1 Universidad De Los Andes TESIS DE PREGRADO Presentado en cumplimiento parcial de los requisitos para la concesión del grado de INGENIERÍA AMBIENTAL Presentado por Katherin Morales Morales DETERMINACIÓN DE LEVOGLUCOSAN EN MUESTRAS DE AIRE POR CROMATOGRAFÍA DE GASES CON ESPECTROMETRÍA DE MASAS Bajo la asesoría de Ricardo Morales Betancourt, Ph. D. Profesor asistente, Universidad de los Andes DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Facultad de Ingeniería Bogotá D.C., Colombia Primer Semestre 2018
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Universidad De Los Andes
TESIS DE PREGRADO
Presentado en cumplimiento parcial de los requisitos para la concesión del grado de
INGENIERÍA AMBIENTAL
Presentado por
Katherin Morales Morales
DETERMINACIÓN DE LEVOGLUCOSAN EN MUESTRAS DE AIRE POR CROMATOGRAFÍA
Fig. 6 Proceso de preparación de las soluciones patrón para la realización de la curva de calibración
16
4.1.3 Muestras de la Hacienda el Noviciado Las muestras escogidas se encontraban en punto de congelación al momento de
realizar el análisis, estas se recogieron durante el mes de enero, febrero y marzo del 2018
en la Hacienda el Noviciado, en el municipio de Cota, Cundinamarca. Fueron
recolectadas en filtros de cuarzo utilizando un muestreador de partículas High-Vol para
PM2.5 con un tiempo de recolección por muestra de 24 h y un caudal de aire promedio de
1.112 m3/min. Las muestras analizadas se codificaron y se muestran en la Tabla 4 con la
fecha en que se realizó la recolección de cada una.
Tabla 4. Muestras analizadas de la Hda. el Noviciado
4.1.4 Muestra fortificada y blanco dopado Se realizó la fortificación de un filtro en blanco y un filtro con muestra para verificar
nuevamente el método y conocer que tanto se afecta la recuperación del compuesto a
partir de la matriz usada. Para desarrollar el procedimiento anterior, se adiciona una
concentración conocida (1mg/L) a la mitad del filtro de la muestra HN102; del filtro se
conocen las dimensiones con anterioridad. Ver Fig. 7. De igual manera, se agrega la
misma concentración al filtro en blanco y se lleva a cabo el proceso normal de la
extracción, la derivatización y finalmente se realiza la inyección de las muestras al
cromatógrafo.
Fig. 7 Dimensiones muestras dopadas
5. Calibración
Dado que el método demostró ser eficiente para la cualificación del compuesto 1.6
Ahydro-β-D-Glucose 99% se realizó una curva de calibración en concentraciones
conocidas para poder determinar la concentración exacta de las muestras analizadas. La
curva comenzó en 0,12 mg/L y finalizó en 10 mg/L de la solución patrón, en la Tabla 5 se
Fecha de
muestraNombre
Blanco Caja1 HNBLK111
31/01/2018 HN102
6/02/2018 HN105
12/02/2018 HN108
18/02/2018 HN111
Blanco Caja2 HNBLK121
24/02/2018 HN114
4/03/2018 HN115
10/03/2018 HN118
16/03/2018 HN121
22/03/2018 HN123
30/03/2018 HN126
17
encuentra la masa requerida y el volumen necesario para lograr la concentración deseada.
Por último, cada uno de los volúmenes se llevaron a 500µL con CH3CN.
Tabla 5. Concentraciones para determinación de curva de calibración
Al haber realizado la corrida de los patrones en el cromatógrafo se encontró la curva
mostrada en la Fig. 9 en donde el R2 es igual a 1.000 (coeficiente de determinación),
afirmando que las concentraciones de los patrones se ajustan bien a la curva de calibración
real.
6. Resultados
6.1 Análisis de resultados
En el cromatógrafo utilizado se hace la búsqueda del Levoglucosan como la molécula
de Levoglucosan, tris(trimethylsilyl), con fórmula molecular C15H34O5Si3 y se
monitorearon los iones 73m/z, 204m/z y 217m/z con la espectrometría de masas. Ver Fig.
8. Por otra parte, se encontró que el tiempo de retención promedio del total de las corridas
en donde se presentó presencia de LG fue de 7.4926 min.
A partir de lo anterior, se muestra la Fig. 10 que presenta el área bajo la curva de la
lectura de las muestras de 32mg/L desde la extracción y la derivatización. De esta gráfica
se logra observar que la muestra sin extracción tiene mayor área que la muestra que pasó
por el proceso de extracción; es decir, que a partir de este diferencial de área se logra
evidenciar que existe una pequeña pérdida de material en el transcurso de la extracción
del procedimiento, así mismo sucede con las muestras de 64mg/L sometidas al mismo
proceso. La afirmación anterior se evidencia en la Tabla 6 donde se muestra el tiempo de
retención de la corrida de cada muestra, el área bajo la curva de cada pico de LG
encontrado y el porcentaje (%) de recuperación que se obtuvo de cada concentración
(32mg/L y 64mg/L).
Tabla 6. Valores de lectura de muestras de las soluciones patrón
µg [ ]mg/L Vol. (µL)
0.06 0.12 2.6
0.12 0.24 5.2
0.25 0.5 10.87
0.5 1 21.7
2.5 5 108.7
5 10 217.39
MuestraTiempo
retenciónÁrea
%
Recuperación
32mg/L sin extracción 7.49 13320388
32mg/L con extracción 7.491 10981962
64mg/L sin extracción 7.496 27614557
64mg/L con extracción 7.492 22382748
82.44%
81.05%
18
Fig. 8 Iones monitoreados en cromatografía
19
Fig. 9 Curva de Calibración
20
Fig. 10 Área bajo la curva de [32mg/L] con extracción y sin extracción
Por otra parte, al realizar el análisis con los filtros sin muestra (blanco y blanco
dopado) se compararon los resultados de la cromatografía y se encontró que hubo una
recuperación del 86%, pues se recuperó 0.86mg/L cuando se dopó con 1mg/L. En la Fig.
11 se muestra un breve proceso matemático para encontrar la recuperación de estos filtros.
21
Fig. 11. Ecuación porcentaje (%) de recuperación filtros sin muestra
Posteriormente, se encontró que de los 12 filtros con muestra sólo uno de ellos
presentó una concentración de Levoglucosan detectable según la curva de calibración,
mientras que las muestras restantes no presentaron ningún pico en la gráfica de
abundancia-vs-tiempo en el tiempo de retención del LG.
Por esta razón, se ejecutó en la misma corrida el análisis de la muestra que detectó
presencia de LG, además se realizó la fortificación con una concentración conocida
(1mg/L). Al realizar el procedimiento anterior, se pudo observar que se logró recuperar
el 138% (Ver Fig. 12) de la concentración inicial, valor que es superior al rango normal
de recuperación en cromatografía, puesto que éste se encuentra entre el 80% y el 130%.
Fig. 12 Ecuación porcentaje (%) de recuperación filtros con muestra
Al comparar el valor de recuperación encontrado de las muestras (138%) con lo que
expone Fabbri et al. (2008), se puede afirmar que el valor encontrado anteriormente es
más alto que el expresado en su texto, pues el porcentaje (%) promedio de recuperación
del LG en una matriz de cuarzo según ellos es de 79.8% ± 6; valor que se asemeja a la
recuperación encontrada utilizando los filtros sin muestra. En la Tabla 7 se muestra el
resumen de las muestras, la fecha en que se recolectaron, su código, las concentraciones
([ ] mg/L) de LG y el tiempo de retención de cada una.
Finalmente, se descubrió que la muestra HN102 fue el filtro con concentraciones
detectables de LG, es entonces, que se extrapola el valor revelado en éste para conocer
finalmente cual era la concentración total del filtro del 31 de enero del 2018. Se halló que
la concentración total de Levoglucosan fue de 0.05374 µg/m3, además, teniendo en cuenta
que la concentración total de PM2.5 total del filtro fue de 11.34µg/m3, se encuentra que la
concentración de LG es el 0.474% de la concentración de PM2.5 de esta fecha en la matriz.
En la Tabla 8 se evidencian los valores que se tuvieron en cuenta para la extrapolación de
los datos encontrados de la muestra para la determinación de LG en todo el filtro.
Paralelamente, en los Anexos se encuentran las tablas y gráficas de cada una de las
muestras analizadas.
22
Tabla 7. Muestras analizadas en el 2 día de corrida del GC-MS
Tabla 8. Valores de concentraciones, masa y volumen de muestra HN102 y filtro completo asociado a dicha muestra
Fecha de
muestraNombre [ ](mg/L) Vol. mL
Tiempo de Retención
(min)
23/04/2018 Blanco 0 0.5 0
23/04/2018 BLF Bajo 0.86 0.5 7.494
HNBLK111 <0.12 0.5 0
31/01/2018 HN102 2.27 0.5 7.494
31/01/2018 HN102** 3.89 0.5 7.494
6/02/2018 HN105 <0.12 0.5 0
12/02/2018 HN108 <0.12 0.5 0
18/02/2018 HN111 <0.12 0.5 0
HNBLK121 <0.12 0.5 0
24/02/2018 HN114 <0.12 0.5 0
4/03/2018 HN115 <0.12 0.5 0
10/03/2018 HN118 <0.12 0.5 0
16/03/2018 HN121 <0.12 0.5 0
22/03/2018 HN123 <0.12 0.5 0
30/03/2018 HN126 <0.12 0.5 0
[ muestra ] /mg/L 2.27
Área muestra (cm2) 6.51
Vol. Muestra (mL) 0.5
Masa LG muestra (mg) 0.001135
Área total filtro (cm2) 500
Masa LG total filtro (mg) 0.087173579
Vol. Aire filtro (m3) 1622.06
[ LGtot ] mg/m3 5.37426E-05
[ LGtot ] ug/m3 0.053742595
[ PM2.5tot ] filtro (ug/m3) 11.34
% [ Lgtot ] en filtro 0.474%
23
7. Conclusiones
El método de GC-MS para la determinación de Levoglucosan se ha utilizado en
diferentes estudios en distintos continentes, sin embargo, se conoce que la mayoría de
ellos se han realizado en Asia y Europa. Es por esto, que se decidió desarrollar este estudio
basándose en la metodología propuesta por Fabbri et al. (2008) y se encontró que el
procedimiento realizado fue eficiente para la determinación de presencia de
Levoglucosan en muestras de PM2.5, recolectadas en filtros de cuarzo utilizando un
muestreador de partículas Hi-Vol. De la misma manera, fue eficiente para la
cuantificación del mismo compuesto. No obstante, se encontraron ciertas similitudes y
diferencias al momento del desarrollo de esta tesis.
Las similitudes encontradas se evidenciaron en la favorabilidad del uso de CH3CN
como solvente pues se logró el desarrollo de las reacciones de manera eficiente al
momento de la derivatización, así mismo, se descubrió que uno de los porcentajes (%) de
recuperación en los análisis de los filtros en blanco fue similar al propuesto por el autor,
y el tiempo de retención del LG fue consistente con lo encontrado en el paper de Fabbri
et al (2008) cerca a los 7 minutos.
Por el contrario, una de las diferencias que se halló fue que a causa de no evaluar el
porcentaje (%) de recuperación en los diferentes materiales de filtración, no se pudo
conocer si la variación en el valor recuperado entre el filtro en blanco y el filtro con
muestra puede llegar a interferir directamente o no en el material del filtro. Por otro lado,
se esperaba encontrar concentraciones de LG en los filtros HN121, HN123 y HN126 pues
fueron los filtros recogidos a finales del mes de marzo, fechas correspondientes a la alerta
amarilla que emitió la secretaría de ambiente el 23 de marzo por el estado de la calidad
del aire en Bogotá. En la Tabla 9 se muestran las diferentes estaciones de monitoreo de
calidad del aire en Bogotá, pero se analizan son las estaciones Guaymaral y Suba, pues
según la rosa de los vientos de esa fecha se evidencia de los vientos provenientes de la
zona en la que se encuentra la Hacienda el Noviciado convergen en esas dos estaciones,
sumado a esto la misma tabla muestra que presentan un 27% y 92% (respectivamente) en
estado regular durante las 48h antes de la alerta amarilla.
Tabla 9. Porcentajes de estados de la calidad del aire por estación. 48 horas antes de la declaratoria de la Alerta Amarilla (Secretaría Distrital de Ambiente, 2018)
8. Recomendaciones
Se recomienda realizar más replicaciones del método, para verificar la efectividad de
este en la búsqueda de Levoglucosan; de esta forma se valida de modo más exhaustivo el
método, bajo el principio de la repetitividad. Así mismo, se recomienda desarrollar los
análisis de las mismas muestras en días diferentes con analistas diferentes (precisión
intermedia), para verificar la eficiencia de la metodología utilizada. Por último, se invita
a realizar el análisis de más filtros con muestras dopadas, de esta manera se logra
determinar si la matriz del filtro tiene alguna influencia en el porcentaje (%) de
recuperación de las muestras.
24
9. Agradecimientos
Una tesis es un trabajo que no sólo es esfuerzo personal del estudiante, sino que necesita
la ayuda de muchas personas, tanto en lo profesional como en lo personal. Es por esto
que quisiera mostrar mi agradecimiento a todas estas que estuvieron allí para darme su
granito de arena.
A mi asesor, Ricardo Morales B por su ayuda y colaboración en cada consulta durante
este trabajo. Agradezco la confianza depositada y la paciencia durante la investigación,
además de haberme dado la oportunidad en todos los aspectos para que este proyecto
pudiera finalizarse.
A la líder de Laboratorio, Adriana Jaimes que me brindó gran parte de su tiempo y su
asesoría para lograr obtener los resultados necesarios en esta tesis, por su
incondicionalidad, profesionalismo y su don de gente.
A mis amigos, por el tiempo y momentos durante esta carrera.
Por último, a MI FAMILIA, por haber sido mi pilar en el transcurso de estos años de altos
y bajos, por ser mi motor para superar todo lo que presenta en la vida.
25
10. Anexos
Anexo 1. Imagen Ultrasonido
Anexo 2. Ficha técnica Ultrasonido
26
Anexo 3- Imagen Roto-evaporador
Anexo 4. Ficha técnica Roto-evaporador
27
Anexo 5. Imagen Agitador magnético
Anexo 6. Ficha técnica Agitador magnético
28
Anexo 7. Grafica presencia de LG en muestra de 64mg/L sin Extracción
Anexo 8. Grafica de iones monitoreados (m/z) de muestra 64mg/L sin Extracción
29
Anexo 9. Tabla presencia de LG en muestra de 64mg/L sin Extracción
Anexo 10. Tabla presencia de LG en muestra de 64mg/L con Extracción
30
Anexo 11. Tabla presencia de LG en muestra de 32mg/L sin Extracción
Anexo 12. Tabla presencia de LG en muestra de 32mg/L con Extracción
31
Anexo 13. Grafica presencia de LG en filtro Blanco Fortificado
Anexo 14. Grafica de iones monitoreados (m/z) en filtro Blanco Fortificado
32
Anexo 15. Tabla presencia de LG en Filtro Blanco Fortificado
Anexo 16. Grafica presencia de LG en solución patrón (1mg/L)
33
Anexo 17. Grafica de iones monitoreados (m/z) en solución patrón (1mg/L)
Anexo 18. Grafica presencia de LG en muestra HN102 Fortificado
34
Anexo 19. Grafica de iones monitoreados (m/z) en muestra HN102 Fortificado
Anexo 20.. Tabla presencia de LG en muestra HN102 Fortificado
35
Anexo 21. Grafica presencia de LG en muestra HN102
Anexo 22. Grafica de iones monitoreados (m/z) en muestra HN102
36
Anexo 23. Tabla presencia de LG en muestra HN102
Anexo 24. Graficas presencia de LG en muestras sin detección
37
38
39
40
41
42
Anexo 25. Graficas de iones monitoreados (m/z) en muestras sin detección
43
44
45
46
47
Anexo 26. Tablas de presencia de LG en muestras sin detección
48
49
50
51
52
53
Referencias Bernard, S. M., Samet, J. M., Grambsch, A., Ebi, K. L., & Romieu, I. (2001). The potencial
impacts of climate variability and change on air pollution-related health effects in the
United States. Environmental Health Perspectives, 199-209.
Carrillo Pedraza, E. S. (2010). Estudio del proceso de pirólisis de Biomasa para obtener
nanopartículas de carbón. San Nicolás: Universidad Autónoma Nuevo León. Obtenido
de http://eprints.uanl.mx/2083/1/1080161719.pdf
Chen, J., Li, C., Ristovski, Z., Milic, A., Gu, Y., Islam, M. S., . . . Dumka, U. C. (2017). A
review of biomass burning: Emissions and impacts on air quality, health and climate in
China. ELSEVIER, 34.
Córdoba García, R., Clemente Jiménez, L., & Aller Blanco, A. (2003). Repor on passive
smoking. Atención primaria, 181-190.
EPA. (12 de Septiembre de 2016). Fundamentos de material particulado (PM). Obtenido de