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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

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3

Tabla de contenido

1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................... 5

1.1 Problemática ......................................................................................................... 5

1.2 Antecedentes ........................................................................................................ 6

1.3 Marco Teórico ...................................................................................................... 7

2. OBJETIVOS ..................................................................................................................... 9

2.1 Objetivos específicos ............................................................................................ 9

3. PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................. 9

3.1 Materiales ............................................................................................................. 9

3.2 Equipos ................................................................................................................. 9

4. MUESTRAS .................................................................................................................... 10

4.1 Preparación de las muestras ............................................................................... 10

4.1.1 Condiciones de funcionamiento de cada equipo ........................................................ 10

4.1.2 Verificación inicial de metodología ........................................................................... 11

4.1.3 Muestras Hacienda el Noviciado................................................................................ 16

4.1.4 Muestra fortificada y blanco dopado .......................................................................... 16

5. CALIBRACIÓN ............................................................................................................. 16

6. RESULTADOS ............................................................................................................... 17

6.1 Análisis de resultados ......................................................................................... 17

7. CONCLUSIONES .......................................................................................................... 23

8. RECOMENDACIONES ................................................................................................ 23

9. AGRADECIMIENTOS .................................................................................................. 24

10. ANEXOS ........................................................................................................................ 25

11. REFERENCIAS ............................................................................................................ 54

Índice de figuras Fig. 1 Escenarios posibles de la quema de Biomasa (Chen, y otros, 2017) .................................. 8

Fig. 2 Estructura molecular del Levoglucosan .............................................................................. 9

Fig. 3. Procedimiento preparación solución patrón 1er análisis ................................................... 12

Fig. 4. Proceso de extracción de la muestra ................................................................................ 13

Fig. 5. Proceso de derivatización de la muestra .......................................................................... 14

Fig. 6 Proceso de preparación de las soluciones patrón para la realización de la curva de

calibración ................................................................................................................................... 15

Fig. 7 Dimensiones muestras dopadas ........................................................................................ 16

Fig. 8 Iones monitoreados en cromatografía ............................................................................... 18

Fig. 9 Curva de Calibración ........................................................................................................ 19

Fig. 10 Área bajo la curva de [32mg/L] con extracción y sin extracción ................................... 20

Fig. 11. Ecuación porcentaje (%) de recuperación filtros sin muestra ........................................ 21

Fig. 12 Ecuación porcentaje (%) de recuperación filtros con muestra ........................................ 21

4

Índice de tablas Tabla 1. Efectos adversos de los contaminantes atmosféricos sobre el sistema respiratorio

(Oyarzún, 2010) ............................................................................................................................ 5

Tabla 2. Defunciones asociadas a enfermedades por uso de combustibles ineficientes

(Organización mundial de la salud (OMS), 2018) ........................................................................ 6

Tabla 3. Rampa de calentamiento de GC-MS ............................................................................. 10

Tabla 4. Muestras analizadas de la Hda. el Noviciado ................................................................ 16

Tabla 5. Concentraciones para determinación de curva de calibración ...................................... 17

Tabla 6. Valores de lectura de muestras de las soluciones patrón ............................................... 17

Tabla 7. Muestras analizadas en el 2 día de corrida del GC-MS ................................................ 22

Tabla 8. Valores de concentraciones, masa y volumen de muestra HN102 y filtro completo

asociado a dicha muestra ............................................................................................................. 22

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) .............................. 23

Índice de anexos Anexo 1. Imagen Ultrasonido ..................................................................................................... 25

Anexo 2. Ficha técnica Ultrasonido ............................................................................................ 25

Anexo 3- Imagen Roto-evaporador ............................................................................................. 26

Anexo 4. Ficha técnica Roto-evaporador .................................................................................... 26

Anexo 5. Imagen Agitador magnético ........................................................................................ 27

Anexo 6. Ficha técnica Agitador magnético ............................................................................... 27

Anexo 7. Grafica presencia de LG en muestra de 64mg/L sin Extracción ................................. 28

Anexo 8. Grafica de iones monitoreados (m/z) de muestra 64mg/L sin Extracción ................... 28

Anexo 9. Tabla presencia de LG en muestra de 64mg/L sin Extracción .................................... 29

Anexo 10. Tabla presencia de LG en muestra de 64mg/L con Extracción ................................. 29

Anexo 11. Tabla presencia de LG en muestra de 32mg/L sin Extracción .................................. 30

