Modelado quimiométrico de datos cromatográficos y cinéticos. Desarrollo de métodos analíticos aplicables a muestras complejas

La contaminación química consiste en la introducción directa o indirecta, ocasionada por la actividad humana, de sustancias en la atmósfera, el agua o el suelo que puede tener efectos perjudiciales para la salud humana o la calidad del ambiente. Desde hace un tiempo a esta parte, la concientización sobre el impacto de las actividades industriales y agropecuarias ha ido en aumento y por este motivo, los gobiernos alrededor del mundo han establecido regulaciones para minimizar sus efectos negativos. En consecuencia, los controles ambientales han adquirido una mayor rigurosidad en su implementación, alcanzado a nuevas clases de contaminantes. De la totalidad de contaminantes presentes en el ambiente, en las últimas décadas ha cobrado relevancia el monitoreo de aquellos denominados emergentes. Un contaminante emergente es aquel que podría tener efectos adversos sobre los seres vivos y cuya regulación legal es incompleta. La peligrosidad de estos contaminantes radica en que su persistencia en el medio es significativa. No sólo no se analizan durante los controles de rutina del agua y de los efluentes sino que además los procesos habituales del tratamiento de los mismos no los destruyen. Ejemplos de este tipo de contaminantes son los antibióticos, las hormonas y los antiinflamatorios. Las quinolonas constituyen un grupo de antibióticos sintéticos de amplio espectro que derivan del ácido nalidíxico. Su mecanismo de acción consiste en la inhibición del crecimiento bacteriano como consecuencia de su interferencia con la enzima ADN girasa. A su vez, las fluoroquinolonas son una clase particular de quinolonas que se caracterizan por presentar un átomo de flúor en el anillo central, normalmente en la posición 6. Este sustituyente aumenta la acción bactericida del medicamento. Las mismas se excretan en orina y heces como sus metabolitos o sin modificar. Estos antibióticos se utilizan para el control de una gran variedad de enfermedades, dentro de las que se encuentran aquellas ocasionadas por Salmonella y E. Coli en humanos y animales. Se aplican fundamentalmente en medicina veterinaria, donde se administran en cantidades significativas representando una fuente importante de resistencia bacteriana. Debido a las consecuencias sanitarias asociadas al uso indiscriminado de antibióticos, la Organización Mundial de la Salud clasifica a estos fármacos en tres categorías, a saber: importantes, muy importantes y críticamente importantes. A las quinolonas se las ubica en la tercera categoría y por ello, es de suma importancia el desarrollo de métodos analíticos selectivos y sensibles que permitan la identificación y cuantificación de estos analitos en muestras complejas como agua, suelo y tejidos de origen animal y vegetal. En el presente trabajo de tesis se propuso como objetivo desarrollar nuevos métodos analíticos que involucren sistemas cromatográficos y cinéticos siguiendo los lineamientos de la química analítica verde (QAV), para la cuantificación de quinolonas en matrices alimentarias y ambientales. Las metodologías propuestas involucraron el análisis quimiométrico de datos multivariados de origen cromatográfico y cinético. En primer lugar, se desarrolló una metodología analítica ambientalmente compatible que permitió la cuantificación de diez quinolonas de uso veterinario y humano (ácido pipedímico, marbofloxacina, enofloxacina, ofloxacina, norfloxacina, ciprofloxacina, lomefloxacina, danofloxacina, enrofloxacina y sarafloxacina). La estrategia desarrollada involucró datos de segundo orden provenientes de experimentos cromatográficos de líquidos con detección fluorescente. Los datos de segundo orden se emplearon en una calibración de segundo orden y se utilizaron algoritmos quimiométricos para su resolución. El algoritmo MCR-ALS demostró ser una metodología adecuada para cuantificar dichas quinolonas en matrices complejas como tejidos de animales. El tratamiento quimiométrico permitió predecir las concentraciones de las quinolonas que coeluyeron y también la cuantificación en presencia de interferentes (ventaja de segundo orden). De los algoritmos ensayados, se obtuvieron los mejores resultados con MCR-ALS. El método desarrollado se aplicó en