impresión molecular modificados con nanohilos de plata
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD DE VALLADOLID
ESCUELA DE INGENIERIacuteAS INDUSTRIALES
Grado en Ingenieriacutea Quiacutemica
Sensores basados en la tecnologiacutea de
impresioacuten molecular modificados con
nanohilos de plata para el anaacutelisis de
azuacutecares de intereacutes en la industria
alimentaria
Autora
Granados Loacutepez Sara
Tutoras
Rodriacuteguez Meacutendez Mariacutea Luz
Salvo Comino Coral
Departamento de Quiacutemica Fiacutesica y
Quiacutemica Inorgaacutenica
Valladolid septiembre 2020
Agradecimientos
Quisiera agradecer a todos aquellos que han intervenido en el desarrollo de
este trabajo de fin de grado y que de alguacuten modo lo han hecho posible
En primer lugar quiero dar las gracias a mi profesora y tutora Mariacutea Luz
Rodriacuteguez Meacutendez quien me ha dado la oportunidad de formar parte de su
equipo de investigacioacuten y gracias a la cual he aprendido y adquirido
conocimientos de gran valor
A mis compantildeeros de laboratorio quienes desde un principio me hicieron
formar parte del equipo a pesar de esta corta experiencia gracias chicos por
el tiempo compartido En especial quiero hacer mencioacuten a mi cotutora Coral
por su apoyo dedicacioacuten y por su gran paciencia estoy segura de que Luciacutea va
a tener una mami fantaacutestica
A mis amigos en especial a ti Marta sin ella esta carrera no hubiera sido lo
mismo A pesar de que el tiempo compartido en clase fue poquito ha sido el
suficiente Nunca olvidareacute aquellas clases de matemaacuteticas y fiacutesica donde las
risas estaban aseguradas o las tardes de exaacutemenes repletas de
conversaciones de dudas lo que estaacute claro es que sin tu apoyo estaacute carrera
hubiera sido una larga cuesta arriba
Por otro lado quiero agradecer a mi gran apoyo mi confidente mi amigo mi
pareja Rubeacuten Gracias por creer en miacute en todo momento por animarme con
esta carrera por hacer que no me rinda por estar siempre a mi lado a pesar
de las circunstancias y sobre todo por aguantarme durante estos 5 antildeos que
sin duda creo te habraacuten servido de praacutecticas para psicologiacutea Sin olvidar a mi
segunda familia Chus y Oscar con vosotros las palabras de agradecimiento
sobran Seacute que no os gusta que os lo diga pero gracias gracias por vuestro
apoyo incansable y sobre todo por tratarme siempre como a la nintildea de la casa
Finalmente gracias a mi familia sin los cuales esto no hubiera sido posible En
especial a mis padres por vuestro apoyo confianza esfuerzo y sacrificio
gracias a ellos soy lo que soy y he podido formarme en lo que maacutes me gusta
Ademaacutes quiero dar las gracias a mi hermano Diego con el que siempre he
podido contar Sin eacutel este camino no hubiera sido el mismo queacute seriacutea de
nosotros sin discutir sobre las ventajas y dificultades de la fiacutesica e ingenieriacutea
Muchas gracias a todos
Resumen
Se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en poliacutemeros de
impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
Eacutestos se sintetizaron mediante la electropolimerizacioacuten de una peliacutecula
compuesta por un biopoliacutemero de intereacutes chitosaacuten modificada con nanohilos
de plata (AgNWs) sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD) en
presencia de la moleacutecula plantilla Utilizando voltametriacutea ciacuteclica (CV) su
funcionamiento se comparoacute con otros sensores NIP obtenidos bajo las
mismas condiciones sin la moleacutecula plantilla
Primero se sintetizaron AgNWs de tamantildeo homogeacuteneo a traveacutes del meacutetodo
poliol Ademaacutes se caracterizaron mediante espectroscopiacutea UV-VIS DRX y AFM
Posteriormente se analizoacute la configuracioacuten oacuteptima del sensor frente a lactosa
Se evaluoacute su repetitividad reproducibilidad y sensibilidad donde se comproboacute
una posible saturacioacuten en lactosa 10minus3119872
Finalmente se sintetizaron sensores para la deteccioacuten de glucosa y galactosa
mediante CV pero como no mostraron un buen funcionamiento es necesario
continuar investigando
Palabras clave
Sensores electroquiacutemicos MIP AgNWs chitosaacuten leche
Abstract
In this piece of work electrochemical sensors based on molecular imprinted
polymers (MIP) have been developed for the detection of lactose glucose and
galactose All of these were synthesized through the electropolymerization of a
coating composed of a biopolymer of interest chitosan modified with silver
nanowires (AgNWs) on a boron-doped diamond electrode (BDD) in the
presence of the template molecule Using cyclic voltametry (CV) its
performance was compared to other sensors NIP obtained under the same
conditions without the template molecule
Firstly AgNWs of homogeneous size were synthesized through the polyol
method In addition AgNWs were characterized by spectroscopy UV-VIS XRD
and AFM
Secondly the optimal configuration of the sensor was analyzed against lactose
For which it was studied its repeatability reproducibility and sensitivity where
a possible sensor saturation was checked at concentration of lactose in
solution 10 -3 M
Finally sensors were synthesized for the detection of glucose and galactose by
CV but as they did not show a good performance further optimization is
needed
Keywords
Electrochemical sensors MIP AgNWs chitosan milk
Iacutendice
1 Introduccioacuten y objetivos 3
11 Introduccioacuten 3
12 Objetivos 4
2 Fundamento teoacuterico 8
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y Nanotecnologiacutea 8
211 La nanociencia en la industria alimentaria Nanosensores 8
22 La industria laacutectea Materia prima leche 10
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche 12
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche 12
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas 13
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche 16
23 Sensores utilizados 29
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores 29
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular (MIP) 32
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 36
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 38
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo 42
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico 44
241 Electrodos BDD 45
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD 46
25 Sensores basados en nanomateriales 47
251 Los nanohilos de plata (AgNWs) 48
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs 49
2521 Siacutentesis de AgNWs 51
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs 56
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas 67
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos 73
2611 Voltametriacutea ciacuteclica 74
2612 Cronoamperometriacutea 79
27 Chitosaacuten o quitosano 84
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados 87
3 Reactivos materiales y equipos 91
31 Reactivos 91
32 Materiales 92
33 Equipos 92
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental 96
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados 96
411 Preparacioacuten de las disoluciones 96
412 Procedimiento experimental 99
4121 preparacioacuten de los AgNWs 99
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro (BDD) 101
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP 102
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs 105
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico 107
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP 107
4122 voltametriacutea ciacuteclica 109
5 Resultados experimentales y discusioacuten de resultados 115
51 Caracterizacioacuten de AgNWs 115
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-VIS) 115
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM) 116
513 Difraccioacuten de rayos-X 117
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD 118
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa 137
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a lactosa 139
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa 141
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa 142
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs- Glucosa]BDD 143
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD 146
6 Conclusiones y trabajo futuro 152
61 Conclusiones 152
62 Trabajo futuro 155
7 Bibliografiacutea 159
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 REACCIOacuteN ENZIMAacuteTICA DE LA LACTOSA PARA FORMAR GLUCOSA Y GALACTOSA 20
FIGURA 2 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DE LA CASEIacuteNA 25
FIGURA 3 ESTRUCTURA DE UN SENSOR 30
FIGURA 4 MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS (ROJO) MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE
TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS EMPLEADOS EN LA DETECCIOacuteN DE AZUacuteCARES (ROSA) PUBLICACIONES
CORRESPONDIENTES AL PERIODO 1999-2019 OBTENIDAS DE LA BASE DE DATOS SCOPUS (ELSEVIER) 37
FIGURA 5 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-MOLEacuteCULA PLANTILLA]BDD EN UNA CELDA
ELECTROLIacuteTICA CON UNA CONFIGURACIOacuteN DE TRES ELECTRODOS (ELECTRODO DE TRABAJO CONTRAELECTRODO Y
ELECTRODO DE REFERENCIA) DONDE SE REPRESENTA LA DEPOSICIOacuteN DE LA SOLUCIOacuteN A TRAVEacuteS DE
ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN POR CRONOAMPEROMETRIacuteA SOBRE UN ELECTRODO DE DIAMANTE DOPADO CON BORO
(BDD) 40
FIGURA 6 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP DONDE SE MUESTRA EL PROCESO DE POLIMERIZACIOacuteN Y A
CONTINUACIOacuteN UN SENSOR MIP DONDE SE HA LLEVADO A CABO EL PROCESO DE ELUCIOacuteN DE LA MOLEacuteCULA
PLANTILLA 42
FIGURA 7 REACCIOacuteN SIMPLIFICADA DEL PROCESO DE ENTRECRUZAMIENTO DEL CHITOSAacuteN CON GLUTARALDEHIacuteDO 43
FIGURA 8 ESTRUCTURA GENEacuteRICAS DE UNA BASE DE SHIFFacuteS CON TRES RADICALES R1 R2 Y R3 43
FIGURA 9 DIAMANTE DOPADO CON BORO SE REPRESENTAN LOS HUECOS INTRODUCIDOS POR EL BORO 45
FIGURA 10 PROCESO DE CRECIMIENTO DE LOS AGNWS 53
FIGURA 11 REPRESENTACIOacuteN DE LOS PLANOS CRISTALOGRAacuteFICOS [111] Y [100] DE UNA ldquoNANOBARRArdquo 53
FIGURA 12 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MICROSCOPIO DE FUERZA ATOacuteMICA 57
FIGURA 13 ESPECTRO ELECTROMAGNEacuteTICO CORRESPONDIENTE A LAS LONGITUDES DE ONDA DE LA REGIOacuteN UV-VIS
62
FIGURA 14 ORBITAL MOLECULAR DE LA BANDA DE VALENCIA Y TRANSICIONES ELECTROacuteNICAS 63
FIGURA 15 A RECTA DE LA ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER Y B REPRESENTACIOacuteN DE LAS DESVIACIONES DE LA
LEY DE LAMBERT- BEE 65
FIGURA 16 ESQUEMA DE UNA CELDA ELECTROLIacuteTICA CONECTADA A UN POTENCIOSTATO QUE PRESENTA UN SISTEMA
DE TRES ELECTRODOS ELECTRODO AUXILIAR ELECTRODO DE REFERENCIA Y ELECTRODO DE TRABAJO 71
FIGURA 17 VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA SENtildeAL DE EXCITACIOacuteN TRIANGULAR 74
FIGURA 18 VOLTAMOGRAMA CIacuteCLICO INTENSIDAD FRENTE A POTENCIAL DEL ANALITO DE INTEREacuteS 75
FIGURA 19 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN TRANSITORIO 80
FIGURA 20 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN ESTACIONARIO 82
FIGURA 21 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO DE LA ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN DE UN POLIacuteMERO 83
FIGURA 22 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN ldquoXrdquo UNIDADES REPETIDAS DE 2-AMINO-2-DESOXI-BETA-D-
GLUCOPIRANOSA Y UNIDADES REPETIDAS DE 2-ACETILAMINA-2-DESOXI-BETA-D-GLUCOPIRANOSA 85
FIGURA 23 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN DONDE SE MUESTRAN LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO ENTRE LOS
GRUPOS ACETILO E HIDROXILO Y EL GRUPO AMINO E HIDROXILO 86
FIGURA 24 EQUIPO EMPLEADO EN LA SIacuteNTESIS DE AGNWS 100
FIGURA 25 EN LA PARTE SUPERIOR DE LA FIGURA Y LEYENDO DE IZQUIERDA A DERECHA SE MUESTRAN LAS ETAPAS DEL
PROCESO FINAL DE OBTENCIOacuteN DE AGNWS 1) Y 2) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA TRAS UN TIEMPO DE REACCIOacuteN DE
1H EN LA QUE HAY UNA MEZCLA DE AGNPS Y AGNWS 3) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA DILUIDA CON ETANOL 4)
PRIMERA CENTRIFUGACIOacuteN DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE Y LOS AGNWS 5) 2ordf
CENTRIFUGACIOacuteN DE AGNWS DILUIDOS EN ETANOL DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE
Y LOS AGNWS 6) AGNWS DILUIDOS EN ETANOL ANTES DE LLEVAR A CABO LA UacuteLTIMA ETAPA DE LA
CENTRIFUGACIOacuteN 7) AGNWS OBTENIDOS DE LA UacuteLTIMA ETAPA DE CENTRIFUGACIOacuteN DONDE EL SOBRENADANTE
HA SIDO ELIMINADO 101
FIGURA 26 ELECTRODOS DE DIAMANTE DOPADO CON BORO (BDD) 102
FIGURA 27 ESPECTROFOTOacuteMETRO EMPLEADO PARA CARACTERIZAR LOS AGNWS 106
FIGURA 28 EQUIPO DE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA MOLECULAR 107
FIGURA 29 POTENCIOSTATO UTILIZADO PARA EL ESTUDIO ELECTROQUIacuteMICO DE LOS SENSORES MIP Y NIP 107
FIGURA 30 ESQUEMA DE TRABAJO PARA LLEVAR A CABO CRONOAMPEROMETRIacuteA INCLUYENDO EL SISTEMA DE
AGITACIOacuteN 109
FIGURA 31 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE LACTOSA Y GLUCOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 110
FIGURA 32 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE GALACTOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 111
FIGURA 33 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MIP [CHI-AGNWS-AZUacuteCAR]BDD FRENTE A LA DETECCIOacuteN DEL
AZUacuteCAR DE INTEREacuteS 111
FIGURA 34 ESPECTROSCOPIacuteA UV-VIS DEL PRODUCTO OBTENIDO DE LA SIacuteNTESIS DE AGNWS SIN LAVAR (ROJO)
AGNWS PURIFICADOS (AZUL) Y SOBRENADANTE (NEGRO) 116
FIGURA 35 FOTOGRAFIacuteA OBTENIDA MEDIANTE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA (AFM) DE UNA MUESTRA DE
AGNWS DEPOSITADA SOBRE UN ELECTRODO BDD 117
FIGURA 36 PATROacuteN DE DIFRACCIOacuteN DE RAYOS-X DE LOS AGNWS 118
FIGURA 37 ELECTRODEPOSICIOacuteN POR VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD 120
FIGURA 38 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 121
FIGURA 39 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP
DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M
EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 123
FIGURA 40 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML 124
FIGURA 41 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 125
FIGURA 42 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y UN B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 5 MGML 127
FIGURA 43 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES OBTENIDOS EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN 128
FIGURA 44 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE
10 MGML 130
FIGURA 45 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 132
FIGURA 46 INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO AG2+ DE LOS SENSORES MIP (NEGRO) NIP (ROJO) INMERSOS EN UNA
SOLUCIOacuteN DE LACTOSA EN PBP DE CONCENTRACIOacuteN 001 M Y PH 74 SE REPRESENTA UN AUMENTO DE LA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS EN LA PELIacuteCULA DE CHITOSAacuteN (0 5 10 MGML) 133
FIGURA 47 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 10 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 10
MGML Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES
MIP NIP CORRESPONDIENTES 135
FIGURA 48 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74)
(NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA CON KCL (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE
LACTOSA 10-4 M EN PBP (001M PH 74) B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74) (NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA
CON AGUA DESIONIZADA MILLI Q (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP (001M PH 74)
137
FIGURA 49 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DESPUEacuteS DE LA ELUCIOacuteN
(ROJO) EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10 minus 4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M (AZUL)
RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN ELECTRODO BDD BLANCO EN LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (ROSA) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS 139
FIGURA 50 ESTUDIO DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) POSTERIORMENTE EN UN DISOLUCIOacuteN
DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 4 119872 (ROJO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M Y
FINALMENTE EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 3M (AZUL) EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M A1) Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
RESPECTIVAMENTE 140
FIGURA 51 RECTAS DE LA INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO (AG2+) DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD (NEGRO) Y NIP [ CHI-AGNWS]BDD (ROJO) EN PBP (001 M Y PH 74) PARA UN
INCREMENTO DE LA CONCENTRACIOacuteN DE LACTOSA EN LA SOLUCIOacuteN (0 01 Y 1 MM) 141
FIGURA 52 REPRODUCIBILIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN LACTOSA 10-4M EN PBP 74 Y CONCENTRACIOacuteN
001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1) Y B1) DETALLES DE LOS
PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 53 REPETITIVIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH
74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1)
Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 54 CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD
AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 144
FIGURA 55 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML SENSOR NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON
UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 145
FIGURA 56 A) CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 147
FIGURA 57 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 148
Iacutendice de tablas
TABLA 1 POTENCIAL (MV) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN SENSOR MIP
[CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN
DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 2 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN
AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 3 CV () DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS] CON 5 MGML DE
AGNWS 0BTENIDOS CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 130
TABLA 4 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS CON UNA CONCENTRACIOacuteN
DE AGNWS 5 Y 10 MGML 133
TABLA 5 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD MIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP
[CHI-AGNWS]BDD NIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 10 MGML 136
TABLA 6 ESTUDIO DE LA REPETITIVIDAD A TRAVEacuteS DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) DE UN SENSOR MIP [CHI-
AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML
143
Iacutendice de ecuaciones
ECUACIOacuteN 1 CAacuteLCULO DE LA DENSIDAD 14
ECUACIOacuteN 2 LEY DE SNELL 16
ECUACIOacuteN 3 CAacuteLCULO DEL CONTENIDO DE SOacuteLIDOS () A PARTIR DEL PESO DE LA LECHE ANTES Y DESPUEacuteS DE LA
DESECACIOacuteN 17
ECUACIOacuteN 4 ECUACIOacuteN DE RICHMOND 17
ECUACIOacuteN 5 LEY DE PLANCK 60
ECUACIOacuteN 6 LEY DE LA TRANSMITANCIA 61
ECUACIOacuteN 7 CAacuteLCULO DE LA ABSORBANCIA 61
ECUACIOacuteN 8 ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER 64
ECUACIOacuteN 9 LEY DE BRAGG 66
ECUACIOacuteN 10 ECUACIOacuteN DE NERST 68
ECUACIOacuteN 11 ECUACIOacuteN DEL POTENCIAL RESULTANTE DE UNA CELDA ELECTROQUIacuteMICA 68
ECUACIOacuteN 12 REACCIOacuteN QUIacuteMICA GENERAL DE UN PROCESO DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN 69
ECUACIOacuteN 13 ECUACIOacuteN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO TERMODINAacuteMICA 69
ECUACIOacuteN 14 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS 69
ECUACIOacuteN 15 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS RELACIONADA CON LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
TERMODINAacuteMICA 70
ECUACIOacuteN 16 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO SCE 72
ECUACIOacuteN 17 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO AGAGCL 72
ECUACIOacuteN 18 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 19 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO ANOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 20 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE MEDIA ONDA PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 21 LEY DE RANDLES SEYCIK PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 22 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 23 LEY DE RANDLES-SEVCIK PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 24 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 25 POTENCIAL PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 26 LEY DE DIFUSIOacuteN DE FICK 79
ECUACIOacuteN 27 ECUACIOacuteN DE COTTRELL 81
ECUACIOacuteN 28 ECUACIOacuteN DE LEVICH 81
ECUACIOacuteN 29 CAacuteLCULO DEL ESPESOR DE UNA PELIacuteCULA POLIMEacuteRICA A PARTIR DE LA 1ordf LEY DE FARADAY 83
ECUACIOacuteN 30 ECUACIOacuteN DE HENDERSON-HASSELBACH 97
ECUACIOacuteN 31 CAacuteLCULO DEL COEFICIENTE DE VARIACIOacuteN (CV) O (RSD) 120
ECUACIOacuteN 32 CAacuteLCULO DEL LIacuteMITE DE DETECCIOacuteN 154
1
Capiacutetulo I
Introduccioacuten y objetivos
2
3
1 Introduccioacuten y objetivos
11 Introduccioacuten
La industria de la alimentacioacuten forma parte del sector de produccioacuten industrial
cuyo principal objetivo es transformar conservar y proporcionar productos
destinados al consumo humano Los procesos de transformacioacuten y elaboracioacuten
de alimentos tienen como objeto cumplir con los haacutebitos de alimentacioacuten de
las personas asiacute como alargar la vida uacutetil del producto conservando sus
propiedades organoleacutepticas [1]
De acuerdo con los datos publicados por el Ministerio de Agricultura Pesca y
Alimentacioacuten la industria de la alimentacioacuten da empleo a cerca de 5 millones
de personas dentro de la UE generando un total de 110900 Meuro Espantildea
ocupa el 4ordm puesto en la generacioacuten de negocios (87 ) quedando por detraacutes
de Francia (162) Alemania (154) e Italia (12) [2]
En Espantildea este sector constituye un importante motor dentro de la economiacutea
ya que representa el 16 del total de la industria del paiacutes Hay 29196
empresas que dan empleo a cerca de 450000 miles de personas lo que
supone el 202 del empleo industrial dentro del paiacutes [2]
Castilla y Leoacuten es la 3ordf Comunidad Autoacutenoma por detraacutes de Cataluntildea y
Andaluciacutea que genera maacutes produccioacuten dentro del sector con una cifra de
10133 Meuro [2] Valladolid Burgos y Leoacuten representan el 60 de las
exportaciones dentro del sector agroalimentario destacando subsectores
como la industria laacutectea la industria caacuternica industria de vinos y bebidas
azuacutecar y derivados pan y galletas [3]
En cuanto al sector laacutecteo seguacuten los datos proporcionados por el ministerio de
agricultura pesca y alimentacioacuten la comunidad de Castilla y Leoacuten alcanzoacute en
el antildeo 2017 una produccioacuten de 1169 millones de litros de leche ademaacutes es
la primera regioacuten productora de la leche de oveja en Espantildea [4][5]
La industria alimentaria estaacute en constante crecimiento y desarrollo con el fin
de adaptarse a sus cambios e innovaciones se hace necesaria la introduccioacuten
de recursos tecnoloacutegicos es por ello por lo que actualmente se encuentra en
la denominada 4ordf revolucioacuten industrial industria inteligente o industria 40 La
industria 40 es capaz de mejorar la calidad eficiencia y competitividad entre
diferentes sectores Dentro de la industria alimentaria el sector
agroalimentario es el maacutes involucrado puesto que busca la automatizacioacuten y
4
digitalizacioacuten de los procesos industriales para mejorar su eficiencia y
productividad y asiacute cumplir con la demanda del mercado [6] Ademaacutes la
industria alimentaria debe garantizar el suministro de productos seguros que
no comprometan la salud de las personas debido a ello se adoptan medidas
que aseguren el buen estado de los alimentos por ello como en el resto de
sectores el sector laacutecteo se encuentra sometido a una normativa estricta [7]
La industria 40 posibilita llevar a cabo un control y automatizacioacuten de todo el
proceso productivo para alcanzarlo cuenta con unos pilares fundamentales
entre los que cabe destacar el empleo de la nanotecnologiacutea Adaptaacutendose a los
cambios que posibilita esta revolucioacuten industrial y con objeto de aplicar la
industria 40 mediante la introduccioacuten de sensores basados en nanomateriales
surgen equipos de investigacioacuten relacionados con este campo
En Valladolid se encuentra el grupo UvaSens dirigido por la catedraacutetica Mariacutea
Luz Rodriacuteguez Meacutendez del departamento de Quiacutemica Fiacutesica y Quiacutemica
inorgaacutenica UvaSens nacioacute en 1962 y actualmente se encuentra asentado en
la escuela de Ingenieriacuteas Industriales de la Universidad de Valladolid Estaacute
integrado por un grupo multidisciplinar con quiacutemicos fiacutesicos e ingenieros El
grupo surge con el objeto de elaborar sensores y redes de sensores que sean
fiables reproducibles y que faciliten las tareas de control de calidad en
alimentacioacuten y bebidas Actualmente el grupo trabaja en dos liacuteneas de
investigacioacuten [8][9]
La primera estaacute dirigida al desarrollo de sensores y biosensores
nanoestructurados utilizando teacutecnicas como Layer by layer Langmuir-Blodgett
spin coating o teacutecnicas electroquiacutemicas [8] En cuanto a la segunda liacutenea de
investigacioacuten el equipo se dedica a la elaboracioacuten de sistemas multisensor
denominados lenguas electroacutenicas y narices electroacutenicas cuyo fundamento es
imitar el sentido del gusto y del olfato respectivamente [10][11] Los sensores
y biosensores desarrollados por el grupo UvaSens son de especial intereacutes en la
industria alimentaria ya que se dedican principalmente al estudio del vino [12]
la cerveza [13] y la leche [14]
Este trabajo se centra en el desarrollo de sensores electroquiacutemicos en los que
se incorporan nanoestructuras metaacutelicas para detectar azuacutecares de intereacutes en
la industria alimentaria que pueden encontrarse en bebidas como la leche
zumos batidos etc
12 Objetivos
5
El objetivo principal del presente trabajo ha sido desarrollar sensores
voltameacutetricos basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular MIPs para la
deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa utilizando nanohilos de plata
(AgNWs) Para conseguirlo se han persigo una serie de objetivos secundarios
como son
1 La optimizacioacuten de la siacutentesis de AgNWs a traveacutes del meacutetodo poliol y su
caracterizacioacuten mediante espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X
(DRX) y microscopiacutea de fuerza atoacutemica molecular (AFM)
2 La obtencioacuten de MIPs a traveacutes de meacutetodos electroquiacutemicos mediante la
deposicioacuten de una peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten modificada con
AgNWs en presencia de la moleacutecula plantilla de intereacutes
3 El estudio de la especificidad introducida por la plantilla polimeacuterica en
los sensores MIPs llevando a cabo su comparacioacuten con sensores
preparados en las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula
plantilla denominados NIPs
4 La determinacioacuten del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
MIPs por medio de teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea ciacuteclica
para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
5 La optimizacioacuten de los sensores MIPs frente a la deteccioacuten de lactosa
para ello se ha realizado la modificacioacuten de distintos paraacutemetros en el
desarrollo del sensor y de medida como son el meacutetodo de
electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la
obtencioacuten de los sensores MIP o NIP desarrollo de los sensores en
presencia de agitacioacuten o sin ella concentracioacuten de AgNWs el uso de
glutaraldehiacutedo como agente reticulante y el empleo de distintos
eluyentes de la moleacutecula plantilla
6
Capiacutetulo II
Desarrollo del TFG
7
8
2 Fundamento teoacuterico
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y
Nanotecnologiacutea
La nanociencia es una rama de la ciencia en la que convergen conocimientos
de la fiacutesica quiacutemica ingenieriacutea biologiacutea entre otros Se define como la
tecnologiacutea encargada del disentildeo y manejo de la materia a nivel de aacutetomos o
moleacuteculas para la fabricacioacuten de productos a nano-escala [10]
La nanotecnologiacutea implica controlar y comprender la materia a escala
nanomeacutetrica por lo que se basa en el estudio de nanomateriales de tamantildeo
entre 1 y 100 nanoacutemetros Su intereacutes radica en que las sustancias a esta
escala presentan propiedades fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas diferentes a las
que tienen los materiales a escala macroscoacutepica Una de sus caracteriacutesticas
maacutes interesantes es que su tamantildeo y aacuterea de superficie de tamantildeo
nanomeacutetrico les confieren una mayor estabilidad reactividad quiacutemica y
bioloacutegica haciendo posible el desarrollo de nuevos materiales con muacuteltiples
aplicaciones en diferentes sectores como en la fabricacioacuten de sensores [10]
El teacutermino ldquonanotecnologiacuteardquo fue utilizado por primera vez en 1974 por Norio
Tanigushi pero no fue hasta la deacutecada de 1980 con el desarrollo del
microscopio de Tuacutenel de Barrido (STM) cuando la nanotecnologiacutea comenzoacute a
abrirse camino entre los investigadores hasta la actualidad A lo largo del SXX
han tenido lugar acontecimientos que han marcado el mundo de la
nanotecnologiacutea como el descubrimiento de los fullerenos (1985) o de los
nanotubos de carbono (1991) [15] La nanotecnologiacutea ha seguido
evolucionando a lo largo del SXXI donde se han desarrollado nanomateriales
interesantes como los AgNWs que resultan de especial intereacutes en la
elaboracioacuten de sensores por sus excelentes propiedades oacutepticas y eleacutectricas
los primeros estudios acerca de estos nanomateriales datan en el antildeo 2006
[16] [17]
En la actualidad la nanotecnologiacutea encabeza una revolucioacuten tecnoloacutegica que
forma parte de muacuteltiples sectores Actualmente se trabaja en diversos campos
como el anaacutelisis sensorial electroacutenica comunicacioacuten produccioacuten de energiacutea
medicina e industria de los alimentos [18]
211 La nanociencia en la industria alimentaria
Nanosensores
9
En la industria alimentaria la nanotecnologiacutea se abre camino asegurando la
inocuidad y calidad de los alimentos aunque su incorporacioacuten en este sector
resulta algo tardiacutea debido al rechazo por parte de la poblacioacuten a la inclusioacuten de
nanomateriales por miedo a que provoquen efectos adversos en el organismo
[18]
A pesar de ello la nanotecnologiacutea representa un claro sector con un enorme
potencial en la industria alimentaria donde se encuentra en pleno desarrollo
Las cuatro vertientes en los que se divide son [18]
bull La necesidad de mejorar y simplificar la produccioacuten primaria y el
procesado de alimentos
Desarrollo de sensores inteligentes
Incorporacioacuten de nuevos pesticidas
Refuerzo de la alimentacioacuten animal
Produccioacuten de antiaglomerantes y nanoencapsulacioacuten de
sabores
bull Garantizar la inocuidad Seguridad alimentaria
Diagnoacutestico y deteccioacuten de la presencia de contaminantes
bull Embalaje de los alimentos
Antimicrobiales
bull Nutricioacuten
Fabricacioacuten de nanoemulsiones que mejoran la distribucioacuten de
los ingredientes farmaceacuteuticos activos [19]
Adicionalmente con el fin de proporcionar alimentos y bebidas que no
comprometan la salud del consumidor se debe asegurar la deteccioacuten de
sustancias en concentraciones extremadamente pequentildeas Por ello es
interesante la implementacioacuten de la nanotecnologiacutea en este aacutembito ya que
posibilita llevar a cabo detecciones maacutes precisas mediante el empleo de
nanosensores y la incorporacioacuten de nanocompuestos Con estas innovaciones
se consigue incrementar la sensibilidad selectividad y la relacioacuten
10
aacutereavolumen de los sensores permitiendo realizar anaacutelisis maacutes precisos y
exactos [18]
22 La industria laacutectea Materia prima leche
La industria laacutectea es un sector cuya materia prima principal es la leche este
sector produce anualmente cerca de 76 millones de toneladas de productos
laacutecteos La mayoriacutea de leche que se produce en Espantildea es de origen vacuno
(88) quedando por detraacutes la leche de oveja cabra y de otros animales
productores de leche [20] La comercializacioacuten de la leche puede llevarse a
cabo en diferentes formas leche liacutequida leche evaporada o concentrada leche
condensada y leche en polvo [21]
La leche se considera un producto baacutesico en la alimentacioacuten desde la
antiguumledad ya que se obtiene de manera natural y constituye un alimento
completo rico en proteiacutenas vitaminas grasas minerales entre otros
componentes Se define como un ldquoproducto iacutentegro y fresco de la ordentildea de
vacas sanas bien alimentadas y en reposo exenta de calostro y que cumple
con las caracteriacutesticas fiacutesicas y microbioloacutegicas establecidasrdquo [22] [23]
La leche es un producto muy complejo susceptible a que en eacutel se produzcan
importantes cambios que afecten a su calidad Por ello se establecen una serie
de factores que determinan su variabilidad alterabilidad y complejidad [22]
bull Variabilidad
La leche es un producto natural de origen bioloacutegico por lo que su composicioacuten
y propiedades fiacutesico - quiacutemicas vendraacuten determinados por
Raza y especie la leche entre diferentes especies (vaca oveja
cabra etc) presenta importantes diferencias respecto al contenido
de extracto seco materia grasa carbohidratos etc [22]
Por otro lado dentro de la misma raza tambieacuten surgen importantes
diferencias debidas al contenido proteico y tamantildeo de los gloacutebulos
lipiacutedicos [23]
Factores fisioloacutegicos el momento de extraccioacuten y el nuacutemero de
lactaciones afectan enormemente a la composicioacuten quiacutemica de la
leche teniendo en cuenta que los primeros diacuteas de lactancia se
11
obtiene calostro de composicioacuten quiacutemica muy distinta a la leche [22]
[23]
Alimentacioacuten la calidad de los productos utilizados en la
alimentacioacuten del animal puede afectar a su valor nutritivo [22]
Patologiacuteas los animales pueden presentar enfermedades como la
mastitis que alteran el sabor de la leche haciendo que eacutesta
adquiera un gusto salado [24]
Tratamientos el calentamiento es uno de los tratamientos teacutermicos
maacutes importantes que se llevan a cabo en la leche ya que para
garantizar su calidad higieacutenica es necesario eliminar el agua Sin
embargo estos tratamientos pueden producir efectos negativos
sobre la composicioacuten y propiedades de la leche Por ejemplo un
excesivo calor provoca la precipitacioacuten de proteiacutenas solubles de la
caseiacutena aumento de la acidez reduccioacuten de calcio etc [22]
bull Alterabilidad
La leche es un producto faacutecilmente alterable ya que en eacutel se pueden producir
importantes cambios que afecten a sus buenas propiedades o a su calidad Los
principales cambios que pueden tener lugar en la leche se describen a
continuacioacuten
Durante el ordentildeo del animal se pueden provocar cambios fiacutesicos estos tienen
lugar si se lleva a cabo un ordentildeo inadecuado haciendo que entre en la ubre
aire lo cual ocasiona la incorporacioacuten de oxiacutegeno y nitroacutegeno Otros cambios
fiacutesicos importantes que se pueden producir se deben al efecto de la
temperatura Por ejemplo temperaturas demasiado bajas provocan la
cristalizacioacuten de la materia grasa dando lugar a cambios en la textura de la
leche [22]
Debido a su riqueza nutricional la leche es un producto susceptible a que se
desarrollen microorganismos despueacutes de los procesos de tratamiento los
cambios microbioloacutegicos maacutes frecuentes se deben al desarrollo de bacterias
laacutecticas que llevan a cabo los procesos de fermentacioacuten de la lactosa Con la
fermentacioacuten la lactosa se transforma en aacutecido laacutectico lo que provoca un
aumento de la acidez en la leche ademaacutes se producen compuestos volaacutetiles
aportando olores desagradables [22]
En cuanto a los cambios quiacutemicos la luz puede ejercer un efecto catalizador
dando lugar a reacciones de oxidacioacuten indeseables un ejemplo es la oxidacioacuten
12
del α-tocoferol o de la vitamina E (un antioxidante natural de la grasa) y de los
carotenos [22] [26] Los cambios quiacutemicos tambieacuten pueden ser debidos a la
accioacuten de enzimas [22]
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche
Los productores de leche deben asegurar una entrega de producto con
ausencia de alteraciones defectos o posibles contaminantes Para ello se
realizan una serie de pruebas tanto de control de calidad como sanitario y asiacute
asegurar el suministro de leche que no afecte negativamente a la salud del
consumidor [27]
El control de calidad generalmente se lleva a cabo mediante la evaluacioacuten de
las propiedades fiacutesico - quiacutemicas microbioloacutegicas y sensoriales de las muestras
de leche con pruebas y controles como son
bull Pruebas realizadas en planta control de temperatura caracteres
organoleacutepticos lactofiltracioacuten (informa sobre la presencia de
contaminantes a causa de la falta de limpieza durante la produccioacuten de
la leche) y control de peso especiacutefico (el peso especiacutefico variacutea con la
composicioacuten quiacutemica de la leche por lo que se emplea para detectar
posibles casos de adulteracioacuten) [27]
bull Pruebas realizadas en el laboratorio prueba de acidez pH reduccioacuten
de colorantes etc [27]
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche
Fiacutesicamente la leche se define como un compuesto liacutequido opaco de color
blanco y con el doble de viscosidad que el agua [23]
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche contribuyen a ofrecer una
primera percepcioacuten de la calidad del producto y son aquellas caracteriacutesticas
que se pueden distinguir a traveacutes de nuestros sentidos Un color inusual
advierte sobre la presencia de microorganismos un aroma desagradable
podriacutea indicar la presencia de bacterias debido a que la leche ha estado en
contacto con utensilios sucios o a que se ha almacenado inadecuadamente
[27] Otro factor fundamental que determina la calidad de la leche es la
alimentacioacuten del animal ademaacutes el tipo de terreno pienso y pasto determinan
los nutrientes de la leche y por tanto tambieacuten su calidad [23]
13
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche son [27]
bull Textura la viscosidad es un factor que determina la textura de la leche
la leche liacutequida tiene una viscosidad de aproximadamente 2 ∙ 10minus3119875119886 ∙
119904 su valor depende de la presencia de microorganismos capaces de
producir polisacaacuteridos y de su contenido en materia grasa y proteiacutenas
[27] [28]
bull Color el color natural de la leche es el blanco este color es el resultado
del fenoacutemeno oacuteptico de refraccioacuten que se produce cuando un haz de luz
incide sobre las partiacuteculas coloidales que hay en ella [22]
Los coloides estaacuten presentes en la materia grasa cuando la leche es
semidesnatada presenta un color azulado y cuando es rica en grasa el
color es gris amarillento La percepcioacuten de otras tonalidades (rosado
amarillo o azul) se debe a la contaminacioacuten o al crecimiento de
microorganismos en la leche [27]
bull Sabor la leche en buen estado presenta un sabor ligeramente dulce por
la presencia de azuacutecares como la lactosa Otros sabores informan sobre
el mal estado del producto Por ejemplo el sabor aacutecido se produce por
la presencia del aacutecido laacutectico el sabor salado se debe a la presencia de
cloruros procedentes del uacuteltimo periodo de lactancia del animal [27]
bull Aroma la leche presenta un olor caracteriacutestico debido a la presencia de
compuestos orgaacutenicos volaacutetiles de bajo peso molecular como
aldehiacutedos cetonas aacutecidos entre otros [27]
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas
La leche tiene una estructura fiacutesica compleja ya que en ella se encuentran tres
estados de agregacioacuten de la materia [23]
bull Emulsioacuten en la leche se encuentra la materia grasa en forma de
gloacutebulos los cuales se encuentran en emulsioacuten en el seno de un liacutequido
acuoso a este conjunto se le denomina suero
bull Dispersioacuten coloidal una dispersioacuten coloidal estaacute formada por partiacuteculas
soacutelidas no disueltas en una fase dispersante (el agua) En esta fase
principalmente se encuentran las micelas de caseiacutena
14
Cuando las partiacuteculas soacutelidas presentan gran afinidad por el agua se
forma una disolucioacuten coloidal dentro de esta fase se encuentran las
proteiacutenas del suero
bull Disolucioacuten verdadera formada principalmente por lactosa y minerales
A continuacioacuten se describen las propiedades fiacutesicas de la leche
bull Densidad la densidad de la leche depende del contenido total de