Anexo 12. Tabla presencia de LG en muestra de 32mg/L con Extracción ................................. 30

Anexo 13. Grafica presencia de LG en filtro Blanco Fortificado ............................................... 31

Anexo 14. Grafica de iones monitoreados (m/z) en filtro Blanco Fortificado ............................ 31

Anexo 15. Tabla presencia de LG en Filtro Blanco Fortificado ................................................. 32

Anexo 16. Grafica presencia de LG en solución patrón (1mg/L) ............................................... 32

Anexo 17. Grafica de iones monitoreados (m/z) en solución patrón (1mg/L) ............................ 33

Anexo 18. Grafica presencia de LG en muestra HN102 Fortificado .......................................... 33

Anexo 19. Grafica de iones monitoreados (m/z) en muestra HN102 Fortificado ....................... 34

Anexo 20.. Tabla presencia de LG en muestra HN102 Fortificado ............................................ 34

Anexo 21. Grafica presencia de LG en muestra HN102 ............................................................. 35

Anexo 22. Grafica de iones monitoreados (m/z) en muestra HN102.......................................... 35

Anexo 23. Tabla presencia de LG en muestra HN102 ................................................................ 36

Anexo 24. Graficas presencia de LG en muestras sin detección ............................................... 36

Anexo 25. Graficas de iones monitoreados (m/z) en muestras sin detección ............................. 42

Anexo 26. Tablas de presencia de LG en muestras sin detección ............................................... 47

5

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Problemática

La globalización y el crecimiento económico han dado a la sociedad grandes

beneficios, pero a su vez han generado nuevos riesgos. Es por esto que en el mundo se

presentan hoy en día diferentes problemáticas relacionadas con el daño ambiental, de las

cuales hace parte la disminución de la calidad del aire, lo que genera múltiples dificultades

tanto para la salud humana como para el medio ambiente. Debido a esto, la relación entre

la contaminación atmosférica y la salud es cada día más conocida, de manera que, el

deterioro de la salud se ha relacionado con la producción de material particulado (PM)

(World Health Organization (WHO), 2013).

Aunque la contaminación del aire no es exclusiva de grandes ciudades, los niños y

adultos mayores son los más vulnerables ante esta problemática, pues los principales

contaminantes aéreos están asociados a daños específicos en el sistema respiratorio. En

la Tabla 1 se presentan algunos de los efectos adversos que provocan los contaminantes

atmosféricos en el sistema respiratorio.

Tabla 1. Efectos adversos de los contaminantes atmosféricos sobre el sistema respiratorio (Oyarzún, 2010)

CVF: Capacidad vital forzada; VEF: Volumen espiratorio forzado en el primer segundo; HAPs:

Hidrocarburos aromáticos poli cíclicos

Asimismo, los contaminantes del aire contribuyen también al decaimiento de las

funciones pulmonares y al aumento de la reactividad bronquial, lo que provoca la

disminución de la tolerancia al ejercicio e incrementa el riesgo de bronquitis, cáncer

pulmonar, etc. (Oyarzún, 2010). De igual modo, Oyarzun (2010) describe que el

acrecentamiento de PM se asocia con el aumento de muertes por causa de enfermedades

6

respiratorias y cardiovasculares. Un ejemplo de esto lo expone la OMS, en el que estima

que cerca de siete millones de personas mueren cada año por exposición a partículas finas

contenidas en el aire contaminado, sumado a esto, durante el 2016 la contaminación del

aire exterior provocó la muerte de aproximadamente 4.2 millones de personas, mientras

que la contaminación de aire doméstico generada por la preparación de alimentos con

combustibles y tecnologías contaminantes ocasionó la muerte de 3.8 millones de personas

(Organización mundial de la salud, 2018).

Por otra parte, los incendios forestales y/o las quemas controladas de cultivos son

otro de los factores importantes al momento de analizar las causas y los efectos de la

contaminación atmosférica, pues contribuye a la contaminación en interiores (preparación

de comidas y calentamiento de hogares) y exteriores (incendios forestales y quemas

controladas) a las que están expuestas las personas.

En vista de que la contaminación del aire no conoce fronteras, es importante que el

mejoramiento de la calidad del aire se someta a medidas gubernamentales que no se vean

afectadas en cada nuevo periodo, así como, solucionar las principales fuentes de

contaminación, en donde se busque tener medios de transporte sostenibles, generación de

producción de energía limpia y una gestión de residuos más adecuada dentro de la

planeación urbana de las ciudades del mundo.

