Análisis de éteres
difenílicos polibromados (PBDEs) en productos electrónicos.
Gavilán G. Irma, Gavilán G. Arturo, Santos S. Elvira,
Beristain M. Erik
Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química.
México D.F. C.P. 04510
Resumen
La determinación de los retardantes de llama bromados en equipos eléctricos y
electrónicos (EE) se logró mediante la extracción
asistida por ultrasonido (UAE) y cromatografía de gases acoplado a espectrometría
de masas (CG/EM) empleando tolueno, acetato de
etilo y metanol con isopropanol (1:1 v/v) como disolventes de extracción.
Éteres difenílicos polibromados (PBDEs), fueron
caracterizados y cuantificados con buena linealidad (0.987-0.999) y repetibilidad
(RSD, 0.7-2.8%). Tolueno es el mejor disolvente de
extracción de PBDEs en las muestras analizadas. Los
extractos fueron limpiados empleando una micro columna de silica gel después
de la extracción. El método fue aplicado a la
determinación de PBDEs (BDE-47, BDE-99, BDE-100, BDE-153, BDE-209) en
muestras plásticas de la carcasa de una computadora portátil. Diferentes
contenidos de PBDEs fueron encontrados en las muestras
analizadas y el contenido total varió entre 4.08 µg g-1 a 23.98 µg g-1. La
metodología propuesta ha demostrado ser una alternativa
ecológica y cómoda, que sólo consume 10 ml de disolvente de extracción y
calentamiento durante 60 minutos a 65 °C.
Palabras clave: PBDEs, retardantes de flama, extracción asistida con
ultrasonido, cromatografía de gases, espectrometría de
masas.
Introducción
Los éteres difenílicos polibromados (PBDEs) son un
grupo de compuestos empleados como
aditivos en una gran diversidadde materiales para disminuir el riesgo de su
posible ignición. En la figura 1 se observa la estructura general de los PBDEs,
son un total de 209 isómeros diferentes, debido a la combinación entre la
cantidad de bromos y su posición en la molécula. La IUPAC ha asignado un número a cada compuesto (BDE-1 aBDE-209) y los llamó convencionalmente
congéneres y los ha organizado en 10 grupos homólogos (mono bromados a deca
bromado). Tres mezclas comerciales de PBDEs se aplican como retardantes de flama,
Penta-BDE (45% tetraBDEs, 45% pentaBDE, 10% de otro isómeros), Octa-BDE (45%
hepta BDE, 33% octaBDE, 12% hexaBDE, 10% nonaBDE) y Deca-BDE (98% DecaBDE y 2%
de otros isómeros).
Figura 1. Estructura general de
PBDEs. [1]
Los retardantes de flama tienden a ser
volátiles y pueden desprenderse del material y la propiedad ignífuga se va perdiendo
gradualmente, propiciando además la entrada de estas sustancias en el ambiente;
esto es esencialmente importante en el caso de equipo eléctrico y electrónico
que con el empleo cotidiano se calientan y pueden favorecer la liberación de
los retardantes de flama en el ambiente. Con la aplicación de calor los ignífugos
tienden a descomponerse antes que la matriz polimérica y previenen la formación
de gases o sustancias inflamables. Los compuestos de tipo polibromados como
los éteres difenílicos polibromados (PBDEs), actúan a través de interferencia
química, es decir interactúan con los radicales que propagan la combustión
antes que lo hagan con el polímero, de esta manera consumen la energía de
activación que se requiere para que el polímero se queme. Estaestabilidad térmica
que tienen los PBDEs es el principal factor que contribuye a su función como retardante de flama, pues
los altamente energéticos radicales H+ y OHque son liberados en una combustión
son atacados por los átomos de bromo de los PBDEs y evitan la combustión del polímero.
La preparación de PBDEs se realiza mediante la
bromación (con Br2) catalítica de difenil éter. Algunos
autores reportan la síntesis de estos compuestos en laboratorio, por el acoplamiento
de fenol con bromobenceno. Después del acoplamiento el
compuesto es bromado por medio de reflujo con tribromuro de aluminio o tribromuro
de hierro III a través de una reacción típica de Friedel-Kraft. [7] Los
productos comerciales de PBDEs son compuestos estables con puntos de ebullición
entre 310°C y 425°C, son hidrofóbicos y altamente lipofílicos.
La toxicidad de PBDEs radica en todos los
ámbitos, dada la alta producción y uso de estos
compuestos y la inadecuada disposición de residuos que contienen este tipo de
compuestos. Algunos estudios dan evidencia de que los PBDEs
causan fallas en la tiroides, que a su vez da lugar a múltiples afecciones de
tipo hormonal. [2] Otro factor importante a considerar es la formación
de dioxinas y dibenzofuranos
polibromados, ya que son compuestos de tipo mutagénico y
cancerígeno, de los cuales los PBDEs son los precursores.
Existen estudios realizados por la Organización Mundial de la
Salud en los que se expone a pequeñas cantidades de PBDEs a
ratas, dando evidencia de falla en la tiroides con tan solo un
día de exposición, una exposición de una semana causa cáncer
y 106 días causan la muerte. Un estudiorealizado en la
Universidad de San Luis Potosí
en México, revela la presencia
de PBDEs en muestras de sangre provenientes de niños que
residen en la zona manufacturera de México. [10
se eligió una computadora portátil como
muestra para realizar
el estudio de PBDEs, debido a que su consumo se ha
incrementado en los últimos años y sus componentes internos
generan gran cantidad de calor, que hacen necesario que los
materiales que lo recubren tengan protección ignífuga. De esta
manera se procede a realizar la extracción de PBDEs en las
partes plásticas de la computadora portátil y su análisis por
CG/EM, caracterizando y cuantificando los PBDEs más
ampliamente usados de acuerdo a las mezclas comerciales de
estos compuestos para su uso como retardantes de flama, estos
compuestos se muestran en la tabla 1.
Diferentes métodos han sido probados para realizar la
extracción de PBDEs de casi cualquier matriz, el método
tradicional y más empleado es la extracción con soxhlet. Otros
métodos más novedosos se están probando en diversos
estudios mostrando una eficiencia similar a la extracción con
soxhlet, esto en un intento de disminuir el tiempo de
extracción y análisis, así como
el consumo de disolventes
orgánicos. La mayoría de los estudios emplean cantidades de
disolventes orgánicos que van desde 150mL hasta 300mL por
muestra y desde 12 horas hasta 72 horas de tiempo de reflujo
para la extracción. Un método reciente de extracción es
la
extracción asistida con ultrasonido (UAE), la cual disminuye
en gran medida el consumo de tiempo y cantidad de
disolventes empleados.
Tipo
congénere
TetraBDE
PentaBDE
Estetrabajo pretende realizar la extracción de PBDEs
mediante UAE en matrices de tipo polimérico, provenientes de
productos electrónicos de uso cotidiano, como lo es una
computadora. El análisis y caracterización de este tipo de
compuestos generalmente se realiza con técnicas
instrumentales como cromatografía de gases acoplado a
espectrometría de masas (CG/EM) o cromatografía de líquidos
de alta resolución acoplado a espectrometría de masas
(HPLC/EM). En nuestro estudio se empleará CG/EM con la
adición de comparar técnicas de ionización como los son
impacto electrónico (IE) y ionización química negativa con
monitoreo y selección de iones (NCI/SIM), esto con el
propósito de dar a conocer la eficiencia en la identificación y
la información que proporciona uno y otro método de
ionización molecular.
Metodología
Selección del método y muestra
Los PBDEs son compuestos orgánicos empleados como
retardantes de flama en diversos productos hechos de material
polimérico, su uso es más amplio en equipos de tipo eléctrico
y electrónico, sobretodo en partes plásticas como carcasas,
molduras o recubiertas que estén expuestas al calor generado
por el uso del equipo. De estas manera se recolectaron
diversos equipos electrónicos, como planchas, televisiones,
computadoras, celulares, reproductores portátiles, entre otros y
de
Número
congénere
BDE-47
BDE-99
PentaBDE
BDE-100
HexaBDE
BDE-153
de
Nombre IUPAC
2,2´,4,4´-tetraBDE
2,2´,4,4´,5pentaBDE
2,2´,4,4´,6pentaBDE
2,2´,4,4´,6,6´hexaBDE
OctaBDE
BDE-183
DecaBDE
BDE-209
DecaBDE
Tabla 1. PBDEs más usados como retardantes de flama que
son objeto deeste estudio.
De acuerdo a las propiedades físicas y químicas de los PBDEs
como su alta
solubilidad en disolventes no polares, sus altos
puntos de fusión y ebullición, descomposición térmica
fotodegradación y alta presión de vapor se optó por emplear la
extracción asistida por ultrasonido (UAE), además de que
ofrece la ventaja de consumir poco tiempo y cantidad de
disolventes orgánicos.
De forma simultánea, se emplearan tres distintos disolventes
para llevar a cabo la extracción, los cuales fueron escogidos de
acuerdo a datos reportados en la literatura que indican que son
los que ofrecen una mayor eficiencia en la extracción de
PBDEs, estos disolventes son tolueno, acetato de etilo y una
mezcla de isopropanol con metanol en proporción 1:1. Es así
que las muestra elegida es una computadora portátil marca
Compaq de manufactura en el año de 1990, se realizó la
extracción de PBDEs en la carcasa de esta, que fue fabricada
con poliestireno de alto impacto (HIPS), que es el material
más empleado en productos electrónicos.
Pre tratamiento de la muestra
La computadora portátil fue desarmada y cada parte de esta
fue limpiada con agua y pesada empleando una balanza
granataria de triple brazo marca Ohaus series 700/500.
Una vez medida la masa de cada parte del
equipo, se tomaron
las partes plásticas correspondientes a la carcasa y se trituraron
manualmente hasta obtener un polvo fino empleando una lima
para metal marca Nicholson 8”. Posteriormente el polvo de
plástico triturado fue tamizado con una cibra marca Cole
Parmer de 8”-FH-BR-BR-US-20 para obtener muestras
homogéneas de tamaño de partícula de 850µm.Purificación de disolventes para
extracción
Para realizar la extracción de PBDEs en cualquier tipo de
matriz, es necesario contar con disolventes purificados, para
ello se compraron tolueno, acetato de etilo, metano e
isopropanol de grado Q.P. y se realizaron los procedimientos
de purificación para los disolventes empleados en este estudio,
los cuales son los siguientes:
Tolueno. La mayoría de las impurezas son compuestos como
tiofenos y metiltiofenos, los cuales son fácilmente removidos
al hacer lavados con ácido sulfúrico concentrado a
temperaturas menores a 30°C para evitar la sulfonación del
tolueno, posteriormente se lava el tolueno con una solución al
5% de bicarbonato de sodio para quitar la ácidez del lavado
previo y después se lava con agua destilada para quitar
cualquier sustancia soluble en agua. Finalmente el tolueno es
destilado fraccionadamente, se colecta la fracción que destila
en el intervalo de 100°C – 102°C, que es el punto de
ebullición del tolueno en la ciudad de México a una presión
atmosférica de 586mmHg. Para secar el tolueno se coloca 1g
de malla molecular de 3Çs.
Metanol e isopropanol. Estos alcoholes pueden contener
impurezas como
los aldehídos análogos a cada uno, además de
agua. Estos disolventes se purifican colocándolos a reflujo
durante 5 horas con 100g de óxido de calcio por cada
litro de
alcohol, posteriormente se destilan del CaO y se destilan
nuevamente fraccionadamente. Para secar los posibles
residuos de agua se agrega malla molecular.
Acetato de etilo. Este disolvente orgánico puede
contener
impurezas como cetonas y aldehídos, que pueden ser
fácilmente removido poradsorción con cloruro de calcio que a
su vez sirve como desecante, para ello el acetato de etilo se
destiló de CaCl2.
Hexano. La mayoría de sus impurezas son otros
disolventes
orgánicos y compuestos azufrados, que son removidos
después de hacer lavados con una solución de ácido sulfúrico
al 35%, posteriormente se hacen lavados con una solución
saturada de NaCl seguido con agua destilada, por último se
destila y se agrega malla molecular.
Extracción asistida con ultrasonido
La extracción asistida con ultrasonido es un método
reciente
de extracción de PBDEs, según la literatura tiene una
eficiencia similar a la del
soxhlet y ofrece ventajas en cuanto a
consumo de energía, tiempo y cantidad de disolvente. Para
realizar la extracción de PBDEs se colocan 0.5g de muestra de
polvo plástico en un tubo cerrado junto con 10mL de
disolvente. El tubo con la muestra se coloca en un
baño
ultrasónico Cole-Parmer 8851 de frecuencia de 47kHz, los
tubos son expuestos a las ondas ultrasónicas durante 1 hora a
una temperatura de 65°C en baño de agua. Posteriormente se
filtran al vacío los extractos y se separa el disolvente del
sólido, el extracto se concentra en un baño de agua hasta 2mL
así se obtiene el extracto concentrado de PBDEs y se procede
con la purificación de extractos.
Purificación de extractos
Los extractos concentrados de PBDEs son purificados
mediante una micro columna cromatográfica de silica gel, para
ello se colocan 0.5g de sulfato de sodio anhidro en el fondo y
en la parte superior de la columna, en medio se colocan 2.5g
de silica gel bien compactada. La micro columna es
acondicionada eluyendolapreviamente con 10mL de hexano y
posteriormente se añade el extracto de PBDEs y se eluye con
hexano. Se monitorean fracciones de 2mL mediante
cromatografía en capa fina para observar la presencia de
compuestos orgánicos y el volumen de hexano eluído en el
que están presentes dichos compuestos. De esta manera se
optimizo el procedimiento de purificación, así se decidió que
eluyendo los extractos con 25mL de hexano es suficiente para
purificar los extractos sin pérdida de analito. El eluído es
colectado y después concentrado en baño de agua hasta menos
de 1mL, después este volumen se transfiere a un matraz
volumétrico de 1mL y se afora con hexano para
posteriormente analizar por cromatografía de gases acoplado a
espectrometría de masas.
Análisis por cromatografía de gases acoplado a
espectrometría de masas
Se realizó el estudio de cinco congéneres de PBDEs: 2,2´,4,4´tetraBDE (BDE-47),
2,2´,4,4´,6-pentaBDE (BDE-100),
2,2´,4,4´,5-pentaBDE (BDE-99), 2,2´,4,4´,5,5´-hexaBDE
(BDE-153) y DecaBDE (BDE-209) comprados a Cambridge
Isotope Laboratories, Inc. MA, USA. en solución con
nonano
y concentración de 50µg/mL. Un microlitro de cada
solución
se inyectó en el modo splitless a 310 ° C en un cromatógrafo
de gases acopadlo a un espectrómetro de masas marca Agilent
Technologies modelo 6890/5973N. Una columna capilar de 30
m DB1-MS (J & W) (0 mm de diámetro, 0,25 micras
de
espesor de película) se utilizó para el análisis. El programa de
temperatura del horno se operó a 80 ° C durante 1 min,
seguido de una primera rampa de temperatura de 50 ° C min-1
hasta alcanzar 150 ° C, posteriormente se continuó con una
segundarampa de 15 ° C min-1 hasta alcanzar 250 ° C,
después una tercera rampa de temperatura a 10 °C min-1 hasta
llegar a 320 ° C, finalmente se continua con una rampa de 20 °
C min-1 hasta llegar a 330 ° C y esta temperatura se mantiene
durante 11 min. El tiempo total de operación para el análisis
fue de 31,57 min. Helio de alta pureza (grado BIP, Infra
México) fue utilizado como el gas acarreador a un flujo
constante de 1,2 mL min-1. El espectrómetro de masas se
operó en modo de ionización química negativa y monitoreo de
iones seleccionados (NCI / SIM). Se realiza un
scan completo
de masa de 50 a 800 Daltons.
Gas metano se utiliza como gas
reactivo para la ionización. Los tiempos de retención absolutos
de los PBDEs y los iones secundarios fueron utilizados en la
identificación, mientras que el factor de respuesta absoluta del
ion objetivo fue utilizado en la cuantificación analítica. Tres
curvas de calibración se realizaron. En primer lugar una curva
de calibración que (concentraciones altas) incluye seis puntos
1,2,4,6,8 y 10 ng μL-1. Una segunda curva de calibración fue
elaborada (concentraciones bajas), la cual incluye siete puntos
1, 5, 11, 18, 30, 54 y 78 pg μL-1. La tercera curva de
calibración (concentraciones medias) cubre el intervalo de 102
a 2000 pg µL-1 Cada solución se inyectó por triplicado. Este
procedimiento fue repetido con la única modificación en el
modo de ionización, el cual se cambió a impacto
electrónico a
70eV, para comparar los resultados de distintas técnicas de
ionización.
Temperatura (°C
Programa de temperatura
270
extractos de cada blanco no hubiera presencia dePBDEs, esta
determinación es muy importante para asociar las muestras a
un blanco sin contaminación.
Las muestras fueron trabajadas por duplicado para cada
disolvente de extracción empleado y cada una fue inyectada
por duplicado al equipo de CG/MS, se determina el promedio
los valores de desviación estándar (DE) y coeficientes de
variación (CV).
Los valores de límite de detección (LOD) para el método
propuesto fue determinado considerando un valor de 3
veces
el ruido de fondo obtenido en los blancos. El límite de
cuantificación (LOQ) fue considerado como 10 veces el ruido
de fondo de los bancos.
La incertidumbre se considera con un 95% de confianza,
como
±2 veces el valor obtenido de desviación estándar.
Antes de realizar los análisis en el equipo de CG/EM se
verificó la columna para observar que no había presencia
alguna de sustancias. Todos los disolventes empleados
en el
estudio fueron analizados por CG para verificar que no
estaban contaminados.
Resultados
170
70
0
10
20
30
Tiempo (min
Figura 2. Programa de temperatura empleado para el análisis
de PBDEs en el horno del cromatógrafo de gases.
Para el análisis de las muestras de extracción de PBDEs en la
computadora, se colocaron las soluciones aforadas a 1mL de
extractos purificados de PBDEs en viales de inyección de 2mL
y estas fueron inyectadas en el cromatógrafo por duplicado. Se
utilizó el mismo programa de temperatura, modos de
ionización y escaneo completo de 50 a 800 Daltons que para el
análisis de estándares de PBDEs descrito anteriormente.
Control de calidad
Todo el material y equipo de vidrio fueron limpiados, algunoscomo los tubos de
vidrio fueron lavados también con acetona
y secados en estufa. Todo material para contener volúmenes
fue lavado y limpiado en un baño ultrasónico por 30 minutos
como es el caso
de viales, tubos de centrífuga, micro columnas
y pipetas volumétricas. Todo esto con el fin de evitar
contaminación y pérdida de los analitos durante el
estudio.
Se elaboraron tres blancos de matriz similar a la de las
muestras, los tres fueron extraídos, purificados y analizados de
acuerdo a la metodología empleada en las muestras reales.
Para elaborar cada blanco se empleó
Poliestireno de alto
impacto virgen (HIPS STYRON 484 / 1 05809/VJ1701RZ89)
sin ningún tipo de aditivos. Se verificó que en el análisis de
Se realizó la extracción de éteres difenílicos polibromados por
el método de extracción asistida por ultrasonido, la
temperatura de extracción fue de 65°C y una hora de
exposición a ondas ultrasónicas a 47kHz. Se realizaron seis
extracciones de muestras de 0,5g de Poliestireno de alto
impacto (HIPS) provenientes de la carcasa de un equipo
portátil de cómputo. Tolueno, Acetato de etilo, isopropanol y
metanol fueron purificados antes de la extracción. La mezcla
de extracción contenida una fase sólida (muestra polimérica) y
una fase líquida (disolvente de extracción), su apariencia era
igual en todos los tubos de extracción independientemente del
disolvente empleado para la extracción. Transcurrido el
tiempo de extracción, la apariencia de los disolventes cambio.
En la tabla 2 se observan los cambios percibidos después de
la
extracción.
Todos los disolventes (extractos) después de la extracción
fueronseparados del
sólido por filtración al vacío y
concentrados en un baño de agua hasta 2mL y se realizó el
procedimiento de purificación con una micro columna eluída
con hexano. Se colectaron 25mL de eluído para cada muestra
y se concentraron con un baño de agua hasta menos de 1mL
la apariencia de todos era incolora y fueron transferidos a
matraces volumétricos de 1.0mL, todas las disoluciones fueron
aforadas con hexano, posteriormente cada una fue transferida
a viales de inyección de 2mL, etiquetados según la clave de
muestra y almacenados en oscuridad a 4°C antes del análisis
de CG/MS.
Clave de
la
muestra
Disolvente
extracción
PC IM 1
Isopropanol:metanol
1:1
PC IM 2
Isopropanol:metanol
1:1
PC AcOEt
1
Acetato de etilo
PC AcOEt
2
Acetato de etilo
de
Apariencia
antes
de
extracción UAE
Líquido incoloro
y sólido azul
marino.
Líquido incoloro
y sólido azul
marino.
Líquido incoloro
y sólido azul
marino.
Líquido incoloro
y sólido azul
marino.
PC T 1
Tolueno
Líquido incoloro
y sólido azul
marino.
PC T 2
Tolueno
Líquido incoloro
y sólido azul
marino.
Apariencia
después
de
extracción
UAE
Líquido color
violeta y sólido
azul marino.
Líquido color
violeta y sólido
azul marino.
Suspensión
líquida
color
violeta y sólido
color gris.
Suspensión
líquida
color
violeta y sólido
color gris.
Suspensión
líquida blanca y
sólido
color
gris.
Suspensión
líquida blanca y
sólido
color
gris.
Tabla 2. Cambio de apariencia de
muestras después de
extracción UAE de muestras poliméricas.
Análisis de estándares de PBDEs
Se realizó el análisis porCG/MS de los estándares de PBDEs
2,2´,4,4´-tetraBDE (BDE-47), 2,2´,4,4´,6-pentaBDE (BDE100),
2,2´,4,4´,5-pentaBDE (BDE-99), 2,2´,4,4´,5,5´-hexaBDE
(BDE-153) y DecaBDE (BDE-209) comprados a Cambridge
Isotope Laboratories, Inc. MA, USA. en solución con
nonano
y concentración de 50µg/mL. El espectrómetro de masas fue
operado primero en modo de ionización por impacto
electrónico (IE) y después con ionización química negativa y
monitoreo de iones seleccionados (NCI/SIM), con el fin de
comparar la información que ofrece cada uno de los espectros
de masas. En la figura 3 se observa el cromatograma de una
solución de mezcla de estándares de PBDEs de concentración
10 µg mL-1. En la tabla 3 se observan los tiempos de
retención
correspondientes a cada PBDE.
Figura 3. Cromatograma del análisis de PBDEs en
concentración 10µg/mL con espectrómetro en modo de
ionización por IE.
Se realizaron tres curvas de calibración para cada compuesto
de PBDE analizado (tabla 3), en todos los casos se obtuvieron
curvas con una buena linealidad dados los coeficientes de
correlación de Pearson, que van desde 0.998 a 0.999. Sólo en
el caso del compuesto DecaBDE el comportamiento fue de
tipo cuadrático, aún así fue fácil la determinación de
concentraciones, dado que se ocupo un software llamado
Enhanced ChemStation G1701CA version C, Agilent
Technologies que se encarga de hacer la linealización de las
curvas y todo el manejo de datos, así como la determinación
de variables de tipo estadístico, como lo son el promedio
desviaciones estándar (DE), coeficientes de correlación (r y r 2)
y de variación (CV). En la tabla 4 se puedenobservar los
valores de los coeficientes de determinación de Pearson (r y r 2
para las curvas de calibración realizadas para medir la
concentración de PBDEs en las muestras.
Intervalo
concentración
de
De 1 a 10 ng/µL
Concentraciones altas
De 102 a 2000 pg/µL
Concentraciones medias
Compuesto
2,2´,4,4´-tetraBDE
2,2´,4,4´,6-pentaBDE
2,2,4,4´,5-pentaBDE
2,2´,4,4´,5,5´-hexaBDE
DecaBDE
Congénere
BDE-47
BDE-100
BDE-99
BDE-153
BDE-209
Tiempo de retención (min)
12.08
13.41
13.77
15.46
29.9
Tabla 3. Tiempos de retención de PBDEs analizados por
CG/MS.
De 1 a 78 pg/µL
Concentraciones bajas
Congénere
Valor de r
Valor de r2
BDE-47
BDE-99
BDE-100
BDE-153
BDE-209
BDE-47
BDE-99
BDE-100
BDE-153
BDE-209
BDE-47
BDE-99
BDE-100
BDE-153
BDE-209
0.999
0.999
0.999
0.999
Cuadrático
0.999
0.997
0.998
0.995
Cuadrático
0.993
0.993
0.994
0.997
0.997
0.998
0.999
0.998
0.999
Cuadrático
0.998
0.993
0.996
0.989
Cuadrático
0.987
0.987
0.989
0.994
0.994
Tabla 4. Coeficientes de determinación de Pearson para
verificar linealidad de curvas de calibración para la
cuantificación de PBDEs.
Figura 4. Espectros de masas de PBDEs, a la izquierda
se observan los espectros obtenidos mediante ionización por impacto
electrónico a 70eV, a la derecha se encuentran los espectros obtenidos cuando
las moléculas se ionizan negativamente y se monitorean
iones específicos.
Nuestra metodología realizó la caracterización de PBDEs,
analizando estándares certificados de PBDEs, obteniendo los
tiempos de retención
exactos de cada uno en los
cromatogramas y realizando elestudio mediante dos técnicas
de ionización de las moléculas (IE y NCI/SIM), con esto se
asegura la identificación y caracterización de cada compuesto,
para así asociar estos resultados al análisis de PBDEs en
muestras reales de cualquier tipo de matriz, siempre y cuando
las concentraciones se encuentren en el intervalo de 1 pg µL-1
a 10 ng µL-1. En la figura 4 se observan los espectros de masas
de los PBDEs analizados en este trabajo, es posible
comparar
los métodos de ionización de las moléculas.
Análisis de muestras
Después de haber realizado la extracción de las
muestras y
haber purificado cada extracto, se realizó el estudio por
CG/MS empleando el mismo procedimiento experimental que
el empleado para el análisis de los estándares certificados.
Cada muestra fue inyectada por triplicado y se determinó la
presencia de PBDEs por comparación de los tiempos de
retención exactos de cada compuesto examinado con su
respectivo estándar certificado.
seguido por Acetato de etilo y por último la mezcla de
alcoholes isopropanol:metanol.
La evidencia de que tolueno es el mejor disolvente de
extracción es la repetibilidad de los valores de concentración
ya que los coeficientes de variación de las concentraciones
determinadas cuando la extracción es con Acetato de etilo y la
mezcla de alcoholes son grandes.
De esta manera se realiza el estudio para la comparación de la
eficiencia de los disolventes de extracción, para ello se analiza
la concentración de cada compuesto de PBDE y se determina
el coeficiente de variación, así como la desviación estándar,
valores que sirven como referencia primordial paraestablecer
repetibilidad y reproducibilidad en cada análisis.
La concentración de cada congénere de PBDE se determina
por los valores de área de pico asociada a cada compuesto en
el análisis de los estándares certificados. No fue necesario
realizar ajuste debida a los blancos, ya que en el análisis de
estos no se encontró evidencia alguna de PBDEs, lo cual a su
vez indica que no hay contaminación de ningún tipo en los
disolventes de extracción y de purificación. En la figura 5
se
puede observar el cromatograma de uno de los blancos
realizados.
Figura 6. Cromatograma del estudio
de PBDEs en muestra de
plástcio de computadora portátil. Extracción con Tolueno.
Figura 7. Cromatograma del estudio
de PBDEs en muestra de
plástcio de computadora portátil. Extracción con Acetato de
etilo.
Figura 5. Cromatograma de uno de los
blancos realizados para
el estudio de PBDEs. Se observa solo ruido de fondo.