algunos de sus componentes como agua proteiacutenas minerales lactosa
y soacutelidos no grasos a una determinada temperatura A 15ordmC la densidad
de la leche variacutea entre un valor de 1027 gmL y 1040 gmL [23]
La densidad se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten [22]
[28]
1
120588= (
119898119909
120588119909 )
(1)
Ecuacioacuten 1 Caacutelculo de la densidad
Donde 120588119909 es la densidad de cada componente 119898119909 es la masa de cada
componente y 120588 es la densidad total
La densidad es un buen indicador de posibles alteraciones que haya
podido sufrir la leche ya que disminuye al antildeadir agua grasa y con el
aumento de la temperatura [28]
bull Acidez la acidez de la leche es funcioacuten de la acidez actual (pH) y de la
titulable La acidez actual depende de la concentracioacuten de iones
hidroacutegeno libres H+ y la acidez titulable se corresponde con la acidez de
los componentes que por medio de la titulacioacuten liberan iones H+ al
medio [29]
La acidez total de la leche de vaca variacutea entre un 014-018 y depende
principalmente de la acidez de la caseiacutena sales minerales aacutecidos
orgaacutenicos reacciones secundarias debidas a los grupos fosfatos y de la
presencia de aacutecido laacutectico liberado por la actividad microbiana [29]
15
bull pH el pH de la leche representa la acidez actual y se mide con la
concentracioacuten de iones H+ libres [29] La leche generalmente presenta
un valor de pH ligeramente aacutecido entre 65 y 69 valores inferiores o
superiores no son normales e indicariacutean un posible caso de adulteracioacuten
[29] Ademaacutes el pH es un factor que se ve muy afectado por la
temperatura disminuyendo su valor con el aumento de eacutesta debido a la
insolubilidad del fosfato [29]
bull Viscosidad se refiere a la resistencia de un liacutequido a fluir en la leche
depende del contenido total en materia grasa de las proteiacutenas de la
temperatura y en menor grado del estado fiacutesico de las sustancias
disueltas en ella A temperatura ambiente la leche presenta una
viscosidad entre un valor de 15 10-3 Pa∙s y 2 ∙ 10minus3 Pa∙s [24]
La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura es decir
con el aumento de la temperatura la viscosidad disminuye Ademaacutes
tambieacuten depende de la composicioacuten quiacutemica de la leche siendo la leche
entera maacutes viscosa que la leche desnatada [22]
bull Calor especiacutefico se define como las caloriacuteas necesarias para elevar en
un grado centiacutegrado un gramo de leche El valor tiacutepico del calor
especiacutefico de la leche entera es de 093 cal gordm∙C [22][23]
bull Punto de congelacioacuten se define como la temperatura a la que se
produce la solidificacioacuten de un liacutequido Es una propiedad fiacutesica
importante pues permite detectar adulteraciones en la leche El punto
de congelacioacuten de la leche se encuentra en un valor de temperatura
comprendido entre 0513 ordmC y 0565 ordmC [22]
bull Punto de ebullicioacuten se define como el punto en el que un liacutequido hierve
al aumentar la temperatura El punto de ebullicioacuten de la leche es de
10017ordmC [22]
bull Iacutendice de refraccioacuten (n) el iacutendice de refraccioacuten mide el cambio de la
direccioacuten que sufre la luz cuando la radiacioacuten atraviesa un medio con
un iacutendice de refraccioacuten distinto del que proviene [28] En el caso de la
leche el iacutendice de refraccioacuten mide la variacioacuten de la direccioacuten que
experimenta un haz de luz al pasar del aire a leche El valor del iacutendice
de refraccioacuten ldquonrdquo se calcula con la ley de Snell mediante la siguiente
expresioacuten [28]
16
1198991 ∙ 1199041198901198991205791 = 1198992 ∙ 1199041198901198991205792
(2)
Ecuacioacuten 2 Ley de Snell
Donde n1 y n2 son el valor de los iacutendices de refraccioacuten de cada medio
1205791 es el aacutengulo con el que incide el haz de luz y 1205792 es el aacutengulo de
refraccioacuten de la luz
La refraccioacuten de la luz es una propiedad aditiva es decir que la
refraccioacuten total es el resultado de la suma de los iacutendices de refraccioacuten
de cada uno de los componentes de la leche [28] Se trata de un factor
relevante ya que permite detectar posibles casos de adulteracioacuten en la
leche por ejemplo si estaacute aguada el iacutendice seraacute proacuteximo al del agua lo
que puede indicar un fraude [28] Por otro lado se ha demostrado que
el valor de n disminuye con la edad del animal y aumenta con la acidez
del medio por lo que la reflectometriacutea aplicada en muestras de leche es
una herramienta muy uacutetil para determinar dichas caracteriacutesticas [28]
bull Potencial de oxidacioacuten-reduccioacuten (Eh) el potencial redox se refiere a la
capacidad de oxidacioacuten (peacuterdida de electrones) o reduccioacuten (ganancia
de electrones) que tiene una solucioacuten [30]
El potencial redox de la leche a 25ordmC generalmente variacutea entre 250 mV
- 350 mV este potencial se debe a la presencia del oxiacutegeno disuelto y a
la existencia de sustancias reductoras naturales Esta propiedad es
importante ya que informa sobre la calidad de las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche por ejemplo el proceso de fermentacioacuten de
las bacterias de la lactosa a aacutecido laacutectico supone una caiacuteda del potencial
por el consumo del oxiacutegeno [30] Ademaacutes el poder reductor de ciertas
especias que se encuentran naturalmente en la leche las cuales se
mencionaraacuten maacutes adelante impiden que se desarrollen sabores
desagradables en ella [23]
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche
La leche se considera un alimento completo por su importante carga nutritiva
El componente mayoritario de la leche es el agua que representa entre el 86 y
el 88 del total de sus constituyentes el agua estaacute en equilibrio con los
17
nutrientes que se encuentran en diferentes fases disolucioacuten dispersioacuten
coloidal y emulsioacuten [31]
A continuacioacuten se presenta la composicioacuten quiacutemica de la leche
bull El agua es la fase continua de la leche y se puede encontrar en forma
de agua ligada y agua libre El agua libre se encuentra en mayor
proporcioacuten y en ella estaacuten la lactosa y las sales El agua ligada o de
enlace se encuentra en la superficie de los compuestos no solubles
formando enlaces con los componentes y es maacutes complicada de extraer
[22]
bull Extracto seco de la leche el extracto seco lo forman las sustancias de
la leche (a excepcioacuten del agua) que se obtienen por desecacioacuten o
evaporacioacuten del agua [22] El contenido de materia o extracto seco de
la leche es del 12 - 125 de solidos totales [22] Para determinarlo
se puede utilizar el peso (Kg) de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten o a traveacutes de la densidad y del contenido en materia grasa
de la leche Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones [22] [31]
119904oacute119897119894119889119900119904 () = (119875prime
119875) ∙ 100
(3)
Ecuacioacuten 3 Caacutelculo del contenido de soacutelidos () a partir del peso de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten
bull Donde Prsquo es el peso en g de la leche despueacutes de la
desecacioacuten y P es el peso de la leche antes de la
desecacioacuten
119878 119879 = (025 times 119863) + (121 times 119866) + 066
(4)
Ecuacioacuten 4 Ecuacioacuten de Richmond
bull Donde D es el valor de la densidad de la leche en gmL y
G es el contenido en materia grasa de la leche
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bull Gluacutecidos
La cantidad total de gluacutecidos que hay en la leche de vaca oscila entre un 48
y un 52 siendo algo superior la carga en la leche humana [22]
Los carbohidratos o gluacutecidos se definen como polihidroxialdehiacutedos (todos los
aacutetomos de carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta
enlazado a un grupo aldehiacutedo -CHO) o polihidroxicetonas (todos los aacutetomos de
carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta enlazado
a un grupo cetona C=O) y sus derivados tambieacuten se incluyen aquellas
sustancias que por hidroacutelisis dan lugar a este tipo de compuestos En general
estaacuten formados por carbono hidrogeno y oxiacutegeno por lo que su foacutermula
molecular presenta la forma CnH2nOn [32]
Los gluacutecidos se pueden clasificar en funcioacuten del nuacutemero de subunidades de
monosacaacuteridos en [32]
- Monosacaacuteridos o azuacutecares simples estaacuten formados por una unidad
de un polihidroxialdehiacutedo o una polihidroxicetona que se conocen
como aldosas o cetosas respectivamente Dentro de este grupo se
encuentran los azuacutecares que no pueden descomponerse en otros
azuacutecares maacutes simples
- Oligosacaacuteridos estaacuten formados por dos a diez unidades de
monosacaacuteridos por lo que se pueden transformar en unidades maacutes
simples mediante hidroacutelisis A su vez dentro de este grupo los
carbohidratos se clasifican seguacuten el nuacutemero de unidades en
monosacaacuteridos disacaacuteridos etc
- Polisacaacuteridos consisten en largas moleacuteculas formadas por la unioacuten
de unidades de monosacaacuteridos
En la designacioacuten de los azuacutecares ademaacutes se incluye un signo que puede ser
(+) o (-) seguido de la letra D o L esta designacioacuten estaacute relacionada con la
actividad oacuteptica del compuesto La actividad oacuteptica se refiere a la rotacioacuten del
plano de luz polarizada en un azuacutecar este efecto es el resultado producido por
la actuacioacuten conjunta de todos sus aacutetomos de carbono asimeacutetricos (aacutetomo de
C enlazado a cuatro constituyentes diferentes) Los azuacutecares con el signo (+)
se denominan dextroacutegiros y los azuacutecares con el signo (-) se denominan
levoacutegiros La asignacioacuten de las letras D y L depende de la distribucioacuten de los
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grupos funcionales del carboacuten asimeacutetrico que se encuentra representado en
cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fisher Si el grupo funcional se
encuentra a la derecha se denomina D y si se encuentra a la izquierda se
denomina L [32] [33]
Finalmente en la designacioacuten tambieacuten se incluyen los siacutembolos griegos α y β
esto es debido a la ciclacioacuten de los monosacaacuteridos en solucioacuten acuosa Esta
estructura es funcioacuten de la orientacioacuten espacial del grupo hidroxilo del carboacuten
C1 de la estructura del anillo (α si el grupo -OH estaacute orientado hacia abajo y β
si el grupo -OH estaacute orientado hacia arriba) [32] [33] Se denomina anillo pirano
cuando es un ciclo de 6 aacutetomos de carbono y furano cuando es un anillo de 5
aacutetomos de carbono [32] [33]
Los carbohidratos constituyen una parte importante de la dieta de los hombres
pues estaacuten presentes en un 65 de los alimentos que consumimos (leche
arroz pan etc) [32] El carbohidrato principal que forma la leche es la lactosa
disacaacuterido constituido por glucosa y galactosa a continuacioacuten se presenta una
descripcioacuten detallada de cada uno de estos azuacutecares
Lactosa
La lactosa o β-D-Galactopiranosil-(1rarr4)-D-glucopiranosa es un disacaacuterido
compuesto por unidades de monosacaacuteridos de glucosa y galactosa unidos
mediante un enlace β (14) glucosiacutedico En dicho enlace el grupo funcional -OH
del carbono C1 en posicioacuten beta de la galactosa estaacute unido al grupo -OH del
carbono C4 de la glucosa [34][35][36]
La lactosa constituye el principal azuacutecar de la leche bioloacutegicamente se produce
en las glaacutendulas mamarias de los mamiacuteferos Dieteacuteticamente es considerada
un azuacutecar extriacutenseco dado que no forma parte de la estructura celular del
alimento sino que se encuentra de forma libre en la leche y en sus derivados
laacutecticos [34] [35] [36]
La determinacioacuten de lactosa en la industria alimentaria ha cobrado una gran
importancia en los uacuteltimos antildeos debido a la intolerancia que presenta gran
parte de la poblacioacuten a este azuacutecar La lactosa puede ser digerida por el cuerpo
humano gracias a la presencia de una enzima la lactasa que degrada la
lactosa en sus dos monosacaacuteridos (glucosa y galactosa) Cuando la enzima no
funciona o no presenta la actividad suficiente se produce la intolerancia [22]
La descomposicioacuten de la lactosa en glucosa y galactosa (figura 1) es importante
puesto que permite su deteccioacuten mediante el empleo de teacutecnicas tradicionales
de anaacutelisis como son la cromatografiacutea de liacutequidos de alta resolucioacuten
20
cromatografiacutea de gases polarimetriacutea gravimetriacutea entre otras Sin embargo
debido al elevado coste y a los elevados tiempos de anaacutelisis que supone el
empleo de estas teacutecnicas en los uacuteltimos antildeos se han desarrollado sensores
que ofrecen una deteccioacuten maacutes raacutepida menos costosa y maacutes precisa [14]
Figura 1 Reaccioacuten enzimaacutetica de la lactosa para formar glucosa y galactosa
En disolucioacuten a temperatura ambiente la lactosa se puede encontrar en dos
configuraciones α-lactosa y β-lactosa con una proporcioacuten del 40 de la
configuracioacuten α y el 60 de la configuracioacuten β Siendo ambas configuraciones
consecuencia de la mutarrotacioacuten (el carboacuten hemiacetal estaacute en equilibrio con
el grupo aldehiacutedo de la cadena abierta y forma los isoacutemeros α y β) [37]
La lactosa es considerado un azuacutecar reductor ya que en su estructura quiacutemica
tiene un grupo carbonilo intacto a traveacutes del cual puede reaccionar con otras
moleacuteculas por lo que es un azuacutecar sensible a sufrir las reacciones de Maillard
[34] [38] Las reacciones de Maillard son un conjunto de reacciones en
cadena no enzimaacuteticas que pueden tener lugar en la leche como
consecuencia de la reaccioacuten entre el grupo carbonilo del azuacutecar y el grupo
amino de las proteiacutenas o aminoaacutecidos que se encuentran presentes en la leche
Estas reacciones son indeseables dado que suponen una peacuterdida en el valor
nutricional (disminucioacuten de aminoaacutecidos esenciales) y en la calidad
(pardeamiento del producto aparicioacuten de aromas desagradables generacioacuten
de subproductos toacutexicos etc) de la leche [39] Para que tengan lugar se deben
dar unas condiciones determinadas de temperatura pH tiempo entre otros
factores [34] [38] [39]
La lactosa a temperatura ambiente es un soacutelido en forma de polvo cristalino
blanco con un punto de fusioacuten de 252ordmC una solubilidad en agua buena (50 g
por 100 g de agua) una densidad de 152 gcm3 tiene una masa molecular
de 3423 gmol y un poder endulzante muy inferior en comparacioacuten con otros
azuacutecares como la glucosa [34] [35] [36]
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Glucosa
La glucosa o D-glucopiranosa es un monosacaacuterido de foacutermula molecular
C6H12O6 con un grupo aldehiacutedo en su estructura quiacutemica constituye el
monosacaacuterido de mayor abundancia dentro de la naturaleza (se encuentra
presente en poliacutemeros como el chitosaacuten) y es utilizado por las ceacutelulas del
organismo para obtener energiacutea [32] [33]
Su uso abusivo en la industria alimentaria en productos de consumo diario
(productos laacutecteos carne bebidas etc) estaacute asociado al padecimiento de
ciertas enfermedades como la diabetes ademaacutes se encuentra presente en la
leche formando parte de la lactosa Debido a la importancia que presenta la
glucosa en el sector de la alimentacioacuten cada vez son maacutes las investigaciones
centradas en el desarrollo de sensores que permitan la identificacioacuten de este
azuacutecar [40] [41]
La glucosa en solucioacuten presenta dos formas cristalinas α-Glucosa y β-Glucosa
cuando la α-glucosa se disuelve en agua la actividad oacuteptica variacutea debido al
fenoacutemeno de mutarrotacioacuten y una parte de las moleacuteculas se convierten en la
forma β Pasado un tiempo se alcanza el equilibrio donde la mayor parte de la
solucioacuten lo forma el anoacutemero beta y una pequentildea parte de la solucioacuten (13
aproximadamente) lo forma el anoacutemero alfa [32] [33]
La glucosa es un azuacutecar con un fuerte caraacutecter reductor (mayor que el de la
lactosa) debido a la presencia del grupo aldehiacutedo en su estructura abierta por
lo que tambieacuten es sensible a sufrir las reacciones de Maillard [33]
La glucosa a temperatura ambiente es un soacutelido inodoro en forma de polvo
cristalino de color blanco temperatura de fusioacuten de 146ordmC solubilidad en agua
alta (91g por 100 mL de agua) densidad 156 gcm3 tiene una masa
molecular de 18016 gmol y un poder endulzante (743) notablemente
superior al que presentan la galactosa y la lactosa [32] [42] [43]
Galactosa
La galactosa aldehiacutedo D-galactosa o D-(+)-galactosa es un monosacaacuterido de
foacutermula molecular C6H12O6 La galactosa es muy similar a la glucosa por lo que
son considerados epiacutemeros se diferencian en su estructura quiacutemica en la
posicioacuten que ocupa el grupo minusOH del carbono C4 [36]
Nutricionalmente su mayor importancia radica en que es uno de los azuacutecares
que forman parte de la lactosa de la leche Como se ha indicado anteriormente
22
debido al creciente nuacutemero de casos en personas con intolerancia a la lactosa
se han desarrollado sensores dirigidos a la evaluacioacuten del contenido en lactosa
por medio de la deteccioacuten de galactosa (obtenida de la hidroacutelisis de la lactosa
al antildeadir la enzima galactosa oxidasa) [14]
En solucioacuten su estructura abierta adquiere forma de anillo y puede dar lugar a
dos configuraciones diferentes α-D-galactosa y β-D-galactosa siendo la
segunda forma el isoacutemero predominante [44] [45] Como el resto de los
azuacutecares descritos es un azuacutecar reductor ya que presenta un grupo aldehiacutedo
libre en la forma de cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fischer [44] [45]
La galactosa es un soacutelido inodoro en forma de polvo de color blanco punto de
fusioacuten 168-170ordmC solubilidad en agua buena (4725 g por 100g de agua)
densidad de 15 gcm3 su peso molecular es de 18016 gmol y presenta un
grado de dulzura maacutes elevado que el de la lactosa y menor que la glucosa [46]
bull Materia grasa [22] [23] [47] [48]
La materia grasa es un importante componente de la leche ya que ademaacutes de
ser una rica fuente de energiacutea para las personas es el vehiacuteculo de vitaminas
liposolubles (A D E y K) El nivel de materia grasa que contiene la leche puede
variar desde el 3 hasta el 6
La materia grasa de la leche son liacutepidos en forma globular que se encuentran
dispersos en ella y se pueden clasificar en
Liacutepidos saponificables es la fraccioacuten lipiacutedica que se encuentra en mayor
proporcioacuten ya que forma entre el 99 y el 995 de los liacutepidos totales
que hay en la leche Dentro de los liacutepidos saponificables se encuentran
los liacutepidos apolares y polares
Liacutepidos apolares son liacutepidos insolubles en la fraccioacuten acuosa de
la leche dentro de los cuales caben destacar los trigliceacuteridos ya
que son los que se encuentran en mayor proporcioacuten (96 - 98)
Otros como los digliceacuteridos y monogliceacuteridos se encuentran en
cantidades muy pequentildeas
Liacutepidos polares son fosfoliacutepidos que representan entre el 020
y el 1 de los liacutepidos saponificables que contiene la leche se
encuentran formando parte de la membrana de los gloacutebulos
grasos En la leche su importancia radica en su poder
23
emulsionante y a su actuacioacuten como solventes de sustancias no
polares presentes en ella como el colesterol
Liacutepidos insaponificables es la fraccioacuten lipiacutedica de menor proporcioacuten
formada por carotenoides (son los responsables de aportar una
coloracioacuten amarilla en la grasa) y vitaminas liposolubles
La materia grasa estaacute presente en la leche formando gloacutebulos grasos alrededor
de ellos hay una estructura denominada membrana de los gloacutebulos grasos
Esta membrana tiene una gran importancia dado a su funcioacuten protectora que
protege a los liacutepidos de sufrir reacciones enzimaacuteticas A pesar de ello una de
las reacciones enzimaacuteticas que maacutes afecta a la materia grasa es la lipoacutelisis
La lipoacutelisis es una reaccioacuten quiacutemica llevada a cabo por la accioacuten de las enzimas
lipasas que catalizan la hidroacutelisis de los gliceacuteridos en la interfase aire-agua A
causa de la lipoacutelisis se forman aacutecidos grasos libres y glicerol los cuales son los
responsables de algunos de los sabores indeseables que se producen en la
leche Por ejemplo durante esta reaccioacuten se libera aacutecido butiacuterico que da lugar
a un sabor y aroma ldquoa ranciordquo otra de las reacciones enzimaacuteticas que causan
ademaacutes de olores desagradables una peacuterdida del valor nutricional es el
enranciamiento oxidativo llevado a cabo por la enzima xantino oxidasa Esta
enzima cataliza la reaccioacuten de oxidacioacuten de los aacutecidos grasos insaturados
presentes en la leche
Finalmente una caracteriacutestica importante de la materia grasa es la diferencia
de densidad que hay entre la materia grasa que se encuentra emulsionada en
el suero y el suero lo que permite una raacutepida separacioacuten entre ambos
componentes La separacioacuten se logra mediante la aplicacioacuten de meacutetodos
centriacutefugos que dan lugar a dos fases distintas por un lado se obtiene la leche
desnatada y por otro lado una crema rica en gloacutebulos grasos Esta
caracteriacutestica es interesante en la industria alimentaria ya que permite obtener
derivados laacutecteos como la nata
bull Proteiacutenas
Las proteiacutenas son compuestos quiacutemicos formados a partir de aminoaacutecidos de
hecho la mayor parte del nitroacutegeno que contiene la leche (alrededor del 95)
se encuentra formando parte de ellas Las proteiacutenas representan una fraccioacuten
compleja de la composicioacuten quiacutemica de la leche su intereacutes en ella radica en
24
que son esenciales para todos los seres vivos representando un importante
valor en la dieta nutricional de las personas La concentracioacuten de las proteiacutenas
en la leche comprende valores entre el 3 y el 4 [22] [47] [48]
Como se ha indicado anteriormente la leche es un producto faacutecilmente
alterable por lo que parte de sus cambios en sus caracteriacutesticas fiacutesico -
quiacutemicas se deben a cambios causados en las proteiacutenas Cuando se lleva a
cabo un proceso teacutermico severo (pasteurizacioacuten a altas temperaturas o
esterilizacioacuten) puede tener lugar la desnaturalizacioacuten de las mismas liberando
sabores indeseables Ademaacutes las proteiacutenas tambieacuten pueden ser atacadas por
enzimas dando lugar a su proteoacutelisis (degradacioacuten de las proteiacutenas) las
principales responsables de esta reaccioacuten son las enzimas proteasas
provenientes de la actividad bacteriana que puede desarrollarse en la leche
[22]
Las proteiacutenas que forman la leche se pueden clasificar en dos grupos caseiacutena
( ~80 ) y las proteiacutenas del suero (~20 ) [48]
La caseiacutena
La caseiacutena es la fraccioacuten maacutes caracteriacutestica de las proteiacutenas que forman la
leche es un producto uacutenico producido en las glaacutendulas mamarias [23] Se
encuentra en la leche formando agregados y micelas la micela de las caseiacutenas
se compone de un 94 de proteiacutenas y un 6 de minerales [23] [47] Son
bastante resistentes y estables por lo que soportan bien los procesos
industriales sin embargo cuando la leche es sometida a tratamientos teacutermicos
agresivos (temperaturas superiores a 120ordmC) precipitan [23] [47]
Una propiedad de intereacutes de la caseiacutena es que afecta a las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche disimulando el dulzor de la lactosa lo cual permite
el consumo diario de la leche sin que presente un efecto negativo para el
organismo por ser demasiado dulce [23]
Finalmente otra caracteriacutesticas importante de la caseiacutena en el sector laacutecteo
(entre otros sectores) es que puede determinarse faacutecilmente Cuando se aplica
un pH isoeleacutectrico en la leche las proteiacutenas del suero se mantienen solubles
mientras que la caseiacutena precipita la separacioacuten de las proteiacutenas a traveacutes del
pH isoeleacutectrico se conoce industrialmente como electroforesis (este meacutetodo
consiste en aplicar un campo eleacutectrico en una muestra de leche como las
proteiacutenas presentan grupos ionizables COO- y NH+3 se pueden cargar
positivamente negativamente o bien permanecer neutras La carga neta de
25
las proteiacutenas depende del pH del medio en el que se encuentre en el punto
isoeleacutectrico la carga neta es cero) [49]
En la figura 2 se muestra la composicioacuten quiacutemica de la caseiacutena
Figura 2 Estructura quiacutemica de la caseiacutena
Las proteiacutenas del suero
Las proteiacutenas que forman el suero laacutectico representan el 20 del total de
proteiacutenas que forman la leche y constituyen la parte de las proteiacutenas no
caseicas [47] Son grupos proteicos con una estructura globular organizados
en proteiacutenas con una estructura secundaria y terciaria Se pueden clasificar en
β-lactoglobulina α-lactoglobulina inmunoglobulina y seroalbuacutemina [47]
-La β-lactoglobulina es la proteiacutena maacutes abundante en la leche de la
mayoriacutea de los mamiacuteferos sin embargo no estaacute presente en la leche
humana [23]
-La α-lactoglobulina es la 2ordf maacutes abundante en este caso se encuentra
particularmente en la leche humana se trata de la moleacutecula con menor
peso molecular de las proteiacutenas que forman el suero e interviene en la
siacutentesis de la lactosa en las glaacutendulas mamarias [23] [47]
-Las inmunoglobulinas estaacuten presentes en todas las leches de cualquier
procedencia animal y son el grupo de estructuras proteicas maacutes largas
y heterogeacuteneas [23] [47]
26
-La seroalbuacutemina es la proteiacutena de mayor peso molecular de las
proteiacutenas que forman el suero laacutectico [47]
bull Vitaminas
La leche presenta importantes valores nutricionales ya que en ella se
encuentran todas las vitaminas necesarias para el organismo [22] [23] El
mayor inconveniente que presentan los grupos vitamiacutenicos es que son
compuestos faacuteciles de destruir ya sea por una exposicioacuten prolongada a la luz
por accioacuten enzimaacutetica o por tratamientos de calor demasiado agresivos [22]
Las vitaminas que se encuentran en la leche se pueden clasificar en dos
grupos las vitaminas liposolubles que se encuentran en forma de emulsioacuten
junto con la grasa y las vitaminas hidrosolubles que son solubles en el agua
Las vitaminas liposolubles
-Vitamina A En la leche de vaca se puede encontrar como retinol
eacutesteres del retinol y carotenoides en una concentracioacuten de 100-500
mgL esta vitamina se produce a partir de la hidroacutelisis de los β-
carotenos [26] [47]
-Vitamina D Tambieacuten es conocida con el nombre de calciferol se
encuentra en la leche en una concentracioacuten de 1 mgL [26] [47]
-Vitamina E Tambieacuten recibe el nombre de α-Tocoferol esta vitamina se
encuentran en la leche en una concentracioacuten de 500-1000 mgL [26]
Esta vitamina es un antioxidante natural por lo que protege de las
reacciones de oxidacioacuten a las grasas y a los carotenos que se
encuentran en la leche [23]
-Vitamina K Esta vitamina se encuentra en cantidades de trazas (35 y
18 μgL) en la leche por lo que no ejerce un valor importante a nivel
nutricional para el organismo [47]
Las vitaminas hidrosolubles
27
-Vitaminas C B1 B2 B12 Entre estas vitaminas cabe destacar la
vitamina C o aacutecido ascoacuterbico presente en la leche en una concentracioacuten
de 20 mgL por su poder reductor Es decir su bajo potencial redox
protege de la oxidacioacuten a la materia grasa de la leche impidiendo que
se oxide y se desarrolle el sabor a oacutexido [47] [50] El resto de vitaminas
del grupo B se encuentran en concentraciones inferiores y se
caracterizan por ser fuertemente inestables ante la exposicioacuten a la
radiacioacuten y al calor [47]
bull Enzimas
Las enzimas son complejos de naturaleza proteica que se encuentran en la
leche en cantidades iacutenfimas sin embargo su presencia es fundamental dado
que catalizan reacciones importantes determinando las propiedades y
composicioacuten quiacutemica de la leche
La importancia de las enzimas en la industria laacutectea radica en que se emplean
como indicadores de calidad ya que pueden proporcionar informacioacuten sobre el
grado de tratamiento teacutermico que se debe aplicar pureza y frescura de la leche
[51] Por ejemplo la presencia de la enzima catalasa es un indicador de que la
vaca tiene mastitis (la catalasa produce un aumento en el nuacutemero de leucocitos
cuando el animal padece esta enfermedad) La presencia de la enzima
fosfatasa alcalina se utiliza para determinar el grado de tratamiento teacutermico al
que debe someterse la leche puesto que la muerte de esta enzima tiene lugar
a una temperatura similar a la que mueren microrganismos patoacutegenos que
puedan encontrarse en la leche Otras enzimas se utilizan para controlar la
presencia de microorganismos contaminantes debido a su actividad
antimicrobiana [52]
Otra consecuencia de la alterabilidad de la leche ademaacutes de las explicadas
anteriormente son los cambios enzimaacuteticos que causan el deterioro de las
caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche [47] Por esta razoacuten es importante
llevar a cabo un buen control de su composicioacuten quiacutemica durante todo su
proceso de fabricacioacuten la actividad enzimaacutetica es un factor que se monitoriza
en la industria laacutectea mediante la estimacioacuten de enzimas presentes en la leche
[47]
El origen de las enzimas que se encuentran en la leche de origen animal puede
ser por motivos naturales habiendo sido sintetizadas por las ceacutelulas somaacuteticas
del organismo (ceacutelulas que forman tejidos u oacuterganos) estas enzimas se
encuentran asociadas a la membrana de los gloacutebulos grasos caseiacutena y
proteiacutenas del suero El segundo origen de las enzimas que pueden estar
28
presentes en la leche es debido a su liberacioacuten por microorganismos a causa
de la contaminacioacuten microbioloacutegica indeseada [47]
Las enzimas que hay en la leche se pueden clasificar en los siguientes grupos
[22]
Las enzimas hidrolasas son aquellas que catalizan reacciones de
hidroacutelisis en la leche catalizan la hidroacutelisis de la lactosa Dentro de este
grupo cabe destacar la enzima lipasa fosfatasa amilasa y lactasa Su
importancia en la leche se debe a que afectan a sus caracteriacutesticas
organoleacutepticas
Las enzimas oxidorreductasas son enzimas que catalizan las
reacciones de oxidacioacuten - reduccioacuten que se llevan a cabo en la leche
Entre ellas destacan las siguientes enzimas catalasa lactoperoxidasa
y xantino - oxidasa La importancia de estas enzimas se debe a que
influyen en el sabor (xantino-oxidasa) ademaacutes algunas de ellas
presentan actividad antimicrobiana La enzima lactoperoxidasa cataliza
la reaccioacuten del tiocianato en presencia de H2O2 liberando compuestos
con actividad antibacteriana y fungicida [47] [52]
Las enzimas transferasas son enzimas que transfieren grupos activos
que han sido liberados por la ruptura de alguna moleacutecula a otra
sustancia que actuacutea como receptor Por su abundancia en la leche de
vaca cabe destacar la enzima ribonucleasa que se encuentra en una
concentracioacuten de 25 mgL (en la leche materna se encuentra en menor
cantidad) Esta enzima produce la hidroacutelisis de aacutecidos ribonucleicos y
estaacute asociada a las proteiacutenas del suero de la leche [23] [53]
bull Minerales
Los minerales junto con las enzimas forman los constituyentes de la leche que
estaacuten en menor proporcioacuten Se pueden encontrar formando sales solubles o
como una dispersioacuten coloidal insoluble (son los minerales asociados a las
micelas de la caseiacutena) [22] [23]
El grupo de sales solubles lo forman minerales que se encuentran en forma de
cloruros citrato y bicarbonato de compuestos como son el calcio magnesio
potasio y sodio Los cloruros en forma de cloruro de sodio son los que se
encuentran en mayor cantidad en una proporcioacuten del 020 El anaacutelisis de
cloruros en la leche se utiliza para detectar posibles alteraciones si el
29
contenido en estas sales es superior al normal puede indicar que la leche
procede de una vaca con patologiacutea [22] [23]
Las sales coloidales representan el otro grupo en una proporcioacuten proacutexima al
033 [22] Principalmente se refieren al contenido en calcio y fosfato dado a
la presencia predominante de ambos componentes [47] El calcio es una de
las sales de mayor valor nutricional ya que contribuye al mantenimiento de los
huesos [48]
23 Sensores utilizados
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores
El constante crecimiento y desarrollo de la industria alimentaria hace necesario
la aplicacioacuten de teacutecnicas de anaacutelisis que sean capaces de adaptarse a los
cambios del proceso industrial permitiendo llevar a cabo controles raacutepidos y
precisos con el fin de satisfacer la demanda de los consumidores Ademaacutes el
estigma de la industria alimentaria debe ser garantizar la calidad e inocuidad
de los alimentos y bebidas suministrados a las personas En este contexto
surge el anaacutelisis por medio de sensores definido como la praacutectica fundamental
en el control de calidad para garantizar la seguridad e inocuidad de los
alimentos y bebidas
Un sensor es un dispositivo capaz de convertir un estiacutemulo externo en una
sentildeal generalmente eleacutectrica que se pueda medir para obtener informacioacuten
uacutetil tanto cuantitativa como cualitativa [54] La idealidad de un sensor se
evaluacutea mediante el anaacutelisis de paraacutemetros como la sensibilidad (habilidad de
detectar cantidades pequentildeas) selectividad (capacidad de detectar el analito
de intereacutes ante otros que actuacutean como interferencia) reproducibilidad
(concordancia entre resultados independientes obtenidos con el mismo
meacutetodo y a partir de la misma muestra en distintas condiciones
experimentales) y repetitividad (concordancia entre resultados independientes
obtenidos con el mismo meacutetodo y a partir de la misma muestra bajo las mismas
condiciones experimentales) [54] [55] Ademaacutes de estos paraacutemetros es
importante tener en cuenta que en la industria se valoran otros aspectos del
sensor como su coste de fabricacioacuten tiempo de vida tiempo de respuesta etc
[54] [55]
Los sensores presentan tres partes bien diferenciadas en su entructura la zona
de reconocimiento la zona de transducioacuten y el amplificador [55]
30
bull Zona de reconocimiento en esta zona se encuentra el receptor es el
dispositivo que interaciona directamente con la sustancia que se va a
detectar La interacioacuten entre el receptor y la sustancia genera una sentildeal
primaria (oacuteptica maacutesica teacutermica o eleacutectrica) que seraacute interpretada por
un transductor [55] [56] [57]
bull Zona de transduccioacuten en esta zona se encuentra integrado el
transductor Este dispositivo recibe la sentildeal primaria que le llega del
receptor de manera que es transformada en una sentildeal eleacutectrica
medible [58]
bull Amplificador la mayoriacutea de las sentildeales eleacutectricas generadas necesitan
ser amplificadas para poder interpretar la informacioacuten por lo que este
dispositivo incrementa la intensidad de la sentildeal eleacutectrica de salida que
recibe del transductor Finalmente esta sentildeal es enviada a un sistema
de procesamiento donde se registran los datos y se presenta la
informacioacuten obtenida [58] [59]
En la figura 3 se muestra el funcionamiento de un sensor
Figura 3 Estructura de un sensor
Los sensores se pueden clasificar en funcioacuten de la naturaleza de la sentildeal
primaria generada por la interaccioacuten entre el receptor y la sustancia a medir
[57]
Fiacutesicos la zona receptora recibe una informacioacuten de tipo fiacutesico
Dentro de este grupo se encuentran los sensores que miden
propiedades fiacutesicas como la absorbancia temperatura cambio
de masa presioacuten entre otras
31
Quiacutemicos La interaccioacuten del receptor con el analito da lugar a
una reaccioacuten quiacutemica
Dentro de los sensores nombrados los de mayor intereacutes son los sensores
quiacutemicos su importancia en el anaacutelisis sensorial radica en que se presentan
como una nueva herramienta para el control y monitoreo del proceso
productivo debiendo dar una respuesta raacutepida y selectiva [54] [55] Un sensor
quiacutemico es un dispositivo que transforma una sentildeal quiacutemica en una sentildeal
analiacuteticamente uacutetil siendo capaz de proporcionar informacioacuten acerca de la
concentracioacuten de uno o maacutes analitos presentes en la muestra [60]
Los sensores quiacutemicos se pueden clasificar en funcioacuten de las propiedades que
mida el transductor en
bull Electroquiacutemicos estos sensores miden una propiedad eleacutectrica
generada por un sistema de electrodos La sentildeal producida (potencial o
intensidad) es consecuencia de la interaccioacuten electroquiacutemica que tiene
lugar entre el analito y el sensor [55] [58]
bull Piezoeleacutectricos son dispositivos cuya respuesta se emite en forma de
un cambio en la frecuencia de resonancia de un cristal piezoeleacutectrico
El cambio en la frecuencia depende de la cantidad de analito en masa
depositado sobre la superficie del receptor [55] [58]
bull Oacutepticos son dispositivos que responden a la interaccioacuten de la radiacioacuten
electromagneacutetica de la luz (generalmente de la regioacuten del infrarrojo) con
el analito se basan en la medida del cambio en las propiedades oacutepticas
del analito [55]
bull Teacutermicos son dispositivos que registran el calor de reaccioacuten generado
por el analito a causa de su oxidacioacuten o por reaccioacuten con una sustancia
del medio [55]
bull Multiarreglo son dispositivos sensibles a distintos analitos cuyas
respuestas son analizadas de manera simultaacutenea para caracterizar a un
sistema en concreto [55]
Los sensores electroquiacutemicos son los sensores maacutes destacados entre los que
se han nombrado ya que son los sensores maacutes versaacutetiles y los que maacutes se han
investigado a lo largo de los antildeos [55] En funcioacuten de la propiedad eleacutectrica que
32
miden los sensores electroquiacutemicos se pueden clasificar en tres grupos Los
sensores potenciomeacutetricos son dispositivos que miden el voltaje debido a una
reaccioacuten quiacutemica generan una respuesta estableciendo una relacioacuten entre la
diferencia de potencial entre un sistema de dos electrodos (electrodo de
referencia y electrodo de trabajo) y la concentracioacuten del analito (liacutequido o vapor)
[55] [58] En los sensores voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos se aplica un
potencial variable con el tiempo de esta manera se obtiene informacioacuten del
cambio del potencial con la intensidad de la corriente eleacutectrica [58] [61] Los
sensores amperomeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
fijo obteniendo informacioacuten de la variacioacuten de la intensidad de la corriente con
el tiempo [58] [61] Finalmente los sensores electroquiacutemicos se clasifican en
sensores conductimeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
de corriente alterna y se mide el aumento de la conductividad eleacutectrica
provocado por la presencia de iones en una solucioacuten [58] [62]
Dentro de los sensores electroquiacutemicos los sensores basados en meacutetodos de
transduccioacuten voltameacutetricos son los maacutes indicados para el estudio de los
procesos de oxidacioacuten - reduccioacuten de los compuestos mediante el anaacutelisis de
voltamogramas Debido a que presentan importantes ventajas como su
elevada sensibilidad y selectividad [63]
En el desarrollo de este trabajo de investigacioacuten se presenta un innovador
sensor electroquiacutemico de tipo voltameacutetrico basado en la tecnologiacutea de
impresioacuten molecular denominado MIP (ldquomolecular imprinted polymerrdquo) esta
nueva tecnologiacutea promete mejoras en la estabilidad y reproducibilidad de los
anaacutelisis quiacutemicos
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular
(MIP)
Los MIP son materiales que han sido sintetizados para el reconocimiento de
moleacuteculas especiacuteficas Esta tecnologiacutea consiste fundamentalmente en la
formacioacuten de una peliacutecula polimeacuterica en la que una moleacutecula actuacutea como una
plantilla posteriormente la moleacutecula se extrae y deja cavidades de
reconocimiento especiacutefico sobre el poliacutemero [64]
Los paraacutemetros principales que intervienen en la formacioacuten de poliacutemeros de
impresioacuten molecular son el poliacutemero la moleacutecula plantilla y un agente
reticulante
bull Seleccioacuten del poliacutemero
33