1.2 Antecedentes

De igual forma a como se inició el texto, las personas que se han beneficiado por el

crecimiento económico han logrado grandes ventajas en su vida, sin embargo, otro

porcentaje de la población ha quedado en el olvido y no ha logrado los avances que la

globalización ha traído consigo. De tal manera, que aún 3000 millones de personas en el

mundo cocinan y dan calor a su hogar por medio de cocinas y fuegos abiertos en los que

queman biomasa y carbón. Lo anterior, desencadena en 4 millones de muertes prematuras

anuales por enfermedades derivadas de la mala calidad del aire (Organización mundial

de la salud (OMS), 2018). Algunas de estas defunciones por parte de estas enfermedades

se muestran en la Tabla 2:

Tabla 2. Defunciones asociadas a enfermedades por uso de combustibles ineficientes (Organización mundial de la

salud (OMS), 2018)

Se estima que en países industrializados aproximadamente el 20% del total de

enfermedades es consecuencia de factores ambientales (Bernard, Samet, Grambsch, Ebi,

& Romieu, 2001). Igualmente, en Europa se le atribuye a la contaminación del aire en

interiores y exteriores la proporción de muertes y años de vida ajustados por discapacidad

(DALYs) en el grupo en edad infantil (Smith, Corvalan, & Kjellström, 1999). Sumado a

lo anterior, el impacto del cambio climático ha ido dejando evidencias sobre la salud cada

día más consistentes (Bernard, Samet, Grambsch, Ebi, & Romieu, 2001).

En vista de lo anterior, se ha encontrado que las principales causas de la

contaminación del aire están relacionadas con la quema de combustibles fósiles, aunque

las emisiones han comenzado a disminuir en los últimos años (Sources of air pollution,

Porcentaje (%) Enfermedad asociada

12 Neumonía

34 Accidente cardiovascular

26 Cardiopatía Isquémica

22 Neumopatía obstructiva crónica

6 Cáncer de pulmón

7

1999), en muchos casos, los niveles de partículas contaminantes sobrepasan los límites

de seguridad marcados por la OMS (Vargas Marcos, 2005).

Los agentes ambientales implicados en la contaminación atmosférica son los óxidos

de nitrógeno y azufre, los metales, el ozono troposférico, las partículas en suspensión, los

hidrocarburos y los compuestos orgánicos volátiles (VOC´s) (Córdoba García, Clemente

Jiménez, & Aller Blanco, 2003) producidos por procesos ambientales y/o procesos

antropogénicos.

1.3 Marco Teórico

El aire es una mezcla de diferentes compuestos, es decir, contiene 78% de nitrógeno,

20.9% de oxígeno, 0.95% de gases inertes y 0.03% de dióxido de Carbono (CO2). Sin

embargo, como se ha venido explicando desde el principio del texto, existen

contaminantes presentes en el aire que deterioran la calidad del medio ambiente y

constituyen un peligro para la vida, tales contaminantes se definen como “contaminantes

criterio” y se desarrollaron regulaciones para su concentración y emisión (Morales

Betancourt, 2015). Estos contaminantes se originan por procesos ambientales y/o

antropogénicos que generan la producción de los diferentes contaminantes atmosféricos,

existen dos tipos:

Primarios: Son los contaminantes arrojados directamente a la atmósfera desde la

fuente de emisión (chimeneas, tubos de escape, etc.) como resultado de un proceso de

combustión, un ejemplo de estos son el dióxido de azufre (SO2), el monóxido de carbono

(CO), vapores de combustibles y solventes, Plomo (Pb) y partículas suspendidas. (EPA,

2017)

Secundarios: Una vez en el aire, algunos contaminantes primarios reaccionan

entre ellos mismos o con otros compuestos y forman otros contaminantes de igual o

mayor toxicidad, como el ozono troposférico (O3), el dióxido de nitrógeno (NO2) y

algunos tipos de partículas. (EPA, 2016)

De la misma manera, los aerosoles atmosféricos hacen parte de los “contaminantes

criterio” y se encuentra que la importancia del material particulado (PM) radica en la

asociación que existe entre la exposición a este y los efectos que produce sobre la salud

humana. En el mismo orden de ideas, el PM es una mezcla compleja de pequeñas

partículas sólidas y líquidas que se encuentran en el aire y está constituido por numerosos

compuestos químicos, además presenta una distribución de tamaños desde 0.002 µm a

