su principal metabolito, la BE, en agua. En el primer trabajo, se estudiaron las vías de fragmentación de diferentes clases de IDs (anfetaminas, cocaína, opiáceos, cannabinoides y ketamina) y sustancias relacionadas, incluyendo metabolitos y análogos deuterados. Se propusieron estructuras químicas de iones fragmento utilizando los datos de masa exacta medida junto con los conceptos y reglas básicas de fragmentación. Nuestros datos de masa exacta permitieron confirmar estructuras y vías de fragmentación, previamente reportadas, haciendo uso de la masa nominal y al mismo tiempo, aportaron nuevos conocimientos para la anfetamina, estimulantes tipo-anfetamina, el principal metabolito del cannabis y opiáceos. En el segundo trabajo, se llevó a cabo un estudio de los TPs de la cocaína y la BE. La cocaína se seleccionó por su alto consumo y las elevadas concentraciones comúnmente encontradas en aguas residuales de entrada. La posible formación de TPs tanto durante los procesos de tratamiento de aguas residuales como por la exposición a elementos naturales del medio ambiente (p.e. la luz solar) debe tenerse en cuenta ya que estos TPs pueden ser más persistentes o presentar una toxicidad similar al compuesto inicial. Se llevaron a cabo varios ensayos de degradación en el laboratorio bajo condiciones controladas. Los datos de masa exacta medida y el conocimiento previo sobre vías de fragmentación de la cocaína y la BE fueron de gran ayuda para la elucidación de diversos TPs. Varios metabolitos/TPs conocidos pudieron ser confirmados y otros compuestos desconocidos pudieron ser provisionalmente identificados, incluso sin disponer de los patrones de referencia. Se encontraron 16 TPs de la cocaína y 10 de la BE. Cuatro TPs, no reportados anteriormente, fueron detectados en muestras de agua residual de salida y en agua superficial. La cuarta parte engloba tres artículos científicos focalizados en la formación de IDs en el medio acuático. Tanto las muestras de agua de España como las de los Países Bajos fueron analizadas mediante las metodologías analíticas cuantitativas desarrolladas en la primera y segunda parte de esta tesis. El objetivo fue el estudio de la presencia de IDs y metabolitos seleccionados, así como su posible eliminación en las WWTPs y su impacto potencial en el medio acuático. Se ha llevado a cabo con un especial énfasis el aseguramiento de la calidad. Los criterios de cuantificación y confirmación fueron aplicados siguiendo las guías europeas, y en cada secuencia de muestras se analizaron muestras de control de calidad (QCs). En el primer trabajo, las IDs se determinaron diariamente en muestras de agua residual, tanto de entrada como de salida, recogidas de tres WWTPs situadas en la provincia de Castellón, España. Se recogieron muestras de 24h en tres periodos semanales, incluyendo una semana en la cual se celebró un festival musical internacional en Benicassim. Bajo circunstancias normales, las concentraciones de IDs fueron bajas y las eficiencias en la eliminación fueron satisfactorias. Sin embargo, durante el festival se observó un notable aumento en las concentraciones. Esto también reflejó mayores niveles de los analitos en las salidas y mayores cargas en el ambiente acuático. En el segundo trabajo, se investigó la presencia de 24 drogas “target” por LTQ Orbitrap MS en muestras de aguas residuales de cinco WWTPs situadas en los Países Bajos, incluyendo el aeropuerto internacional de Amsterdam (Schiphol). Se estimaron las variaciones diarias de cargas de droga y la eficiencia de cada WWTP para la eliminación de las drogas estudiadas de manera individual. Los resultados contribuyeron a una mejor comprensión de la presencia de IDs en las aguas residuales de los Países Bajos, revelando en las muestras del aeropuerto un modelo de comportamiento ligeramente diferente. Las eficiencias de las WWTPs en la eliminación fueron generalmente satisfactorias a excepción de las benodiazepinas y MDMA. En el tercer trabajo, se llevó a cabo un amplio “screening” de 34 IDs y sus metabolitos más relevantes en el ciclo del agua de los Países Bajos enmarcado en un estudio de colaboración con cuatro laboratorios participantes. Se analizaron muestras de agua residual urbana (entrada y salida), agua superficial de los ríos Rhine and Meuse, y agua potable producida de estos ríos. Los resultados sugirieron que importantes fracciones de la carga total de las IDs en los ríos Rhine and Meuse llegan a los Países Bajos del extranjero. Para algunos compuestos, las cargas parecían aumentar aguas abajo, lo cual podría estar causado por la contribución de las salidas neerlandesas de las aguas residuales. En el agua potable, únicamente se detectó BE en una muestra y a un nivel de concentración por debajo del límite de cuantificación. Con los datos obtenidos en este estudio, no se desprende ninguna relevancia toxicológica para el medio ambiente y la salud humana. No obstante, debería recomendarse una investigación futura basada en los posibles efectos a largo plazo (crónicos) en los organismos vivos y los posibles efectos en combinación con la exposición a múltiples compuestos a bajos niveles de concentración. La quinta parte no es, en realidad, un trabajo que pertenezca formalmente a esta tesis doctoral. Se presenta únicamente como un breve resumen ya que merece la pena mencionar por el esfuerzo realizado para establecer una red europea que supervise la presencia de IDs en aguas residuales y estime el consumo de estos compuestos en las ciudades europeas investigadas. El autor de la presente tesis doctoral ha contribuido a esta red participando activamente en los temas analíticos. Las técnicas analíticas avanzadas, comúnmente basadas en acoplamiento cromatografía-espectrometría de masas, son la base para obtener datos de concentraciones exactas en la excreción de los productos de IDs en las aguas residuales. Es un claro ejemplo donde la química analítica moderna juega un papel clave en la obtención de más conocimientos sobre el uso y las tendencias de las drogas ilícitas en la población. En esta parte se incluyen tres artículos de colaboración y un informe, como ejemplos ilustrativos de la colaboración europea mencionada. Estos artículos ponen de relieve las diferencias en el consumo de drogas en distintas zonas de Europa y dan una visión general de los métodos analíticos comúnmente aplicados en este campo, así como las incertidumbres asociadas a estudios epidemiológicos basados en los análisis de aguas residuales.