Existen una gran variedad de poliacutemeros que se puedan utilizar en la impresioacuten
molecular pero deben cumplir unas caracteriacutesticas estrictas
-El poliacutemero tiene que ser quiacutemicamente compatible con la moleacutecula
plantilla ademaacutes debe ser capaz de unirse a eacutesta para crear las
cavidades de reconocimiento [65]
-El poliacutemero tiene que poder contener los sitios de reconocimiento
complementarios a la moleacutecula original
Entre los poliacutemeros empleados cabe destacar el chitosaacuten debido a sus
caracteriacutesticas de biocompatibilidad y afinidad por diferentes tipos de
moleacuteculas [65] Otros poliacutemeros de impresioacuten molecular estaacuten compuestos por
aacutecido metacriacutelico [66] o-fenilendiamina [67] pirrol [68] etc
bull Seleccioacuten de la moleacutecula plantilla
Una de las mayores ventajas de los MIPs es la utilizacioacuten de praacutecticamente
cualquier tipo de analito como azuacutecares aminoaacutecidos fenoles entre otras
sustancias Generalmente los compuestos empleados presentan grupos
polares (-COOH-OH) por lo que el complejo plantilla-poliacutemero que se forma es
bastante estable Otro tipo de compuestos utilizados son ioacutenes metaacutelicos
macromoleacuteculas etc [69]
bull Agente reticulante o cross-linker
Un agente reticulante (Cross-linker) es un compuesto que facilita la unioacuten entre
moleacuteculas para dar lugar a una red mucho maacutes estable y resistente Por ello la
reticulacioacuten (o el cross-linking) se puede emplear para mejorar la estabilidad
mecaacutenica de ciertas sustancias quiacutemicas como los poliacutemeros Consiste en una
reaccioacuten quiacutemica entre cadenas polimeacutericas que se mantienen unidas por
medio de enlaces covalentes u otro tipo de enlaces como las fuerzas de Van
der Waals [70]
El empleo de cross-linkers en los procesos de siacutentesis de poliacutemeros de
impresioacuten molecular es muy utilizado ya que estos influyen en tres aspectos
importantes intervienen en la morfologiacutea de los MIP fijan las cavidades de
34
reconocimiento especiacutefico e Intervienen en la estabilidad mecaacutenica del MIP
[69] Si el nuacutemero de entrecruzamientos es insuficiente se puede producir la
peacuterdida de las cavidades especiacuteficas formadas en el poliacutemero ya que estas no
se pueden mantener por no ser lo suficientemente estables Como resultado
de este fenoacutemeno el MIP pierde en cierto grado su capacidad de
reconocimiento [69]
El proceso de fabricacioacuten de un MIP se pueden clasificar en las siguientes
etapas [69]
bull 1ordm Interaccioacuten entre la moleacutecula y el poliacutemero
Los tipos de interaccioacuten que se pueden dar son [71] [72]
Impresioacuten covalente se establece un enlace covalente entre un
poliacutemero y la moleacutecula plantilla es un meacutetodo complejo ya que este
enlace se debe romper previamente para que la moleacutecula se pueda
eluir de la matriz polimeacuterica
Impresioacuten no covalante la interaccioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero se lleva a cabo mediante interacciones deacutebiles no
covalentes Se trata del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de
MIP debido a su simplicidad y facilidad de eliminar la moleacutecula
plantilla de la matriz del poliacutemero
Impresioacuten ioacutenica como plantilla se utilizan diferentes tipos de iones
metaacutelicos (Cu2+ Zn2+ Cd2+etc) se trata de una teacutecnica desarrollada
recientemente
En el presente trabajo de investigacioacuten se utilizoacute como matriz polimeacuterica
chitosaacuten y como moleacutecula plantilla un azuacutecar (lactosa glucosa o galactosa) La
unioacuten se llevoacute a cabo mediante el meacutetodo no-covalente como se ha explicado
en este meacutetodo el enlace entre el poliacutemero y la moleacutecula plantilla tiene lugar
mediante fuerzas de interaccioacuten deacutebiles de tipo fuerzas de Vaan der Waals o
puentes de hidroacutegeno [73] [74]
35
bull 2ordf Polimerizacioacuten
La polimerizacioacuten del poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla se realiza
para obtener una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula de intereacutes En la
elaboracioacuten de MIPs existen una gran variedad de procesos de polimerizacioacuten
en concreto en la elaboracioacuten de sensores destacan los sensores de impresioacuten
superficial sobre el electrodo de trabajo cuyos principales meacutetodos de
polimerizacioacuten se describen a continuacioacuten [69]
Electropolimerizacioacuten Es un proceso de deposicioacuten realizado en
presencia de la moleacutecula plantillla en el que se forma una peliacutecula
poliacutemerica sobre un electrodo de trabajo Se puede llevar a cabo a
traveacutes de diferentes teacutecnicas electroquiacutemicas tales como meacutetodos
voltameacutetricos ( el proceso empleado suele ser mediante voltametriacutea
ciacuteclica aplicando un intervalo de potencial) meacutetodos potenciomeacutetricos
(se aplica un potencial constante) y meacutetodos galvanostaacuteticos (se aplica
una corriente constante) [68]
Fotopolimerizacioacuten in situ Es una teacutecnica de deposicioacuten in situ que al
igual que la anterior permite depositar la plantilla polimeacuterica
directamente sobre el electrodo de trabajo El proceso se lleva a cabo
por polimerizacioacuten radicalaria la mezcla de preparacioacuten MIP contiente
un iniciador sensible a la luz de manera que al incidir la radiacioacuten sobre
eacutel absorbe la enegiacutea lumiacutenica y proporciona radicales libres De esta
manera se inicia el proceso de polimerizacioacuten del poliacutemero [75]
Sandwich Esta teacutecnica consiste en depositar unas gotas de la solucioacuten
MIP sobre un electrodo para ello la solucioacuten se coloca en una superficie
metaacutelica o sobre dos laacuteminas metaacutelicas Despueacutes de llevarse a cabo la
polimerizacioacuten se separan las laacuteminas logrando obtener peliacuteculas muy
finas [76]
El principal problema de esta teacutecnica es la falta de reproducibilidad que
se produce al aplicar fuerzas de compresioacuten durante la polimerizacioacuten
por lo que se emplea con menor frecuencia que la anteriores descritas
[76]
bull 3ordm Elucioacuten de la moleacutecula plantilla
36
La moleacutecula plantilla se elimina de la matriz polimeacuterica utilizando un disolvente
adecuado de esta manera se forma una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula
empleada Es por ello por lo que los MIP presentan la capacidad de reconocer
moleacuteculas con una alta selectividad dado que tras la elucioacuten las cavidades
creadas en el poliacutemero presentan muacuteltiples sitios de unioacuten con una
configuracioacuten espacial que es complementaria al analito [69]
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
En 1949 Dickey fue el primero en investigar el concepto de impresioacuten
molecular el cual fue inspirado por los experimentos llevados a cabo por Linus
Pauling quien defendiacutea la formacioacuten de anticuerpos usando el antiacutegeno como
una moleacutecula plantilla [71] Dickey es el responsable de la creacioacuten de la
teacutecnica de impresioacuten molecular de gel de siacutelice (MISC) y basoacute sus
investigaciones en la precipitacioacuten de silicagel en presencia de tintes orgaacutenicos
descubriendo que la impresioacuten de siacutelice proporcionaba una gran selectividad
hacia el tinte [71] Desde entonces se han llevado a cabo varios estudios
basados en la impresioacuten molecular a base de siacutelice por ejemplo en 2013 se
estudioacute la deteccioacuten del aacutecido saliciacutelico mediante esta teacutecnica [77]
En 1972 Wulff y Klotz dos liacutederes de grupos de investigacioacuten independientes
llevaron a cabo los primeros mecanismos de impresioacuten molecular [78] El
primero desarrolloacute un complejo basado en la impresioacuten molecular de tipo
covalente que incluiacutea un monoacutemero y la moleacutecula plantilla para la deteccioacuten
de azuacutecares [79] Al mismo tiempo Klotz sintetizoacute poliacutemeros de impresioacuten
molecular utilizando poliacutemeros y uniones de tipo covalente entre la moleacutecula y
la plantilla Antildeos despueacutes Mosback llevoacute a cabo la siacutentesis de impresioacuten
molecular utilizando otros meacutetodos de unioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero en concretoacute enlaces de tipo no covalentes [71]
Debido a sus excelentes propiedades los MIP han cobrado una mayor
importancia en estos uacuteltimos antildeos habiendo sido utilizados en multitud de
aplicaciones Se han elaborado MIP para la separacioacuten de compuestos quirales
y de proteiacutenas los cuales son muy utilizados en la industria farmaceacuteutica [80]
En el anaacutelisis ambiental para la purificacioacuten de aguas y eliminacioacuten de metales
pesados [80] En el desarrollo de sensores basados en diferentes meacutetodos de
transduccioacuten (electroquiacutemicos [64] oacutepticos [81] etc) En medicina para la
liberacioacuten de faacutermacos [80] y como catalizadores imitando las funciones de las
enzimas pero con una mayor estabilidad [82]
Los primeros sensores que emplearon la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
fueron elaborados entorno a los antildeos 2000 En 1996 se publicoacute el primer
37
artiacuteculo elaborado por Franz L Dicker referido a sensores MIP basados en
meacutetodos de transduccioacuten piezoeleacutectricos En el experimento se crearon
plantillas polimeacutericas con varios tipos de disolventes orgaacutenicos volaacutetiles una
vez creada la plantilla se calculoacute la masa de analito depositada midiendo el
cambio en la frecuencia de resonancia de una microbalanza de cuarzo Con los
resultados de la investigacioacuten se concluyoacute que estos sensores presentariacutean un
futuro prometedor puesto que fueron capaces de reconocer selectivamente
disolventes orgaacutenicos seguacuten su tamantildeo y forma [83]
Recientemente se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en la
impresioacuten molecular para el reconocimiento de azuacutecares principalmente para
la glucosa por su impacto en enfermedades como la diabetes W Zhen et al
desarrollaron un sensor basado en poliacutemeros de impresioacuten molecular para el
reconocimiento de glucosa [84] A Diouf et al sintetizaron un sensor
electroquiacutemico para la cuantificacioacuten de glucosa presente en la saliva [41]
Tambieacuten se han desarrollado sensores MIP para el reconocimiento de
disacaacuteridos por ejemplo H Shekarchizadeh et al fabricaron un sensor MIP
electroquiacutemico para la deteccioacuten de sacarosa en el zumo de remolacha [83]
Tal y como se muestra en la figura 4 el desarrollo de sensores MIP ha ido
creciendo con el paso del tiempo siendo su empleo en el anaacutelisis
electroquiacutemico cada vez maacutes pronunciado Su aplicacioacuten para la identificacioacuten
de azuacutecares se encuentra todaviacutea en sus primeros indicios encontraacutendose las
mayores referencias entre los antildeos 2018 y 2019 Debido al intereacutes que
presentan los MIP es interesante llevar a cabo nuevas investigaciones que
contribuyan al estudio iniciado en estos uacuteltimos antildeos dirigido a la deteccioacuten de
azuacutecares
Figura 4 MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos (rojo) MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos empleados en la deteccioacuten de azuacutecares (rosa) Publicaciones correspondientes al periodo 1999-2019 obtenidas de la base de datos SCOPUS (Elsevier)
38
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Los sensores MIP son una buena alternativa frente a los meacutetodos tradicionales
de anaacutelisis (cromatografiacutea de gases cromatografiacutea de liacutequidos de alta
resolucioacuten etc) debido a sus excelentes propiedades como estabilidad bajo
coste y especificidad [85] Estos sensores son capaces de detectar una gran
variedad de analitos como proteiacutenas [86] virus [87] azuacutecares [84] fenoles
[12] etc Por ello presentan un gran potencial en diferentes campos industria
alimentaria anaacutelisis ambiental anaacutelisis cliacutenico o anaacutelisis quiacutemico entre otros
[88]
Para un mayor entendimiento del presente trabajo es necesario especificar en
que consite un sensor NIP (ldquono molecularly imprinted polymerrdquo) Dicho sensor
es anaacutelogo al MIP sin embargo eacuteste se obtiene en aunsencia de la moleacutecula
plantilla por lo que no cuenta con las cavidades de reconocimiento especiacutefico
Para obtener un buen funcionamiento un sensor MIP debe tener las siguientes
propiedades [69]
bull Rigidez Las cavidades de reconocimiento deben mantener su forma y
tamantildeo despueacutes de que la moleacutecula sea eliminada de la matriz
polimeacuterica
bull Flexibilidad Se debe optimizar el proceso de reconocimiento
consiguiendo un equilibrio entre las cavidades creadas y la
concentracioacuten de analito
bull Estabilidad mecaacutenica El sensor debe mantenerse estable con cada
medida
Al igual que los sensores tradicionales los sensores basados en MIPs se
pueden clasificar en funcioacuten de su principio de funcionamiento en los
siguientes sensores
bull Sensores de afinidad (ldquoAffinity sensorsrdquo) son sensores capaces de
detectar moleacuteculas con caracteriacutesticas medibles Dentro de este tipo se
encuentran los sensores basados en meacutetodos de transduccioacuten
piezoeleacutectricos (se basan en el empleo de un cristal piezoeleacutectrico que
39
vibra al aplicarse un potencial la frecuencia de oscilacioacuten del cristal
variacutea en funcioacuten de la masa de analito depositada en el sensor MIP)
[76] [89] sensores MIP electroquiacutemicos [76] (se basan en diferentes
teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea amperometriacutea y
potenciometriacutea) y sensores MIP oacutepticos en los que el sensor detecta un
cambio en alguna propiedad oacuteptica durante el enlace entre los grupos
funcionales del poliacutemero y la moleacutecula plantilla [90]
bull Receptores Estos sensores se basan en la deteccioacuten directa del analito
aprovechan el momento de unioacuten entre la moleacutecula y la plantilla cuando
tiene lugar un cambio en alguna caracteriacutestica del MIP (conductividad
eleacutectrica potencial superficial o permeabilidad) Dentro de este grupo
hay sensores MIP electroquiacutemicos y oacutepticos [76] Por ejemplo se han
desarrollado sensores MIP electroquiacutemicos para la deteccioacuten de glucosa
basados en el efecto denominado ldquogate effectrdquo El enlace entre la
glucosa y los sitios de unioacuten de la plantilla produce un cambio en la
configuracioacuten del poliacutemero modificaacutendose la permeabilidad de la
peliacutecula polimeacuterica dificultando por tanto el proceso de difusioacuten de las
moleacuteculas a su traveacutes Asiacute la deteccioacuten en este experimento se llevoacute a
cabo registrando la disminucioacuten de la intensidad de la sentildeal en
presencia de glucosa [91]
bull Sensores MIP Cataliacuteticos Constituyen la uacuteltima generacioacuten de sensores
MIP en este grupo se fabrican sensores que imitan la actividad
cataliacutetica de las enzimas Actualmente son pocos los sensores
desarrrollados seguacuten este principio un ejemplo ha sido la fabricacioacuten
de un sensor MIP que imita el funcionamiento de la enzima tirosinasa
El sensor consiste en utilizar un complejo como moleacutecula plantilla
similar a la enzima para catalizar las reacciones de oxidacioacuten del
catecol (anaacutelito de intereacutes en el estudio de la calidad del vino) [79]
Entre los sensores que se han nombrado los sensores MIP electroquiacutemicos son
los que representan el mayor intereacutes en el anaacutelisis quiacutemico debido a su bajo
coste y facilidad de obtencioacuten [85]
La fabricacioacuten de sensores MIP electroquiacutemicos se puede clasificar en dos
etapas
bull Electrodo modificado mediante la teacutecnica de impresioacuten molecular
40
El meacutetodo de integracioacuten maacutes utilizado para la deposicioacuten del MIP en el
electrodo de trabajo es la electropolimerizacioacuten por ser raacutepido y eficaz [85] La
principal ventaja de esta teacutecnica es que los paraacutemetros controlables como el
tiempo de deposicioacuten y el potencial aplicado permiten controlar aspectos
importantes como el grosor de la peliacutecula polimeacuterica [79]
En el presente trabajo de investigacioacuten el sensor MIP fue elaborado mediante
teacutecnicas de electropolimerizacioacuten a traveacutes de cronoamperometriacutea El proceso
consistioacute en aplicar un potencial constante para producir la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla sobre la superficie del
electrodo A continuacioacuten se muestra una imagen esquemaacutetica de este
proceso
Figura 5 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-moleacutecula plantilla]BDD en una celda electroliacutetica con una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de trabajo contraelectrodo y electrodo de referencia) donde se representa la deposicioacuten de la solucioacuten a traveacutes de electropolimerizacioacuten por cronoamperometriacutea sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Elucioacuten y reconocimiento del analito
La elucioacuten consiste en eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz del poliacutemero
de esta manera se crean cavidades de reconocimiento con una estructura
tridimensional que coincide en tamantildeo y forma con el analito de intereacutes es
decir se forma un plantilla polimeacuterica Esta plantilla aporta especificidad al
sensor lo que le permite llevar a cabo la deteccioacuten selectiva de la moleacutecula
plantilla [69] Dado a la importancia que esto supone se deben tener en cuenta
las condiciones en la que se realice el anaacutelisis puesto que el uso de ciertos
41
disolventes orgaacutenicos las altas temperaturas o el empleo de solventes donde
el poliacutemero sea soluble podriacutean dantildear la plantilla sintetizada en el MIP [65] A
pesar de ello no se trata de una etapa costosa y en ella se pueden emplear
distintos tipos de eluyentes Por ejemplo se ha utilizado agua caliente
presurizada para la elucioacuten de moleacuteculas de clorofila de una matriz polimeacuterica
elaborada a partir de aacutecido metacriacutelico y metacrilato de etilenglicol [65]
Tambieacuten se ha empleado cloruro de potasio (KCl) para eliminar catecol de una
matriz polimeacuterica de chitosaacuten [12] Otros disolventes como el HCl se han
utilizado para la elucioacuten de glucosa de una matriz polimeacuterica compuesta por
aacutecido 3-aminobencenoboroacutenico (APBA) [84] En conclusioacuten la eleccioacuten del
eluyente dependeraacute principalmente de las caracteriacutesticas de la moleacutecula
plantilla y del poliacutemero debiendo seleccionar en todo momento un solvente
que no dantildee a la peliacutecula polimeacuterica y en el que la moleacutecula plantilla sea
soluble
Una vez eliminada la moleacutecula plantilla se lleva a cabo la deteccioacuten de eacutesta
durante este momento tiene lugar la selectividad entre la moleacutecula y la plantilla
polimeacuterica Este proceso se corresponde con la uacuteltima etapa del anaacutelisis
electroquiacutemico y puede verse afectado por distintos factores [69]
Presencia de compuestos inhibidores Puede haber grupos inhibidores
que impidan que la moleacutecula se adapte perfectamente en las cavidades
ocupando sus sitios de unioacuten
Cambios en la orientacioacuten espacial de los grupos funcionales del
poliacutemero Factores como los cambios de temperatura o los disolventes
empleados pueden causas cambios en la configuracioacuten espacial de los
grupos funcionales en consecuencia no se produce el enlazamiento
entre el analito y las cavidades del poliacutemero
Fenoacutemenos de repulsioacuten Puede haber grupos funcionales en las
cadenas del poliacutemero que impidan que la moleacutecula y los sitios de unioacuten
reaccionen
Seleccioacuten del disolvente Como se ha explicado anteriormente el
disolvente puede dantildear al poliacutemero debido a ello es importante utilizar
un solvente en el que el poliacutemero no sea soluble
A continuacioacuten se muestra un esquema del proceso de las etapas descritas
42
Figura 6 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP donde se muestra el proceso de polimerizacioacuten y a continuacioacuten un sensor MIP donde se ha llevado a cabo el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
23221 Ventajas de la impresioacuten molecular
La elaboracioacuten de sensores electroquiacutemicos a partir de MIP es una tecnologiacutea
relativamente reciente desarrollada para reconocer bajas concentraciones del
analito La impresioacuten molecular es una de las pocas tecnologiacuteas que permite la
fabricacioacuten de receptores sinteacuteticos ademaacutes presenta importantes ventajas
sobre otros compuestos utilizados para el reconocimiento especiacutefico como las
enzimas Entre las ventajas maacutes destacadas de los sensores basados en esta
tecnologiacutea se encuentran [80]
bull Estabilidad los MIP son estables en un amplio rango de pH
temperaturas y presioacuten por estas razones son buenos sustitutos de
agentes bioloacutegicos [80]
bull Bajo coste Los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular
resultan maacutes baratos comparados con el empleo de receptores
bioloacutegicos como las enzimas [80]
bull Preparacioacuten del sensor MIP sencilla [80]
bull Los poliacutemeros pueden forman plantillas para una gran cantidad de
analitos [80]
bull Reconocimiento especiacutefico y selectivo en disolventes orgaacutenicos por lo
que no estaacuten limitados a detecciones en medios acuosos [80]
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo
En la elaboracioacuten de MIP se suele utilizar un agente reticulante para obtener
una plantilla del poliacutemero maacutes estable y por ende un mejor comportamiento
43
del sensor [69] En este trabajo uno de los experimentos para fabrizar el MIP
se llevoacute a cabo en presencia de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
El glutaraldehiacutedo es un compuesto quiacutemico perteneciente a la familia de los
aldehiacutedos a temperatura ambiente es un liacutequido oleaginoso incoloro o con una
leve coloracioacuten amarilla su foacutermula molecular es OHC-(CH2)3-CHO [92]
El glutaraldehido se ha empleado porque es considerado un buen agente
reticulante para el desarrollado de MIPs basados en chitosaacuten dado a que este
poliacutemero presenta grupos amino reactivos (-NH2) que reaccionan con los
grupos aldehiacutedo (-CHO) del glutaraldehiacutedo [93] Esta reaccioacuten es selectiva por
lo que los grupos hidroxilo -OH del chitosaacuten no intervienen en la reaccioacuten con el
glutaraldehiacutedo [94]
El proceso simplificado de entrecruzamiento del chitosaacuten con el glutaraldehiacutedo
se puede ver en la figura 7
Figura 7 Reaccioacuten simplificada del proceso de entrecruzamiento del chitosaacuten con glutaraldehiacutedo
El producto de reaccioacuten entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo da lugar a una
base de Schiffrsquos [95] una base de schiffrsquos es un enlace imina constituido por
un cabono y un nitroacutegeno unidos atraveacutes de un doble enlace (N=C) su
estructura tiacutepica se muestra en la figura 8 tal y como se observa esta
compuesta por tres radicales R1R2 y R3 que pueden ser grupos alquilo o arilo
[96]
Figura 8 Estructura geneacutericas de una base de Shiffacutes con tres radicales R1 R2 y R3
44
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis
electroquiacutemico
El tipo de electrodos de trabajo empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico variacutea
en funcioacuten de las teacutecnicas electroquiacutemicas de anaacutelisis en voltametriacutea los
electrodos de metales nobles son los maacutes empleados entre ellos destacan los
electrodos de plata [97] los electrodos de oro [98] y los electrodos de platino
[99] Estos electrodos destacan por sus buenas caracteriacutesticas de
conductividad y por ser materiales inertes por lo que no intervienen en las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la celda electroliacutetica Sin
embargo presentan problemas de reproducibilidad por la formacioacuten de oacutexidos
en su superficie [99] [100]
Debido a ello los electrodos metaacutelicos se han ido remplazando en los uacuteltimos
antildeos por los electrodos de carbono cuya principal ventaja es su amplia ventana
de potencial y su facilidad de limpieza (las impurezas de la superficie de los
electrodos de carbono se eliminan faacutecilmente) [99]
Dentro de los electrodos de carbono existen varios tipos pues es un compuesto
con diferentes formas alotroacutepicas En concreto el diamante es la segunda
forma maacutes estable del carbono despueacutes del grafito ademaacutes tiene una de las
estructuras moleculares maacutes destacables por sus propiedades extraordinarias
como son su extremada dureza y alta conductividad teacutermica [101] A pesar de
estas caracteriacutesticas el diamante (sin dopar) no se emplea como electrodo
dado a su alta resistividad eleacutectrica (1020 Ωcm ) que le hace funcionar como
un soacutelido aislante lo que es debido a su ancho de banda prohibida (seguacuten el
modelo de la teoriacutea de bandas en un soacutelido aislante la banda de valencia (BV)
y la banda de conductividad (BC) se encuentran separadas por una banda
prohibida de una energiacutea muy alta por lo que no es posible el salto del electroacuten
de la BV a la BC [102]) Por esta razoacuten los electrodos de diamante se dopan
con otros elementos con el fin de mejorar su conductividad eleacutectrica
Los electrodos de diamante dopados con boro (BDD) constituyen un material
semiconductor de ldquotipo prdquo (un material deldquo tipo prdquo se obtiene al introducir
huecos libres en la estructura quiacutemica del elemento figura 9) ya que el boro
presenta tres electrones en su banda de valencia y el carbono 4 por lo que se
genera un hueco libre en su estructura quiacutemica de esta manera se consigue
reducir su resistividad a la deacutecima parte 102 Ωcm [102] [103]
Otros electrodos de carbono destacables son los electrodos de carboacuten viacutetreo
que son muy utilizados en electroquiacutemica por ser electrodos inertes duros y
por presentar una resistencia eleacutectrica muy baja [104] [105]
45
Figura 9 Diamante dopado con boro Se representan los huecos introducidos por el boro
Dentro de los electrodos que se han explicado los BDDs son los materiales
maacutes destacables en el anaacutelisis electroquiacutemico debido a que algunas de sus
propiedades como su baja resistividad eleacutectrica y amplia ventana de potencial
los convierten en materiales de especial intereacutes en este campo
Cuando se utilizan estos materiales como electrodos de trabajo para obtener
una buena reproducibilidad del anaacutelisis se deben tener en cuenta los aspectos
descritos a continuacioacuten [106]
Cuando se utilizan finas peliacuteculas de BDD depositados en sustratos
conductores la limpieza de su superficie se tiene que realizar mediante
meacutetodos quiacutemicos y no mediante meacutetodos fiacutesicos (pulido mecaacutenico)
para no dantildear a la misma [106]
Antes de usarles en el anaacutelisis quiacutemico se lleva a cabo un pretratamiento
o limpieza de su superficie que contribuye a la mejora de sus
caracteriacutesticas quiacutemicas y fiacutesicas Por ejemplo puede llevarse a cabo
mediante meacutetodos electroquiacutemicos aplicando un potencial o corriente
eleacutectrica [106]
Los tratamientos demasiado fuertes (ej aplicar potencial o una
corriente elevada) pueden dantildear el material del electrodo afectando
negativamente a la reproducibilidad o al rendimiento del mismo
(aumento de la corriente de fondo) [106]
241 Electrodos BDD
Los electrodos BDD se caracterizan por ser materiales semiconductores con
importantes ventajas respecto a otros electrodos semiconductores por su
amplia ventana de potencial baja corriente de fondo alta estabilidad
electroquiacutemica por ser quiacutemicamente inertes y no toacutexicos [107] [102]
46
A continuacioacuten se describen de una manera maacutes precisa las caracteriacutesticas
nombradas
bull Amplia ventana de potencial La ventana de potencial constituye el
intervalo donde se llevan a cabo las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten
de las especies quiacutemicas por lo que los analitos deben ser
electroactivos dentro de este intervalo [108]
La ventana de potencial que ofrece el diamante permite distinguir
reacciones a potenciales altos y bajos [109] Por ejemplo la reaccioacuten
del oxiacutegeno a 225 V y del hidroacutegeno a -11V se puede distinguir en los
electrodos BDD mientras que en otros electrodos como el grafito el
carboacuten viacutetreo el oro o el platino no se puede apreciar [110]
bull Estabilidad electroquiacutemica El diamante se forma por hibridacioacuten sp3
mediante un enlace sigma que une a los aacutetomos de carbono La
fortaleza de este enlace le confiere al diamante una gran estabilidad
electroquiacutemica [102]
bull Baja corriente de fondo En electroquiacutemica la corriente de fondo se
refiere a las reacciones de electroacutelisis debidas a las impurezas
presentes en la solucioacuten electroacutelisis del analito electroacutelisis del material
del electrodo y la corriente capacitiva Las tres primeras son corrientes
faraacutedicas debidas a la reacciones quiacutemicas que tienen lugar en el
electrodo mientras que la corriente capacitiva se debe al
comportamiento de la celda electroquiacutemica como un condensador
(interfaz entre el electrodo y la solucioacuten) [111] [112]
La corriente de fondo generalmente es indeseable excepto la referida a
la corriente generada por el analito Los electrodos BDD presentan una
corriente de fondo pequentildea esta propiedad es de gran intereacutes en
electroquiacutemica ya que permite llevar a cabo un anaacutelisis maacutes sensible
ademaacutes de conseguir liacutemites de deteccioacuten maacutes bajos [111] [112]
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD
Dado a la repercusioacuten que tiene el meacutetodo de fabricacioacuten de los electrodos BDD
en el anaacutelisis electroquiacutemico se han investigado varios meacutetodos para su
obtencioacuten
47
El meacutetodo maacutes empleados para la siacutentesis de BDDs es el proceso de deposicioacuten
quiacutemica de vapor (CVD) Este meacutetodo permite controlar la presencia de
impurezas de grafito que pudiese haber en el electrodo y que pudieran
repercutir negativamente en el anaacutelisis electroquiacutemico causando un aumento
de la corriente de fondo y una disminucioacuten de la ventana de potencial del
electrodo BDD Dentro de este meacutetodo se emplean distintos sustratos para la
deposicioacuten de los BDDs entre los maacutes empleados destacan los sustratos
metaacutelicos (Ti Mo y W) y los sustratos de materiales ceraacutemicos como el silicio
[106] [107] [110]
La deposicioacuten quiacutemica de vapor a altas temperaturas y presiones (HTHP)
constituye otra de las formas para obtener polvo de diamante dopado con boro
compacto A pesar de que este proceso permite obtener BDDs con
caracteriacutesticas similares a la deposicioacuten quiacutemica de vapor es un proceso que
se lleva a cabo en condiciones de presioacuten y temperatura maacutes restrictivas por lo
que es una teacutecnica menos utilizada para la obtencioacuten de este tipo de electrodos
[107]
25 Sensores basados en nanomateriales
Con el desarrollo de la nanotecnologiacutea en el campo del anaacutelisis sensorial se
han podido introducir nanomateriales que mejoran en gran medida el
comportamiento de los sensores electroquiacutemicos Debido a la importancia que
esto supone la modificacioacuten de sensores con superficies nanoestructuradas
ha representado el epicentro de estudio de un gran nuacutemero de grupos de
investigacioacuten
En los uacuteltimos antildeos se han modificado sensores electroquiacutemicos con
nanotubos de carbono por sus caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica y
propiedades fiacutesicas y quiacutemicas [64] Se han sintetizado sensores MIP
modificados con nanopartiacuteculas de oro con objeto de mejorar la intensidad de
corriente alcanzada por el sensor [85] Tambieacuten se han empleado nanohilos
metaacutelicos para mejorar el rendimiento del sensor incrementando su aacuterea
efectiva [98]
La plata por si sola representa uno de los metales con mejores caracteriacutesticas
de conductividad eleacutectrica y teacutermica [113] Por esta razoacuten los nanomateriales
basados en dicho metal son de gran intereacutes en la industria de la
nanotecnologiacutea En concreto los nanohilos de plata (AgNWs) constituyen uno
de los nanomateriales maacutes interesantes ya que presentan excelentes
propiedades que les convierten en materiales muy adecuados para el
desarrollo de los sensores electroquiacutemicos [114] [115] [116] [117]
48
Wagner se considera uno de los primeros desarrolladores de los electrodos
semiconductores basados en nanohilos de diferentes materiales En 1964
sintetizoacute microhilos de silicio utilizando el oro como catalizador del proceso
mediante meacutetodos de vapor-liacutequido-soacutelido (VLS) a traveacutes de los cuales
consiguioacute sintetizar nanoestructuras por deposicioacuten quiacutemica de vapor En 2001
se lograron sintetizar los primeros AgNWs a traveacutes del mismo proceso [118]
Desde este momento en la primera deacutecada de SXXI se han realizado nuacutemeros
estudios dedicados a la obtencioacuten de AgNWs teniendo en cuenta que su
tamantildeo forma y estructura son paraacutemetros que determinan sus propiedades
[113] [119] [120]
251 Los nanohilos de plata (AgNWs)
Los AgNWs son nanoestruras consideradas de una dimensioacuten (1D) que cuentan
con una largura mucho mayor a su diaacutemetro generalmente el diaacutemetro variacutea
entre 10 - 200 nm y su longitud puede variar entre 5 - 100 μm [113] [120]
Gracias a su configuracioacuten exhiben propiedades extraordinarias como son
[121]
bull Transparencia oacuteptica y conductividad eleacutectrica El empleo de AgNWs
como conductores transparentes representa un futuro prometedor su
importancia en este campo radica en su propiedades como son su
elevada conductividad sus propiedades oacutepticas y su sencillez de
obtencioacuten junto con el bajo coste de preparacioacuten [121] [122] [123]
bull Flexibilidad los AgNWs presentan una estructura cuacutebica centrada en las
caras (FCC) que les proporciona una alta flexibilidad y resistencia a la
traccioacuten [124] La fabricacioacuten de dispositivos electroacutenicos flexibles
constituye uno de los campos en los que maacutes se ha investigado en los
uacuteltimos antildeos siendo la flexibilidad de los AgNWs (entre otras
propiedades) lo que hace que puedan ser empleados en dispositivos
electroacutenicos que pueden ser curvados Por ello se han incorporado en
ceacutelulas solares y TCF (peliacuteculas teacutermicas conductoras transparentes)
[121]
bull Aacuterea efectiva los AgNWs presentan un relacioacuten LongitudDiaacutemetro
elevada lo que hace que tengan una gran superficie en comparacioacuten al
volumen que ocupan [125] Esta caracteriacutestica es importante porque
influye en las propiedades conductoras y oacutepticas de eacutestos Se ha
49
demostrado que en los AgNWs de diaacutemetros superiores a 50 nm
cuanto mayor es su diaacutemetro mayor es su conductividad Por el
contrario en AgNWs cuyos diaacutemetros son inferiores a 20 nm cuaacutento
menor es el diaacutemetro mejores son sus propiedades conductoras y
oacutepticas [126]
bull Confinamiento cuaacutentico el confinamiento cuaacutentico tiene lugar cuando
el tamantildeo del nanocristal es muy pequentildeo en comparacioacuten con la
longitud de onda de un electroacuten por lo que se dice que los electrones
se encuentran encerrados en un espacio cuaacutentico ocupando diferentes
niveles de energiacutea a los que ocupariacutean en el mismo material de tamantildeo
macromolecular Este fenoacutemeno hace que las propiedades oacutepticas y
eleacutectricas sean diferentes en comparacioacuten a las que tendriacutea el material
a una escala superior [127]
bull Efecto cataliacutetico se ha demostrado que el empleo de nanoestructuras
como AgNWs mejoran la transferencia electroacutenica de poliacutemeros de
mala conductividad eleacutectrica Tambieacuten actuacutean como mediadores
electroacutenicos mejorando la transferencia de electrones de la solucioacuten al
electrodo [64] [128]
bull Resonancia de plasmoacuten superficial es el fenoacutemeno que tiene lugar
cuando los electrones que estaacuten situados en la capa superficial de un
metal son excitados por los fotones de un haz de luz y despueacutes se
propagan paralelamente a lo largo de la superficie del metal [129] Los
AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso que se puede
apreciar en la banda de absorcioacuten UV- VIS lo que permite estudiar las
propiedades oacutepticas de dichos materiales [130]
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs
Los AgNWs constituyen nanomateriales de gran importancia en la siacutentesis de
sensores nanoestructurados En concreto su utilizacioacuten en sensores
electroquiacutemicos representa uno de sus principales campos de aplicacioacuten
debido a que ciertas de sus propiedades (conductividad aacuterea efectiva entre
otras) les convierten en materiales predilectos para el desarrollo de los mismos
[131] Por ello son varios los estudios dedicados a la integracioacuten de estas
nanoestructuras para la deteccioacuten de compuestos de intereacutes
50
El equipo de investigacioacuten de X Gao et al llevaron a cabo el desarrollo de un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) en la
leche de vaca La deteccioacuten de dicho producto es muy importante dentro de la
industria alimentaria y en concreto en el sector laacutecteo Su presencia se debe a
que es una sustancia muy empleada para el control del desarrollo bacteriano
en productos laacutecteos sin embargo a elevadas concentraciones puede causar
dantildeos en el organismo El sistema de medida desarrollado por el equipo de
investigacioacuten contaba con un electrodo de trabajo de carboacuten vitreo que se
modificoacute depositando AgNWs a traveacutes de ldquodrop coatingrdquo sobre la superficie del
electrodo finalmente mediante la misma teacutecnica depositaron una solucioacuten de
chitosaacuten utilizada como soporte para los AgNWs El comportamiento del sensor
frente a la deteccioacuten del H2O2 fue evaluado a traveacutes de teacutecnicas
electroquiacutemicas como la amperometriacutea en muestras de leche donde se
demostroacute una gran sensibilidad del sensor debido principalmente a la
capacidad electroliacutetica aacuterea efectiva y conductividad eleacutectrica que
proporcionaron los AgNWs [114]
J Turan et al llevaron a cabo el desarrollo de un biosensor modificado con
AgNWs para la deteccioacuten de plaguicidas como el paraoxoacuten que pueden estar
presente en la leche (muchos plaguicidas acaban en productos de consumo
diario debido a que forman parte de la cadena alimentaria de los animales) El
sistema de medida basado en meacutetodos de transduccioacuten amperomeacutetricos
contaba con un electrodo de trabajo de grafito modificado con AgNWs la
enzima que cataliza los procesos redox del compuesto de intereacutes
(butirilcolinesterasa) y un poliacutemero conductor que sirve de soporte para dicha
enzima El comportamiento del sensor fue evaluado mediante amperometriacutea a
traveacutes de la inmersioacuten del electrodo en muestras de leche con paraoxoacuten El
equipo concluyoacute que la presencia de los AgNWs a una concentracioacuten especiacutefica
junto con el poliacutemero conductor contribuiacutea a mejorar la sensibilidad
selectividad y estabilidad de la enzima en el electrodo [115]
Por su repercusioacuten en el presente trabajo tambieacuten es de intereacutes sentildealar el
desarrollo de electrodos que han sido modificados con AgNWs y que se han
empleado para la deteccioacuten de azuacutecares V H Luan et al desarrollaron un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de glucosa analito de gran intereacutes en
la industria alimentaria y en medicina El sistema sensor contaba con un
electrodo de trabajo de carboacuten viacutetreo modificado con AgNWs y grafeno La
sensibilidad del sensor fue evaluada a traveacutes de amperometriacutea en este estudio
se concluyoacute que los AgNWs combinados con el grafeno mejoraban
significativamente la sensibilidad del mismo debido a su actividad
electrocataliacutetica [116]
Finalmente un biosensor elaborado para la monitorizacioacuten de glucosa fue
fabricado por X Jang et al El equipo de investigacioacuten obtuvo un sensor para la
51
monitorizacioacuten de glucosa a traveacutes de la deteccioacuten de H2O2 (la enzima glucosa
oxidasa con oxiacutegeno genera peroacutexidos) cuyo funcionamiento se evaluoacute
mediante voltametriacutea ciacuteclica El sistema sensor contaba con un electrodo de
trabajo de carboacuten vitreo modificado con AgNWs los cuales funcionaron como
agentes electrocataliacuteticos de los procesos de reduccioacuten del H2O2 que teniacutean
lugar en la celda electroliacutetica Los AgNWs mejoraron la transferencia electroacutenica
de los electrones de la solucioacuten al electrodo y demostraron una mejora en la