distintas muestras de origen animal que potencialmente contienen los analitos de interés, incluyendo riñón de vaca, hígados de pollo y vaca. El ensayo de recuperación efectuado demuestra que el método propuesto permite cuantificar los analitos bajo estudio en un tiempo breve y de acuerdo a los principios de la QAV. En una segunda instancia, se propuso una metodología analítica ambientalmente compatible, utilizando cromatografía de líquidos acoplada a una celda en flujo en un espectrofluorómetro de barrido rápido. La resolución de los analitos bajo estudio no se logró cromatográficamente sino mediante el uso de algoritmos quimiométricos. De los algoritmos disponibles para procesar datos de tercer orden, se utilizaron los algoritmos U-PLS/RTL y MCR-ALS. El algoritmo MCR-ALS fue incapaz de resolver una de las diez quinolonas, caso contrario a lo ocurrido en el procesamiento del mismo conjunto de analitos en una calibración de segundo orden. Esto se debe a la menor sensibilidad del detector utilizado para generar los datos de tercer orden respecto del utilizado en el trabajo anterior y al menor número de matrices que pudieron adquirirse por perfil cromatográfico. Por otro lado, las quinolonas también fueron procesadas con U-PLS/RTL. Dicho algoritmo fue capaz de resolver quimiométricamente todas las quinolonas bajo estudio, no obstante, debido a la naturaleza del mismo, los indicadores estadísticos no fueron satisfactorios para todos los analitos. Este hecho se adjudica a la incapacidad de U-PLS/RTL de modelar cambios en los tiempos de retención y formas de las bandas cromatográficas apropiadamente. De la comparación de las cifras de mérito obtenidas en las calibraciones de segundo y tercer orden, se concluye que la metodología más apropiada para resolver el conjunto de quinolonas en tejidos de origen animal es mediante el procesamiento de datos de tres vías y no de cuatro vías como hubiésemos esperado. La elevada colinealidad del sistema quinolónico es resuelta satisfactoriamente utilizando un detector lo más sensible posible. Asimismo, se realizó una discusión sobre el uso de distintos algoritmos multivariados para el procesamiento de datos de segundo orden de origen cromatográfico. Se concluyó que MCR-ALS debería ser el modelo de preferencia para modelar las propiedades de los componentes y para cuantificar los analitos en muestras complejas con interferencias no calibradas. Todos los modelos de PARAFAC2 se encuentran destinados a fallar bajo circunstancias generales. Esto se debe a que la restricción del producto cruzado constante, que requiere que el solapamiento entre cualquier par de perfiles de tiempo de elución sea constante en todas las muestras, únicamente se cumple en un número limitado de situaciones. En una etapa posterior del trabajo de tesis, continuando con la cuantificación de quinolonas empleando una metodología analítica verde, se determinaron simultáneamente cuatro fluoroquinolonas de uso veterinario (marbofloxacina, danofloxacina, enrofloxacina y sarafloxacina) mediante una calibración de tercer orden, utilizando datos de origen cinético. Para ello, se empleó un espectrofluorómetro de barrido rápido y la reacción de Fenton para seguir la evolución cinética de la degradación de las fluoroquinolonas. Se midieron matrices de excitación-emisión de fluorescencia a distintos tiempos de la reacción, obteniendo así los datos de tercer orden. Con el fin de aumentar la sensibilidad de aquellas fluoroquinolonas menos fluorescentes, se agregó dodecilsulfato de sodio. En el procesamiento de los datos se utilizó el algoritmo quimiométrico U-PLS/RTL. El método desarrollado se aplicó a muestras de tejidos de origen animal (hígado de vaca y músculo de cerdo) mediante un estudio de recuperación. Los resultados obtenidos demostraron la capacidad del método propuesto para cuantificar estos medicamentos de uso veterinario. En conclusión, se desarrollaron estrategias analíticas novedosas y sencillas, que empleadas en conjunto con modelados quimiométricos, permitieron obtener metodologías de análisis de acuerdo a los Principios de la QAV, utilizando tratamientos de muestra sencillos y experimentos cortos, minimizando de esta manera el impacto ambiental del presente trabajo.Fil: Anzardi, Maria Betania. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentina

Chemometrics-assisted liquid chromatographic determination of quinolones in edible animal tissues

A chemometric technique applied to chromatographic-spectral data allowed the quantification of ten different quinolones in edible animal tissues such as chicken and bovine liver and bovine kidney. The employed strategy proved to be excellent for the analysis of quinolones when complete analyte separation is difficult or requires long analysis times. In addition, the target signals suffer interference from the complex background matrices, which can be resolved by the data processing tools. The analysis was carried out applying multivariate curve resolution coupled to alternating least-squares (MCR-ALS). The latter allowed the chromatographic determinations to be performed under isocratic conditions in less than 5 min. Under these experimental conditions, appropriate figures of merit such as selectivity (0.08–0.8) and sensitivity (400–23000 fluorescence intensity units L mg−1) were achieved. Furthermore, the average relative prediction errors (4–12%) and detection limits (7–125 μg Kg−1) permitted the determination of quinolones at concentrations which are below the corresponding maximum residue limits permitted.Fil: Anzardi, Maria Betania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Arancibia, Juan Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentin

Processing multi-way chromatographic data for analytical calibration, classification and discrimination: A successful marriage between separation science and chemometrics

Recent research works on multi-way chromatographic data for analytical calibration, classification and discrimination are reviewed. Focus is directed towards measured data arrays in the form of matrices, three- and four-dimensional mathematical objects, depending on the number of elution time and instrumental detection modes. Chemometric models typically used to process these data and to obtain the maximum amount of information on the studied systems are discussed. The advantages in processing such data for complex samples are highlighted, both for quantitative and qualitative purposes. In the former case, the achievement of the second-order advantage which permits analyte quantitation in the presence of uncalibrated constituents is perhaps the most relevant contribution to this field. For classification and discrimination, the processing of multi-way chromatographic data provides highly compressed information which can then be submitted to appropriate algorithms. This represents an additional advantage, because individual analytes do not need to be fully resolved and quantitated.Fil: Anzardi, Maria Betania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Arancibia, Juan Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Olivieri, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentin

Interpretation of matrix chromatographic-spectral data modeling with parallel factor analysis 2 and multivariate curve resolution

The use of edible films to release antimicrobial constituents in food packaging is a form of active packaging that contributes to extend the shelf-life of a product and provides microbial safety for consumers. A number of plant and animal proteins have been investigated for the production of edible films such as corn zein, wheat gluten, soy and peanut proteins, gelatin, collagen, casein, and whey proteins. Several antimicrobial agents such as organic acids, enzymes, fungicides and natural antimicrobial compounds (spices and essential oils) can be incorporated into edible films. Potassium sorbate (PS) have a long history as a generally recognized as safe food preservative, being widely used to inhibit or retard the growing of a number of recognized food pathogens. Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) O157 and non-O157 strains have been associated with human disease, ranging from uncomplicated diarrhea to hemorrhagic colitis and hemolytic uremic syndrome. STEC is transmitted to humans through contaminated food, water, and direct contact with infected persons or animals. Several outbreaks caused by non-O157 STEC were described although data implicating these STEC were scanty and the source of infection was not always known. Therefore, the objective of the present study was to incorporate PS into whey protein concentrate (WPC) films and to determine the inhibitory effects of these films against eight non-O157 STEC strains isolated from readyto-eat food samples.Fil: Anzardi, Maria Betania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Arancibia, Juan Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Olivieri, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentin

Quantification chemometrically assisted of veterinary quinolones in edible animal tissues by excitation-emission fluorescence-kinetic data obtained through Fenton degradation

Four quinolones (marbofloxacin, sarafloxacin, danofloxacin and enrofloxacin) were simultaneously quantified in edible animal tissues. A strategy based on third–order data, excitation–emission matrices as function of the time reaction during their Fenton degradation were employed to build a four–way calibration model. Unfolding partial least–squares (U–PLS) coupled to trilinearization residual (RTL) was the algorithm of choice to overcome both the high spectral overlapping among the analytes, and also the background signal present in the complex matrices. Bovine liver and porcine meat tissues were fortified with the analytes under study at different concentration levels, considering the maxima residual levels (MRLs) established by European Community. A recovery test was performed attaining recovery values ranging from 86 % to 123 % for all the analytes. In accordance with the principles of Green Analytical Chemistry, the proposed methodology enables the determination of the quinolones in complex matrices involving a simple extraction/clean–up procedure, a short time of analysis, and a no sophisticated instrumental.Fil: Anzardi, Maria Betania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Ibañez, Gabriela Alejandra. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Arancibia, Juan Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentin

Using chemometric tools to investigate the quality of three- and four-way liquid chromatographic data obtained with two different fluorescence detectors and applied to the determination of quinolone antibiotics in animal tissues

A comparison of two multi-way methodologies is presented regarding the simultaneous quantitation of several analytes in complex samples. Both protocols are based on liquid chromatography with fluorescence detection, in the following modes: (1) collecting second-order/three-way data by fluorescence emission detection at a fixed excitation wavelength, and (2) measuring third-order/four-way data through excitation-emission fluorescence matrix detection. Ten quinolone antibiotics were simultaneously analyzed in edible animal tissues such as chicken liver and bovine liver and kidney. Multivariate curve resolution - alternating least-squares (MCR-ALS) provided excellent results with the second-order strategy, with average relative prediction errors in the range 4?12% for real samples, at analyte concentrations which are compatible with the corresponding maximum residue levels. For third-order data, however, the overall MCR-ALS analytical results were worse than for second-order data (relative errors were in the range 9?23%), and one analyte was not resolved. As an alternative, unfolded partial least-squares with residual bi- and trilinearization (U-PLS/RBL and U-PLS/RTL) were applied to both second- and third-order data, with relative errors of 7?18% and 5?27% respectively. The latter errors were significantly larger than those for MCR-ALS/second-order data, although the U-PLS/RTL model permitted the detection of all analytes when processing the third-order data. Relative advantages and disadvantages of the applied procedures are discussed on the basis of the analytical performances and the specific details of the instrumental setups.Fil: Anzardi, Maria Betania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Arancibia, Juan Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Olivieri, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentin