Sviluppo di metodi voltammetrici per il monitoraggio di contaminanti emergenti: studio su paracetamolo e ciprofloxacina

Emerging contaminants have become a topic of great interest within the scientific community. This class of substances includes residues of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs). PPCPs are released into the environment through various pathways, such as wastewater discharge from treatment plants and livestock farms, excretions from humans and animals, and improper disposal practices. Additionally, wastewater treatment plants are often inadequate for their removal, allowing their entry into aquatic environments. Many ecological risks are associated with the presence of these products in the environment. Of particular concern is antibiotic resistance, a natural biological adaptation phenomenon in which certain microorganisms acquire the ability to survive or grow in the presence of an antibacterial agent at a concentration generally sufficient to inhibit or kill microorganisms of the same species. Excessive and/or improper use of antibiotics in human and veterinary medicine, as well as in agriculture, promotes the emergence of this resistance. The aim of this thesis is to develop a method for monitoring the presence of pharmaceuticals, such as paracetamol (APAP, an antipyretic and analgesic drug) and ciprofloxacin (CPRO, a fluoroquinolone antibiotic), in environmental and pharmaceutical matrices. Voltammetry was chosen as the analytical technique due to its simplicity, versatility, and low acquisition and operating costs. Furthermore, it can be applied using portable instruments for field analysis. Initially, tests were conducted on synthetic matrices spiked with the analytes of interest. Subsequently, the optimized methods were applied to real matrices to determine the content of these substances in pharmaceutical formulations, such as tablets (for APAP) and an eye drop solution (for CPRO), and to evaluate the applicability of the technique for monitoring them in environmental matrices, such as river water. A glassy carbon electrode (GCE) was used as the working electrode (WE). Anodic stripping voltammetry with square-wave potential scanning was chosen, allowing the oxidation signals of the two analytes to be obtained at 0.4–0.7 V and 1.2 V for APAP and CPRO, respectively. Phosphate buffer was used as the supporting electrolyte for APAP, while acetate buffer was used for CPRO. The performance of the voltammetric method was compared with high-performance liquid chromatography (HPLC) and UV spectrophotometry to assess its accuracy. Precision and detection limits in real samples were also evaluated. The developed method proved to be competitive compared to traditional techniques. The results demonstrated the feasibility of using portable potentiostats for rapid on-site quantification of emerging contaminants, providing a valuable tool for environmental monitoring and water quality assessment. Thanks to its low cost and ease of use, this approach could increase the number of inspections and enable more precise monitoring of these substances, helping to understand their fate in different ecosystems and environmental compartments.

I contaminanti emergenti sono diventati argomento di grande interesse all’interno della comunità scientifica. In questa classe di sostanze rientrano residui di prodotti farmaceutici e per la cura della persona (PPCP). I PPCP vengono immessi nell'ambiente attraverso varie vie, come lo scarico di acque reflue da impianti di depurazione e allevamenti animali, escrezioni da parte di esseri umani e animali, e pratiche di smaltimento improprie. Inoltre, spesso, gli impianti di depurazione non risultano adeguati per la loro rimozione, permettendo il loro ingresso negli ambienti acquatici. Correlati alla presenza di questi prodotti nell’ambiente vi sono molti rischi ecologici. Di notevole rilevanza è l’antibiotico-resistenza: fenomeno naturale biologico di adattamento di alcuni microrganismi, che acquisiscono la capacità di sopravvivere o di crescere in presenza di una concentrazione di un agente antibatterico, che è generalmente sufficiente ad inibire o uccidere microrganismi della stessa specie. Un uso eccessivo e/o non corretto di antibiotici, in campo umano e/o veterinario, come anche in agricoltura, favorisce l’insorgenza di questa resistenza. Lo scopo di questo lavoro di tesi è la messa a punto di un metodo che consenta il monitoraggio della presenza di farmaci, quali paracetamolo (APAP, farmaco antipiretico e antidolorifico) e ciprofloxacina (CPRO, antibiotico fluorochinolonico), in matrici ambientali e farmaceutiche. Si è scelto di utilizzare la voltammetria, in quanto si tratta di una tecnica analitica semplice, versatile e con bassi costi di acquisto e di gestione, che può essere applicata mediante l’utilizzo di strumenti portatili per analisi in campo. Inizialmente, le prove sono state condotte su matrici sintetiche addizionate degli analiti di interesse. In seguito le metodiche ottimizzate sono state applicate a matrici reali, sia per determinare il contenuto di queste sostanze in formulazioni farmaceutiche, quali compresse (per APAP) e un collirio (per CPRO) sia per valutare l’applicabilità della tecnica al loro monitoraggio in matrici ambientali, quali ad esempio acque di fiume. Come elettrodo di lavoro (WE) è stato utilizzato un elettrodo in carbonio vetroso (glassy carbon electrode, GCE). È stata scelta la voltammetria di stripping anodico, con scansione di potenziale in onda quadra: in questo modo sono stati ottenuti i segnali relativi all’ossidazione dei due analiti rispettivamente a 0.4-0.7 V e a 1.2 V per APAP e CPRO. Come elettrolita di supporto è stato scelto il tampone fosfato per APAP e il tampone acetato per CPRO. Le prestazioni del metodo voltammetrico sono state confrontate con la cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) e la spettrofotometria UV, in modo da poter valutare l'accuratezza del metodo. Sono poi state valutate la precisione e i limiti di rilevazione in campioni reali. La metodica sviluppata è risultata competitiva rispetto alle tecniche tradizionali di confronto. I risultati ottenuti hanno mostrato la possibilità di utilizzare i potenziostati portatili per una rapida quantificazione in loco di contaminanti emergenti, fornendo uno strumento prezioso per il monitoraggio ambientale e la valutazione della qualità dell'acqua. Grazie ai costi limitati ed alla semplicità di utilizzo, questo approccio offrirebbe la possibilità di aumentare il numero dei controlli e di ottenere un monitoraggio più puntuale di queste sostanze in modo da comprendere il loro destino nei diversi ecosistemi e nei diversi comparti ambientali.