intensidad de los picos catoacutedico mostrados en el voltamograma
correspondiente a los procesos de reduccioacuten del H2O2 [117]
2521 Siacutentesis de AgNWs
Existen una gran variedad de meacutetodos de obtencioacuten de AgNWs que se han ido
perfeccionando a lo largo de estos uacuteltimos antildeos ya que el meacutetodo de
fabricacioacuten influye en su organizacioacuten estructural y en su dimensioacuten Los
procesos de fabricacioacuten de AgNWs se pueden clasificar en meacutetodos fiacutesicos y
meacutetodos quiacutemicos
Los meacutetodos fiacutesicos se fundamentan en procesos de pulverizacioacuten mecaacutenica
los AgNWs obtenidos mediante este tipo de teacutecnicas no son uniformes y
presentan impurezas por lo que estos meacutetodos actualmente ya no se emplean
[121]
Los meacutetodos quiacutemicos se caracterizan por ser procesos relativamente sencillos
y aplicables a gran escala entre los maacutes destacados estaacuten el empleo de
plantillas el meacutetodo poliol o la fotorreduccioacuten por radiacioacuten ultravioleta entre
otros procesos [121]
Entre los meacutetodos descritos el meacutetodo poliol destaca por ser un meacutetodo
sencillo de bajo coste y muy eficiente Por estas razones esta teacutecnica
constituye uno de los procesos maacutes utilizados para la siacutentesis de AgNWs [121]
bull Meacutetodo poliol
Un poliol es un compuesto orgaacutenico que presenta varios grupos hidroxilo el
poliol empleado por excelencia en la siacutentesis de AgNWs es el etilenglicol (EG)
El meacutetodo poliol consiste en llevar a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten de una sal
metaacutelica mediante la aplicacioacuten de calor en presencia de un poliol [120]
52
En este proceso se utiliza un agente reductor un solvente un agente precursor
y una sal El EG presenta una funcioacuten doble por un lado actuacutea como reductor
y por otro lado actuacutea como disolvente La polivinilpirrolidona (PVP) se utiliza
como agente de recubrimiento para controlar el crecimiento anisoacutetropo de los
aacutetomos de plata y ademaacutes evita que se formen agregados de nanopartiacuteculas
(NPs) Por uacuteltimo el nitrato de plata (AgNO3) es el agente precursor encargado
de proporcionar los iones de plata (Ag+) para la siacutentesis de AgNWs [121] [120]
En mayor detalle el meacutetodo poliol comienza con la reaccioacuten de reduccioacuten de
una sal metaacutelica (CuCl2) en presencia de glicolaldehiacutedo (GA) este compuesto
es un agente reductor obtenido de la reaccioacuten de oxidacioacuten del EG cuando se
alcanza una temperatura de reaccioacuten proacutexima a 160ordmC [121] A continuacioacuten
se antildeaden simultaacuteneamente la sal de AgNO3 y el PVP durante este momento
manteniendo la temperatura de reaccioacuten constante la velocidad de agitacioacuten
y la relacioacuten molar [PVP AgNO3] antildeadida se puede controlar un mecanismo de
formacioacuten homogeacuteneo de los AgNWs [121]
El proceso de siacutentesis de AgNWs se puede seguir a simple vista debido a los
cambios de coloracioacuten que toma la disolucioacuten a medida que los AgNWs crecen
este fenoacutemeno es debido a que las nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) presentes
en la solucioacuten absorben la radiacioacuten electromagneacutetica de una longitud de onda
cercana a 400 nm haciendo que eacutesta adquiere un color amarillento [132]
El proceso de crecimiento de los AgNWs comienza a partir del mecanismo de
nucleacioacuten de los aacutetomos de plata (Ag0) presentes en la solucioacuten los cuales
proceden de la reaccioacuten de reduccioacuten de los iones Ag+ en presencia de EG
[113] Los Ag0 comienzan a nuclearse dando lugar a AgNPs de distintos
tamantildeos y morfologiacuteas Durante este momento la actuacioacuten del PVP es vital
para evitar que se formen agregados de las mismas [113] [120] [133]
A medida que evoluciona la reaccioacuten con los paraacutemetros de temperatura y
velocidad de agitacioacuten fijados como las AgNPs maacutes pequentildeas no son estables
(necesitan una energiacutea superficial mayor) comienzan a disolverse favoreciendo
el crecimiento de las AgNPs maacutes grandes siguiendo el proceso denominado
ldquomaduracioacuten de Ostwaldrdquo [113] Posteriormente gracias a la adsorcioacuten del PVP
sobre la superficie de los cristales que forman las AgNPs se promueve el
crecimiento anisotroacutepico de los mismos de manera que se produce la evolucioacuten
de las AgNPs maacutes grandes a nanobarras o ldquonanorodsrdquo (son otras estructuras
1D distintas de los AgNWs) Finalmente el crecimiento de las nanobarras da
lugar a la formacioacuten de los AgNWs durante esta etapa el PVP evita que los
AgNWs se agreguen [113] [120]
El resultado final es una disolucioacuten que contiene los AgNWs y una dispersioacuten
de las AgNPs maacutes grandes [97] Para la obtencioacuten pura de los AgNWs las NPs
53
se eliminan al finalizar el proceso de siacutentesis por medio de teacutecnicas de
centrifugacioacuten
Figura 10 Proceso de crecimiento de los AgNWs
En la figura 10 se muestran las 4 etapas que se corresponden con el
crecimiento de los cristales que forman los AgNWs En primer lugar la solucioacuten
estaacute formada por aacutetomos de plata Ag0 procedentes de la reaccioacuten de reduccioacuten
de los iones Ag+ en presencia de EG posteriormente se forman cristales de
geometriacutea pentagonal (nuacutecleos) que crecen en forma de nanobarras Este
fenoacutemeno es debido a que las moleacuteculas de PVP son adsorbidas y pasivan el
plano del cristal [100] de las AgNPs por lo que la fortaleza del enlace entre el
PVP y el plano cristalograacutefico [100] prioriza el crecimiento del cristal a lo largo
de la direccioacuten [111] formando nanobarras de una seccioacuten pentagonal
Finalmente tiene lugar el crecimiento de los AgNWs a lo largo de la direccioacuten
longitudinal [120] [134]
Figura 11 Representacioacuten de los planos cristalograacuteficos [111] y [100] de una ldquonanobarrardquo
El meacutetodo poliol puede presentar distintas variantes en funcioacuten de las
condiciones de siacutentesis empleadas es decir la utilizacioacuten de distintas sales
las concentraciones que se empleen la temperatura la velocidad de agitacioacuten
etc Dichas caracteriacutesticas afectan significativamente al proceso de obtencioacuten
54
de los AgNWs [120] [121] a continuacioacuten se describen los paraacutemetros maacutes
representativos que afectan a la formacioacuten y crecimiento de los AgNWs
Temperatura y tiempo de reaccioacuten
El poder de reduccioacuten del etilenglicol aumenta con la temperatura es decir la
reaccioacuten de oxidacioacuten del EG para dar lugar al GA se ve favorecida por las altas
temperaturas [113] [120] [121] Por esta razoacuten la temperatura del
mecanismo de reaccioacuten de la siacutentesis de los AgNWs generalmente se lleva a
cabo a 160ordmC durante 1h asiacute se consiguen obtener AgNWs de eleva longitud
[120] [121] Se ha comprobado que llevando a cabo el proceso de reaccioacuten a
temperaturas inferiores (100 ordmC) la longitud de los AgNWs disminuye y no llegan
a alcanzar el tamantildeo adecuado debido a que no se proporciona la energiacutea
suficiente para su crecimiento Por consiguiente sus propiedades se veriacutean
afectadas como por ejemplo se obtendriacutea un menor aacuterea efectiva o
disminuiriacutea la capacidad conductora de los AgNWs lo cual es indeseable [120]
Por otro lado cuando se alcanzan temperaturas maacutes elevadas (185ordmC) en la
reaccioacuten de oxidacioacuten para dar lugar a GA el producto de siacutentesis final del
meacutetodo polio seriacutean nanobarras en lugar de los AgNWs [121]
El tiempo de obtencioacuten de los AgNWs tambieacuten depende de la temperatura
Cuanto menor es la temperatura mayor es el tiempo requerido para que tenga
lugar la formacioacuten de los AgNWs ya que la reaccioacuten para dar lugar a GA no se
ve favorecida a temperaturas bajas [120] [121] Por esta razoacuten se ha
comprobado que trabajando a una temperatura de 160 ordmC los AgNWs alcanzan
su tamantildeo oacuteptimo en 1h [121]
Influencia de la Polivinilpirrolidona (PVP) y del nitrato de plata
(AgNO3)
La PVP es el poliacutemero empleado por excelencia como agente de recubrimiento
por sus buenos resultados [113] [120] [121] Su efectividad se asocia a la
presencia de determinados aacutetomos en su cadena polimeacuterica el nitroacutegeno y
oxiacutegeno que hacen que pueda ser adsorbido selectivamente sobre la superficie
de las AgNPs de esta manera ralentiza la tasa de crecimiento de las AgNPs y
favorece la formacioacuten de AgNWs [120][121] El AgNO3 es el agente que
proporciona los iones Ag+ por lo que la concentracioacuten que se antildeada tambieacuten
determinaraacute la forma de crecimiento de los AgNWs [121]
55
La concentracioacuten empleada de PVP es un factor vital que afecta directamente
a la morfologiacutea de los AgNWs ademaacutes no es un factor tratado de manera
independiente puesto que generalmente va ligado con la concentracioacuten del
AgNO3 empleada Es decir se busca un ratio molar [PVPAgNO3] que
proporcione los AgNWs con las caracteriacutesticas deseadas [121] Cuanto mayor
sea la concentracioacuten de PVP (mayor ratio manteniendo la concentracioacuten de
AgNO3 constante) se obtendraacuten AgNWs maacutes largos y de menor diaacutemetro [121]
Por otro lado cuanto mayor sea la concentracioacuten del AgNO3 se formaraacuten AgNWs
maacutes cortos y gruesos lo cual es indeseable por la obtencioacuten de AgNWs de
menor aacuterea efectiva [121]
El grado de polimerizacioacuten del PVP tambieacuten afecta significativamente a la
formacioacuten de AgNWs Largas cadenas del poliacutemero proporcionan AgNWs con
una relacioacuten LongitudDiaacutemetro mayor [120]
Influencia de la Sal metaacutelica empleada
La adiccioacuten de una sal metaacutelica es importante ya que su presencia afecta en la
morfologiacutea y al rendimiento de siacutentesis de los AgNWs En este paraacutemetro
difieren la mayoriacutea de los procesos de formacioacuten de AgNWs basados en el
meacutetodo poliol puesto que las sales que se pueden emplear son varias como el
NaCl KBr y CuCl CuCl2 [121]
Las sales que proporcionan los iones cloruro presentan importancia en la
morfologiacutea y formacioacuten de AgNWs Su intereacutes se debe a que son sustancias que
se coordinan con los nuacutecleos de plata evitando que se formen agregados de
Nps Dicho suceso es importante ya que constituye el mecanismo primario para
el crecimiento de las AgNPs [120]
El meacutetodo de adiccioacuten de los reactivos
El modo de adiccioacuten de los reactivos es un factor importante ya que afecta a la
formacioacuten de los AgNWs generalmente se puede llevar a cabo de dos maneras
diferentes La primera forma consiste en antildeadir los reactivos con una bomba
peristaacuteltica cuando se alcanza la temperatura de reaccioacuten deseada de esta
manera se controla el tamantildeo de los AgNWs mediante el ajuste de la velocidad
de la bomba La segunda forma consiste en mezclar todos los reactivos a
temperatura ambiente sin esperar a que el sistema alcance la temperatura de
reaccioacuten [120] Este uacuteltimo meacutetodo es el menos utilizado debido a que se
56
pueden formar agregados de los aacutetomos de plata lo cual es indeseable para la
formacioacuten de los AgNWs [120]
Agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten
La velocidad de agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten es un factor
importante ya que afecta a la morfologiacutea de los AgNWs Para comprobar su
efecto se han llevado a cabo estudios donde se variacutea la velocidad de agitacioacuten
para obtener un valor oacuteptimo Se ha comprobado que utilizando una velocidad
de agitacioacuten demasiado alta (500-700 rpm) el producto final obtenido son
nanobarras lo cual es indeseable ya que no se obtienen AgNWs Con
velocidades de agitacioacuten inferiores se obtienen AgNWs con una relacioacuten
LongitudDiaacutemetro elevada [133]
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs
El proceso de siacutentesis de los AgNWs afecta significativamente a su forma y
tamantildeo repercutiendo estos directamente en sus propiedades Debido a la
importancia que esto genera son varias las teacutecnicas empleadas para su
caracterizacioacuten entre ellas destacan la espectroscopiacutea de rayos-X de energiacutea
dispersiva o ldquoEnergy-Dispersive X-ray Spectroscopyrdquo (EDX) difraccioacuten de rayos-
X o ldquoX-ray Diffractionrdquo (DRX) microscopiacutea electroacutenica de barrido o ldquoScanning
Electron Microscopyrdquo (SEM) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten o ldquo
transmission electron miscroscoperdquo (TEM) microscopiacutea de fuerza atoacutemica o
ldquoAtomic force spectroscopyrdquo (AFM) y la espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta
visible o ldquo UV-VIS absorption spectrometryrdquo (UV-VIS) entre otras [135] [130]
En el presente trabajo de investigacioacuten se ha llevado a cabo un estudio de las
caracteriacutesticas morfoloacutegicas dimensionales y oacutepticas de los AgNWs
sintetizados Con el empleo del AFM se obtuvo informacioacuten de las
caracteriacutesticas dimensionales de los AgNWs por otro lado se emplearon
teacutecnicas oacutepticas de espectroscopiacutea UV-VIS para obtener informacioacuten sobre el
plasmoacuten de resonancia de los AgNWs Finalmente se utilizoacute la DRX para
realizar un anaacutelisis estructural de los AgNWs
En los apartados siguientes se lleva a cabo una descripcioacuten detallada de cada
una de las teacutecnicas empleadas
25221 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
57
El microscopio de fuerza atoacutemica es un instrumento donde se combina la
mecaacutenica y la oacuteptica estaacute formado por una punta muy fina que guarda una
estrecha distancia (nanomeacutetrica) con la superficie que va a recorrer La punta
se encuentra acoplada a un cantilever un soporte de un material
(generalmente) piezoeleacutectrico de una longitud del orden de microacutemetros Este
instrumento funciona como un muelle que se flexiona en funcioacuten de las fuerzas
de interaccioacuten entre la punta y la muestra [136] [137]
La imagen de la muestra se obtiene cuando la punta recorre su superficie de
manera que se establecen fuerzas de interaccioacuten entre la punta y eacutesta [136]
Estas fuerzas provocan la flexioacuten del cantilever que recorre la muestra
realizando un escaneo en un sistema de coordenadas tridimensional (x y z)
como se trata de un material piezoeleacutectrico presenta la capacidad de alargarse
o acortarse en funcioacuten del voltaje que reciba El movimiento del cantilever es
registrado por un haz laacuteser rojo que incide sobre eacuteste de manera que sus
desviaciones son refractadas sobre el cantilever hacia un fotodetector y la
informacioacuten es interpretada por un software proporcionando una imagen de la
muestra estudiada [136] [138]
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica presenta la gran ventaja de ser capaz de
obtener informacioacuten de la muestra sin la necesidad de que intervengan
meacutetodos eleacutectricos esto hace que se puedan utilizar una gran variedad de
muestras tanto conductoras como no conductoras Por ello la naturaleza de
la muestra es diversa pudiendo ser un soacutelido polvo muestras bioloacutegicas e
incluso se pueden emplear liacutequidos [138] Ademaacutes no requiere trabajar a vaciacuteo
como otras teacutecnicas de anaacutelisis instrumental y el tratamiento previo de la
muestra es miacutenimo o ninguno lo que hace que el AFM sea un instrumento muy
empleado en el anaacutelisis de nanomateriales [138]
A continuacioacuten en la figura 12 se muestra una imagen simplificada del
funcionamiento del AFM [138]
Figura 12 Esquema de funcionamiento de un Microscopio de fuerza atoacutemica
58
El modo de operar del AFM se basa en los siguientes modos de contacto entre
el cantilever y la muestra
bull Meacutetodo de contacto
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica por contacto directo es el mecanismo de
funcionamiento maacutes simple del microscopio En este meacutetodo la punta se
encuentra en contacto constante (muy suave) con la superficie de la muestra
de manera que las fuerzas que se dan por la interaccioacuten entre la punta y la
muestra son suficientes para alargar o comprimir el cantilever En este punto
pueden actuar tres tipos de fuerzas las fuerzas de Van der Waals son las
resultantes de la interaccioacuten entre la punta y la muestra Las fuerzas de
capilaridad (en el medio todos los materiales presentan una ligera peliacutecula de
agua) y por uacuteltimo las fuerza ejercida por el propio movimiento del cantilever
sobre la muestra [136] [139]
A pesar de que se trata de un meacutetodo sencillo presenta varias desventajas
como el ruido debido al contacto interferencias en los resultados por la
aparicioacuten de fuerzas no deseadas y el desgaste o posible destruccioacuten de la
punta [136]
bull Contacto intermitente (ldquotapping moderdquo)
La principal diferencia con respecto al anterior modo de funcionamiento es que
en este meacutetodo en lugar de arrastrar la punta se ejerce un contacto
intermitente que se puede controlar con tres paraacutemetros tiacutepicos de la oscilacioacuten
de una onda frecuencia amplitud y fase de la onda [136] El cantilever se hace
oscilar a una frecuencia fija y la amplitud se mantiene variable siendo el orden
de variacioacuten de decenas de nm Cuando la punta se acerca a la superficie se
ejercen fuerzas de interaccioacuten entre ambas cambiando los paraacutemetros de
oscilacioacuten del cantilever [136] La amplitud (relativamente amplia) que se le da
al sensor permite llevar a cabo este mecanismo de contacto intermitente por
este motivo recibe el nombre de AM-AFM (modulacioacuten de amplitud) [136]
Con este meacutetodo se reducen los efectos de friccioacuten en la punta se obtienen
medidas muy estables y ademaacutes permite obtener imaacutegenes de alta resolucioacuten
con una exactitud nanomeacutetrica [136] Por estas razones este modo de operar
constituye el meacutetodo maacutes utilizado y sobre el que se han implantado
59
importantes innovaciones tecnoloacutegicas En este contexto se ha incorporado al
microscopio un segundo laacuteser denominado ldquoblue driverdquo cuya actuacioacuten se
complementa con el laacuteser rojo inicial En este caso el movimiento del soporte
en el que se encuentra el cantilever no se debe a fenoacutemenos piezoeleacutectricos
sino que se produce por un calentamiento del cantilever a este fenoacutemeno se
le denomina excitacioacuten fototeacutermica El calentamiento provoca el movimiento
mecaacutenico del cantilever cuya frecuencia y amplitud de oscilacioacuten pueden ser
regulados con la potencia del laacuteser [140]
El blue drive proporciona imaacutegenes mucho maacutes raacutepidas precisas estables y
de mayor resolucioacuten de todo tipos de muestras tanto en medios soacutelidos como
en liacutequidos estas extraordinarias caracteriacutesticas le convierten en un
instrumento predilecto en el campo de la nanotecnologiacutea [140]
En el presente trabajo de investigacioacuten se contoacute con un AFM de estas
caracteriacutesticas gracias al cual se pudo llevar a cabo un estudio de la
morfologiacutea de los AgNWs
bull Meacutetodo de no contacto
En el meacutetodo de no contacto la punta no se arrastra sobre la muestra en
cambio se hace vibrar al cantilever en su frecuencia de resonancia fijaacutendole
una amplitud entre 1Aring hasta nanoacutemetros respecto de la muestra por ello
tambieacuten se denomina FM-AFM (modulacioacuten de frecuencia) [136] La distancia
nanomeacutetrica que mantiene separados la punta y la muestra es suficiente como
para que se establezcan fuerzas de repulsioacuten [136]
Otra de las ventajas que presenta la microscopiacutea de fuerza atoacutemica en el
anaacutelisis de materiales es que ademaacutes de obtener imaacutegenes proporciona
informacioacuten acerca de las caracteriacutesticas de fuerza de la muestra Las medidas
de fuerza se obtienen cuando la punta con la que se rastrea la muestra se
mantiene fija (meacutetodo de contacto) de manera que se puede extraer
informacioacuten uacutetil de las propiedades mecaacutenicas del material [141]
La informacioacuten se consigue mediante la representacioacuten graacutefica de la fuerza en
funcioacuten de la distancia a la muestra donde se tienen en cuenta las fuerzas de
repulsioacuten las cuales son debidas a una distancia muy proacutexima ente la punta y
la muestra y las fuerzas de atraccioacuten que tiene lugar cuando la punta se aleja
de la muestra [141] El resultado final es una graacutefica en forma de curva a partir
de la cual se obtiene informacioacuten de la dureza de un material [141]
60
25222 Teacutecnicas espectroscoacutepicas UV-VIS y DRX
La espectroscopiacutea es una teacutecnica de anaacutelisis instrumental que mide la
interaccioacuten de la materia con la radiacioacuten electromagneacutetica [142]
La radiacioacuten electromagneacutetica se puede explicar mediante dos teoriacuteas la teoriacutea
ondulatoria que establece que la luz se transmite describiendo ondas en el
espacio y la teoriacutea corpuscular la cual explica que la luz estaacute formada por
fotones La energiacutea de la radiacioacuten viene dada por la ecuacioacuten de Planck [143]
119864 = ℎ ∙ 119907 = ℎ ∙ 119888 ∙ 1120582
(5)
Ecuacioacuten 5 Ley de Planck
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull h es la constante de Planck (kg m2s)
bull v es la frecuencia (m-1)
bull 120582 es longitud de onda (m)
bull 119888 es la velocidad de la luz (ms)
La radiacioacuten comprende un espectro de diferentes longitudes de onda desde
frecuencias altas (ondas de radio) hasta frecuencias muy bajas (rayos gamma)
Cuando esta energiacutea incide sobre la materia la radiacioacuten sufre diferentes
procesos absorcioacuten transmisioacuten reflexioacuten refraccioacuten y dispersioacuten [144]
Existen diferentes teacutecnicas en funcioacuten de los procesos que sufre la luz como
son la espectroscopiacutea de absorcioacuten (radiacioacuten absorbida por la muestra) la
espectroscopiacutea de emisioacuten (radiacioacuten que emite una muestra al ser excitada) o
los meacutetodos de fluorescencia (radiacioacuten que emite la muestra cuando ha sido
excitada por radiacioacuten electromagneacutetica) [145]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten se basa en las leyes de la transmitancia y
absorbancia La transmitancia (T) es un paraacutemetro fiacutesico que indica la parte de
la energiacutea que ha sido transmitida y que es detectada por el detector una vez
61
la radiacioacuten haya atravesado la disolucioacuten La absorbancia (A) indica la
cantidad de luz absorbida por la muestra [146]
La transmitancia de una sustancia se obtiene a partir de la Ley de la
transmitancia expresada como [146]
119879 = 119868119879 119868119874
( 6)
Ecuacioacuten 6 Ley de la Transmitancia
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull IT es la cantidad de energiacutea transmitida al receptor una vez ha
atravesado la muestra
bull I0 es la cantidad de energiacutea que incide sobre la muestra
La absorbancia (A) de una sustancia se calcula a traveacutes de la transmitancia
mediante la siguiente expresioacuten [146]
119860 = 119897119900119892 (1
119879)
(7)
Ecuacioacuten 7 Caacutelculo de la absorbancia
-Espectroscopiacutea Ultravioleta-Visible (UV-VIS)
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS es una de las teacutecnicas de anaacutelisis maacutes
empleadas debido a que sus mediciones espectroscoacutepicas son muy sensibles
y no destructivas ademaacutes requiere de pequentildeas cantidades de muestra para
llevar a cabo un anaacutelisis quiacutemico [142]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS se basa en la absorcioacuten de la radiacioacuten
ultravioleta visible cuando un haz de luz atraviesa la solucioacuten en la que se
encuentra el analito La regioacuten espectral de la radiacioacuten ultravioleta visible
comprende una pequentildea regioacuten de todo el espectro electromagneacutetico donde
la luz visible alcanza las longitudes de onda entre 400 nm y 780 nm y el
ultravioleta la regioacuten entre 195 nm - 400 nm [143] [144]
62
Figura 13 Espectro electromagneacutetico correspondiente a las longitudes de onda de la regioacuten UV-VIS
La regioacuten visible es aquella parte de la radiacioacuten electromagneacutetica que puede
ser percibida por el ojo humano y gracias a ella se puede apreciar el color que
presenta una disolucioacuten [146] [147]
La regioacuten ultravioleta es una regioacuten de energiacutea muy alta y se corresponde con
una parte del espectro muy importante en el estudio y cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos Debido a que los compuestos quiacutemicos con enlaces
dobles triples enlaces peptiacutedicos compuestos aromaacuteticos y heteroaacutetomos
(aacutetomos que no son ni carbono ni hidroacutegeno) presentan sus maacuteximos de
absorbancia en dicha regioacuten [147]
El espectro de la regioacuten ultravioleta comprende las siguientes regiones
ultravioleta cercano o UV-A (es la regioacuten maacutes proacutexima a la regioacuten del espectro
visible su energiacutea de radiacioacuten fluctuacutea entre 315 nm y 400 nm) UV lejano o
UV-B (presenta un rango de radiacioacuten entre 280 nm y 315 nm) UV extremo o
UV-C (presenta un rango de radiacioacuten entre 100 nm y 280 nm) y finalmente el
UV de vaciacuteo ( es la regioacuten del espectro UV que presenta un intervalo de longitud
de onda menor comprendido entre 200 nm y 10 119899119898) [148]
El meacutetodo de absorcioacuten UV-VIS se basa en la incidencia de la radiacioacuten
electromagneacutetica con una determinada longitud de onda sobre la muestra
parte de la energiacutea es absorbida lo que provoca transiciones electroacutenicas entre
diferentes niveles energeacuteticos Debido a ello el aacutetomo que absorbe la radiacioacuten
pasa de su estado fundamental a un estado excitado de mayor energiacutea y
transcurrido un tiempo retorna a su estado energeacutetico basal (estado de menor
energiacutea) emitiendo radiacioacuten [144]
En la figura 14 se muestran las transiciones electroacutenicas que tienen lugar en la
regioacuten del espectro UV-VIS Estas transiciones se producen desde la banda de
valencia donde se encuentran los electrones hasta una nivel de energiacutea
superior [149]
63
Figura 14 Orbital molecular de la banda de valencia y transiciones electroacutenicas
Las transiciones electroacutenicas que pueden tener lugar son
bull σ rarr σ la transicioacuten del orbital sigma al orbital sigma antienlazante la
presentan la gran mayoriacutea de compuestos orgaacutenicos e implica una gran
cantidad de energiacutea e intensidad Estas transiciones se producen en la
regioacuten del UV de vaciacuteo y la regioacuten del UV lejano [149]
bull n rarrσ la transicioacuten electroacutenica del orbital molecular n al orbital σ se
da en compuestos que tienen heteroaacutetomos (los maacutes comunes son O
N S y haloacutegenos) a una longitud de onda de 200 nm Los compuestos
con azufre y yodo dan maacuteximos de absorbancia en la regioacuten UV-cercano
[149]
bull 120645 rarr 120645 lowast estos orbitales moleculares se encuentran en moleacuteculas que
presentan enlaces muacuteltiples como alquenos alquinos o compuestos
aromaacuteticos La transicioacuten electroacutenica del orbital 120645 al orbital 120645 lowast se puede
apreciar en la regioacuten del UV-lejano Tambieacuten hay compuestos que
pueden dar bandas de absorcioacuten en el UV-cercano si el compuesto
orgaacutenico presenta una insaturacioacuten conjugada (compuestos como el
fenol o furano) [149]
bull 119951 rarr 120645 lowast las transiciones electroacutenicas del orbital n al orbital 120645 lowast tienen
lugar en compuestos insaturados con heteroaacutetomos y se producen en
sustancias que dan bandas de absorcioacuten en la regioacuten del UV cercano
[149]
64
Cuando se lleva a cabo el anaacutelisis de la muestra por espectroscopiacutea de
absorcioacuten UV-VIS hay que tener en cuenta el tipo de celda en la que se introduce
la muestra Generalmente se utilizan cubetas de base cuadrada siendo dos de
sus paredes transparentes a la radiacioacuten en el rango de longitudes de onda en
el que se trabaje (ya que la luz atravesaraacute estas paredes) por ello el material
empleado en espectroscopiacutea UV suele ser el cuarzo [150]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS generalmente se lleva a cabo con la
especie quiacutemica disuelta en un disolvente Calculando la cantidad de energiacutea
absorbida o transmitida por la muestra se puede obtener la concentracioacuten de
analito presente en la solucioacuten a traveacutes de la ley de Lambert-Beer (ecuacioacuten 8)
Dicha ley relaciona la cantidad de energiacutea que ha sido absorbida con la
concentracioacuten de analito que hay en la muestra [146]
119860 = 휀 ∙ 119888 ∙ 119897
(8)
Ecuacioacuten 8 Ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [145]
bull A es la absorbancia y es un paraacutemetro adimensional
bull 휀 es el coeficiente de extincioacuten molar o absortividad Es caracteriacutestico
de cada sustancia y se corresponde con la cantidad de energiacutea que
absorbe una sustancia a una longitud de onda determinada por unidad
de concentracioacuten (119872minus1 ∙ 119888119898minus1)
bull 119888 es la concentracioacuten molar del analito en la muestra (M)
bull l es el camino oacuteptico anchura de la ceacutelula que contiene a la disolucioacuten
(cm)
A traveacutes de la ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer se deduce que la absorbancia
depende del nuacutemero de moleacuteculas que hay en la muestra por lo que cuanto
mayor es su concentracioacuten mayor es la interaccioacuten de la luz con eacutestas Del
camino oacuteptico cuanto mayor es la distancia que recorre la luz a traveacutes de la
muestra mayor es la interaccioacuten con eacutesta De la naturaleza quiacutemica de la
muestra y finalmente tambieacuten depende de la intensidad y de la longitud de
onda de la radiacioacuten electromagneacutetica que incida sobre la muestra [143]
[146]
65
La ley de Lambert-Beer se cumple uacutenicamente para disoluciones diluidas a
concentraciones elevadas la disolucioacuten deja de comportarse de manera ideal
Esto supone que el coeficiente de extincioacuten molar (ε) variacutee con la concentracioacuten
debido a fenoacutemenos asociados con la dispersioacuten de la luz agregaciones de
sustancia etc En consecuencia la relacioacuten entre la absorbancia y la
concentracioacuten deja de tener un comportamiento lineal tal y como se muestra
en la figura 15 [146] [151]
Figura 15 A Recta de la ecuacioacuten de la Ley de Lambert-Beer y B representacioacuten de las desviaciones de la ley de Lambert- Bee
La espectroscopiacutea UV-VIS ha sido muy utilizada en el anaacutelisis cualitativo y
cuantitativo por su sencillez y utilidad En el anaacutelisis cualitativo se usa para la
determinacioacuten y caracterizacioacuten de biomoleacuteculas ya que la longitud de onda a
la que una sustancia puede absorber es una propiedad caracteriacutestica de cada
grupo funcional En el anaacutelisis cuantitativo se usa en la cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos e inorgaacutenicos ya que proporciona una alta sensibilidad
y buena precisioacuten [152]
En el campo de la nanotecnologiacutea dicha teacutecnica constituye una herramienta
muy valiosa para identificar caracterizar y estudiar nanomateriales debido a
que las nanopartiacuteculas o nanohilos de ciertos metales presentan propiedades
oacutepticas sensibles a su tamantildeo y forma [153] Cuando un haz de luz incide sobre
ellos interactuacutean con la radiacioacuten emitiendo a una determinada longitud de
onda dando lugar a fenoacutemenos oacutepticos de intereacutes [153] Por ejemplo las
resonancias de plasmoacuten superficial son fenoacutemenos dependientes de la
geometriacutea de los nanomateriales y se producen en respuesta a una excitacioacuten
electromagneacutetica que incide sobre ellos [154]
Los AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso en la regioacuten UV-
VIS y debido a la repercusioacuten que tienen sus caracteriacutesticas morfoloacutegicas en
sus propiedades se han realizado estudios donde se ha comprobado que en
66
funcioacuten de la morfologiacutea de los AgNWs el plasmoacuten de resonancia variacutea [154]
Se ha demostrado que en AgNWs con una seccioacuten pentagonal se obtiene un
plasmoacuten de resonancia formado por dos bandas de absorcioacuten bien
diferenciadas en longitudes de onda proacuteximas a 361 nm (maacutes intenso) y 345
nm (menos intenso) En cambio en AgNWs con una seccioacuten circular el espectro
tiene una sola banda de absorcioacuten Finalmente en el anaacutelisis del espectro de
los AgNWs con una seccioacuten triangular se obtienen 3 bandas de absorcioacuten [154]
Por consiguiente el plasmoacuten de resonancia obtenido a partir de espectroscopiacutea
UV-VIS resulta de gran intereacutes en el estudio de ciertos nanomateriales como
los AgNWs ya que se puede relacionar con las caracteriacutesticas morfoloacutegicas de
los mismos
-Difraccioacuten de rayos-X (DRX)
La difraccioacuten de rayos-X es una de las teacutecnicas de anaacutelisis instrumental maacutes
empleadas para la caracterizacioacuten de materiales pues aporta informacioacuten
sobre sus caracteriacutesticas estructurales (estructura orientacioacuten de los cristales
grado de cristalinidad defectos en la estructura cristalina etc) y de su
composicioacuten quiacutemica Su mayor importancia en la nanotecnologiacutea radica en
que permite caracterizar de manera no destructiva los nanomateriales a
traveacutes de un estudio de la cristalinidad de su estructura [155] [156]
La teacutecnica DRX consiste en la emisioacuten de una radiacioacuten electromagneacutetica
filtrada de esta manera se consigue un haz de luz monocromaacutetico dirigido
hacia la muestra Los picos del espectro obtenidos son consecuencia de la
interaccioacuten producida entre los rayos-X que inciden y la muestra lo que da lugar
a la refraccioacuten de un haz de luz que uacutenicamente tiene lugar cuando se cumple
la ley de Bragg [155] [156]
La ley de Bragg (ecuacioacuten 9) relaciona la longitud de onda de los rayos-X con el
aacutengulo del haz refractado y el espacio interplanar de la muestra [155]
119899 ∙ 120582 = 2 ∙ 119889 ∙ 119904119890119899(120579)
(9)
Ecuacioacuten 9 Ley de Bragg
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [155]
67
bull n es un nuacutemero entero
bull 120582 es la longitud de onda de los rayos-X que inciden sobre la muestra
bull 119889 es el espacio comprendido entre las filas de aacutetomos
bull 120579 es el aacutengulo que los rayos-X forman con el plano de las filas de aacutetomos
El espectro de difraccioacuten que se obtiene es caracteriacutestico de cada compuesto
lo que permite el anaacutelisis cualitativo de sustancias quiacutemicas En este proceso
se compara el patroacuten obtenido del espectro con patrones conocidos de esta
manera se puede lograr la determinacioacuten estructural de muestras cuya
composicioacuten es desconocida [155] Por esta razoacuten la teacutecnica DRX es de gran
utilidad en el campo de la nanotecnologiacutea ya que puede ser empleada para
caracterizar la estructura de nanomateriales mediante su excitacioacuten por rayos-
X
Los AgNWs presentan un patroacuten de difraccioacuten de rayos-X muy caracteriacutestico que
es utilizado para estudiar su estructura y cristalinidad ya que a traveacutes de eacutel se
obtiene informacioacuten de la orientacioacuten cristalograacutefica de los cristales que
componen dichos nanomateriales Generalmente los AgNWs presentan
espectros de difraccioacuten en los planos cristalograacuteficos [111] [200] [220] [311]
y [222] donde la intensidad de cada uno de ellos dependeraacute de la orientacioacuten
de los cristales que los compongan [157]
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas
La electroquiacutemica es la rama de la quiacutemica y la fiacutesica que estudia la relacioacuten
entre las caracteriacutesticas eleacutectricas y los cambios quiacutemicos que se producen en
una solucioacuten Esta teacutecnica es empleada en una gran variedad de campos
dentro de los cuales destacan el diagnoacutestico cliacutenico el anaacutelisis ambiental y el
control de calidad en la industria alimentaria [158] Actualmente y por su
implicacioacuten en el presente trabajo cabe destacar la vinculacioacuten que se ha
establecido entre el campo de la electroquiacutemica y la nanotecnologiacutea estaacute
combinacioacuten ha contribuido al desarrollo de nuevos sensores electroquiacutemicos
como son los MIPs con propiedades conductoras [159]
Un proceso electroquiacutemico implica un intercambio de electrones entre el
electrodo y la especie que se encuentra en la solucioacuten consecuencia de los
procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda electroquiacutemica
68
(en una reaccioacuten de oxidacioacuten la especie pierde electrones mientras que en un
proceso de reduccioacuten gana electrones)
La celda electroquiacutemica se puede clasificar en dos tipos de celda en funcioacuten de
coacutemo tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten Si se produce una
reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea que genera un flujo de corriente eleacutectrica se
denomina celda galvaacutenica Por el contrario si se emplea una fuente externa
(por ejemplo un potenciostato) que proporciona electricidad para provocar la
reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten de una especie se denomina celda
electroliacutetica En ambas celdas la oxidacioacuten tiene lugar en el aacutenodo y la
reduccioacuten tiene lugar en el caacutetodo por lo que la reaccioacuten de oxidacioacuten-
reduccioacuten da lugar a una diferencia de potencial entre el sistema de electrodos
que puede ser medida obtenieacutendose asiacute informacioacuten uacutetil sobre los procesos
electroquiacutemicos [100] [160]
La ecuacioacuten de Nernst (ecuacioacuten 10) es la ecuacioacuten por excelencia para
estudiar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda
electroquiacutemica Relaciona el potencial (tambieacuten llamado fuerza electromotriz)
producido en la celda con el potencial normal tabulado y la actividad de las
especies quiacutemicas en la solucioacuten [100]
119864 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865∙ 119871119899 119896
(10)
Ecuacioacuten 10 Ecuacioacuten de Nerst
Donde los teacuterminos de la ecuacioacuten son [100]
bull E es el potencial que tiene lugar en la celda electroquiacutemica y es el
resultado de la suma de los potenciales entre el caacutetodo por la reaccioacuten
de reduccioacuten y el aacutenodo por la reaccioacuten de oxidacioacuten de las especies
quiacutemicas que participan en la actividad redox
119864 = 119864119888aacute119905119900119889119900 + 119864aacute119899119900119889119900
(11)
Ecuacioacuten 11 Ecuacioacuten del potencial resultante de una celda electroquiacutemica
bull E0 potencial estaacutendar de una reaccioacuten quiacutemica
bull R constante universal de los gases ideales (831 Jmol ordm K)
69
bull T temperatura (ordmK)
bull n moles de electrones que se transfieren en el proceso de oxidacioacuten-
reduccioacuten
bull F constante de Faraday (96500 Cmol de electrones)
bull K constante de equilibrio termodinaacutemica Se define como el cociente
de los productos de las sustancias que participan en la actividad de
oxidacioacuten-reduccioacuten elevados a sus coeficientes estequiomeacutetricos
Para una reaccioacuten quiacutemica geneacuterica
119886119860 + 119887119861 + harr 119888119862 + 119889119863+
(12)
Ecuacioacuten 12 Reaccioacuten quiacutemica general de un proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten
La constante K se calcula como
119870 = [119862]119888 ∙ [119863]119889
[119860]119886 ∙ [119861]119887
(13)
Ecuacioacuten 13 Ecuacioacuten de la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde los paraacutemetros de la reaccioacuten [A] [B] [C] y [D] son las
concentraciones molares de los reactivos y productos que intervienen
en el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten Los paraacutemetros a y b son los
coeficientes estequiomeacutetricos de los reactivos [A] y [B] respectivamente
c y d son los coeficientes estequiomeacutetricos de los productos [C] y [D]
respectivamente
El potencial de la celda se puede relacionar con la energiacutea libre de Gibbs
mediante la siguiente expresioacuten [100]
∆119866 = minus 119882 = minus119899 ∙ 119865 ∙ 119864
(14)
Ecuacioacuten 14 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs
70
La energiacutea libre de Gibbs (∆119866) indica la espontaneidad del proceso de
oxidacioacuten-reduccioacuten y se define como la maacutexima cantidad de trabajo (W) que
puede extraerse de un sistema Un proceso electroquiacutemico seraacute reversible si
∆119866 lt 0 por el contrario un proceso electroquiacutemico seraacute irreversible si ∆119866 gt 0
[100]
Ademaacutes la constante K se relaciona con el cambio de la energiacutea libre de Gibbs
mediante la expresioacuten de la ecuacioacuten 15
∆119866 = ∆1198660 + 119877 ∙ 119879 ∙ 119897119899 119870
(15)