Es posible observar los cromatogramas obtenidos del análisis
por CG/MS de las muestras de extracción de PBDEs en las
muestras procedentes de la carcasa plástica de la computadora
en las figuras 6 a 8, cabe destacar la limpieza de cada uno de
estos y la buena resolución de picos obtenida con el equipo, lo
que señala que se realizó un buen manejo de la muestra. Las
concentraciones determinadas de cada compuesto de PBDE
analizado se pueden observar en la tabla 5, se incluyen los
porcentajes que indican la variación entre muestras del mismo
tipo. Cabe señalar que las concentraciones determinadas entre
un disolvente y otro son diferentes; sin embargo, los
coeficientes de variación ayudan a determinar cual ofrece una
mejorrepetibilidad y reproducibilidad. De esta manera se
observa que el mejor disolvente de extracción es Tolueno
Figura 8. Cromatograma del estudio de PBDEs en muestra de
plástico de computadora portátil. Extracción con mezcla de
metanol e isopropanol en proporción 1:1 v/v.
Disolvente
de
extracción
Isopropanol
Metanol 1:1
Acetato de etilo
Tolueno
Masa de
muestra
0.515
Concentración de muestras (µg. de PBDEs/g. de muestra) ± Coeficiente de
variación
BDE-047
BDE-099
BDE-100
BDE-153
BDE-209
23.74±25.3%
26.73±23.7%
5.23±14.9%
3.74±19.3%
8.41±10.9%
0.527
0.513
7.92±2.2%
14.57±0.7%
13.61±5.7%
23.98±1.1%
2.41±4.5%
4.08±0.9%
2.38±0.9%
4.16±2.8%
0.0±0.0%
0.0±0.0%
Tabla 5. Concentración de PBDEs y coeficientes de variación,
en muestras provenientes de la carcasa de una computadora.
Discusión
Después de haber realizado el análisis de PBDEs en estándares
certificados, se pudo observar la necesidad de un equipo de
CG/EM de alta resolución, ya que a pesar de que el manejo de
la muestra debe ser cuidadoso, el equipo de CG/EM juega el
papel más importante para este tipo de estudios. De acuerdo
con los resultados se observa una buena resolución de los
picos en los cromatogramas, lo que refleja una buena
separación, manejo de muestra y la capacidad de diferenciar
entre isómeros de PBDEs, como en el caso de los compuestos
BDE-99 y BDE-100, ambos pentabromados. De esta manera
se prueba que la metodología empleada fue la óptima.
Con respecto al empleo de dos técnicas de ionización, es
posible observar ventajas en cada uno, puesto que cuando se
usa IE es posible observar la isotopíatípica de cada fragmento
de acuerdo al número de bromos que contiene, además de la
masa exacta de cada uno, pero cabe resaltar la técnica
NCI/SIM que permite una inequívoca identificación, dado que
la formación de iones negativos permite observar fragmentos
específicos que solo pueden tener los PBDEs, como es el caso
del fragmento cuya estructura es el grupo fenolato bromado
(m/z=474 para Deca-BDE), además de que es posible
monitorear iones específicos de la molécula en cuestión, de
manera que si se observan en el espectro, con la masa
especificada y la isotopía esperada son evidencia de la
presencia del compuesto PBDE.
En lo que se refiere al contenido de PBDEs en las muestras
son apreciables las diferencias cuando se emplea un disolvente
u otro para la extracción; sin embargo, son los valores de los
coeficientes de variación, los que nos dan indicio de la buena o
mala capacidad de extracción y análisis de PBDEs en muestras
poliméricas, aún así es necesario realizar estudios de
valoración del método para conocer los alcances del método.
Como conclusión de este tópico es posible afirmar que los
contenidos determinados son similares cuando se emplea
Tolueno o Acetato de etilo en la extracción, pero Tolueno
ofrece la mejor repetibilidad en el método con coeficientes de
variación bajos (0.7% a 2.8%), comparado con los otros
disolventes, de los cuales la mezcla de alcoholes, metanol e
isopropanol tiene las mayores desventajas al mostrar
variaciones de hasta 25.3% entre muestras del mismo tipo.
De esta manera se puede observar que el contenido total de
PBDEs en la muestra plástica proveniente de lacarcasa de una
computadora portátil fue de 46.79 µg g-1 con una
concentración alta en el congénere BDE-99 (penta-BDE) y
BDE-47 (Tetra-BDE), lo indica la presencia del producto
comercial PentaBDE en la manufactura de la carcasa plástica
de la computadora, todas estas afirmaciones considerando la
extracción con tolueno, ya que fue la que ofreció mejores
resultados. Este contenido total corresponde a un porcentaje
de 4.68% de PBDEs por gramo de muestra, la literatura
reporta que en la manufactura de partes plásticas de
computadoras, se emplea entre un 5% y un 20% de PBDEs por
cada gramo de polímero, de manera que se obtuvo un
contenido aproximado al que informan otros autores.
Es así que el empleó de un método reciente para la extracción
de PBDEs, como lo es la extracción asistida por ultrasonido es
una buena alternativa al método de extracción por soxhlet,
pues en nuestra metodología se consumen solo 10mL de
disolvente orgánico por cada muestra y un tiempo de
extracción de una hora. Se requieren estudios que comparen
ambas técnicas de extracción en la misma muestra, algunos
autores reportan eficiencia similar; sin embargo, nuestro
proyecto sigue en curso y realizar este estudio, así como la
valoración de cada método son objetivos para continuar.
Conclusiones
Se llevo a cabo la extracción asistida por ultrasonido (UAE) y
cromatografía de gases acoplado a espectrometría de masas
(CG/EM) empleando tolueno, acetato de etilo y metanol con
isopropanol (1:1 v/v) como disolventes de extracción de éteres
difenílicos polibromados (PBDEs), los cuales fueron
caracterizados y cuantificados con buena linealidad (0.9870.999)y repetibilidad
(RSD, 0.7-2.8%). Tolueno es el mejor
disolvente de extracción de PBDEs en las muestras analizadas.
El método fue aplicado a la determinación de BDE-47, BDE99,
BDE-100, BDE-153, BDE-209 en muestras plásticas de la
carcasa de una computadora portátil. Diferentes
contenidos de
PBDEs fueron encontrados en las muestras analizadas y el
contenido de cada PBDE se encuentra entre 4.08 µg g-1 a
23.98 µg g-1. El contenido total fue de 46.79 µg g-1. La
metodología propuesta ha demostrado ser una alternativa
ecológica y cómoda, que sólo consume 10 ml de disolvente de
extracción y calentamiento durante 60 minutos a 65 °C.
Bibliografía
[1] Toxicological profile for PBBs and PBDEs. ASTDR 345 – 366. 2004
[2] Frank Rahman, Katherine H. Langford. PBDEs review. The
science of total environment.
[3] Abdel mnim Altwaiq, Marion Wolf. Extraction of BFRs from
polymeric waste. Analytica Chimica Acta. 91.
140-146. 2003
[4] P. López , S.A. Brandsma. Methods
for the determination of phenolic brominated flame retardants.
Chromatography A 1216.
334-345. 2009
[5] Zongwei Cai a , Guibin Jiang. Determination of polybrominated diphenyl ethers in soil from
e-waste recycling site. Talanta 70.
[6] Jorge Regueiro, Maria Llompart. Determination of polybrominated diphenyl
ethers in domestic dust by microwave assisted solvent
extraction and gas chromatography–tandem mass spectrometry. Chromatography.
1137. 1-7. 2006
[7] Anders Gará, Kurt Andersson, Ake Norström. Synthesis
of halogenated diphenyl ethers and dibenzofurans. Chemosphere, Vo1.10
No. 4, pp 365 - 390, 1981
[8] Ariel R. Fontana, Maria F.Silva. Determination of polybrominated diphenyl
ethers in water and soil samples by
cloud point extraction-ultrasound-assisted back-extraction-gas
chromatography–mass spectrometry. Chromatography 1216.
43394346. 2009.
[9] Francisco Vilaplana, Patrik Karlsson. Analysis of brominated
flame retardants in styrenic polymers. Comparison of
the extraction
efficiency of ultrasonication, microwave-assisted extraction and pressurised
liquid extraction. Chromatography 1196.
[10] Pérez-Maldonado Iván N. a,b, Ramírez-Jiménez María
del Rocio.
Exposure assessment of polybrominated diphenyl ethers
(PBDEs) in Mexican children. Chemosfere 75 1215-1220. 2009
[11] Method 1614 Brominated Diphenyl Ethers in Water Soil, Sediment and Tissue
by HRGC/HRMS. EPA.
[12] Frank Rahman, Katherine H. Langford, Mark D. Scrimshaw, John N. Lester. Polybrominated diphenyl ether (PBDE) flame
retardants. The Science of the Total Environment 275 (2001) 1-17.
[13] Ying Li, Tianran Wang, Yuki HAshi, Jing-Ming Lin. Determination of
brominated flame retardants in electrical and electronic
equipments whit microwave-assisted extraction and gas chromatography-masss
spectrometry. Talanta 78 (2009) 1429-1435.
[14] A. Sjodln E. Jakobsson , A. Kierkegaard b, G.
Marsh , U. Sellstrrm. Gas chromatographic identification and
quantification of
polybrominated diphenyl ethers in a commercial product, Bromkal 70-5DE.
Chromatography A 822.
[15] Consuelo Sánchez-Brunete, Esther Miguel. Determination
of polybrominated diphenyl ethers in soil by ultrasonic assisted
extraction and gas chromatography mass spectrometry. Talanta
70. 1051 -1056. 2006.