100µm y se distribuyen en dos fracciones de tamaños:

Partículas finas: partículas de diámetro aerodinámico <2.5µm (Wang, Primbs,

Tao, & Massey Simonich, 2009)

Partículas gruesas: partículas de diámetro aerodinámico entre 2.5µm y 10µm

(Morales Betancourt, 2015)

En el PM se puede encontrar todo tipo de constituyentes químicos, biológicos y

microbiológicos (World Health Organization (WHO), 2013). Al mismo tiempo, las

implicaciones ambientales que puede presentar el PM depende de la composición química

de estas partículas, pues pueden alterar el pH de lagos y corrientes dándole acidez al agua

y hacen que los nutrientes del suelo se agoten.

De igual modo, una de las situaciones que también contribuye al deterioro ambiental

es la quema de biomasa, esta afecta la calidad del aire he incluye la quema agrícola

abierta, incendios de bosques y cuencas, quema de paja, campos de residuos, incendios

de pastizales, forestales y quema de residuos de biocombustibles. Por otra parte, es una

de las fuentes de contaminación en el aire, es un riesgo para la salud pública y genera un

8

impacto climático, ya que favorece a la creación de núcleos de condensación y plumas

con indicadores de gases regionales y globales (Chen, y otros, 2017). Huang et al. (2014)

estudiaron el fenómeno que ocurrió en Beijing en el 2013 en el que ocurrieron episodios

de neblina severa generada a partir de la quema de biomasa, ésta superpuso los

contaminantes primarios y secundarios derivados del smog de los carros y la combustión

del carbón. El suceso anterior afectó 1.3 millones de km2 y 800 millones de personas. En

la Fig. 1 se presentan diferentes escenarios de la quema de biomasa.

Fig. 1 Escenarios posibles de la quema de Biomasa (Chen, y otros, 2017)

Dado que, la conversión de bosques tropicales, cambio de cultivos y eliminación de

la vegetación ha ido en aumento, se ha acrecentado las contribuciones que se generan a

las emisiones de gases invernadero. Teniendo en cuenta la información anterior, se

encuentra que se emiten 3.1x109T de C como resultado de la quema de biomasa a nivel

mundial, de los cuales 1.1x109T se emiten por combustión, mientras que 49x106T se

convierten en carbón negro (Fearnside, 2000). Estos valores hacen que la quema de

biomasa se convierta en una preocupación mundial, pues se conoce que emite cantidades

significativas de contaminantes climáticos de corta vida que aportan al calentamiento

global, como el carbón negro, contribuyentes a reacciones fotoquímicas para la formación

de ozono troposférico, VOC’s y NOx (Chen, y otros, 2017) .

Conociendo la relevancia de la problemática por la quema de biomasa, se desea

desarrollar una metodología para lograr el análisis de las muestras de aire, que se logran

hacer en campañas de monitoreo realizadas por la Universidad de Los Andes, en las

diferentes épocas del año. Para alcanzar esta metodología es necesario saber que se logra

identificar químicamente la combustión de biomasa en el PM, mediante el análisis de

marcadores moleculares que conservan las características estructurales del compuesto

original (Fabbri, y otros, 2008). Algunos de los marcadores que se utilizan para identificar

la quema de biomasa son el potasio, el levoglucosan, el mannosan, el galatosan, las tasas

9

diagnósticas (K+/EC, OC/EC, tasas de PAHs y algunas especies gaseosas), entre otros.

(Wang, y otros, 2011).

En este caso se escoge utilizar Levoglucosan (LG) como marcador por excelencia,

pues su estabilidad en la atmósfera, sus altas concentraciones y su nivel de detección a

distancias considerables de la fuente de combustión original son una ventaja para

investigar sobre este fenómeno (Simoneit, y otros, 1999), además de ser un derivado de

los monosacáridos en la degradación de la celulosa. Su estructura molecular se muestra

en la Fig. 2 y su nombre es 1,6-anhydro-β-D-glucopyranose.

Fig. 2 Estructura molecular del Levoglucosan

2. OBJETIVOS

Desarrollar el análisis de varias muestras con material particulado, cuantificar las

técnicas analíticas y el protocolo para detectar presencia de Levoglucosan en los

laboratorios de la Universidad de Los Andes.

2.1 Objetivos específicos

Verificar en 2 etapas el funcionamiento de la metodología, desde la extracción y

desde la derivatización, utilizando únicamente la sustancia patrón y filtros Blanco.

Desarrollo completo de la metodología en muestras reales para conseguir una

curva de calibración.

Determinar el porcentaje (%) de recuperación del método

Determinar las muestras con concentraciones de Levoglucosan

Determinar la concentración de Levoglucosan de cada una de las muestras

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1 Materiales por muestra

Filtro de cuarzo limpio

Filtro de cuarzo con muestra

Filtro de Nylon (Tamaño de poro=0.22µm)

Vial de 40mL con tapa

Matraz balón de 100mL

Jeringa de 5mL

2-5µg Sustancia patrón LG (1.6Ahydro-β-D-Glucose 99% Marca: Sigma

Aldrich) Es una sola vez, no es por muestra

Solvente (Acetonitrilo (CH3CN))

20 µL Piridina

100 µL Derivatizante (bis (trimethylsilyl) trifluoroacetamide (BSTFA)

containing 1% trimethylchlorosilane)

Nitrógeno

3.2 Equipos

Ultrasonido

o Marca: Elma

o Referencia: 100.7161

10

o Modelo: E60H

o Más info. Ver Anexos

Roto evaporador

o Marca:Heidolph-Laborota

o Modelo: Hei-VAP Value Digital

o Más info. Ver Anexos

Agitador Magnético

o Marca: Heidolph

o Modelo: Mr 3001 K

o Más info. Ver Anexos

Cromatógrafo de Gases con Espectrometría de Masas

o Marca: Agilent

o Modelo: GC-6890N

o Acoplado a detector selectivo de masas (MS)5975B

o Columna: Hp5

o Inyección Splitless

4. MUESTRAS

Se realizó la corrida de 23 muestras, de las cuales se corrió primero cinco de ellas,

dos desde derivatización, dos desde la extracción y una para analizar el patrón.

Posteriormente se analizaron 12 filtros con muestra y 6 filtros más con los patrones para

la curva de calibración.

4.1 Preparación de las muestras

4.1.1 Condiciones de funcionamiento de cada equipo

i. Ultrasonido:

a. Trabajar sin temperatura

ii. Roto evaporador:

a. Temperatura: 50°C al vacío

b.Concentrar hasta 3mL

iii. Agitador:

a. Precalentar el aceite hasta lograr

iv. Cromatógrafo

a. Trabaja con columna de 30m x 0.25mm x 0.5µm

b.Utiliza una rampa de calentamiento mostrada en la Tabla 3

Tabla 3. Rampa de calentamiento de GC-MS

c. Modo de adquisición: Scan

°C/min hasta Hold minTiempo de

corrida

- 100 °C 0 min 0 min

18 300 °C 5 min 16.11 min

11

d.Energía de Ionización: 70eV

e. Rango de masa/carga: 45-450 m/z

4.1.2 Verificación inicial metodología

El primer análisis de muestras se realiza para la verificación de la metodología

propuesta, en donde se prepara una solución patrón y se lleva a cabo el análisis de dos

filtros sometidos al proceso de extracción y dos filtros diferentes desde el proceso de

derivatización para la comprobación del método. En este análisis se comprueba si hay

presencia o no de Levoglucosan y se determina un porcentaje de recuperación.

Inicialmente, la preparación de la solución patrón se realiza con 2.3mg de LG y se

disuelve en 10mL de CH3CN, utilizando diferentes volúmenes se logra una concentración

de 32mg/L y 64mg/L. A continuación, se muestra en la Fig. 3 el tratamiento que se realizó

para preparar la solución patrón deseada.

Posteriormente se presentan en la

Fig. 4 y Fig. 5 los dos procedimientos (Extracción y Derivatización) necesarios para

determinar la presencia de LG en la muestra. Sin embargo, se utilizaron dos muestras por

cada una de las concentraciones preparadas para someterlas a cada uno de los procesos y

así comprobar si existe cualquier error en la metodología y poder observar en cuál de los

pasos sucede.

12

Fig. 3. Procedimiento preparación solución patrón 1er análisis

13

Fig. 4. Proceso de extracción de la muestra

3

14

Fig. 5. Proceso de derivatización de la muestra

15

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

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46

47

Anexo 26. Tablas de presencia de LG en muestras sin detección

48

49

50

51

52

53

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