Ecuacioacuten 15 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs relacionada con la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde ∆119866ordm se corresponde con el incremento de la energiacutea libre de
Gibbs medida en condiciones normales
Las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que se producen como consecuencia de
aplicar un potencial eleacutectrico o una corriente a traveacutes de un potenciostato en
una celda electroliacutetica tienen lugar entre un sistema de electrodos que puede
presentar diferentes configuraciones
Las celdas electroliacuteticas que presentan un sistema de dos electrodos (electrodo
de referencia y electrodo de trabajo) pueden medir la diferencia de potencial
existente entre ambos Sin embargo las celdas electroliacuteticas maacutes empleadas
utilizan una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de referencia electrodo
de trabajo y electrodo auxiliar) ya que por medio de esta configuracioacuten se puede
controlar la peacuterdida de carga que sufre el sistema El dispositivo que mide la
diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia
presenta una elevada impedancia por lo que la corriente que circula entre ellos
es muy baja [161] [162]
Los electrodos se encuentran sumergidos en la solucioacuten de la celda
electroliacutetica para que tenga lugar una circulacioacuten de corriente eleacutectrica desde
el electrodo de trabajo al electrodo auxiliar deben estar conectados por un hilo
conductor (por ejemplo un metal) a un potenciostato (figura 16) [162]
71
Figura 16 Esquema de una celda electroliacutetica conectada a un potenciostato que presenta un sistema de tres electrodos electrodo auxiliar electrodo de referencia y electrodo de trabajo
En la figura 16 se puede distinguir el electrodo de trabajo un contraelectrodo
y el electrodo de referencia cuyas funciones son
bull Electro de trabajo Electrodo donde se impone un potencial fijo o
variable que sirve para caracterizar las reacciones electroquiacutemicas Si
se impone un potencial positivo tendraacute lugar una reaccioacuten de oxidacioacuten
sobre el electrodo de trabajo si se impone un potencial negativo tendraacute
lugar una reaccioacuten de reduccioacuten sobre eacuteste [163]
bull Electrodo auxiliar o contraelectrodo Con este electrodo se cierra el
circuito ya que permite circular la corriente eleacutectrica a su traveacutes (de esta
manera la corriente no pasa por el electrodo de referencia) Este
electrodo puede ser de varios materiales (ej oro carbono etc) pero el
maacutes comuacuten es una placa de platino ya que es un material resistente a
la corrosioacuten y no afecta negativamente a los procesos que tienen lugar
en el electrodo de trabajo [164]
bull Electrodo de referencia Este electrodo debe tener un potencial
constante y conocido ya que se utiliza como potencial de referencia
para obtener los valores de los potenciales individuales Por esta razoacuten
el material empleado en su construccioacuten debe tener un potencial
estable ante las condiciones de anaacutelisis
A lo largo de los antildeos se han empleado una gran variedad de electrodos
de referencia siendo el electrodo de referencia universal el electrodo de
hidroacutegeno Sin embargo eacuteste no se utiliza por su difiacutecil preparacioacuten y la
72
necesidad de introducir hidroacutegeno [164] [165] En su lugar
actualmente se utiliza el electrodo de calomelanos saturado (SCE) y el
electrodo de plata (Ag) cloruro de plata (AgCl)
El electrodo SCE consiste en un tubo lleno de mercurio (Hg) en cuyo
interior hay un alambre de platino conectado a la salida del mismo y una
solucioacuten saturada de cloruro de mercurio (I) o calomelano Esta solucioacuten
estaacute en contacto con una solucioacuten de cloruro de potasio (KCl) que se
encuentra en el tubo exterior el final de este tubo presenta una
membrana porosa que permite el paso de iones a su traveacutes cerrando el
circuito eleacutectrico [166] La reaccioacuten quiacutemica que tiene lugar en este
electrodo es [166]
11986711989221198621198972(119904oacute119897119894119889119900) + 2119890minus harr 11986711989222+(119897iacute119902119906119894119889119900) + 2119862119897
minus
(16)
Ecuacioacuten 16 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo SCE
El electrodo Ag AgCl es el maacutes utilizado debido a su eficacia y facilidad
de siacutentesis Consta de un alambre de plata en contacto con una
disolucioacuten electroliacutetica de KCl que estaacute saturada con AgCl el final del
electrodo acaba con un diafragma de un material poroso que permite el
paso de iones a traveacutes de eacutel [164] [165] La reaccioacuten quiacutemica que tiene
lugar se muestra a continuacioacuten [167]
119860119892119862119897(119904oacute119897119894119889119900) + 119890minus harr 119860119892(119904oacute119897119894119889119900) + 119862119897minus
(17)
Ecuacioacuten 17 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo AgAgCl
Fundamentadas en los procesos electroquiacutemicos surgen las teacutecnicas
electroanaliacuteticas un conjunto de teacutecnicas utilizadas para el anaacutelisis tanto
cualitativo como cuantitativo de un analito a traveacutes de la medicioacuten de sus
caracteriacutesticas eleacutectricas y electroquiacutemicas como la corriente y el potencial
[158] Estas teacutecnicas destacan por su sensibilidad precisioacuten y selectividad
[100]
Las teacutecnicas electroanaliacuteticas se clasifican en funcioacuten de la respuesta eleacutectrica
que se genera al aplicar una perturbacioacuten eleacutectrica al sistema La perturbacioacuten
puede ser por la imposicioacuten de un potencial o una corriente eleacutectrica en funcioacuten
de ello la informacioacuten obtenida seraacute diferente [100] [168]
73
Entre las teacutecnicas electroanaliacuteticas maacutes empleadas se encuentran la
potenciometriacutea (obtiene informacioacuten del sistema mediante la medida del
potencial de la celda electroquiacutemica relacionando la actividad electroquiacutemica
con el potencial mediante la aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Nernst) [169]
conductimetriacutea (se basa en medir la conductividad de la disolucioacuten que es
funcioacuten de la concentracioacuten ioacutenica por lo que la produccioacuten de corriente
eleacutectrica depende de la circulacioacuten de iones) [169] electrogravimetriacutea (se basa
en el caacutelculo de la cantidad de analito que se ha transformado en producto
como consecuencia de una reaccioacuten quiacutemica) [169] culombimetriacutea (se basa
en determinar la cantidad de corriente que es necesaria aplicar a la celda para
que todo el analito se transforme en producto) [169] voltametriacutea (se basa en
relacionar el potencial aplicado en el electrodo de trabajo con la corriente
eleacutectrica generada mediante un voltamograma) [169]
En el siguiente apartado se describen en profundidad las teacutecnicas empleadas
en el desarrollo de este trabajo
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos
La voltametriacutea se basa en la obtencioacuten de informacioacuten del analito por medio de
la medida de la intensidad de corriente que fluye a traveacutes de la celda
electroliacutetica al aplicar un potencial eleacutectrico (sobre el electrodo de trabajo) que
variacutea con el tiempo El potencial eleacutectrico aplicado debe ser el suficiente para
que tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del compuesto quiacutemico
estudiado [170]
Existen una gran variedad de teacutecnicas de voltametriacutea en funcioacuten del tipo de
sentildeal aplicada sobre el electrodo de trabajo El barrido lineal consiste en llevar
a cabo un barrido de potencial de corriente continua esta sentildeal aumenta
linealmente con el tiempo Las sentildeales de excitacioacuten de impulsos consisten en
aplicar impulsos de manera que se mide la intensidad de corriente en los
diferentes lapsos de tiempo en que dure el impulso La onda de forma
triangular consiste en aplicar una diferencia de potencial sobre el electrodo de
trabajo En primer lugar el potencial aumenta linealmente con el tiempo hasta
que se alcanza un punto maacuteximo en este momento el valor del potencial
disminuye con la misma pendiente hasta alcanzar un miacutenimo (la amplitud de
la onda no se mantiene constante sino que forma un aacutengulo) Finalmente la
sentildeal de excitacioacuten de onda cuadrada consiste en aplicar un impulso al
comenzar un escaloacuten y durante la mitad de tiempo de su duracioacuten la amplitud
de cada escaloacuten se mantiene constante [170]
74
A continuacioacuten se explica la voltametriacutea ciacuteclica ya que es el meacutetodo utilizado
en el presente trabajo de investigacioacuten
2611 Voltametriacutea ciacuteclica
La voltametriacutea ciacuteclica es una de las teacutecnicas electroquiacutemicas maacutes utilizadas ya
que permite llevar a cabo un anaacutelisis de las muestras en un amplio rango de
potenciales en el que el analito debe ser electroactivo [171] Dicha teacutecnica
proporciona informacioacuten tanto cualitativa como cuantitativa sobre las
reacciones electroquiacutemicas actividad cataliacutetica de las especies quiacutemicas
reversibilidad del proceso etc [172]
La voltametriacutea ciacuteclica se lleva a cabo en una celda electroliacutetica generalmente
con una configuracioacuten de tres electrodos Durante el anaacutelisis se mide el
potencial del electrodo de trabajo respecto del potencial del electrodo de
referencia que se mantiene constante [173] [174] El proceso de medida del
potencial comienza aplicando una diferencia de potencial a un electrodo de
trabajo Primero se aplica un potencial inicial (Eo) que aumenta de forma lineal
hasta alcanzar un valor de potencial (E1) en este potencial se produce una
inversioacuten del sentido de barrido completando asiacute el ciclo [173] [174] La sentildeal
de excitacioacuten adquiere una forma triangular tal y como se observa en la figura
17
Figura 17 Voltametriacutea Ciacuteclica Sentildeal de excitacioacuten triangular
Al mismo tiempo que se aplica el potencial se produce la circulacioacuten de la
corriente eleacutectrica del electrodo de trabajo al electrodo auxiliar La variacioacuten de
75
la intensidad de corriente con el potencial se puede estudiar a traveacutes de la
representacioacuten de un voltamograma [174]
El voltamograma (figura 18) se obtiene de aplicar un barrido de potencial al
electrodo de trabajo en dos direcciones Generalmente se comienza en el
sentido anoacutedico es decir aplicando un potencial (Eλ1) se produce la reaccioacuten
de oxidacioacuten del analito En consecuencia la corriente generada (ipa) aumenta
hasta alcanzar un punto maacuteximo (Epa) a partir del cual la intensidad disminuye
debido al consumo del analito en la superficie del electrodo El barrido de
potencial en sentido inverso se basa en el mismo fundamento pero en este
caso se produce la reaccioacuten de reduccioacuten del analito [175]
Figura 18 Voltamograma ciacuteclico Intensidad frente a potencial del analito de intereacutes
En la figura 18 ipc es la intensidad de corriente catoacutedica Eλ2 es el valor de
potencial de corte anoacutedico donde el sentido del barrido de potencial se invierte
y Epc es el corte de pico catoacutedico a partir del cual la intensidad disminuye
Los paraacutemetros de un voltamperograma dan informacioacuten acerca del grado de
reversibilidad del proceso de la reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten Para que
tenga lugar un proceso reversible las concentraciones de las especies en el
seno de la disolucioacuten se tienen que mantener constantes [173]
En voltametriacutea afectan en gran medida los procesos de difusioacuten y de
transferencia electroacutenica de las especies electroactivas de la solucioacuten hasta la
superficie del electrodo En un proceso reversible se considera que la etapa
predominante del proceso electroquiacutemico (proceso maacutes lento) es la difusioacuten del
analito hasta la superficie del electrodo [100]
76
En el caso de un proceso reversible el potencial de pico anoacutedico y catoacutedico
dependen de igual forma del potencial formal y se calculan con la ecuacioacuten 19
y 18 respectivamente [176]
119864119901119888 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(18)
Ecuacioacuten 18 Caacutelculo del potencial de pico catoacutedico para un proceso reversible
119864119901119886 = 1198640 + 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(19)
Ecuacioacuten 19 Caacutelculo del potencial de pico anoacutedico para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de ambas ecuaciones son
bull 1198640 es el potencial formal (V)
bull 119864119901119888 es el potencial de pico catoacutedico (V)
bull 119864119901119886 es el potencial de pico anoacutedico (V)
bull 119877 119879 119899 119865 son paraacutemetros que se han descrito en la ecuacioacuten de Nerst
bull 119863119877 y 119863119874 son los coeficientes de difusioacuten correspondientes a la especie
reducida y a la especie oxidada respectivamente (cm2s)
En un proceso reversible el potencial formal se calcula a partir de los
potenciales de pico anoacutedico y catoacutedico con la ecuacioacuten 20 [177]
1198640 = 119864119901119888 + 119864119901119886
2
(20)
Ecuacioacuten 20 Caacutelculo del potencial de media onda para un proceso reversible
77
La corriente de pico se calcula a partir de la ecuacioacuten de Randles-SevciK Esta
ecuacioacuten relaciona la corriente de pico con la concentracioacuten del analito y la
velocidad de barrido A 25ordmC la corriente de pico se calcula con la ecuacioacuten 21
[173]
119894119901 = 269 ∙ 105 ∙ 11989932 ∙ 119860 ∙ 11986312 ∙ 119862lowast ∙ 11990712
(21)
Ecuacioacuten 21 Ley de Randles Seycik para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull ip es la corriente de pico (A)
bull n es el nuacutemero de electrones intercambiados
bull A es el aacuterea del electrodo (cm2)
bull D es el coeficiente de difusioacuten (cm2s)
bull C concentracioacuten en el seno de la disolucioacuten del analito (molcm3)
bull v es la velocidad de barrido (Vs)
La corriente de pico catoacutedico (119894119901119888) y anoacutedico (119894119901119886) coinciden por lo que su
relacioacuten es igual a la unidad
(119894119901119888
119894119901119886) = 1
(22)
Ecuacioacuten 22 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso reversible
A traveacutes de las ecuaciones se concluye que la corriente de pico es proporcional
a la velocidad de barrido mientras que el potencial de pico es independiente
de la velocidad de barrido con la que se realice la voltametriacutea ciacuteclica
Realmente es difiacutecil que el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten sea completamente
reversible por lo que a continuacioacuten se describiraacute un proceso irreversible
78
En un proceso totalmente irreversible la velocidad de transporte electroacutenica
presenta un valor muy bajo debido a ello la etapa limitante de la reaccioacuten es
la transferencia electroacutenica (en lugar de la difusioacuten) La ecuacioacuten de Randles-
Seycik para un proceso irreversible se corresponde con la ecuacioacuten 23 donde
la intensidad de pico a 25ordmC se calcula con la siguiente ecuacioacuten [178]
119894119901 = (299105) 119899 120572
12 119863
12 119907
12 119860 119862lowast
(23)
Ecuacioacuten 23 Ley de Randles-Sevcik para un proceso totalmente irreversible
119894119901119888 ne 119894119901119886 ne 1
(24)
Ecuacioacuten 24 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso irreversible
Donde la uacutenica variable nueva es 120572 que representa el coeficiente de
transferencia electroacutenica
El potencial de pico se puede relacionar con el potencial formal a partir de la
ecuacioacuten 25
119864119875 = 1198640 minus (119877119879
120572119899119865) [0780 + 119897119899 (
11986312
1198960) + 119897119899 (
120572119865 ∙ 119907
119877 ∙ 119879)12 ]
(25)
Ecuacioacuten 25 Potencial para un proceso totalmente irreversible
Donde k0 es la conste estaacutendar cineacutetica de la reaccioacuten electroquiacutemica
Con las ecuaciones que describen un proceso irreversible se puede concluir
que la velocidad de barrido siacute afecta al valor del potencial de pico Por otro lado
al igual que en el proceso reversible la corriente de pico tambieacuten estaacute afectada
por la raiacutez cuadrada de la velocidad de barrido con la que se lleve a cabo la
voltametriacutea ciacuteclica [173]
En el caso de que el proceso electroquiacutemico sea cuasi-reversible dependeraacute
tanto de la transferencia electroacutenica como de los procesos de difusioacuten Para
79
obtener una idea de la irreversibilidad se calcula la separacioacuten del pico anoacutedico
y catoacutedico a partir de la ecuacioacuten 20 [176]
2612 Cronoamperometriacutea
La cronoamperometriacutea es un meacutetodo electroquiacutemico en el que se aplica un
potencial fijo sobre el electro de trabajo [179] Dicha teacutecnica normalmente se
realiza en una celda electroliacutetica que presenta una configuracioacuten de tres
electrodos El proceso de medida del potencial en la celda parte de un potencial
en el que no se producen reacciones electroquiacutemicas Posteriormente
aplicando un potencial constante en el que el compuesto de intereacutes es
electroactivo tienen lugar las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten del mismo
[180]
Como consecuencia de los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del analito que
tienen lugar en la celda se produce una circulacioacuten de corriente eleacutectrica
representada en un cronoamperograma El valor de la corriente alcanzada
dependeraacute de las capas difusivas del analito en el electrodo de trabajo (una
capa difusiva (δ) se corresponde con la regioacuten de un electrodo en la que la
concentracioacuten del analito difiere con la concentracioacuten del mismo en la
disolucioacuten electroliacutetica) [181] El proceso electroquiacutemico genera una diferencia
de concentraciones entre la solucioacuten y la concentracioacuten de la especie en la zona
cercana a la superficie del electrodo (δ) lo que da lugar a un transporte de
especies (difusioacuten) que tiende a compensar la diferencia de concentraciones
entre ambas regiones [182]
El fenoacutemeno de difusioacuten viene descrito por la ley de Fick [183]
119869 = minusD ∙120597119862
120597119883
(26)
Ecuacioacuten 26 Ley de difusioacuten de Fick
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull J es el flujo de difusioacuten (molcm ∙ 119904)
bull D es el coeficiente de difusioacuten
80
bull 120597119862120597119883 es el gradiente de concentracioacuten
El transporte de las especies de la solucioacuten hasta la superficie del electrodo
puede tener lugar de distintas formas por su intereacutes con el presente trabajo
caben mencionar
La difusioacuten de reacutegimen transitorio es el fenoacutemeno de transporte resultante de
un gradiente de concentraciones que tiene lugar al aplicar un potencial
(catoacutedico o anoacutedico) en consecuencia el analito se consume debido a las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten La difusioacuten del analito desde la solucioacuten
(donde la concentracioacuten es mayor) hasta la superficie del electrodo (donde la
concentracioacuten es menor) se produce uacutenicamente por la difusioacuten natural donde
el perfil de concentraciones obtenido (figura 19) es funcioacuten del tiempo y de la
distancia al electrodo [181] [182] Inicialmente la concentracioacuten de la especie
electroactiva en la superficie del electrodo es 0 mientras que en la solucioacuten se
mantiene la concentracioacuten original Por ello las especies maacutes cercanas al
electrodo comienzan a difundirse hasta eacutel con el paso del tiempo el espesor
de la capa liacutemite aumenta (la pendiente del perfil de concentraciones
disminuye) Debido a ello la difusioacuten de las especies hasta la superficie del
electrodo tendraacute lugar con una mayor dificultad con el paso del tiempo [184]
Figura 19 Difusioacuten de reacutegimen transitorio
La densidad de corriente en reacutegimen transitorio viene definida por la ecuacioacuten
de Cottrel la cual muestra la caiacuteda de corriente faraacutedica debido a la
transferencia electroacutenica entre la solucioacuten y el electrodo en cada pulso de
potencial [180]
81
119894(119905) = 11989911986511986011986312119862119878119900119897119906119888119894oacute119899
12058712 11990512
(27)
Ecuacioacuten 27 Ecuacioacuten de Cottrell
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull n es el nuacutemero de electrones transferidos en los procesos de
oxidacioacuten-reduccioacuten
bull F constante de Faraday (Cmol)
bull A aacuterea del electrodo (cm2)
bull CSolucioacuten es la concentracioacuten del analito en la disolucioacuten (molcm3)
bull t tiempo transcurrido desde la aplicacioacuten del pulso de potencial (s)
La difusioacuten de reacutegimen estacionario en el transporte de las especies desde la
solucioacuten hasta la superficie del electrodo interviene el fenoacutemeno de
conveccioacuten dicho suceso es la causa de que se lleve a cabo agitacioacuten mecaacutenica
(generalmente) de la solucioacuten que contiene al analito [182] Como resultado de
la agitacioacuten la concentracioacuten de las moleacuteculas en la cercaniacutea del electrodo se
mantiene uniforme en todo momento por lo que δ presenta un espesor
constante independientemente del tiempo [182] Tal y como se muestra en la
figura 20 lejos del electrodo el perfil de concentraciones se mantiene
horizontal gracias a la conveccioacuten que es capaz de mantener constante la
concentracioacuten del analito en el seno de la solucioacuten
La densidad de corriente en reacutegimen estacionario viene dada por la ecuacioacuten
de Levich [182]
119894 = 119899 ∙ 119865 ∙ 119863
120575 (119862119878119900119897119906119888119894oacute119899 minus 119862119864119897119890119888119905119903119900119889119900)
(28)
Ecuacioacuten 28 Ecuacioacuten de Levich
Donde el uacutenico paraacutemetro nuevo es la concentracioacuten del analito en el
electrodo (CElectrodo)
82
Figura 20 Difusioacuten de reacutegimen estacionario
La cronoamperometriacutea se utiliza generalmente para el estudio de mecanismos
de reaccioacuten la obtencioacuten de paraacutemetros cineacuteticos coeficientes de difusioacuten del
analito procesos de electropolimerizacioacuten etc [179] [185]
La electropolimerizacioacuten llevada a cabo por cronoamperometriacutea es uno de los
meacutetodos maacutes empleados en la modificacioacuten de electrodos de trabajo se trata
del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de sensores basados en MIPs
[85] En este proceso la solucioacuten contiene un poliacutemero donde al aplicar un
potencial fijo (catoacutedico o anoacutedico) se consigue la polimerizacioacuten electroquiacutemica
sobre el electrodo de trabajo [185] Este fenoacutemeno se puede ver afectado por
los procesos de difusioacuten de las especies electroactivas de manera que la
corriente alcanzada en el proceso de electropolimerizacioacuten es menor cuanto
maacutes se dificulte el paso de difusioacuten de las especies a traveacutes del poliacutemero [186]
La difusioacuten es un paraacutemetro de gran importancia en los procesos de
electropolimerizacioacuten sobre el electrodo de trabajo y determina la forma del
codo de curvatura que se muestre en el cronoamperograma obtenido de la
representacioacuten de la corriente frente al tiempo (figura 21) [183] En las curvas
cronoamperomeacutetricas que se obtienen por polimerizacioacuten generalmente se
distinguen tres zonas en las que se pueden observar la nucleacioacuten la
formacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica y su crecimiento con el tiempo [187]
bull Zona I la corriente aumenta raacutepidamente debido a los procesos
electroquiacutemicos que tienen lugar en la celda electroliacutetica al aplicar un
potencial (se produce la oxidacioacuten-reduccioacuten de las sustancias que se
encuentran en la disolucioacuten)
bull Zona II la intensidad de la corriente aumenta en esta parte de la curva
se puede distinguir la nucleacioacuten proceso por el cual se depositan los
primeros nuacutecleos cristalinos sobre la superficie del electrodo de trabajo
83
y depende principalmente del potencial aplicado Por tanto durante
esta etapa el poliacutemero se adhiere sobre la superficie del electrodo de
trabajo [188]
bull Zona III se observa la estabilizacioacuten y crecimiento de la peliacutecula sobre
el electrodo a un valor constante de potencial
Figura 21 Cronoamperograma obtenido de la electropolimerizacioacuten de un poliacutemero
El espesor de la peliacutecula que se ha formado sobre el electrodo de trabajo se
puede calcular a partir de la derivada de la primera ley de Faraday [187]
119889 = 119876 ∙ 119872
2 ∙ 119865 ∙ 120588
(29)
Ecuacioacuten 29 Caacutelculo del espesor de una peliacutecula polimeacuterica a partir de la 1ordf Ley de Faraday
Donde
bull Q es la carga especiacutefica por unidad de aacuterea polimerizada
bull M es la masa molecular del poliacutemero
84
bull F es la constante de Faraday
bull 120588 es la densidad del poliacutemero
El espesor de la peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo depende del
tiempo de electropolimerizacioacuten durante el cual se lleve a cabo la
cronoamperometriacutea cuanto mayor es el tiempo mayor es el grosor de la
peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo [189]
La importancia de la cronoamperometriacutea en el presente trabajo radica en que
ha sido utilizada para la obtencioacuten de sensores MIP tal y como se ha indicado
en anteriores apartados Esta teacutecnica puede estar afectada por factores como
el tiempo de electropolimerizacioacuten el voltaje aplicado la presencia de agitacioacuten
o no de la solucioacuten que contiene al poliacutemero entre otros paraacutemetros
El tiempo de electropolimerizacioacuten es un paraacutemetro importante en la
fabricacioacuten de los sensores basados en MIP ya que trabajando con espesores
de peliacutecula elevados la transferencia electroacutenica a traveacutes del poliacutemero se
dificulta con el aumento del espesor Debido a la importancia que esto supone
se debe trabajar con espesores de poliacutemeros conductores sintetizados con el
tiempo oacuteptimo para que no afecten negativamente al rendimiento
electroquiacutemico del sensor [189] El potencial aplicado durante la
cronoamperometriacutea tambieacuten es un paraacutemetro de gran importancia ya que se
debe aplicar el potencial suficiente para que tenga lugar la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla [179] Finalmente el proceso de
agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea es una caracteriacutestica de gran intereacutes
ya que da lugar a un transporte de las especies en el que interviene la
conveccioacuten fenoacutemeno que da lugar a un proceso de difusioacuten en reacutegimen
estacionario [182]
27 Chitosaacuten o quitosano
El chitosaacuten o quitosano (figura 22) es un amino-polisacaacuterido que se obtiene por
desacetilacioacuten de la quitina poliacutemero natural muy abundante en la naturaleza
La quitina se encuentra formando parte del exoesqueleto de artroacutepodos y
tambieacuten de la pared celular de algunos vegetales como los hongos en su
estructura quiacutemica presenta unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-β-D-
glucopiranosa [190] El chitosaacuten presenta una estructura lineal no ramificada
compuesta principalmente por unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi- β-D-
85
glucopiranosa y en menor proporcioacuten por moleacuteculas de 2-acetilamina-2-desoxi-
β-D-glucopiranosa que se encuentran unidas por enlaces β (14) [191] [192]
Figura 22 Estructura quiacutemica del chitosaacuten ldquoxrdquo Unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa y Unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa
El chitosaacuten se caracteriza fundamentalmente mediante la definicioacuten de los
siguientes paraacutemetros
-Masa molecular (MW) Caracteriacutestica que depende fundamentalmente de la
procedencia de la quitina (animal o vegetal) [193]
-Grado de desacetilacioacuten (DDA) Indica el grado en que los grupos acetilo han
sido sustituidos por grupos amino El DDA del chitosaacuten comercial oscila entre
un 70 y un 90 este paraacutemetro depende de las condiciones en las que se
haya llevado a cabo la obtencioacuten del chitosaacuten [191] Cuanto mayor es el grado
de DDA del chitosaacuten maacutes cristalino es el biopoliacutemero lo cual se debe a la
disminucioacuten de los grupos acetilo presentes es su estructura quiacutemica [190]
El chitosaacuten presenta propiedades que le convierten en un biopoliacutemero
interesante en la industria alimentaria biomedicina biotecnologiacutea y en el
desarrollo de sensores las cuales se describen a continuacioacuten
bull Biocompatible El chitosaacuten es un poliacutemero no toacutexico compatible con el
organismo [191]
bull Biodegradable Su degradacioacuten se lleva a cabo por las reacciones
quiacutemicas resultantes de la actuacioacuten de microorganismos dando lugar
a productos no toacutexicos [191]
86
bull Bioactivo El chitosaacuten es considerado bioactivo por presentar poder
antimicrobiano (actuacutea sobre microorganismos inhibiendo su
crecimiento o incluso provocando su muerte [191][194]) propiedades
antioxidantes (el chitosaacuten actuacutea como eliminador de radicales libres
impidiendo la reacciones de oxidacioacuten) [191] [195] y es un compuesto
antitumoral (ayuda a la formacioacuten de ceacutelulas contra el caacutencer) [194]
bull Estructura quiacutemica faacutecilmente modificable Su estructura quiacutemica
presenta varios grupos reactivos por lo que se obtienen faacutecilmente
compuestos derivados [190]
bull Agente quelante El chitosaacuten forma faacutecilmente enlaces con iones de
metales pesados Esta propiedad es fundamental ya que le permite
formar enlaces estables con la plata [128] [196]
La solubilidad del chitosaacuten depende del pH del medio por debajo de un valor
de pH 63 el chitosaacuten se vuelve insoluble y precipita En estado soacutelido tal y
como se muestra en la figura 23 se forman puentes de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilo y amino de su estructura quiacutemica Cuando se introduce en un
aacutecido este enlace se disocia convirtieacutendolo en un polielectrolito catioacutenico
soluble para su disolucioacuten se pueden utilizar diferentes aacutecidos diluidos entre
los maacutes empleados se encuentran el aacutecido aceacutetico el aacutecido foacutermico y el aacutecido
niacutetrico [191] En ciertas aplicaciones o anaacutelisis electroquiacutemicos su baja
solubilidad a pH baacutesico puede ser un inconveniente que se puede solucionar
modificando su estructura quiacutemica ya que es un poliacutemero faacutecilmente alterable
por la presencia de distintos grupos reactivos En su estructura quiacutemica hay
grupos amino (-NH2) hidroxilo (-OH) primario y secundario y finalmente el grupo
n-acetilo (NH-CO-CH3) por lo que se pueden obtener derivados que mejoren su
solubilidad [193]
Figura 23 Estructura quiacutemica del chitosaacuten donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno entre los grupos acetilo e hidroxilo y el grupo amino e hidroxilo
87
En los uacuteltimos antildeos este poliacutemero se ha utilizado en el desarrollo de sensores
electroquiacutemicos debido a sus buenas caracteriacutesticas siendo de especial
intereacutes su biocompatibilidad facilidad de formar peliacuteculas (debido a sus
condiciones de solubilidad) y reactividad [36] Estas cualidades le convierten
en un biopoliacutemero muy adecuado para el desarrollo de sensores basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular [67]
El procedimiento empleado para su electrodeposicioacuten sobre un electrodo de
trabajo se conoce como mecanismo de neutralizacioacuten Al circular una corriente
eleacutectrica debido a los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la
celda electroliacutetica se produce la liberacioacuten de los grupos OH de la solucioacuten de
manera que pueden desprotonar las aminas catioacutenicas (NH3+) responsables de
la solubilidad del chitosaacuten [198] Como consecuencia de la neutralizacioacuten en
la interfaz de la superficie del electrodo se produce un cambio en la constante
de acidez del grupo amino (pKagt63) Debido a ello el chitosaacuten se convierte en
un poliacutemero insoluble depositaacutendose asiacute sobre el electrodo [198] [199]
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados
El mayor inconveniente del chitosaacuten en el anaacutelisis electroquiacutemico es su alto
grado de cristalinidad lo que le hace ser un mal conductor de la corriente
eleacutectrica este hecho dificulta la transferencia electroacutenica a su traveacutes Este
problema se puede solucionar mediante la incorporacioacuten de nanoestructuras
basadas en metales conductores [64] [120]
La combinacioacuten de poliacutemeros con nanoestructuras de propiedades
electroactivas como nanopartiacuteculas de oro o nanohilos metaacutelicos es una de las
teacutecnicas maacutes interesantes para el desarrollo de sensores electroquiacutemicos [64]
[120] Entre los nanomateriales nombrados los AgNWs son de las sustancias
de mayor intereacutes debido a que son capaces de incrementar la conductividad
del poliacutemero recubrieacutendolo y transformaacutendolo en un poliacutemero conductor [64]
[120]
La capacidad quelante del chitosaacuten le confiere facilidad para enlazarse
covalentemente con los aacutetomos de plata [128] [196] [200] Sin embargo
como la adhesioacuten de los AgNWs en el chitosaacuten es poco resistente [122] [201]
es necesario llevar a cabo diferentes procesos de unioacuten para solventarlo
Actualmente destacan el empleo de agentes reticulantes o las modificaciones
sobre la superficie del chitosaacuten
88
Chitosaacuten reticulado Se ha comprobado que la utilizacioacuten de agentes
reticulantes mejoran la estabilidad de la plata en la peliacutecula polimeacuterica
del chitosaacuten [93] El glutaraldehiacutedo es el agente de reticulacioacuten
empleado por excelencia debido a su efectividad la reaccioacuten con el
chitosaacuten provoca cambios en su morfologiacutea y estructura lo que modifica
algunas de sus propiedades como su capacidad de adsorber los iones
metaacutelicos [202] Por ejemplo se han utilizado iones metaacutelicos (Au Ag)
que se encuentran en su forma anioacutenica en medios aacutecidos (ej HCl )
dando lugar a una fuerte atraccioacuten electroestaacutetica entre dichos iones de
carga negativa y los grupos imina con carga positiva resultantes del
entrecruzamiento entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo Este fenoacutemeno
favorece la adsorcioacuten de los ioacutenes metaacutelicos en el chitosan reticulado
[202]
Obtencioacuten de derivados del chitosaacuten Se ha demostrado que la
modificacioacuten de la estructura quiacutemica del chitosaacuten con grupos reactivos
da lugar a enlaces de mayor fortaleza entre los AgNWs y el chitosaacuten Por
ejemplo el chitosaacuten tiolado (derivado del chitosaacuten obtenido de incluir
un grupo tiol en el grupo amino del 2ordm carbono del chitosaacuten) permite que
se forme un enlace covalente de gran resistencia y estabilidad entre la
plata y los grupos tiol [201]
Modificaciones sobre la superficie del chitosaacuten Se ha demostrado que
la modificacioacuten de la de la superficie del chitosaacuten con compuestos
orgaacutenicos proporciona una unioacuten maacutes resistente entre los AgNWs y este
poliacutemero Por ejemplo se ha empleado el aacutecido 11-aminodecanoiacuteco
para formar un enlace covalente entre los grupos carboxilo de un
extremo del aacutecido y el grupo amino del chitosaacuten y puentes de hidroacutegeno
entre el grupo amino del aacutecido y el PVP que recubre los AgNWs De esta
manera se consigue fortalecer la adhesioacuten de los AgNWs a la peliacutecula
de chitosaacuten [122] [203]
89
Capiacutetulo III
Reactivos materiales y equipos
90
91
3 Reactivos materiales y equipos
31 Reactivos
Los reactivos empleados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Aacutecido sulfuacuterico (H2SO4 pureza 95-97 CAS Number 7664-93-9)
bull Aacutecido aceacutetico glaciar (CH3COOH pureza miacutenima 997 Panreac CAS
Number 613-90-4)
bull Acetona (C3H6O pureza miacutenima 99 Quality Chemicals CAS
Number67-64-1)
bull Agua desionizada Milli-Q de conductividad 182 MΩcm
bull Alpha-D (+)-Glucosa (C6H12O6 pureza gt99 Sigma-Aldrich)
bull Chitosaacuten o Quitosano CHI (C56H12O6 purezagt99 Amresco)
bull Cloruro de cobre (II) (CuCl2 2 H2O Panreac Coacutedigo 141264)
bull D (+) Galactosa (C6H12O6 purezagt99 Sigma-Aldrich)
bull Dihidrogenofosfato soacutedico (Na2H2PO4 pureza miacutenima 99 Sigma-
Aldrich CAS Number 7558-79-4)
bull Etanol (C2H6O pureza miacutenimagt 998 Sigma-Aldrich CAS Number 64-
15-5)
bull Etilenglicol (C2H6O2 anhidro al 998 Sigma-Aldrich CAS Number 107-
21-1)
bull Glutaraldehiacutedo (C5H8O2 solucioacuten acuosa al 50 Alta Aesar CAS
Number 111-30-8)
bull Hidrogenofosfato soacutedico (Na2HPO4 pureza miacutenima 99 Sigma-Aldrich
CAS number 7558-80-7)
92
bull Lactosa (C12 H22 O11 Sigma - Aldrich)
bull Nitrato de plata (AgNO3 Sigma- Aldrich CAS Number 7761-88-8)
bull Peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2 33 pv Nordm CE 231-765-0)
bull Polivinipirrolidona PVP (C6H9NO)n Sigma-Aldrich CAS Number 9003-39-8)
32 Materiales
Todos los materiales empleados en el presente trabajo se nombran a
continuacioacuten
bull Bomba peristaacuteltica (Perimax)
bull Celda electroquiacutemica de 5 mL
bull Placa de platino (2 cm times 1 cm)
bull Cubeta de cuarzo (10 mm times 10 mm)
bull Electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Electrodo de referencia (AgAgCl 3M Nesslab)
bull Matraz de fondo redondo con dos bocas
bull Placa calefactora (RSLAb-11C)
bull Placa calefactora (Arex Digital)
bull Sistema de reflujo
33 Equipos
Todos los equipos utilizados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Microscopio de Fuerza Atoacutemica Molecular (Cypher asylum Research
AFM)
93
bull Centrifuga modelo Sorvall Centrifuge ST 8 (Thermo Scientific USA)
bull Espectrofotoacutemetro Ultravioleta-Visible modelo UV-2600 (Shimadzu
Corporation Japoacuten)
bull Equipo de Difraccioacuten de Rayos X (DRX Bruker Discover D8)
bull Potenciostato Galvanostato modelo PARSTAT 2273 (Princeton Applied
Research)
bull Ultrasonidos Vortex 3 (IKA USA)
94
Capiacutetulo IV
Metodologiacutea y Desarrollo
experimental
95
96
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados
La elaboracioacuten de sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
dedicados a la deteccioacuten de azuacutecares actualmente representa una liacutenea de
investigacioacuten relativamente nueva por lo que el estudio experimental del
presente trabajo se ha modificado conforme se han ido obteniendo resultados
El desarrollo de trabajo de fin de grado aquiacute presentado se puede dividir en dos
etapas la primera etapa consiste en la preparacioacuten de las disoluciones para
sintetizar los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular MIP y NIP
asiacute como la siacutentesis y la caracterizacioacuten de los AgNWs que forman parte de la
peliacutecula polimeacuterica La segunda etapa de la fabricacioacuten del sensor consiste en
depositar las disoluciones sobre la superficie de los electrodos BDD mediante
la aplicacioacuten de teacutecnicas electroquiacutemicas
411 Preparacioacuten de las disoluciones
- Limpieza de los electrodos BDD
bull Disolucioacuten pirantildea
En un vaso de precipitados se antildeaden 3 mL de aacutecido sulfuacuterico de pureza
miacutenima del 95 y 1 mL de peroacutexido de hidroacutegeno
-Fabricacioacuten de los sensores MIP y NIP
bull Aacutecido Aceacutetico 3 VV (CH3COOH)
Se preparoacute una disolucioacuten de aacutecido aceacutetico con una concentracioacuten de
porcentaje en volumen al 3 Para obtener la concentracioacuten deseada en una
matraz aforado de 50 mL se antildeadieron 15 mL de aacutecido aceacutetico puro y se
enrasoacute con agua desionizada Milli-Q
bull Chitosaacuten o Quitosano
97
Se preparoacute una disolucioacuten de chitosaacuten con una concentracioacuten de 15 mgmL
en un matraz aforado de 25 mL Para ello se antildeadieron 00375 g de chitosaacuten
al matraz y se enrasoacute con la disolucioacuten de aacutecido aceacutetico al 3 VV
bull Disolucioacuten de AgNWs
Se preparoacute una disolucioacuten madre de AgNWs con una concentracioacuten de 10
mgmL en etanol A partir de esta disolucioacuten se prepararon las disoluciones hija
de una concentracioacuten de un 1 mgmL y 5 mgmL
bull Glutaraldehiacutedo
Se han empleado vapores de glutaraldehiacutedo al 25 ww en buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M
-Deteccioacuten de los analitos por voltametriacutea ciacuteclica
bull Disolucioacuten buffer fosfato de pH 74
Se preparoacute una disolucioacuten de pH 74 y concentracioacuten 001 M de buffer fosfato
(PBP) en un matraz aforado de 500 mL Para ello se pesaron 02697 g de
fosfato disoacutedico (Na2HPO4) y 03659 g de fosfato monosoacutedico (NaH2PO4)
Finalmente se llevaron a un matraz aforado de 500 mL enrasando con agua
desionizada Milli-Q
Con la ecuacioacuten de Henderson-Hasselbalch se calcula el pH conocido el pKa de
la solucioacuten
119901119867 = 119901119870119886 + [1198731198862HP1198744]
[Na1198672P1198744]
(30)
Ecuacioacuten 30 Ecuacioacuten de Henderson-Hasselbach
bull Lactosa
98
Para obtener una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10-4 M en buffer
fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M se preparoacute previamente una
disolucioacuten madre de concentracioacuten 10-3 M Para ello se pesaron 85575 mg de
lactosa y se llevaron a un matraz aforado de 25 mL el cual se enrasoacute con la
solucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La solucioacuten de lactosa 10-4 M se obtuvo tomando 25 mL de la solucioacuten madre
preparada finalmente se enrasoacute con la misma disolucioacuten buffer en un matraz
aforado de 25 mL
bull Glucosa
Se preparoacute previamente una disolucioacuten madre de glucosa con una
concentracioacuten 10minus3 119872 Para obtener la concentracioacuten deseada se pesaron
45 mg de glucosa y se antildeadieron a un matraz aforado de 25 mL el cual se
enrasoacute con la disolucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M se preparoacute tomando 25 mL
de la disolucioacuten madre preparada finalmente se enrasoacute con la misma
disolucioacuten buffer en un matraz aforado de 25 mL
bull Galactosa
Se preparoacute una disolucioacuten madre de galactosa 10-3 M en buffer fosfato de pH
74 y concentracioacuten 001 M para obtener una disolucioacuten hija de concentracioacuten
10-4 M Para ello se siguieron los mismos pasos que en la preparacioacuten de la
disolucioacuten de glucosa
bull Disolucioacuten de cloruro de potasio (KCl)
Se preparoacute una disolucioacuten de cloruro de potasio de 25 mL con una
concentracioacuten 01 M Para ello se pesaron 01863 g de KCl y se antildeadieron a
un matraz de 25 mL enrasando con agua desionizada Milli-Q
-Disoluciones empleadas para la siacutentesis de AgNWs
bull Cloruro de cobre (CuCl2)
99
Se preparoacute una disolucioacuten de CuCl2 de una concentracioacuten 1510-4 M para ello
se pesaron 00001 g de CuCl2 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con etilenglicol puro (EG)
bull Nitrato de plata (AgNO3)
Se preparoacute una disolucioacuten de AgNO3 de una concentracioacuten 012 M Para ello
se pesaron 0102 g de AgNO3 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con EG
bull Polivinilpirrolidona (PVP)
Se preparoacute una disolucioacuten de concentracioacuten 3610-4 M para ello se pesaron
0099 g de PVP y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL enrasando con
EG
412 Procedimiento experimental
4121 preparacioacuten de los AgNWs
La preparacioacuten de AgNWs se ha llevado a cabo seguacuten el meacutetodo poliol descrito
en el fundamento teoacuterico (capiacutetulo II)
Se comienza calentando 5 mL de EG en un matraz redondo de dos bocas
situado sobre un bantildeo de aceite a 160 ordmC tal y como se muestra en la figura
24 Este proceso se lleva a cabo bajo reflujo conectando una de las boquillas
del matraz a la red de bombeo y cerrando la otra boquilla del matraz con un
tapoacuten Posteriormente se antildeade con una micropipeta 05 mL de la disolucioacuten
de CuCl2 directamente al matraz y se deja calentando durante 5 min
Pasado el tiempo con ayuda de una bomba peristaacuteltica de jeringas se antildeaden
simultaacuteneamente y gota a gota 25 mL de la disolucioacuten de AgNO3 y 5 mL de la
disolucioacuten de PVP Durante todo este proceso se aplica una velocidad de
agitacioacuten de 400 rpm una vez ha finalizado se tapa el matraz con el tapoacuten y se
dejan reaccionar durante 1 h bajo agitacioacuten
La disolucioacuten obtenida se deja enfriar a temperatura ambiente en ella hay una
mezcla de nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) y AgNWs por lo que para purificar
los AgNWs se lavan con etanol y se centrifuga a 2000 rpm durante 20 min
100
utilizando la centriacutefuga que se muestra en la figura 24 Posteriormente se
elimina el sobrenadante y el producto de reaccioacuten se lava una segunda vez con
etanol la mezcla se vuelve a centrifugar durante 10 min a 5000 rpm Para el
tercer lavado el precipitado se antildeade a un eppendorf al que se le antildeade etanol
y se centrifuga durante 10 min a 5000 rpm Finalmente se elimina el
sobrenadante del eppendorf y se deja evaporar el etanol
Figura 24 Equipo empleado en la siacutentesis de AgNWs
En la figura 25 se muestra la obtencioacuten y las etapas de centrifugacioacuten para la
siacutentesis de AgNWs
101
Figura 25 En la parte superior de la figura y leyendo de izquierda a derecha se muestran las etapas del proceso final de obtencioacuten de AgNWs 1) y 2) Disolucioacuten obtenida tras un tiempo de reaccioacuten de 1h en la que hay una mezcla de AgNPs y AgNWs 3) Disolucioacuten obtenida diluida con etanol 4) primera centrifugacioacuten donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 5) 2ordf centrifugacioacuten de AgNWs diluidos en etanol donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 6) AgNWs diluidos en etanol antes de llevar a cabo la uacuteltima etapa de la centrifugacioacuten 7) AgNWs obtenidos de la uacuteltima etapa de centrifugacioacuten donde el sobrenadante ha sido eliminado
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro
(BDD)
Para la elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP en primer lugar se deben
acondicionar los electrodos BDD (figura 26) Para ello se comienza limpiando
la superficie de los electrodos introducieacutendolos en acetona pura y
sometieacutendolos a ultrasonidos durante 10 min finalizado este tiempo se
introducen en agua desionizada Milli Q Posteriormente se lleva a cabo su
inmersioacuten en una solucioacuten pirantildea durante un tiempo de 3 min Transcurrido el
tiempo se llevan a cabo lavados sucesivos en agua desionizada Milli Q y en
etanol dejaacutendolos reposar en ambos disolventes durante 1 min Una vez
102
finalizado el proceso de lavado de su superficie los electrodos se dejan secar
al aire
El proceso descrito se ha llevado a cabo con cada uno de los electrodos que se
han empleado para la deteccioacuten de los azuacutecares Lo que permite su
reutilizacioacuten para cada experimento realizado
Figura 26 Electrodos de diamante dopado con boro (BDD)
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP
Para la denominacioacuten de las configuraciones correspondientes a los sensores
se ha utilizado la simbologiacutea entre corchetes ldquo[]rdquo donde se encuentra la
secuencia de materiales divididos por un ldquo-ldquo que han sido utilizados para la
fabricacioacuten de los sensores MIP o NIP Finalmente al final de cada
configuracioacuten hay una ldquordquo tras la que se encuentra el nombre BDD lo que indica
que los sensores han sido fabricados en un electrodo BDD (ej [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD)
Las abreviaturas empleadas para cada material son las siguientes
CHI para el chitosaacuten
AgNWs para los nanohilos de plata
Para desarrollar los sensores MIP y NIP frente la deteccioacuten de lactosa se
emplearon diferentes configuraciones y paraacutemetros de medida con el objetivo
103
de seleccionar la que presentase la mejor respuesta frente a la deteccioacuten de
este analito
Los sensores NIP se obtuvieron siguiendo el mismo protocolo que el aplicado
para la obtencioacuten del MIP de la configuracioacuten deseada sin la presencia de la
moleacutecula plantilla durante la polimerizacioacuten
Las configuraciones empleadas son
-MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con 3 concentraciones de AgNWs distintas 1
mgmL 5 mgmL y 10 mgmL
-MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo para llevar a cabo un cross-linking
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo
Los paraacutemetros de medida que se han modificado para la configuracioacuten del
sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD son
- Electropolimerizacioacuten mediante voltametriacutea ciacuteclica y cronoamperometriacutea
- Concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (1 mgmL 5 mgmL y 10
mgmL)
- Electropolimerizacioacuten sobre el electrodo BDD con agitacioacuten y sin agitacioacuten
- Seleccioacuten del eluyente
bull MIP [CHI-AgNWsndashLactosa] BDD
Sensores con una concentracioacuten de 1 mgmL en AgNWs
104
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo mediante la
polimerizacioacuten sobre el electrodo BDD de una solucioacuten con una mezcla de
chitosaacuten de concentracioacuten 15 mgmL y AgNWs con una concentracioacuten de 1
mgmL que conteniacutea la moleacutecula plantilla de lactosa en una concentracioacuten
001 M
La polimerizacioacuten de la mezcla sobre el electrodo BDD se llevoacute a cabo sin
agitacioacuten por medio de cronoamperometriacutea Posteriormente los electrodos se
extrajeron de la celda electroliacutetica y se dejaron secar a temperatura ambiente
durante toda la noche
La moleacutecula plantilla de lactosa fue eliminada de la matriz polimeacuterica de
chitosaacuten empleando como eluyente una solucioacuten de KCl de concentracioacuten 01
M Para llevar a cabo la elucioacuten los electrodos se sumergieron en esta solucioacuten
durante un periodo de 20 min con agitacioacuten Finalizado el tiempo los
electrodos se lavaron con agua desionizada Milli Q para eliminar los residuos
de la solucioacuten de KCl
Sensores con una concentracioacuten de 5 mgmL en AgNWs
Con esta concentracioacuten (5 mgmL) se obtuvieron dos sensores llevando a cabo
polimerizacioacuten con agitacioacuten y sin agitacioacuten en la fabricacioacuten del sensor
obtenido sin agitacioacuten se siguioacute el mismo procedimiento que el descrito para la
misma configuracioacuten del sensor de lactosa con una concentracioacuten de AgNWs
de 1 mgmL
El procedimiento de siacutentesis seguido para la obtencioacuten del sensor a traveacutes de
polimerizacioacuten con agitacioacuten fue el mismo que en el anterior sensor pero en
este caso se introdujo agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea y el proceso de
elucioacuten se realizoacute utilizando de manera independiente dos eluyentes distintos
el KCl de concentracioacuten 01 M y el agua desionizada Milli Q
Sensores con una concentracioacuten de 10 mgmL en AgNWs
Estos sensores se han obtenido siguiendo el mismo procedimiento que el
descrito en los anteriores sensores en concentracioacuten 5 mgmL (obtenidos por
cronoamperometriacutea con agitacioacuten) y llevando a cabo la elucioacuten con agua
desionizada Milli Q en lugar de con KCl
105
bull MIP [CHI-AgNWs-Glutaraldehiacutedo-Lactosa] BDD
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo siguiendo el protocolo
anteriormente descrito en concentracioacuten 10 mgmL Finalizada la
polimerizacioacuten los electrodos se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
durante 10 min sin secar
El proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla es exactamente el mismo que se
ha seguido para la anterior configuracioacuten en ausencia de reaccioacuten con
glutaraldehiacutedo a una concentracioacuten de 10 mgmL de AgNWs
bull MIP [CHI-AgNWsndashGlucosa] BDD y MIP [CHI-AgNWsndashGalactosa] BDD
Se obtuvieron sensores MIP para la deteccioacuten de glucosa y galactosa La
elaboracioacuten del sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD se realizoacute bajo el mismo
protocolo de siacutentesis que se siguioacute para el sensor de lactosa con una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten empleando en
este caso glucosa como moleacutecula plantilla (001 M) La elaboracioacuten del sensor
MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento
utilizando como moleacutecula plantilla galactosa (01 M)
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs
La caracterizacioacuten de los AgNWs se ha realizado mediante tres teacutecnicas
espectroscopiacutea UV-VIS AFM y DRX
bull Espectroscopiacutea ultravioleta ndash visible (UVndashVIS)
Las propiedades oacutepticas de los AgNWs se estudiaron mediante la teacutecnica
espectroscoacutepica ultravioleta-visible (UV-VIS)
El proceso se llevoacute a cabo con el software UV-Probe introduciendo la solucioacuten
de estudio en un porta-muestras de cuarzo (10 mm times 10 mm)
Para llevar a cabo la caracterizacioacuten en primer lugar se programoacute el rango de
longitudes de onda entre 200 nm y 800 nm Posteriormente se realizoacute una
liacutenea base la cual constituye el blanco del espectro ultravioleta y despueacutes se
106
llevoacute a cabo la medida con un espectrofotoacutemetro como el mostrado en la figura
27
El estudio se comenzoacute con la obtencioacuten del espectro de la solucioacuten inicial de
AgNWs sin purificar posteriormente tras el proceso de centrifugacioacuten se obtuvo
el espectro de absorcioacuten correspondiente tanto de los AgNWs como del
sobrenadante
Figura 27 Espectrofotoacutemetro empleado para caracterizar los AgNWs
bull Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica se llevoacute a cabo para estudiar la morfologiacutea y
dimensioacuten de los AgNWs para ello se utilizoacute el equipo AFM mostrado en la
figura 28
Para obtener la muestra se depositaron 25 μL de la solucioacuten de AgNWs en
etanol sobre el electrodo BDD y se dejoacute secar al aire para evaporar el etanol
107
Figura 28 Equipo de Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico
La elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP y el estudio de su comportamiento
electroquiacutemico se ha llevado a cabo mediante teacutecnicas electroquiacutemicas de
anaacutelisis
La deposicioacuten de la peliacutecula polimeacuterica sobre la superficie del electrodo se ha
realizado a traveacutes de dos teacutecnicas electroquiacutemicas cronoamperometriacutea y
voltametriacutea ciacuteclica La respuesta del sensor frente a los analitos de intereacutes se
ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica Los analitos estudiados han sido
lactosa glucosa y galactosa cuyo comportamiento electroquiacutemico se ha
determinado a traveacutes de los procesos de oxidacioacuten de los AgNWs que se
encuentran depositados en la peliacutecula de chitosaacuten
El equipo empleado para llevar a cabo ambos procesos fue un
potenciostatogalvanostato como el que se muestra en la figura 29
Figura 29 Potenciostato utilizado para el estudio electroquiacutemico de los sensores MIP y NIP
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP
108
La deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se realizoacute en
una celda electroliacutetica que presentaba una configuracioacuten de tres electrodos
como electrodo de trabajo se empleoacute un electrodo BDD como electrodo de
referencia Ag AgCl en KCl y un contraelectrodo de platino
El proceso de deposicioacuten se comenzoacute vertiendo la disolucioacuten preparada en
ausencia de la moleacutecula plantilla (NIP) o en presencia de la misma (MIP) en una
celda electroliacutetica de 5 mL de capacidad La polimerizacioacuten se llevoacute a cabo en
un primer momento sin agitacioacuten pero finalmente se comproboacute que se
obteniacutean mejores resultados depositando las soluciones con agitacioacuten
estableciendo una velocidad de agitacioacuten de 190 rpm
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por
cronoamperometriacutea son
bull Tiempo de electrodeposicioacuten 90 s
bull Potencial aplicado -11 v
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por voltametriacutea ciacuteclica
son
bull Nordm de ciclos 15
bull Potencial maacuteximo (V) 04
bull Potencial miacutenimo (V) -11
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
A continuacioacuten se muestra el montaje de la celda para llevar a cabo la
electropolimerizacioacuten
109
Figura 30 Esquema de trabajo para llevar a cabo cronoamperometriacutea incluyendo el sistema de agitacioacuten
4122 voltametriacutea ciacuteclica
El funcionamiento de los sensores MIP y NIP se estudioacute mediante voltametriacutea
ciacuteclica y la medicioacuten se realizoacute en las mismas condiciones que la deposicioacuten
Los paraacutemetros de trabajo para llevar a cabo las mediciones mediante
voltametriacutea ciacuteclica son
bull Nordm de ciclos 5
bull Potencial maacuteximo (V) 1
bull Potencial miacutenimo (V) -1
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
Establecidos los paraacutemetros de operacioacuten se continuoacute con el montaje de la
celda cuyo esquema se muestra en las figuras 31 y 32 seguacuten el analito
empleado
110
Para la deteccioacuten de glucosa y lactosa la celda electroquiacutemica empleada
presenta 5 mL de capacidad y es la que se muestra en la figura 31 Cuyo
protocolo de medicioacuten se explica a continuacioacuten
Como se ha mencionado anteriormente las medidas electroquiacutemicas
empleadas para el anaacutelisis electroquiacutemico de los sensores desarrollados
durante este trabajo se han determinado mediante voltametriacutea ciacuteclica Para
ello los sensores MIP se sumergen en una solucioacuten de buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M y de pH 74 con objeto de conseguir una respuesta
voltameacutetrica que sirva como sentildeal de referencia para el resto de las
mediciones Seguidamente el electrodo de trabajo se deja en un vaso de
precipitados con el eluyente correspondiente y en presencia de agitacioacuten para
disolver la moleacutecula plantilla (azuacutecar correspondiente en cada caso) de la
peliacutecula de chitosaacuten Finalizado el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
el electrodo de trabajo se lava con agua destilada Posteriormente se introduce
en la celda la disolucioacuten de intereacutes (glucosa o lactosa) y en la concentracioacuten
deseada A continuacioacuten se conecta el potenciostato y se comprueba que la
celda presenta el correcto montaje En este momento para mantener una
buena reproducibilidad es de gran importancia que la superficie sumergida del
contraelectrodo y electrodo de trabajo sea la misma
Figura 31 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de lactosa y glucosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
La deteccioacuten del monosacaacuterido galactosa se ha llevado a cabo en la celda que
se muestra en la figura 32 de una capacidad de 5 mL Los pasos que se han
seguido para la deteccioacuten de galactosa son los mismos que se han descrito
111
anteriormente pero en este caso durante el proceso de elucioacuten el electrodo de
trabajo se mantiene en la celda no siendo necesaria su extraccioacuten
Figura 32 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de galactosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
A continuacioacuten se muestra un esquema de funcionamiento de un sensor MIP
[CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD en el proceso de deteccioacuten del azuacutecar deseado
Figura 33 Esquema de funcionamiento de un MIP [CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD frente a la deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
112
El procedimiento de trabajo que se llevoacute a cabo para el sensor NIP es el mismo
que el seguido para el sensor MIP sin embargo en este caso en el sensor no
se llevoacute a cabo la etapa de elucioacuten ya que el chitosaacuten no contiene a la moleacutecula
plantilla
113
Capiacutetulo V
Resultados experimentales y
discusioacuten de resultados
114
115
5 Resultados experimentales y discusioacuten de
resultados
Los resultados experimentales se dividen en dos bloques En el primer bloque
se realizoacute la siacutentesis de los sensores MIP y NIP para ello se llevoacute a cabo la
preparacioacuten de las disoluciones deseadas las cuales se depositaron a traveacutes
de teacutecnicas electroquiacutemicas sobre la superficie de los electrodos BDD En los
sensores la presencia de AgNWs es de gran importancia ya que la deteccioacuten
es posible al uso de los mismos por ello se ha comenzado el trabajo
optimizando su siacutentesis y caracterizacioacuten
A lo largo de la investigacioacuten se han sintetizado dos reacuteplicas de MIP para cada
azuacutecar de intereacutes lactosa glucosa y galactosa En primer lugar se optimizoacute la
configuracioacuten del sensor MIP frente a lactosa en el que se probaron distintos
paraacutemetros de fabricacioacuten y de medida meacutetodo de electrodeposicioacuten agitacioacuten
durante la cronoamperometriacutea uso de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
y empleo de distintos eluyentes de la moleacutecula plantilla En segundo lugar se
obtuvo un sensor MIP para el azuacutecar de glucosa sin agitacioacuten En tercer lugar
se desarrolloacute el sensor MIP de galactosa fabricado sin agitacioacuten en este sensor
se comproboacute el efecto de un aumento en la concentracioacuten de la moleacutecula
plantilla presente en el mismo
En el segundo bloque se estudiaron por voltametriacutea ciacuteclica los sensores MIP y
NIP en los tres tipos de analitos lactosa glucosa y galactosa Su
comportamiento electroquiacutemico fue evaluado mediante el empleo de AgNWs y
chitosaacuten en diferentes concentraciones
51 Caracterizacioacuten de AgNWs
Debido a la importancia de la presencia de AgNWs en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor es necesario la caracterizacioacuten previa de los mismos
mediante el uso de distintas teacutecnicas espectroscoacutepicas espectroscopiacutea UV-VIS
AFM y DRX
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-
VIS)
116
La espectroscopiacutea UV-VIS se ha empleado para estudiar las propiedades
oacutepticas de los AgNWs Se comenzoacute obteniendo el espectro ultravioleta de los
AgNWs sintetizados con el meacutetodo poliol descrito en el apartado teoacuterico
(capitulo 2521) Posteriormente se lavaron con etanol y tras centrifugar y
eliminar el sobrenadante (residuo que se obtiene con cada lavado) se volvioacute a
realizar el espectro En la figura 34 se muestran los espectros
correspondientes
En el espectro de absorcioacuten obtenido de los AgNWs sin purificar se pueden
observar las bandas correspondientes a la presencia de nanopartiacuteculas de
plata (AgNPs) y AgNWs Las dos primeras bandas se atribuyen a la presencia
del plasmoacuten de resonancia caracteriacutestico de los AgNWs que tienen lugar a una
longitud de onda de 355 nm y 385 nm [120] En el espectro obtenido tras la
purificacioacuten uacutenicamente se aprecia el plasmoacuten de resonancia de los AgNWs
por lo que la ausencia de la banda correspondiente a las AgNPs a 434 nm es
un indicador de la pureza de eacutestos [120] La primera banda de absorcioacuten de
este espectro representa la absorcioacuten longitudinal de los AgNWs (355 nm) y la
segunda a una longitud de onda de 402 nm se atribuye a la absorcioacuten
transversal de los mismos [113] [130]
Finalmente en el espectro correspondiente al sobrenadante se aprecia una
banda de absorcioacuten a 438 nm que se atribuye a la presencia exclusiva de las
AgNPs lo que indica que el meacutetodo empleado para lavar los AgNWs es
adecuado [120]
Figura 34 Espectroscopiacutea UV-VIS del producto obtenido de la siacutentesis de AgNWs sin lavar (rojo) AgNWs purificados (azul) y sobrenadante (negro)
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM)
117
Existen una gran variedad de factores durante el proceso de fabricacioacuten de los
AgNWs que pueden afectar a su morfologiacutea como son la temperatura el tiempo
de reaccioacuten la adiccioacuten de reactivos etc [120] [121] Por ello la microscopiacutea
de fuerza atoacutemica se ha utilizado para controlar la homogeneidad de los AgNWs
obtenidos ya que proporciona imaacutegenes de tamantildeo nanomeacutetrico (figura 35)
Las imaacutegenes de la muestra que se obtuvieron demuestran que los AgNWs
presentaban un tamantildeo homogeacuteneo con un diaacutemetro cercano a 350 nm y
longitudes entorno a los 10 μm
Figura 35 Fotografiacutea obtenida mediante microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) de una muestra de AgNWs depositada sobre un electrodo BDD
513 Difraccioacuten de rayos-X
La difraccioacuten de rayos-X se ha utilizado para caracterizar la estructura de los
AgNWs el patroacuten de difraccioacuten obtenido muestra que los AgNWs son
nanomateriales compuestos por nanocristales orientados en diferentes planos
cristalograacuteficos [204]
De acuerdo con el patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs se muestran 5 picos de
difraccioacuten (figura 36) correspondientes a los planos [111] [200] [220] [311]
y [222] respectivamente [205] Donde se puede apreciar una gran diferencia
en la intensidad alcanzada entre ellos El pico correspondiente al plano
cristalograacutefico [111] que tiene lugar a 2120579= 382ordm es el pico de mayor intensidad
lo que indica que los cristales que forman los AgNWs estaacuten orientados
preferentemente en esta direccioacuten cristalograacutefica [205] [206] El pico de
difraccioacuten que tiene lugar a 2120579= 443ordm se corresponde con el plano [200] [206]
En cuanto al pico que se encuentra en 2120579= 645ordm se corresponde con el plano
[220] [207] Finalmente los picos de difraccioacuten que tienen lugar a 2120579=768 ordm y
2120579= 815ordm representan los planos [311] y [222] respectivamente [207]
118
El patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs que se ha descrito se corresponde con
una estructura cuacutebica centrada en las caras (FCC) [207] La ausencia de picos
adicionales es debida a la pureza de los AgNWs obtenidos [206]
Figura 36 Patroacuten de difraccioacuten de rayos-X de los AgNWs
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD
Se ha llevado a cabo la fabricacioacuten de sensores electroquiacutemicos basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa Dicho
sensor se ha preparado mediante la electropolimerizacioacuten de chitosaacuten
modificado con AgNWs en presencia de una moleacutecula plantilla de lactosa Las
funciones de cada uno de los constituyente que forman el sensor MIP son
Chitosaacuten biopoliacutemero que se deposita sobre el electrodo BDD su
funcioacuten es contener a los huecos de la moleacutecula que se quiera
detectar ademaacutes sirve de soporte de unioacuten para los AgNWs
AgNWs son nanoestructuras metaacutelicas que actuacutean recubriendo la
matriz de chitosaacuten sus reacciones de oxidacioacuten sirven para
determinar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a la
deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
119
Lactosa es la moleacutecula plantilla su funcioacuten es imprimir en la matriz
de chitosaacuten las cavidades de reconocimiento con el propoacutesito de
proporcionar al sensor MIP una mayor especificidad hacia la
deteccioacuten de la misma
En todos los sensores (MIP) se ha trabajado con una concentracioacuten de lactosa
en la solucioacuten [CHI-AgNWs] de 001 M y una concentracioacuten de la solucioacuten de
chitosaacuten de 15 mgmL Fijados estos paraacutemetros con el propoacutesito de obtener
el sensor MIP que proporcione las mejores prestaciones frente a la deteccioacuten
de lactosa se emplearon distintas variables de trabajo y de medida el meacutetodo
de electrodeposicioacuten la presencia de agitacioacuten o no durante la
cronoamperometriacutea la concentracioacuten de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
empleo de un agente reticulante y el uso de distintos eluyentes
A lo largo del desarrollo de la investigacioacuten es de gran importancia comprobar
el funcionamiento del MIP por ello este sensor se ha comparado con un sensor
obtenido bajo las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula de
lactosa NIP
bull Meacutetodo de electrodeposicioacuten de las disoluciones para elaborar los
sensores MIP o NIP
El primer experimento se llevoacute a cabo depositando la solucioacuten que contiene la
mezcla para la obtencioacuten del sensor MIP y NIP sobre la superficie del electrodo
BDD a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica paraacutemetros de trabajo citados en el
capiacutetulo 4
En los voltamogramas obtenidos de los sensores MIP (figura 37 a) y NIP (figura
37 b) no se aprecia ninguacuten indicio que indique la electrodeposicioacuten de la
solucioacuten sobre la superficie del electrodo BDD Por ejemplo en un estudio
llevado a cabo por Zhang Q et al se llevoacute a cabo la electrodeposicioacuten de un MIP
por medio de voltametriacutea ciacuteclica en cada ciclo se obtuvo una disminucioacuten en la
intensidad de corriente de los picos de oxidacioacuten de los AgNWs a medida que
el poliacutemero de impresioacuten molecular se depositaba sobre el electrodo BDD
[208] Este fenoacutemeno no se puede apreciar en ninguna de los voltamogramas
ante este resultado en el resto del trabajo se optoacute por llevar a cabo la
electrodeposicioacuten mediante cronoamperometriacutea en lugar de por voltametriacutea
ciacuteclica para los sucesivos experimentos
120
Figura 37 Electrodeposicioacuten por voltametriacutea ciacuteclica a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD
bull Cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
El estudio se ha continuado con la siacutentesis de sensores MIP y NIP cuyas
configuraciones son MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD
Ambos tienen una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL en la peliacutecula de
chitosaacuten los paraacutemetros de fabricacioacuten de ambos sensores se han indicado en
el capiacutetulo 4
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se
sintetizaron dos sensores de cada tipo Para obtener la reproducibilidad de los
cronoamperogramas del MIP y NIP se calculoacute el coeficiente de variacioacuten (CV)
tomando el valor maacuteximo de la corriente alcanzada por cada sensor
El CV o tambieacuten llamado desviacioacuten estaacutendar relativa (RSD) proporciona
informacioacuten sobre la dispersioacuten de las series de datos obtenidas y se calcula a
partir de la siguiente expresioacuten
119862119881 = 120590
∙ 100
120590 = radicsum (119909119894 minus 119909 119873
119894 )2
119873
(31)
Ecuacioacuten 31 Caacutelculo del coeficiente de variacioacuten (CV) o (RSD)
Donde 120590 es desviacioacuten estaacutendar x es la variable N es el nuacutemero de resultados
xi es el valor nuacutemero i de la variable x es la media de los datos obtenidos
121
Figura 38 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
El CV obtenido para los cronoamperogramas del sensor MIP y NIP es del
2577 y del 1687 respectivamente Ambos coeficientes indican falta de
homogeneidad durante la fabricacioacuten de los sensores lo que supone que las
condiciones de trabajo durante la fabricacioacuten de los mismos no fueron buenas
Entre los motivos principales se encuentran inmersioacuten de los electrodos de
trabajo y contraelectrodo de manera inadecuada asiacute como la ausencia de
agitacioacuten durante el desarrollo de los sensores
En el cronoamperograma del MIP (figura 38 a) y NIP (figura 38 b) se pueden
distinguir cada una de las fases correspondientes a la formacioacuten de la peliacutecula
de chitosaacuten con el tiempo sobre el electrodo BDD En un primer momento tiene
lugar un aumento de la intensidad de corriente debido a los procesos
electroquiacutemicos que se producen en la celda (fase I) El codo de curvatura
representa la fase II cuando se produce la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre la
superficie del electrodo BDD para ello se aplica un potencial de -11 V A este
potencial el chitosaacuten se vuelve insoluble debido a los cambios de pH que
tienen lugar en la proximidad de la superficie del electrodo estos cambios son
provocados por la desprotonacioacuten de los grupos NH3+ de la estructura quiacutemica
del chitosaacuten por los grupos OH- que hay en la solucioacuten [198] [209] En la
cronoamperometriacutea de ambos sensores se puede apreciar un proceso de
nucleacioacuten costoso debido posiblemente a la falta de agitacioacuten durante la
electrodeposicioacuten que da lugar a un proceso de difusioacuten en estado transitorio
Debido a la ausencia de agitacioacuten la concentracioacuten de las especies no se
mantiene constante en la solucioacuten por lo que la capa difusiva (δ) va adquiriendo
un mayor grosor Este hecho dificulta la difusioacuten de las especies hasta la
superficie del electrodo con el transcurso del tiempo [182] En la fase III se
muestra el crecimiento de la peliacutecula polimeacuterica sobre el electrodo BDD al
finalizar este proceso se distingue una caiacuteda en la intensidad de corriente
122
desde un valor de 65 μA en el NIP hasta un valor de 54 μA en el MIP La
disminucioacuten de la intensidad se debe a la presencia del azuacutecar durante la
polimerizacioacuten del chitosaacuten el cual dificulta la difusioacuten de las especies a su
traveacutes [186]
Para estudiar el efecto selectivo de la plantilla polimeacuterica en el MIP y el
comportamiento de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten se obtuvieron las
respuestas voltameacutetricas correspondientes a un electrodo BDD en blanco y a
los sensores MIP y NIP El blanco se elaboroacute mediante voltametriacutea ciacuteclica a
traveacutes de su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa 10-4 M en buffer fosfato
(PBP) de concentracioacuten 001 M y pH 74 aplicando un potencial de -1 V a 1 V
con una velocidad de barrido de 100 mVs El resultado obtenido se muestra
en la figura 39 a donde no se observa ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten
debido a que la lactosa no presenta actividad electroliacutetica La respuesta
electroquiacutemica de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvo mediante su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa
10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros
de medida y siguiendo el proceso de deteccioacuten explicados en el capiacutetulo 4
En el resultado obtenido de la voltametriacutea ciacuteclica figura 39 b se puede apreciar
como el MIP proporciona una mayor intensidad de sentildeal respecto del NIP y el
electrodo BDD blanco Este hecho se atribuye a la creacioacuten de cavidades
especiacuteficas en la matriz de chitosaacuten con una forma y tamantildeo que son
complementarios a las moleacuteculas de lactosa gracias a esta plantilla se
consigue una gran especificidad durante la deteccioacuten ya que las moleacuteculas se
enlazan faacutecilmente a los huecos creados [64] Como resultado de la siacutentesis de
la plantilla polimeacuterica se consigue un sensor que ofrece un mejor
comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de lactosa y por ende es
capaz de proporcionar una mayor intensidad de sentildeal en comparacioacuten al
sensor NIP
Por otro lado en este experimento no se pudieron distinguir los picos anoacutedicos
de las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs el resultado desfavorable puede
deberse a las siguientes razones
La ausencia de agitacioacuten durante la electropolimerizacioacuten sobre el
electrodo BDD podriacutea suponer que la cantidad de AgNWs depositados
en el sensor es inferior a la deseada
123
La concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten es
insuficiente
Figura 39 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH
74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El estudio de la reproducibilidad se llevoacute a cabo mediante la fabricacioacuten de dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs mediante la
inmersioacuten de los sensores en una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten
10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M El criterio empleado para su
obtencioacuten fue el caacutelculo del CV
La reproducibilidad obtenida tanto para el MIP como para el NIP es muy baja
siendo eacutesta de un 1873 y de un 3782 respectivamente La razoacuten de la
mala reproducibilidad en el MIP podriacutea atribuirse a la falta de homogeneidad
durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el electrodo BDD puesto
que es un fenoacutemeno que puede afectar a los sensores basados en la tecnologiacutea
de impresioacuten molecular [210] Sin embargo la baja reproducibilidad del NIP
indica que las condiciones en las que se llevaron a cabo la fabricacioacuten o la
medicioacuten de los sensores no fueron las adecuadas siendo una posible razoacuten
la falta de agitacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten de ambos
A pesar del buen funcionamiento del MIP no se pudieron apreciar los picos
correspondientes a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs presentes en la
peliacutecula de chitosaacuten por lo que la investigacioacuten se continuoacute incrementando la
concentracioacuten de eacutestos en un valor de 5 mgmL
124
La fabricacioacuten de sensores MIP y NIP con una concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten de 5 mgmL se realizoacute por cronoamperometriacutea
estableciendo los paraacutemetros de trabajo indicados en el capiacutetulo 4 Tal y como
se muestra en la figura 40 a y b donde se representan los cronoamperogramas
de los sensores MIP y NIP respectivamente En ellos se pueden distinguir las 3
fases correspondientes al proceso de electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo De nuevo en el MIP se observa un proceso de nucleacioacuten maacutes
costoso en comparacioacuten al NIP asiacute como una caiacuteda de la corriente desde un
valor de 150 μA alcanzado por el NIP hasta una intensidad de 80 μA en el MIP
La razoacuten de ambos fenoacutemenos se atribuye a una mayor dificultad en el proceso
de difusioacuten tal y como se explicaba para la misma configuracioacuten del sensor
pero con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
Figura 40 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-
AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgml
Como en el anterior sensor para estudiar la reproducibilidad del MIP y NIP se
han sintetizado dos sensores de cada tipo el CV obtenido para ambos
cronoamperogramas es del 26 y del 956 respectivamente Los CV
obtenidos son bajos las razones por las que esto podiacutea ocurrir se indicaron en
la anterior configuracioacuten del sensor de una concentracioacuten de AgNWs de 1
mgmL
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado a traveacutes de
voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten
001 M y pH 74 Su respuesta voltameacutetrica se ha comparado con la obtenida
por un sensor NIP y un electrodo BDD blanco siguiendo el mismo
procedimiento que el descrito para la anterior configuracioacuten del sensor en
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL En el voltamograma figura 41 a se
puede comprobar que el MIP presenta una mayor intensidad que el NIP en la
deteccioacuten frente a lactosa lo cual indica la formacioacuten de las cavidades de
125
reconocimiento en la matriz de chitosaacuten que aportan especificidad al sensor
MIP frente a la deteccioacuten de este azuacutecar [211] tal y como se ha explicado
anteriormente
Por otro lado los resultados obtenidos demuestran que a una concentracioacuten
de AgNWs de 5 mgmL es posible distinguir los procesos correspondientes a
las reacciones de oxidacioacuten de los mismos El primer pico anoacutedico (51528 mV)
se corresponde con el proceso de oxidacioacuten de la plata (Ag) al estado de
oxidacioacuten +1 (Ag+1) y el segundo pico anoacutedico (67886 mV) se corresponde con
la oxidacioacuten de la plata de su estado elemental (Ag0) al estado de oxidacioacuten +2
(Ag2+) El estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ es menos comuacuten sin embargo
cuando se alcanzan potenciales superiores a 040 V se puede apreciar [212]
Figura 41 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para calcular la reproducibilidad se siguieron los mismos pasos que se han
empleado para el sensor que presenta la misma configuracioacuten a una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL De la misma forma el criterio empleado
fue el caacutelculo del CV tomando como referencia el pico anoacutedico de mayor
intensidad (1198601198922+) en estas condiciones se obtuvieron valores de
reproducibilidad del 2861 y del 1665 para el MIP y NIP respectivamente
126
A pesar del buen funcionamiento del MIP en las configuraciones descritas se
aprecia una falta de reproducibilidad importante cuyo valor se encuentra por
encima del 5 Con el propoacutesito de mejorar la reproducibilidad de ambos
sensores se modificoacute un nuevo paraacutemetro durante el proceso de fabricacioacuten
del sensor Por lo que en los experimentos siguientes se sintetizaron sensores
MIP y NIP en presencia de agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
bull Cronoamperometriacutea con agitacioacuten
Los experimentos relativos al desarrollo de sensores frente a la deteccioacuten
oacuteptima de lactosa se continuaron mediante la elaboracioacuten de sensores MIP y
NIP con la siguiente configuracioacuten MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD ambos con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL en la
peliacutecula de chitosaacuten Su siacutentesis se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten fijando los paraacutemetros de trabajo indicados en el
capiacutetulo 4
Tal y como sucediacutea en los anteriores sensores en el MIP (figura 42 a) se aprecia
un proceso de nucleacioacuten maacutes costoso en comparacioacuten al NIP (figura 42 b) asiacute
como una caiacuteda en la intensidad de corriente hasta a un valor de 80 μA
respecto a la intensidad de 150 μA alcanzada por el NIP
A pesar de ello se encuentran importantes diferencias entre los
cronoamperogramas de los sensores MIP (figura 40 a) y NIP (figura 40 b)
obtenidos por cronoamperometriacutea sin agitacioacuten a la misma concentracioacuten de
AgNWs que se han descrito en el anterior punto
En la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten la nucleacioacuten del chitosaacuten se produciacutea
con una mayor dificultad siendo el proceso maacutes lento en este caso lo cual es
un indicador de que el factor de agitacioacuten facilita la electrodeposicioacuten del
chitosaacuten modificado con AgNWs sobre la superficie del electrodo BDD Como
se ha indicado anteriormente (capiacutetulo 2612) la cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten da lugar a un fenoacutemeno de conveccioacuten de las moleacuteculas
que se encuentran en la solucioacuten lo que hace que el espesor de la capa
difusiva se mantenga constante en todo el tiempo en que dura el pulso de
potencial aplicado sobre el electrodo de trabajo Al contrario de lo que sucede
en la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten donde el espesor de la capa difusiva
aumenta con el paso del tiempo [182]
127
Figura 42 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y un b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se obtuvieron
dos sensores MIP y NIP de cada tipo cuyos cronoamperogramas presentaron
un CV (calculado con el mismo criterio que en los anteriores sensores descritos)
del 111 y del 687 respectivamente En este caso los valores del CV
indican que las condiciones de trabajo con las que se fabricaron ambos
sensores contribuyeron a mejorar la reproducibilidad de los
cronoamperogramas
El estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP frente a la
deteccioacuten de lactosa se ha realizado mediante voltametriacutea ciacuteclica
estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el mecanismo de deteccioacuten
indicados en el capiacutetulo 4 Para ello se ha comparado la respuesta voltameacutetrica
del MIP con la del NIP y un electrodo BDD blanco cuya voltametriacutea se ha
realizado siguiendo el mismo procedimiento que se ha explicado para las
anteriores configuraciones del sensor de lactosa En el voltamograma obtenido
figura 43 a se puede observar que el sensor MIP proporciona una intensidad
de corriente superior al NIP lo que es un indicador de la correcta formacioacuten de
la plantilla polimeacuterica de lactosa en la matriz de chitosaacuten siendo eacutesta la
responsable de que el MIP tenga una mayor especificidad frente a la deteccioacuten
de dicho analito Por otro lado se pueden distinguir los picos de las reacciones
de oxidacioacuten de los AgNWs el primer pico se corresponde con el estado de
oxidacioacuten de la plata Ag+1 producido a un potencial de 39899 mV y el segundo
pico que tiene lugar a un potencial de 51015 mV se corresponde con el estado
de oxidacioacuten de la plata Ag2+ [212]
128
Figura 43 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes obtenidos en presencia de agitacioacuten
Para comprobar el efecto de la agitacioacuten en la respuesta voltameacutetrica se ha
comparado el sensor MIP descrito en este apartado con el sensor MIP que
presenta la misma concentracioacuten de AgNWs (5 mgmL) fabricado sin agitacioacuten
cuyo funcionamiento se explicoacute en el apartado cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten En la tabla 1 donde se comparan los valores de los potenciales
obtenidos entre ambos sensores se puede observar que el potencial necesario
para que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs son inferiores
en el sensor sintetizado bajo cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten
Esta disminucioacuten en el potencial indica una mejora en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor MIP ya que es necesario un menor potencial para
que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs En la tabla 2 se
muestran los valores de la intensidad de corriente alcanzados por ambos
sensores donde se distingue un aumento en la intensidad de corriente en el
sensor MIP obtenido por cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten lo que
indica una mejora en la actividad electroquiacutemica del mismo Con estos
resultados se puede concluir que la introduccioacuten de agitacioacuten afecta
positivamente al funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP
129
Tabla 1 Potencial (mV) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico Paraacutemetros fabricacioacuten
Potencial con agitacioacuten
Potencial sin agitacioacuten
(Ag+) 39899 51528
(Ag2+) 51015 67886
Tabla 2 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico
Paraacutemetros de obtencioacuten
Intensidad de corriente con agitacioacuten
Intensidad de corriente sin agitacioacuten
(Ag+) 34 2110
(Ag2+) 3327 307
Finalmente se realizoacute un estudio de la reproducibilidad sintetizando dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten
de lactosa 10minus4119872 siguiendo el mismo procedimiento que se ha indicado en las
anteriores configuraciones Para ello se utilizoacute el caacutelculo del CV tomando como
referencia la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico 1198601198922+ Se
obtuvo una reproducibilidad de un 141 para el NIP y un 1275 para el MIP
como se aprecia el NIP presentoacute una reproducibilidad significativamente
superior El motivo de esta diferencia puede estar asociado a la falta de
homogeneidad durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el
electrodo BDD como se ha indicado anteriormente dicho fenoacutemeno es posible
que afecte a los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
[210]
En la tabla 3 se han comparado los valores de reproducibilidad de los sensores
obtenidos con y sin agitacioacuten donde se aprecia una reproducibilidad
notablemente superior en los sensores MIP y NIP sintetizados por
cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten En vista a estos resultados se
puede concluir que la presencia de agitacioacuten durante la obtencioacuten de los
sensores contribuye a obtener una respuesta maacutes reproducible
130
Tabla 3 CV () de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs] con 5 mgmL de AgNWs 0btenidos con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
Electrodeposicioacuten Sensores
CV con agitacioacuten CV sin agitacioacuten
MIP 1275 2861
NIP 141 1665
Con el propoacutesito de conseguir un aumento en el valor de la intensidad de
corriente alcanzado por el sensor MIP frente a la deteccioacuten de lactosa la
investigacioacuten se continuoacute incrementando la concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten a una concentracioacuten de 10 mgmL La fabricacioacuten de este
sensor se llevoacute a cabo mediante cronoamperometriacutea fijando los paraacutemetros de
trabajo indicados en el capiacutetulo 4
Figura 44 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Como en el resto de las configuraciones se han sintetizado dos sensores de
cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV del 1178 y del 455
para el MIP (figura 44 a) y NIP (figura 44 b) respectivamente Estos valores
indican una menor homogeneidad en la fabricacioacuten del sensor MIP atribuible a
una mayor dificultad durante el proceso de fabricacioacuten del mismo
Tal y como se observa la polimerizacioacuten del chitosaacuten en presencia de los
AgNWs y de la moleacutecula plantilla de lactosa (figura 44 a) tiene lugar con una
mayor dificultad en comparacioacuten al NIP (figura 44 b) Ademaacutes en el MIP se
alcanza una intensidad de corriente de 50 μA y en el NIP un valor igual a 75
μA Ambos fenoacutemenos se han producido y explicado en el resto de las
configuraciones desarrolladas en el presente trabajo
131
El comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha evaluado comparando
su respuesta voltameacutetrica con la obtenida por el NIP y un electrodo BDD blanco
(figura 45 a) El protocolo seguido para la obtencioacuten de los voltamogramas del
MIP NIP y el blanco es el mismo que el que se ha descrito para el resto de las
configuraciones
La respuesta voltameacutetrica proporcionada por el MIP no fue la adecuada e indicoacute
un mal funcionamiento por parte de este sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
(figura 45 b) Es decir la intensidad de corriente de este sensor es inferior a la
proporcionada por el NIP lo cual no deberiacutea suceder ya que el MIP debe ofrecer
una mayor intensidad de sentildeal Este resultado indicoacute que la plantilla de lactosa
no se sintetizoacute correctamente en la matriz de chitosaacuten La razoacuten del mal
funcionamiento del sensor MIP puede estar asociada a la elevada
concentracioacuten de AgNWs que se utilizoacute durante la electrodeposicioacuten lo que
provocoacute que el chitosaacuten no polimerizase bien sobre la superficie del electrodo
en consecuencia la plantilla de lactosa no se formoacute adecuadamente en la
matriz polimeacuterica
Por otro lado ademaacutes de apreciar los picos anoacutedicos correspondientes a los
estados de oxidacioacuten de los AgNWs a esta concentracioacuten tambieacuten es posible
apreciar los picos catoacutedicos que se corresponden con la reacciones de
reduccioacuten reversibles de la plata (del estado de oxidacioacuten Ag2+ al estado
elemental Ag0) producidas a un potencial de 4047 mV y 1813 mV [212] (figura
45 a)
132
Figura 45 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para estudiar el efecto en el aumento de concentracioacuten de los AgNWs en la
matriz de chitosaacuten en la tabla 4 se muestra una comparativa con el sensor
que tiene la misma configuracioacuten en una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
y que se ha descrito en este mismo punto Los valores indican un aumento en
la intensidad de corriente del pico anoacutedico Ag2+ en el MIP y NIP de un valor del
131 y del 211 respectivamente Estos resultados demuestran que la
intensidad proporcionada por los AgNWs aumenta con su concentracioacuten en la
peliacutecula de chitosaacuten tal y como se observa en la figura 46
Cabe mencionar que la comparacioacuten entre concentraciones (1mgmL y 5
mgmL) en el anterior punto no se realizoacute puesto que careciacutea de intereacutes al no
poderse apreciar los picos anoacutedicos de los AgNWs en el sensor que presentaba
una concentracioacuten de eacutestos en 1mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
133
Tabla 4 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos con una concentracioacuten de AgNWs 5 y 10 mgmL
MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
NIP [CHI-AgNWs]BDD
Pico anoacutedico Concentracioacuten
de AgNWs
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad de
corriente
(10 mgmL)
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad
de corriente
(10 mgmL)
(Ag2+) 3327 4361 2898 6128
Figura 46 Intensidad del pico anoacutedico Ag2+ de los sensores MIP (negro) NIP (rojo) inmersos en una solucioacuten de lactosa en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 Se representa un aumento de la concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (0 5 10 mgmL)
En cuanto al estudio de la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de
cada tipo MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD NIP [CHI-AgNWs]BDD el criterio
empleado para su caacutelculo se realizoacute bajo las mismas condiciones que se han
descrito para el resto de los sensores El CV obtenido para el MIP y NIP fue del
23 y del 184 respectivamente El empeoramiento de la reproducibilidad
(respecto de la anterior configuracioacuten que presentaba una concentracioacuten de
AgNWs de 5 mgmL) indica que las condiciones en las que se fabricaron los
sensores no fueron las adecuadas siendo una posible causa la elevada
concentracioacuten de AgNWs (10 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten que se empleoacute
para la construccioacuten del sensor
134
bull Agente reticulante glutaraldehiacutedo
La utilizacioacuten de agentes reticulantes en la siacutentesis de poliacutemeros de impresioacuten
molecular es muy frecuente ya que estos influyen directamente en la
morfologiacutea de los MIP en su estabilidad y en la fijacioacuten de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico [69] Por estas razones en el presente trabajo se ha
comprobado su efecto en los sensores MIP y NIP sometieacutendolos a vapores de
glutaraldehiacutedo a traveacutes del anaacutelisis de su respuesta voltameacutetrica y de un
estudio de la reproducibilidad de los mismos
Se ha utilizado la siguiente denotacioacuten para los sensores desarrollados MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-lactosa]BDD y NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs]BDD
Los sensores fueron fabricados con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
mediante cronoamperometriacutea seguacuten los paraacutemetros de medida que se
establecieron en el capiacutetulo 4 los cronoamperogramas obtenidos no se
muestran en el presente trabajo dado que coinciden con los
cronoamperogramas del sensor que presenta la misma concentracioacuten de
AgNWs en ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo (figura 44 a y b) Tras la
cronoamperometriacutea los sensores MIP y NIP se introdujeron en vapores de
glutaraldehiacutedo seguacuten el procedimiento indicado en el mismo capiacutetulo
El efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP frente
a la deteccioacuten de lactosa se ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica
mediante la inmersioacuten del sensor en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP
de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el
protocolo de medida indicados en el capiacutetulo 4 En el voltamograma obtenido
figura 47 a se compara la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP con el NIP y
un electrodo BDD blanco
Tal y como se observa la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico
de mayor intensidad (Ag 2+) es de 11327 μA para el NIP mientras que para el
MIP es inferior e igual a 5031 μA Los valores de corriente indican un mal
funcionamiento del MIP al proporcionar el otro sensor una mayor intensidad de
sentildeal (este fenoacutemeno se ha repetido para el sensor que presentaba la misma
concentracioacuten de AgNWs sin agente reticulante glutaraldehiacutedo) Como se ha
explicado anteriormente el mal funcionamiento del MIP se asocia a una posible
saturacioacuten del sensor debido a la elevada concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten que impide la correcta formacioacuten de la plantilla polimeacuterica
No obstante a pesar del mal funcionamiento del sensor frente a la deteccioacuten
de lactosa se consiguioacute incrementar notablemente la intensidad de la sentildeal
135
Figura 47 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
En la tabla 5 se muestran los valores de corriente alcanzados por los sensores
MIP y NIP en presencia y ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo en los que se
puede apreciar un incremento de la intensidad de corriente en un coeficiente
del 115 y del 185 respectivamente Estos resultados indican que la
fabricacioacuten del sensor en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo mejora la
respuesta cataliacutetica del mismo lo cual puede estar asociado a diversas
razones
El chitosaacuten reticulado ayuda a mantener la rigidez de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico contribuyendo a mantener su forma y
tamantildeo [69]
Aumento de la estabilidad mecaacutenica el nuacutemero de entrecruzamientos
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo evitan la peacuterdida de las cavidades
de reconocimiento especiacutefico [69]
Por estas razones el chitosaacuten se convierte en un soporte maacutes estable para los
AgNWs lo cual se produce gracias a la unioacuten entre los grupos -COOH de los
extremos de la moleacutecula del glutaraldehiacutedo con los grupos -NH2 del chitosaacuten
dando lugar a un enlace imina muy resistente (minusC=NH-) [93]
136
Tabla 5 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Configuracioacuten
Pico anoacutedico
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de corriente
MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]
BDD
Intensidad de corriente
NIP
[CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD
Intensidad de
corriente
(Ag2+) 4361 5031 6128 11327
Finalmente se ha llevado a cabo un estudio del sometimiento de los sensores
a vapores de glutaraldehiacutedo Para ello se sintetizaron dos sensores MIP [CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNws-lactosa]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD de
cada tipo siguiendo el mismo procedimiento que en los anteriores sensores
descritos El CV se ha calculado bajo el mismo criterio obteniendo un valor para
el MIP del 837 y del NIP de 1364 respectivamente Mientras que las
mismas configuraciones del sensor pero sin sometimiento a vapores de
glutaraldehiacutedo muestran una reproducibilidad muy mala con un CV del 23 y
del 184 respectivamente
Los resultados indican que bajo los paraacutemetros en los que fueron fabricados
ambos sensores los vapores de glutaraldehiacutedo mejoran significativamente su
reproducibilidad lo cual estaacute asociado a una mayor estabilidad mecaacutenica de la
plantilla polimeacuterica de chitosaacuten asiacute como de los AgNWs que lo recubren [69]
bull Seleccioacuten del agente eluyente
El eluyente empleado para eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten no debe afectar a su rigidez y estabilidad [69] Por ello con objeto de
seleccionar el disolvente que proporcionase los mejores resultados se ha
estudio la respuesta voltameacutetrica del MIP frente a dos eluyentes distintos KCl
01 M y agua desionizada Milli Q Para la seleccioacuten de ambos se ha tenido en
cuenta la solubilidad del chitosaacuten y de la lactosa en ambos eluyentes
El chitosaacuten es un poliacutemero catioacutenico soluble en aacutecidos diluidos (aacutecido aceacutetico
aacutecido niacutetrico aacutecido clorhiacutedrico entre otros) sin embargo es insoluble en medios
con pH superiores a 65 (agua disoluciones baacutesicas o en disolventes
137
orgaacutenicos) por lo que el empleo de agua desionizada Milli Q o KCl no deberiacutea
de afectar a la solubilidad de la peliacutecula de chitosaacuten en ambos eluyentes [191]
La lactosa es un azuacutecar soluble en disolucioacuten acuosa debido a la formacioacuten de
puentes de hidroacutegeno entre los grupos hidroxilo del azuacutecar y el hidroacutegeno del
agua por lo que es soluble en ambos tipos de disolventes [213]
El protocolo de medicioacuten empleado para la deteccioacuten de lactosa es el descrito
en el capiacutetulo 4 Tras el proceso de elucioacuten llevado a cabo con KCl (figura 48 a)
y agua desionizada Milli Q (figura 48 b) se observa que ambos sensores MIP
proporcionan una disminucioacuten en la intensidad de corriente en el mismo grado
Tras estos resultados se concluye que no hay cambios al utilizar un eluyente u
otro puesto que ambos afectan de la misma manera a la respuesta
voltameacutetrica del sensor
Figura 48 a) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con KCl (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP (001M pH 74) b) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con agua desionizada Milli Q (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP (001M pH 74)
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
El sensor seleccionado para estudiar su comportamiento electroquiacutemico frente
a la deteccioacuten de lactosa fue el MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD con una
concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL Las siguientes razones fueron
determinantes para elegir este sensor desarrollado por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten
138
En el estudio llevado a cabo por voltametriacutea ciacuteclica el MIP demostroacute un
mejor comportamiento con respecto al NIP (figura 43 a) Este resultado
fue de gran importancia ya que indicoacute la formacioacuten de una plantilla
polimeacuterica en la matriz de chitosaacuten que aportaba una mayor
especificidad al sensor MIP frente a la deteccioacuten lactosa
Con esta configuracioacuten se apreciaron los picos anoacutedicos de los AgNWs
lo que permitiraacute determinar el comportamiento electroquiacutemico del
sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
Representa el sensor MIP que cumpliendo con las dos condiciones
descritas tiene una mayor reproducibilidad
La fabricacioacuten del sensor se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea tal y como se
explicoacute en el capiacutetulo 4 el cronoamperograma de ambos sensores MIP (figura
42 a) y NIP (figura 42 b) ya se indicoacute dentro de este mismo capiacutetulo en la
fabricacioacuten de sensores por cronoamperometriacutea con agitacioacuten
El proceso de deteccioacuten llevado a cabo frente a lactosa ha sido descrito en el
capiacutetulo 4 figura 49 a Tras eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten con KCl (01 M) se forman las cavidades de reconocimiento especiacutefico
cuya estructura es complementaria a las moleacuteculas de lactosa Una vez
obtenido el sensor se lleva a cabo la deteccioacuten en la disolucioacuten de lactosa
(10 minus4 119872) durante este proceso tiene lugar la especificidad entre la plantilla
polimeacuterica y las moleacuteculas de lactosa presentes en la solucioacuten Con la
disminucioacuten de la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs es posible
estudiar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a lactosa dado
que es un fenoacutemeno que se puede utilizar como un indicador de la presencia
del azuacutecar en la solucioacuten
La disminucioacuten en la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs puede
estar asociado a dos razones en primer lugar la lactosa presente en la
solucioacuten dificulta la transferencia de electrones hasta la superficie del
electrodo [84] En segundo lugar la disminucioacuten de la corriente puede ser
provocada por el efecto denominado ldquogate effectrdquo Este fenoacutemeno es tiacutepico en
los sensores MIP y contribuye a un decremento en la intensidad de la sentildeal
causado por un cambio en la morfologiacutea de la peliacutecula de chitosaacuten al enlazarse
la moleacutecula plantilla a los sitios de unioacuten de eacuteste A causa de este suceso la
capacidad de difusioacuten de los electrones a traveacutes de la peliacutecula polimeacuterica se
produce con una mayor dificultad [91]
139
Figura 49 a) respuesta voltameacutetrica de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M despueacutes de la elucioacuten (rojo) en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M (azul) Respuesta voltameacutetrica de un electrodo BDD blanco en lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (rosa) a1) Detalle de los picos anoacutedicos
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a
lactosa
Para estudiar la sensibilidad del sensor frente a las moleacuteculas de lactosa se
llevaron a cabo detecciones en una solucioacuten de lactosa con una concentracioacuten
10-4 M y 10-3 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M Aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs
En la figura 50 a y b se muestran los voltamogramas obtenidos con los
sensores MIP y NIP respectivamente donde se puede observar que la
intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs disminuye al aumentar la
concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten Como ya se ha indicado dicho
fenoacutemeno tiene lugar en los sensores MIP que utilizan sustancias
electroactivas para el reconocimiento de azuacutecares La presencia del azuacutecar en
la solucioacuten provoca el empeoramiento de la transferencia electroacutenica a traveacutes
de la matriz de chitosaacuten por lo que la intensidad de la sentildeal proporcionada por
el sensor disminuye [41] [84] [212]
140
Figura 50 Estudio de la sensibilidad de un sensor a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) posteriormente en un disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10minus4 119872 (rojo) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M y finalmente en una disolucioacuten de lactosa de
concentracioacuten 10minus3M (azul) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
De la representacioacuten de la intensidad del pico anoacutedico (figura 51)
correspondiente al estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ se obtienen dos rectas
para cada uno de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD La ecuacioacuten correspondiente al sensor MIP para el tramo de (0
mM - 01 mM) es 119910 = 2456119909 + 4175 y para el 2ordm tramo (01 mM ndash 1mM)
119910 = minus116119909 + 1835 Donde ldquoxrdquo es la concentracioacuten de lactosa (mM) e ldquoyrdquo es
la intensidad de sentildeal del pico anoacutedico (μA)
De la misma forma para el sensor NIP la ecuacioacuten para el tramo de (0 mM-
01Mm) es 119910 = minus1043119909 + 2218 y para el segundo tramo (01 ndash 1mM) es la
siguiente 119910 = minus58556119909 + 12336
En esta representacioacuten se demuestra que a mayor concentracioacuten del azuacutecar
menor es la intensidad de la sentildeal proporcionada por ambos sensores (MIP y
NIP) Ademaacutes la intensidad de corriente alcanzada por el sensor MIP y NIP ante
la deteccioacuten de lactosa entre las concentraciones 0 mM ndash 01 mM presenta un
gran salto de deteccioacuten Por otro lado cuando la deteccioacuten se lleva a cabo con
una concentracioacuten de lactosa entre los valores de 01 mM - 1 mM el salto de
deteccioacuten es menos brusco es decir la caiacuteda de corriente tanto del MIP como
del NIP es maacutes baja Por otro lado se aprecia que a una concentracioacuten de
10minus3 119872 de lactosa en la solucioacuten el sensor MIP parece que se llega a saturar
puesto que la diferencia en la intensidad de corriente alcanzada entre los
sensores MIP y NIP es praacutecticamente despreciable Por estas razones se
deberiacutea comprobar el funcionamiento de los sensores llevando a cabo
detecciones frente a concentraciones inferiores de lactosa en la solucioacuten
(10minus5 119872 10minus6 119872 etc)
141
Figura 51 Rectas de la intensidad del pico anoacutedico (Ag2+) de los sensores MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD (negro) y NIP [ CHI-AgNWs]BDD (rojo) en PBP (001 M y pH 74) para un incremento de la concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten (0 01 y 1 mM)
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa
La reproducibilidad del MIP (1275) figura 52 a es inferior a la del NIP
(141) figura 52 b la diferencia de reproducibilidad entre el MIP y el NIP se
debe a que los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
pueden estar afectados por una mala reproducibilidad asociada al proceso de
fabricacioacuten del MIP durante la electrodeposicioacuten electroquiacutemica [210] Aunque
como ya se ha indicado en el anterior apartado el empleo de agentes
reticulantes como el glutaraldehiacutedo contribuyen a la mejora de la
reproducibilidad
142
Figura 52 Reproducibilidad mediante voltametriacutea ciacuteclica en lactosa 10-4M en PBP 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa
El estudio de la repetitividad del sensor (tabla 6) se ha llevado a cabo utilizando
voltametriacutea ciacuteclica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M mediante 5 ciclos consecutivos potencial de -1 V a 1 V
y una velocidad de barrido de 100 mVs El criterio empleado para calcular la
repetitividad del sensor es el CV obtenido del valor de intensidad del pico
anoacutedico Ag2+ de los 4 uacuteltimos ciclos
La repetitividad del MIP (figura 53 a) calculada es del 1251 y la del NIP (figura
53 b) es del 1878 estos resultados demuestran una mala repetitividad que
puede estar asociada a dos factores la peacuterdida de AgNWs en la superficie del
chitosaacuten con cada ciclo y al deterioramiento de la peliacutecula de chitosaacuten lo que
implicariacutea la peacuterdida en la intensidad de la sentildeal
Figura 53 Repetitividad mediante voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
143
Tabla 6 Estudio de la repetitividad a traveacutes de la intensidad de corriente (μA) de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgmL
Ciclo Configuracioacuten
MIP
[CHI-AgNWs- Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]BDD
Intensidad de corriente
2 5038 4457
3 4257 3733
4 37 33
5 3327 2898
CV () 1251 1878
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-
Glucosa]BDD
Se ha sintetizado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD utilizando la
glucosa como moleacutecula plantilla en una concentracioacuten 001 M El
funcionamiento de dicho sensor se ha comparado con un NIP [CHI-
AgNWs]BDD
El sensor se ha sintetizado con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
llevando a cabo la polimerizacioacuten del chitosaacuten por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten cuyos paraacutemetros de medida fueron establecidos en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se muestra el cronoamperograma de la electrodeposicioacuten
llevada a cabo para la fabricacioacuten de los sensores MIP (figura 54 a) y NIP (figura
54 b) Tal y como se ha explicado en el sensor de lactosa en ambos
cronoamperogramas se distinguen cada una de las fases que se corresponden
con la deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten sobre el electrodo BDD con el
tiempo Primero se produce un aumento en la intensidad de corriente debido
a los procesos electroquiacutemicos que ocurren en la celda En la segunda fase
tiene lugar la nucleacioacuten del chitosaacuten en ambos sensores el codo de curvatura
es muy pronunciado lo cual indica que la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo se produce con dificultad Este resultado se podriacutea asociar a la falta
de agitacioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la siacutentesis de los
sensores tal y como se ha indicado en los sensores de lactosa fabricados en
las mismas condiciones Finalmente la peliacutecula de chitosaacuten crece sobre el
electrodo BDD
144
Como en los sensores de lactosa la presencia de glucosa en la disolucioacuten
dificulta la difusioacuten de las especies a traveacutes de la peliacutecula de chitosaacuten Este
resultado se refleja en la intensidad de la corriente final alcanzada en los
cronoamperogramas respectivos donde el MIP alcanza una intensidad 45 μA
y el NIP de 60 μA
Figura 54 Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Se fabricaron dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas
presentaron un CV (calculado siguiendo el mismo criterio que para el sensor de
lactosa) para el MIP del 20 y para el NIP del 1795 La razoacuten de la baja
reproducibilidad se asocia a que las condiciones en las que se realizoacute la
fabricacioacuten o medicioacuten de ambos sensores no fueron las adecuadas siendo un
posible motivo la ausencia de agitacioacuten o una inmersioacuten inadecuada del
electrodo de trabajo y contraelectrodo
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado comparando
la respuesta obtenida por voltametriacutea ciacuteclica de un electrodo BDD blanco con
la respuesta electroquiacutemica proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 55
b) en una disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001M La voltametriacutea ciacuteclica se ha realizado siguiendo el mismo
procedimiento y estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que se han
explicado para el sensor de lactosa
En la figura 55 a se muestra la respuesta voltameacutetrica del blanco donde no es
posible apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten dado que la glucosa no es
un compuesto con actividad electroliacutetica
145
Figura 55 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de glucosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de glucosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL sensor NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
La respuesta voltameacutetrica obtenida de los sensores (MIP y NIP) asiacute como la del
blanco indica que los resultados no son buenos por varias razones En el MIP
no hay nada que sugiera que se haya formado una plantilla polimeacuterica puesto
que la intensidad de corriente alcanzada es muy baja e inferior a la lograda por
el blanco En segundo lugar en el sensor no se aprecia un buen funcionamiento
de los AgNWs puesto que la intensidad de corriente proporcionada por eacutestos
es inferior a la respuesta voltameacutetrica del blanco En adiccioacuten tampoco es
posible apreciar los picos de oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el
estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a glucosa
Teniendo en cuenta estos resultados se puede concluir que los paraacutemetros de
fabricacioacuten utilizados para la elaboracioacuten del sensor MIP no fueron los
adecuados las posibles razones son
En la electrodeposicioacuten del MIP no se llevoacute a cabo agitacioacuten lo que
implica que la cantidad de AgNWs depositados en el electrodo es
insuficiente para apreciar los picos de oxidacioacuten de los mismos
La concentracioacuten de AgNWs en el sensor (1mgmL) es demasiado
pequentildea lo que afectoacute directamente a la respuesta electroquiacutemica del
mismo
Con objeto de estudiar la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de cada
tipo MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute
146
a cabo por medio de voltametriacutea ciacuteclica siguiendo el mismo procedimiento que
en los sensores de lactosa
Para ello se calculoacute el CV del MIP y NIP obteniendo valores de reproducibilidad
del 30 (MIP) y del 12 (NIP) La mala reproducibilidad de los sensores se
puede deber a que las condiciones en las que se llevaron a cabo los
experimentos no fueron las adecuadas siendo una posible causa la falta de
agitacioacuten durante la electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla
para la siacutentesis del MIP o NIP
Finalmente es necesario aclarar que el procedimiento seguido para la
optimizacioacuten del sensor de lactosa con los distintos paraacutemetros de fabricacioacuten
y de medida indicados a lo largo de este trabajo (fabricacioacuten del sensor con
agitacioacuten concentracioacuten de AgNWs uso de agente reticulante glutaraldehiacutedo
etc) se deberiacutean de repetir para el sensor de glucosa descrito en este mismo
punto
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-
Galactosa]BDD
Se ha elaborado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD para la deteccioacuten
de galactosa para ello se utiliza dicho analito como moleacutecula plantilla El
funcionamiento del MIP se ha comparado con un sensor NIP fabricado de la
misma forma pero en ausencia de la moleacutecula de galactosa
A diferencia del resto de las configuraciones explicadas en el presente trabajo
en este caso el sensor se obtuvo por cronoamperometriacutea en presencia de una
moleacutecula plantilla que se encontraba en la solucioacuten en una concentracioacuten 01 M
(el resto de los sensores MIP de glucosa y galactosa se sintetizaron con una
concentracioacuten 001 M de las moleacuteculas plantilla respectivas) Este cambio se
realizoacute con objeto de comprobar coacutemo afectariacutea al sensor un aumento de la
concentracioacuten del azuacutecar en la formacioacuten de la plantilla de chitosaacuten La
polimerizacioacuten se llevoacute a cabo sin agitacioacuten bajo las condiciones indicadas en
el capiacutetulo 4
En la figura 56 a y b se muestra el cronoamperograma obtenido para el MIP y
NIP respectivamente donde se pueden observar las tres fases
correspondientes a la electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el electrodo BDD y
que ya se han explicado en apartados anteriores En ambos sensores se puede
apreciar un proceso de nucleacioacuten muy costoso asiacute como una caiacuteda en la
intensidad de corriente del NIP (60 μA) en comparacioacuten al MIP (50 μA) Tal y
147
como ocurriacutea en el resto de las configuraciones obtenidas mediante
cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
Figura 56 a) Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se fabricaron
dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV
(calculado siguiendo los mismos pasos que para el sensor de lactosa) para el
MIP del 18 y para el NIP del 1725 De nuevo la reproducibilidad es baja las
posibles causas de ello se han indicado para los sensores de lactosa y glucosa
obtenidos bajo las mismas condiciones de fabricacioacuten
Para llevar a cabo un estudio del funcionamiento del MIP se ha comparado la
respuesta de un electrodo BDD blanco con la respuesta electroquiacutemica
proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 57 b) en una solucioacuten de
galactosa 10-4 en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M La respuesta
voltameacutetrica de los sensores MIP y NIP frente a galactosa se obtuvo seguacuten los
paraacutemetros de medida y el protocolo de deteccioacuten establecidos en el capiacutetulo
4 En este caso para llevar a cabo la medicioacuten frente a galactosa se empleoacute
una celda electroquiacutemica distinta con el fin de comprobar el funcionamiento
electroquiacutemico de los sensores en la misma Esta celda presentaba la ventaja
de mantener siempre el mismo aacuterea de contacto de los sensores MIP en el
proceso de deteccioacuten frente al azuacutecar de intereacutes
La respuesta voltameacutetrica del electrodo BDD blanco figura 57 a se obtuvo
estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que fueron indicados en los
sensores de lactosa y glucosa En el voltamograma obtenido no es posible
148
apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten ya que la galactosa no presenta
actividad electroliacutetica
Figura 57 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de galactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de galactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El resultado de la voltametriacutea ciacuteclica figura 57 b demuestra un mal
funcionamiento del sensor MIP ya que la intensidad obtenida por el NIP es
mayor a la intensidad proporcionada por el sensor MIP frente a galactosa
Ademaacutes no es posible apreciar los picos correspondientes a las reacciones de
oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el estudio del comportamiento
electroquiacutemico del sensor frente a galactosa
El mal funcionamiento del MIP se puede asociar a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Ademaacutes en este caso se debe tener en
cuenta que con una concentracioacuten de galactosa 01 M en la solucioacuten que
contiene la mezcla para sintetizar el sensor seguramente se produzca la
saturacioacuten de la misma lo cual impide la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica en
la matriz de chitosaacuten
Finalmente en la figura 57 b se puede observar que la intensidad de corriente
alcanzada por los sensores es muy inferior (lt 5 μA) a la que se obtuvo con el
resto de las configuraciones descritas que presentaban la misma
concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten La razoacuten de la
baja intensidad de la sentildeal se podriacutea atribuir a un menor aacuterea de contacto entre
el electrodo de trabajo y la solucioacuten en la celda empleada en este experimento
en comparacioacuten al aacuterea de contacto que se conseguiacutea con la celda electroliacutetica
utilizada en el resto de los experimentos descritos en este trabajo
149
Para obtener la reproducibilidad se fabricaron dos sensores de cada tipo
MIP[CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP[CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute a
cabo con voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de galactosa 10-4 M siguiendo el
mismo procedimiento que para el sensor de glucosa y lactosa De la misma
forma el criterio empleado para su obtencioacuten fue el caacutelculo del CV obteniendo
un valor para el sensor MIP del 1095 y para el NIP del 756 Ambos
sensores tienen falta de reproducibilidad lo que sugiere que las condiciones
en las que se obtuvieron los sensores no fueron las adecuadas A pesar de ello
el MIP presenta una mayor reproducibilidad que el resto de los sensores
obtenidos a la misma concentracioacuten de AgNWs por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten Lo cual se puede deber al empleo de la celda descrita en el capiacutetulo
4 que mantuvo el mismo aacuterea de contacto del electrodo de trabajo en todo el
proceso de deteccioacuten frente a galactosa
Como se ha indicado en el sensor de glucosa el protocolo de optimizacioacuten
mediante el empleo de diferentes concentraciones de AgNWs fabricacioacuten por
cronoamperometriacutea bajo agitacioacuten concentracioacuten de la moleacutecula plantilla etc
Se deberiacutea realizar para llevar a cabo la optimizacioacuten de un sensor MIP frente
a galactosa que proporcione las mejores prestaciones frente a dicho analito
150
Capiacutetulo VI
Conclusiones y trabajo futuro
151
152
6 Conclusiones y trabajo futuro
61 Conclusiones
En el presente trabajo de fin de grado se han elaborado sensores
nanoestructurados con AgNWs basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Sensor nanoestructurado de lactosa
De los experimentos realizados para la configuracioacuten de este sensor se pueden
extraer las siguientes conclusiones
bull La voltametriacutea ciacuteclica para llevar a cabo la polimerizacioacuten de chitosaacuten no
es un meacutetodo adecuado puesto que no se consigue la polimerizacioacuten
del MIP sobre el electrodo BDD
bull Se ha demostrado que fabricando los sensores sin agitacioacuten MIP [CHI-
AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD y con una concentracioacuten
de AgNWs de 1 mgmL no es posible apreciar los picos de oxidacioacuten de
los AgNWs
bull Se ha comprobado que en la electrodeposicioacuten llevada a cabo con el
MIP frente al NIP se alcanzan valores en la intensidad de corriente
inferiores lo que supone que la presencia del azuacutecar dificulta la
polimerizacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica
bull Se ha demostrado que el paraacutemetro de agitacioacuten durante el proceso de
electrodeposicioacuten facilita el mecanismo de nucleacioacuten del chitosaacuten por
medio de un proceso de difusioacuten de las especies en estado estacionario
Por otro lado la agitacioacuten tiene una gran influencia en el
comportamiento electroquiacutemico del sensor ya que con eacutel se consigue
una mejora del rendimiento y de la reproducibilidad
bull Se ha demostrado la importancia de los AgNWs en el sensor ya que a
traveacutes de ellos se puede llevar a cabo la deteccioacuten de azuacutecares lo que
resulta de gran intereacutes para la deteccioacuten de una gran cantidad de
analitos
bull Se han desarrollado sensores con concentraciones crecientes de
AgNWs comprobaacutendose que la intensidad de corriente es directamente
proporcional a la concentracioacuten de eacutestos Con ello tambieacuten se ha
153
comprobado que a una concentracioacuten de AgNWs en el sensor de 10
mgmL el MIP no funciona bien lo que podriacutea suponer que a
concentraciones tan elevadas se produce la saturacioacuten del sensor
bull Se obtuvieron sensores que se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD en los que se demostroacute
que su uso favoreciacutea la respuesta voltameacutetrica del sensor En los
sensores con ausencia de glutaraldehiacutedo se obtuvo una
reproducibilidad del 23 y 184 para el MIP y NIP respectivamente
Mientras que para el sensor sometido a glutaraldehiacutedo se obtuvo para
el MIP y NIP una reproducibilidad del 837 y 1364 respectivamente
Estos resultados demuestran que la obtencioacuten de sensores en
presencia de un agente reticulante contribuye a obtener una respuesta
maacutes reproducible
bull Para el sensor seleccionado que presenta la configuracioacuten oacuteptima frente
a lactosa se ha llevado a cabo un estudio de la reproducibilidad
repetitividad y sensibilidad Se ha comprobado que la reproducibilidad
de los MIP (1275) es inferior a la de los NIP (141) este resultado
negativo se atribuye a la falta de homogeneidad durante la fabricacioacuten
del sensor Por otro lado tampoco se obtuvieron buenos resultados en
la repetitividad pudiendo ser debido a la peacuterdida de AgNWs o al
deterioramiento de la peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten Finalmente en el
estudio de sensibilidad se comproboacute que el aumento del azuacutecar a una
concentracioacuten de 10-3M en la solucioacuten puede causar la saturacioacuten del
sensor MIP
Sensores de glucosa y galactosa
bull En el sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvieron malos resultados dado que la intensidad
de la sentildeal obtenida entre ambos sensores era inferior a la intensidad
proporcionada por el blanco Lo que demostroacute que las condiciones en
las que se fabricaron los dos tipos de sensores no fueron las adecuadas
El mal funcionamiento se atribuye a la polimerizacioacuten del chitosaacuten en
presencia de AgNWs en ausencia de agitacioacuten y a una concentracioacuten de
AgNWs de 1 mgmL insuficiente
bull En el sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD tambieacuten se obtuvieron malos resultados obteniendo una
peor intensidad en el sensor MIP en comparacioacuten al NIP El mal
funcionamiento del sensor se asocia a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Adicionalmente se comproboacute que
el azuacutecar en una concentracioacuten 01 M en la solucioacuten causoacute la saturacioacuten
del mismo
154
A pesar de que los experimentos realizados son insuficientes como para
predecir su comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de glucosa y
galactosa a priori y en comparacioacuten con los resultados obtenidos en el sensor
frente a lactosa ambos sensores funcionan peor Debido a ello todaviacutea es
necesario llevar a cabo la optimizacioacuten de los mismos para poder predecir su
comportamiento electroquiacutemico frente a los azuacutecares de intereacutes
Trabajo pendiente
Finalmente es necesario aclarar que el trabajo concerniente al desarrollo
experimental no pudo ser concluido debido a la covid-19 los resultados
presentados en esta investigacioacuten se corresponden con un trabajo de
permanencia en el laboratorio de 1 mes y medio
En lo referente al sensor MIP de lactosa se deberiacutea de continuar con la siguiente
investigacioacuten en el laboratorio
bull Terminar de optimizar el sensor con una concentracioacuten de 5 mgmL de
AgNWs dado que es con esta concentracioacuten donde el MIP demostroacute un
mejor comportamiento frente a la deteccioacuten de lactosa Para ello se
propone comprobar el efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta
voltameacutetrica de este sensor y llevar a cabo un estudio de la sensibilidad
a traveacutes de la voltametriacutea ciacuteclica con concentraciones inferiores de
lactosa
bull Una vez optimizado por completo se deberiacutea de estudiar mediante
voltametriacutea ciacuteclica el comportamiento del sensor frente la deteccioacuten de
lactosa variando la proporcioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
(50 60 70 etc)
bull Se debe calcular el liacutemite de deteccioacuten del sensor definido este como
ldquola concentracioacuten maacutes baja a la que se puede detectar el analitordquo El
liacutemite de deteccioacuten generalmente se calcula mediante
cronoamperometriacutea a traveacutes de la siguiente expresioacuten
119871119863 = 3120590
119898
(32)
Ecuacioacuten 32 Caacutelculo del liacutemite de deteccioacuten
155
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son 120590 es la desviacioacuten estaacutendar
de las medidas del blanco entendido este como una muestra sin el
analito y m es la pendiente de la curva de calibracioacuten obtenida de
representar la concentracioacuten de analito con la intensidad de corriente
alcanzada con cada concentracioacuten de analito antildeadida [214] [215]
bull Caracterizar la estructura del sensor MIP y NIP a traveacutes de teacutecnicas
como la espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X y AFM
En lo referente a los sensores MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y MIP [CHI-
AgNWs-Glucosa]BDD se deberiacutea de completar la investigacioacuten llevando a cabo
el mismo estudio que el que se ha efectuado para el sensor de lactosa
62 Trabajo futuro
En relacioacuten con el trabajo futuro relativo al desarrollo de sensores basados en
la tecnologiacutea de impresioacuten molecular se podriacutean llevar a cabo las siguientes
investigaciones
bull En lo referente al estudio de la morfologiacutea de los sensores se propone
llevar a cabo un estudio basado en AFM con el fin de caracterizar la
plantilla polimeacuterica formada
bull Mejorar el proceso de elaboracioacuten de la moleacutecula plantilla depositada
sobre la superficie del electrodo con el fin de mejorar la reproducibilidad
del sensor MIP
bull Llevar a cabo nuevas teacutecnicas de inmovilizacioacuten de los nanohilos de
plata en la peliacutecula de chitosaacuten para conseguir una mejor
reproducibilidad y repetitividad de los sensores nanoestructurados
bull Realizar un estudio del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
frente a otras moleacuteculas interferentes para comprobar la selectividad de
los sensores basados en la impresioacuten molecular
bull Llevar a cabo la construccioacuten de una lengua electroacutenica que consista en
un sistema multisensor basado en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
para la identificacioacuten simultanea de diferentes tipos de azuacutecares Con
156
la lengua electroacutenica se pueden llevar a cabo anaacutelisis en medios
complejos como en la leche zumos yogures batidos etc Lo que resulta
de especial intereacutes en la industria laacutectea
157
Capiacutetulo VII
Bibliografiacutea
158
159
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Agradecimientos
Quisiera agradecer a todos aquellos que han intervenido en el desarrollo de
este trabajo de fin de grado y que de alguacuten modo lo han hecho posible
En primer lugar quiero dar las gracias a mi profesora y tutora Mariacutea Luz
Rodriacuteguez Meacutendez quien me ha dado la oportunidad de formar parte de su
equipo de investigacioacuten y gracias a la cual he aprendido y adquirido
conocimientos de gran valor
A mis compantildeeros de laboratorio quienes desde un principio me hicieron
formar parte del equipo a pesar de esta corta experiencia gracias chicos por
el tiempo compartido En especial quiero hacer mencioacuten a mi cotutora Coral
por su apoyo dedicacioacuten y por su gran paciencia estoy segura de que Luciacutea va
a tener una mami fantaacutestica
A mis amigos en especial a ti Marta sin ella esta carrera no hubiera sido lo
mismo A pesar de que el tiempo compartido en clase fue poquito ha sido el
suficiente Nunca olvidareacute aquellas clases de matemaacuteticas y fiacutesica donde las
risas estaban aseguradas o las tardes de exaacutemenes repletas de
conversaciones de dudas lo que estaacute claro es que sin tu apoyo estaacute carrera
hubiera sido una larga cuesta arriba
Por otro lado quiero agradecer a mi gran apoyo mi confidente mi amigo mi
pareja Rubeacuten Gracias por creer en miacute en todo momento por animarme con
esta carrera por hacer que no me rinda por estar siempre a mi lado a pesar
de las circunstancias y sobre todo por aguantarme durante estos 5 antildeos que
sin duda creo te habraacuten servido de praacutecticas para psicologiacutea Sin olvidar a mi
segunda familia Chus y Oscar con vosotros las palabras de agradecimiento
sobran Seacute que no os gusta que os lo diga pero gracias gracias por vuestro
apoyo incansable y sobre todo por tratarme siempre como a la nintildea de la casa
Finalmente gracias a mi familia sin los cuales esto no hubiera sido posible En
especial a mis padres por vuestro apoyo confianza esfuerzo y sacrificio
gracias a ellos soy lo que soy y he podido formarme en lo que maacutes me gusta
Ademaacutes quiero dar las gracias a mi hermano Diego con el que siempre he
podido contar Sin eacutel este camino no hubiera sido el mismo queacute seriacutea de
nosotros sin discutir sobre las ventajas y dificultades de la fiacutesica e ingenieriacutea
Muchas gracias a todos
Resumen
Se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en poliacutemeros de
impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
Eacutestos se sintetizaron mediante la electropolimerizacioacuten de una peliacutecula
compuesta por un biopoliacutemero de intereacutes chitosaacuten modificada con nanohilos
de plata (AgNWs) sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD) en
presencia de la moleacutecula plantilla Utilizando voltametriacutea ciacuteclica (CV) su
funcionamiento se comparoacute con otros sensores NIP obtenidos bajo las
mismas condiciones sin la moleacutecula plantilla
Primero se sintetizaron AgNWs de tamantildeo homogeacuteneo a traveacutes del meacutetodo
poliol Ademaacutes se caracterizaron mediante espectroscopiacutea UV-VIS DRX y AFM
Posteriormente se analizoacute la configuracioacuten oacuteptima del sensor frente a lactosa
Se evaluoacute su repetitividad reproducibilidad y sensibilidad donde se comproboacute
una posible saturacioacuten en lactosa 10minus3119872
Finalmente se sintetizaron sensores para la deteccioacuten de glucosa y galactosa
mediante CV pero como no mostraron un buen funcionamiento es necesario
continuar investigando
Palabras clave
Sensores electroquiacutemicos MIP AgNWs chitosaacuten leche
Abstract
In this piece of work electrochemical sensors based on molecular imprinted
polymers (MIP) have been developed for the detection of lactose glucose and
galactose All of these were synthesized through the electropolymerization of a
coating composed of a biopolymer of interest chitosan modified with silver
nanowires (AgNWs) on a boron-doped diamond electrode (BDD) in the
presence of the template molecule Using cyclic voltametry (CV) its
performance was compared to other sensors NIP obtained under the same
conditions without the template molecule
Firstly AgNWs of homogeneous size were synthesized through the polyol
method In addition AgNWs were characterized by spectroscopy UV-VIS XRD
and AFM
Secondly the optimal configuration of the sensor was analyzed against lactose
For which it was studied its repeatability reproducibility and sensitivity where
a possible sensor saturation was checked at concentration of lactose in
solution 10 -3 M
Finally sensors were synthesized for the detection of glucose and galactose by
CV but as they did not show a good performance further optimization is
needed
Keywords
Electrochemical sensors MIP AgNWs chitosan milk
Iacutendice
1 Introduccioacuten y objetivos 3
11 Introduccioacuten 3
12 Objetivos 4
2 Fundamento teoacuterico 8
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y Nanotecnologiacutea 8
211 La nanociencia en la industria alimentaria Nanosensores 8
22 La industria laacutectea Materia prima leche 10
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche 12
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche 12
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas 13
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche 16
23 Sensores utilizados 29
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores 29
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular (MIP) 32
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 36
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 38
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo 42
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico 44
241 Electrodos BDD 45
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD 46
25 Sensores basados en nanomateriales 47
251 Los nanohilos de plata (AgNWs) 48
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs 49
2521 Siacutentesis de AgNWs 51
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs 56
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas 67
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos 73
2611 Voltametriacutea ciacuteclica 74
2612 Cronoamperometriacutea 79
27 Chitosaacuten o quitosano 84
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados 87
3 Reactivos materiales y equipos 91
31 Reactivos 91
32 Materiales 92
33 Equipos 92
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental 96
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados 96
411 Preparacioacuten de las disoluciones 96
412 Procedimiento experimental 99
4121 preparacioacuten de los AgNWs 99
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro (BDD) 101
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP 102
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs 105
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico 107
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP 107
4122 voltametriacutea ciacuteclica 109
5 Resultados experimentales y discusioacuten de resultados 115
51 Caracterizacioacuten de AgNWs 115
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-VIS) 115
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM) 116
513 Difraccioacuten de rayos-X 117
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD 118
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa 137
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a lactosa 139
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa 141
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa 142
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs- Glucosa]BDD 143
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD 146
6 Conclusiones y trabajo futuro 152
61 Conclusiones 152
62 Trabajo futuro 155
7 Bibliografiacutea 159
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 REACCIOacuteN ENZIMAacuteTICA DE LA LACTOSA PARA FORMAR GLUCOSA Y GALACTOSA 20
FIGURA 2 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DE LA CASEIacuteNA 25
FIGURA 3 ESTRUCTURA DE UN SENSOR 30
FIGURA 4 MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS (ROJO) MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE
TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS EMPLEADOS EN LA DETECCIOacuteN DE AZUacuteCARES (ROSA) PUBLICACIONES
CORRESPONDIENTES AL PERIODO 1999-2019 OBTENIDAS DE LA BASE DE DATOS SCOPUS (ELSEVIER) 37
FIGURA 5 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-MOLEacuteCULA PLANTILLA]BDD EN UNA CELDA
ELECTROLIacuteTICA CON UNA CONFIGURACIOacuteN DE TRES ELECTRODOS (ELECTRODO DE TRABAJO CONTRAELECTRODO Y
ELECTRODO DE REFERENCIA) DONDE SE REPRESENTA LA DEPOSICIOacuteN DE LA SOLUCIOacuteN A TRAVEacuteS DE
ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN POR CRONOAMPEROMETRIacuteA SOBRE UN ELECTRODO DE DIAMANTE DOPADO CON BORO
(BDD) 40
FIGURA 6 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP DONDE SE MUESTRA EL PROCESO DE POLIMERIZACIOacuteN Y A
CONTINUACIOacuteN UN SENSOR MIP DONDE SE HA LLEVADO A CABO EL PROCESO DE ELUCIOacuteN DE LA MOLEacuteCULA
PLANTILLA 42
FIGURA 7 REACCIOacuteN SIMPLIFICADA DEL PROCESO DE ENTRECRUZAMIENTO DEL CHITOSAacuteN CON GLUTARALDEHIacuteDO 43
FIGURA 8 ESTRUCTURA GENEacuteRICAS DE UNA BASE DE SHIFFacuteS CON TRES RADICALES R1 R2 Y R3 43
FIGURA 9 DIAMANTE DOPADO CON BORO SE REPRESENTAN LOS HUECOS INTRODUCIDOS POR EL BORO 45
FIGURA 10 PROCESO DE CRECIMIENTO DE LOS AGNWS 53
FIGURA 11 REPRESENTACIOacuteN DE LOS PLANOS CRISTALOGRAacuteFICOS [111] Y [100] DE UNA ldquoNANOBARRArdquo 53
FIGURA 12 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MICROSCOPIO DE FUERZA ATOacuteMICA 57
FIGURA 13 ESPECTRO ELECTROMAGNEacuteTICO CORRESPONDIENTE A LAS LONGITUDES DE ONDA DE LA REGIOacuteN UV-VIS
62
FIGURA 14 ORBITAL MOLECULAR DE LA BANDA DE VALENCIA Y TRANSICIONES ELECTROacuteNICAS 63
FIGURA 15 A RECTA DE LA ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER Y B REPRESENTACIOacuteN DE LAS DESVIACIONES DE LA
LEY DE LAMBERT- BEE 65
FIGURA 16 ESQUEMA DE UNA CELDA ELECTROLIacuteTICA CONECTADA A UN POTENCIOSTATO QUE PRESENTA UN SISTEMA
DE TRES ELECTRODOS ELECTRODO AUXILIAR ELECTRODO DE REFERENCIA Y ELECTRODO DE TRABAJO 71
FIGURA 17 VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA SENtildeAL DE EXCITACIOacuteN TRIANGULAR 74
FIGURA 18 VOLTAMOGRAMA CIacuteCLICO INTENSIDAD FRENTE A POTENCIAL DEL ANALITO DE INTEREacuteS 75
FIGURA 19 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN TRANSITORIO 80
FIGURA 20 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN ESTACIONARIO 82
FIGURA 21 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO DE LA ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN DE UN POLIacuteMERO 83
FIGURA 22 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN ldquoXrdquo UNIDADES REPETIDAS DE 2-AMINO-2-DESOXI-BETA-D-
GLUCOPIRANOSA Y UNIDADES REPETIDAS DE 2-ACETILAMINA-2-DESOXI-BETA-D-GLUCOPIRANOSA 85
FIGURA 23 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN DONDE SE MUESTRAN LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO ENTRE LOS
GRUPOS ACETILO E HIDROXILO Y EL GRUPO AMINO E HIDROXILO 86
FIGURA 24 EQUIPO EMPLEADO EN LA SIacuteNTESIS DE AGNWS 100
FIGURA 25 EN LA PARTE SUPERIOR DE LA FIGURA Y LEYENDO DE IZQUIERDA A DERECHA SE MUESTRAN LAS ETAPAS DEL
PROCESO FINAL DE OBTENCIOacuteN DE AGNWS 1) Y 2) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA TRAS UN TIEMPO DE REACCIOacuteN DE
1H EN LA QUE HAY UNA MEZCLA DE AGNPS Y AGNWS 3) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA DILUIDA CON ETANOL 4)
PRIMERA CENTRIFUGACIOacuteN DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE Y LOS AGNWS 5) 2ordf
CENTRIFUGACIOacuteN DE AGNWS DILUIDOS EN ETANOL DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE
Y LOS AGNWS 6) AGNWS DILUIDOS EN ETANOL ANTES DE LLEVAR A CABO LA UacuteLTIMA ETAPA DE LA
CENTRIFUGACIOacuteN 7) AGNWS OBTENIDOS DE LA UacuteLTIMA ETAPA DE CENTRIFUGACIOacuteN DONDE EL SOBRENADANTE
HA SIDO ELIMINADO 101
FIGURA 26 ELECTRODOS DE DIAMANTE DOPADO CON BORO (BDD) 102
FIGURA 27 ESPECTROFOTOacuteMETRO EMPLEADO PARA CARACTERIZAR LOS AGNWS 106
FIGURA 28 EQUIPO DE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA MOLECULAR 107
FIGURA 29 POTENCIOSTATO UTILIZADO PARA EL ESTUDIO ELECTROQUIacuteMICO DE LOS SENSORES MIP Y NIP 107
FIGURA 30 ESQUEMA DE TRABAJO PARA LLEVAR A CABO CRONOAMPEROMETRIacuteA INCLUYENDO EL SISTEMA DE
AGITACIOacuteN 109
FIGURA 31 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE LACTOSA Y GLUCOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 110
FIGURA 32 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE GALACTOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 111
FIGURA 33 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MIP [CHI-AGNWS-AZUacuteCAR]BDD FRENTE A LA DETECCIOacuteN DEL
AZUacuteCAR DE INTEREacuteS 111
FIGURA 34 ESPECTROSCOPIacuteA UV-VIS DEL PRODUCTO OBTENIDO DE LA SIacuteNTESIS DE AGNWS SIN LAVAR (ROJO)
AGNWS PURIFICADOS (AZUL) Y SOBRENADANTE (NEGRO) 116
FIGURA 35 FOTOGRAFIacuteA OBTENIDA MEDIANTE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA (AFM) DE UNA MUESTRA DE
AGNWS DEPOSITADA SOBRE UN ELECTRODO BDD 117
FIGURA 36 PATROacuteN DE DIFRACCIOacuteN DE RAYOS-X DE LOS AGNWS 118
FIGURA 37 ELECTRODEPOSICIOacuteN POR VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD 120
FIGURA 38 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 121
FIGURA 39 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP
DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M
EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 123
FIGURA 40 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML 124
FIGURA 41 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 125
FIGURA 42 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y UN B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 5 MGML 127
FIGURA 43 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES OBTENIDOS EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN 128
FIGURA 44 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE
10 MGML 130
FIGURA 45 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 132
FIGURA 46 INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO AG2+ DE LOS SENSORES MIP (NEGRO) NIP (ROJO) INMERSOS EN UNA
SOLUCIOacuteN DE LACTOSA EN PBP DE CONCENTRACIOacuteN 001 M Y PH 74 SE REPRESENTA UN AUMENTO DE LA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS EN LA PELIacuteCULA DE CHITOSAacuteN (0 5 10 MGML) 133
FIGURA 47 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 10 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 10
MGML Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES
MIP NIP CORRESPONDIENTES 135
FIGURA 48 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74)
(NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA CON KCL (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE
LACTOSA 10-4 M EN PBP (001M PH 74) B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74) (NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA
CON AGUA DESIONIZADA MILLI Q (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP (001M PH 74)
137
FIGURA 49 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DESPUEacuteS DE LA ELUCIOacuteN
(ROJO) EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10 minus 4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M (AZUL)
RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN ELECTRODO BDD BLANCO EN LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (ROSA) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS 139
FIGURA 50 ESTUDIO DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) POSTERIORMENTE EN UN DISOLUCIOacuteN
DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 4 119872 (ROJO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M Y
FINALMENTE EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 3M (AZUL) EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M A1) Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
RESPECTIVAMENTE 140
FIGURA 51 RECTAS DE LA INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO (AG2+) DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD (NEGRO) Y NIP [ CHI-AGNWS]BDD (ROJO) EN PBP (001 M Y PH 74) PARA UN
INCREMENTO DE LA CONCENTRACIOacuteN DE LACTOSA EN LA SOLUCIOacuteN (0 01 Y 1 MM) 141
FIGURA 52 REPRODUCIBILIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN LACTOSA 10-4M EN PBP 74 Y CONCENTRACIOacuteN
001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1) Y B1) DETALLES DE LOS
PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 53 REPETITIVIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH
74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1)
Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 54 CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD
AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 144
FIGURA 55 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML SENSOR NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON
UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 145
FIGURA 56 A) CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 147
FIGURA 57 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 148
Iacutendice de tablas
TABLA 1 POTENCIAL (MV) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN SENSOR MIP
[CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN
DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 2 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN
AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 3 CV () DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS] CON 5 MGML DE
AGNWS 0BTENIDOS CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 130
TABLA 4 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS CON UNA CONCENTRACIOacuteN
DE AGNWS 5 Y 10 MGML 133
TABLA 5 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD MIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP
[CHI-AGNWS]BDD NIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 10 MGML 136
TABLA 6 ESTUDIO DE LA REPETITIVIDAD A TRAVEacuteS DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) DE UN SENSOR MIP [CHI-
AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML
143
Iacutendice de ecuaciones
ECUACIOacuteN 1 CAacuteLCULO DE LA DENSIDAD 14
ECUACIOacuteN 2 LEY DE SNELL 16
ECUACIOacuteN 3 CAacuteLCULO DEL CONTENIDO DE SOacuteLIDOS () A PARTIR DEL PESO DE LA LECHE ANTES Y DESPUEacuteS DE LA
DESECACIOacuteN 17
ECUACIOacuteN 4 ECUACIOacuteN DE RICHMOND 17
ECUACIOacuteN 5 LEY DE PLANCK 60
ECUACIOacuteN 6 LEY DE LA TRANSMITANCIA 61
ECUACIOacuteN 7 CAacuteLCULO DE LA ABSORBANCIA 61
ECUACIOacuteN 8 ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER 64
ECUACIOacuteN 9 LEY DE BRAGG 66
ECUACIOacuteN 10 ECUACIOacuteN DE NERST 68
ECUACIOacuteN 11 ECUACIOacuteN DEL POTENCIAL RESULTANTE DE UNA CELDA ELECTROQUIacuteMICA 68
ECUACIOacuteN 12 REACCIOacuteN QUIacuteMICA GENERAL DE UN PROCESO DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN 69
ECUACIOacuteN 13 ECUACIOacuteN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO TERMODINAacuteMICA 69
ECUACIOacuteN 14 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS 69
ECUACIOacuteN 15 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS RELACIONADA CON LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
TERMODINAacuteMICA 70
ECUACIOacuteN 16 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO SCE 72
ECUACIOacuteN 17 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO AGAGCL 72
ECUACIOacuteN 18 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 19 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO ANOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 20 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE MEDIA ONDA PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 21 LEY DE RANDLES SEYCIK PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 22 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 23 LEY DE RANDLES-SEVCIK PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 24 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 25 POTENCIAL PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 26 LEY DE DIFUSIOacuteN DE FICK 79
ECUACIOacuteN 27 ECUACIOacuteN DE COTTRELL 81
ECUACIOacuteN 28 ECUACIOacuteN DE LEVICH 81
ECUACIOacuteN 29 CAacuteLCULO DEL ESPESOR DE UNA PELIacuteCULA POLIMEacuteRICA A PARTIR DE LA 1ordf LEY DE FARADAY 83
ECUACIOacuteN 30 ECUACIOacuteN DE HENDERSON-HASSELBACH 97
ECUACIOacuteN 31 CAacuteLCULO DEL COEFICIENTE DE VARIACIOacuteN (CV) O (RSD) 120
ECUACIOacuteN 32 CAacuteLCULO DEL LIacuteMITE DE DETECCIOacuteN 154
1
Capiacutetulo I
Introduccioacuten y objetivos
2
3
1 Introduccioacuten y objetivos
11 Introduccioacuten
La industria de la alimentacioacuten forma parte del sector de produccioacuten industrial
cuyo principal objetivo es transformar conservar y proporcionar productos
destinados al consumo humano Los procesos de transformacioacuten y elaboracioacuten
de alimentos tienen como objeto cumplir con los haacutebitos de alimentacioacuten de
las personas asiacute como alargar la vida uacutetil del producto conservando sus
propiedades organoleacutepticas [1]
De acuerdo con los datos publicados por el Ministerio de Agricultura Pesca y
Alimentacioacuten la industria de la alimentacioacuten da empleo a cerca de 5 millones
de personas dentro de la UE generando un total de 110900 Meuro Espantildea
ocupa el 4ordm puesto en la generacioacuten de negocios (87 ) quedando por detraacutes
de Francia (162) Alemania (154) e Italia (12) [2]
En Espantildea este sector constituye un importante motor dentro de la economiacutea
ya que representa el 16 del total de la industria del paiacutes Hay 29196
empresas que dan empleo a cerca de 450000 miles de personas lo que
supone el 202 del empleo industrial dentro del paiacutes [2]
Castilla y Leoacuten es la 3ordf Comunidad Autoacutenoma por detraacutes de Cataluntildea y
Andaluciacutea que genera maacutes produccioacuten dentro del sector con una cifra de
10133 Meuro [2] Valladolid Burgos y Leoacuten representan el 60 de las
exportaciones dentro del sector agroalimentario destacando subsectores
como la industria laacutectea la industria caacuternica industria de vinos y bebidas
azuacutecar y derivados pan y galletas [3]
En cuanto al sector laacutecteo seguacuten los datos proporcionados por el ministerio de
agricultura pesca y alimentacioacuten la comunidad de Castilla y Leoacuten alcanzoacute en
el antildeo 2017 una produccioacuten de 1169 millones de litros de leche ademaacutes es
la primera regioacuten productora de la leche de oveja en Espantildea [4][5]
La industria alimentaria estaacute en constante crecimiento y desarrollo con el fin
de adaptarse a sus cambios e innovaciones se hace necesaria la introduccioacuten
de recursos tecnoloacutegicos es por ello por lo que actualmente se encuentra en
la denominada 4ordf revolucioacuten industrial industria inteligente o industria 40 La
industria 40 es capaz de mejorar la calidad eficiencia y competitividad entre
diferentes sectores Dentro de la industria alimentaria el sector
agroalimentario es el maacutes involucrado puesto que busca la automatizacioacuten y
4
digitalizacioacuten de los procesos industriales para mejorar su eficiencia y
productividad y asiacute cumplir con la demanda del mercado [6] Ademaacutes la
industria alimentaria debe garantizar el suministro de productos seguros que
no comprometan la salud de las personas debido a ello se adoptan medidas
que aseguren el buen estado de los alimentos por ello como en el resto de
sectores el sector laacutecteo se encuentra sometido a una normativa estricta [7]
La industria 40 posibilita llevar a cabo un control y automatizacioacuten de todo el
proceso productivo para alcanzarlo cuenta con unos pilares fundamentales
entre los que cabe destacar el empleo de la nanotecnologiacutea Adaptaacutendose a los
cambios que posibilita esta revolucioacuten industrial y con objeto de aplicar la
industria 40 mediante la introduccioacuten de sensores basados en nanomateriales
surgen equipos de investigacioacuten relacionados con este campo
En Valladolid se encuentra el grupo UvaSens dirigido por la catedraacutetica Mariacutea
Luz Rodriacuteguez Meacutendez del departamento de Quiacutemica Fiacutesica y Quiacutemica
inorgaacutenica UvaSens nacioacute en 1962 y actualmente se encuentra asentado en
la escuela de Ingenieriacuteas Industriales de la Universidad de Valladolid Estaacute
integrado por un grupo multidisciplinar con quiacutemicos fiacutesicos e ingenieros El
grupo surge con el objeto de elaborar sensores y redes de sensores que sean
fiables reproducibles y que faciliten las tareas de control de calidad en
alimentacioacuten y bebidas Actualmente el grupo trabaja en dos liacuteneas de
investigacioacuten [8][9]
La primera estaacute dirigida al desarrollo de sensores y biosensores
nanoestructurados utilizando teacutecnicas como Layer by layer Langmuir-Blodgett
spin coating o teacutecnicas electroquiacutemicas [8] En cuanto a la segunda liacutenea de
investigacioacuten el equipo se dedica a la elaboracioacuten de sistemas multisensor
denominados lenguas electroacutenicas y narices electroacutenicas cuyo fundamento es
imitar el sentido del gusto y del olfato respectivamente [10][11] Los sensores
y biosensores desarrollados por el grupo UvaSens son de especial intereacutes en la
industria alimentaria ya que se dedican principalmente al estudio del vino [12]
la cerveza [13] y la leche [14]
Este trabajo se centra en el desarrollo de sensores electroquiacutemicos en los que
se incorporan nanoestructuras metaacutelicas para detectar azuacutecares de intereacutes en
la industria alimentaria que pueden encontrarse en bebidas como la leche
zumos batidos etc
12 Objetivos
5
El objetivo principal del presente trabajo ha sido desarrollar sensores
voltameacutetricos basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular MIPs para la
deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa utilizando nanohilos de plata
(AgNWs) Para conseguirlo se han persigo una serie de objetivos secundarios
como son
1 La optimizacioacuten de la siacutentesis de AgNWs a traveacutes del meacutetodo poliol y su
caracterizacioacuten mediante espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X
(DRX) y microscopiacutea de fuerza atoacutemica molecular (AFM)
2 La obtencioacuten de MIPs a traveacutes de meacutetodos electroquiacutemicos mediante la
deposicioacuten de una peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten modificada con
AgNWs en presencia de la moleacutecula plantilla de intereacutes
3 El estudio de la especificidad introducida por la plantilla polimeacuterica en
los sensores MIPs llevando a cabo su comparacioacuten con sensores
preparados en las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula
plantilla denominados NIPs
4 La determinacioacuten del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
MIPs por medio de teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea ciacuteclica
para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
5 La optimizacioacuten de los sensores MIPs frente a la deteccioacuten de lactosa
para ello se ha realizado la modificacioacuten de distintos paraacutemetros en el
desarrollo del sensor y de medida como son el meacutetodo de
electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la
obtencioacuten de los sensores MIP o NIP desarrollo de los sensores en
presencia de agitacioacuten o sin ella concentracioacuten de AgNWs el uso de
glutaraldehiacutedo como agente reticulante y el empleo de distintos
eluyentes de la moleacutecula plantilla
6
Capiacutetulo II
Desarrollo del TFG
7
8
2 Fundamento teoacuterico
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y
Nanotecnologiacutea
La nanociencia es una rama de la ciencia en la que convergen conocimientos
de la fiacutesica quiacutemica ingenieriacutea biologiacutea entre otros Se define como la
tecnologiacutea encargada del disentildeo y manejo de la materia a nivel de aacutetomos o
moleacuteculas para la fabricacioacuten de productos a nano-escala [10]
La nanotecnologiacutea implica controlar y comprender la materia a escala
nanomeacutetrica por lo que se basa en el estudio de nanomateriales de tamantildeo
entre 1 y 100 nanoacutemetros Su intereacutes radica en que las sustancias a esta
escala presentan propiedades fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas diferentes a las
que tienen los materiales a escala macroscoacutepica Una de sus caracteriacutesticas
maacutes interesantes es que su tamantildeo y aacuterea de superficie de tamantildeo
nanomeacutetrico les confieren una mayor estabilidad reactividad quiacutemica y
bioloacutegica haciendo posible el desarrollo de nuevos materiales con muacuteltiples
aplicaciones en diferentes sectores como en la fabricacioacuten de sensores [10]
El teacutermino ldquonanotecnologiacuteardquo fue utilizado por primera vez en 1974 por Norio
Tanigushi pero no fue hasta la deacutecada de 1980 con el desarrollo del
microscopio de Tuacutenel de Barrido (STM) cuando la nanotecnologiacutea comenzoacute a
abrirse camino entre los investigadores hasta la actualidad A lo largo del SXX
han tenido lugar acontecimientos que han marcado el mundo de la
nanotecnologiacutea como el descubrimiento de los fullerenos (1985) o de los
nanotubos de carbono (1991) [15] La nanotecnologiacutea ha seguido
evolucionando a lo largo del SXXI donde se han desarrollado nanomateriales
interesantes como los AgNWs que resultan de especial intereacutes en la
elaboracioacuten de sensores por sus excelentes propiedades oacutepticas y eleacutectricas
los primeros estudios acerca de estos nanomateriales datan en el antildeo 2006
[16] [17]
En la actualidad la nanotecnologiacutea encabeza una revolucioacuten tecnoloacutegica que
forma parte de muacuteltiples sectores Actualmente se trabaja en diversos campos
como el anaacutelisis sensorial electroacutenica comunicacioacuten produccioacuten de energiacutea
medicina e industria de los alimentos [18]
211 La nanociencia en la industria alimentaria
Nanosensores
9
En la industria alimentaria la nanotecnologiacutea se abre camino asegurando la
inocuidad y calidad de los alimentos aunque su incorporacioacuten en este sector
resulta algo tardiacutea debido al rechazo por parte de la poblacioacuten a la inclusioacuten de
nanomateriales por miedo a que provoquen efectos adversos en el organismo
[18]
A pesar de ello la nanotecnologiacutea representa un claro sector con un enorme
potencial en la industria alimentaria donde se encuentra en pleno desarrollo
Las cuatro vertientes en los que se divide son [18]
bull La necesidad de mejorar y simplificar la produccioacuten primaria y el
procesado de alimentos
Desarrollo de sensores inteligentes
Incorporacioacuten de nuevos pesticidas
Refuerzo de la alimentacioacuten animal
Produccioacuten de antiaglomerantes y nanoencapsulacioacuten de
sabores
bull Garantizar la inocuidad Seguridad alimentaria
Diagnoacutestico y deteccioacuten de la presencia de contaminantes
bull Embalaje de los alimentos
Antimicrobiales
bull Nutricioacuten
Fabricacioacuten de nanoemulsiones que mejoran la distribucioacuten de
los ingredientes farmaceacuteuticos activos [19]
Adicionalmente con el fin de proporcionar alimentos y bebidas que no
comprometan la salud del consumidor se debe asegurar la deteccioacuten de
sustancias en concentraciones extremadamente pequentildeas Por ello es
interesante la implementacioacuten de la nanotecnologiacutea en este aacutembito ya que
posibilita llevar a cabo detecciones maacutes precisas mediante el empleo de
nanosensores y la incorporacioacuten de nanocompuestos Con estas innovaciones
se consigue incrementar la sensibilidad selectividad y la relacioacuten
10
aacutereavolumen de los sensores permitiendo realizar anaacutelisis maacutes precisos y
exactos [18]
22 La industria laacutectea Materia prima leche
La industria laacutectea es un sector cuya materia prima principal es la leche este
sector produce anualmente cerca de 76 millones de toneladas de productos
laacutecteos La mayoriacutea de leche que se produce en Espantildea es de origen vacuno
(88) quedando por detraacutes la leche de oveja cabra y de otros animales
productores de leche [20] La comercializacioacuten de la leche puede llevarse a
cabo en diferentes formas leche liacutequida leche evaporada o concentrada leche
condensada y leche en polvo [21]
La leche se considera un producto baacutesico en la alimentacioacuten desde la
antiguumledad ya que se obtiene de manera natural y constituye un alimento
completo rico en proteiacutenas vitaminas grasas minerales entre otros
componentes Se define como un ldquoproducto iacutentegro y fresco de la ordentildea de
vacas sanas bien alimentadas y en reposo exenta de calostro y que cumple
con las caracteriacutesticas fiacutesicas y microbioloacutegicas establecidasrdquo [22] [23]
La leche es un producto muy complejo susceptible a que en eacutel se produzcan
importantes cambios que afecten a su calidad Por ello se establecen una serie
de factores que determinan su variabilidad alterabilidad y complejidad [22]
bull Variabilidad
La leche es un producto natural de origen bioloacutegico por lo que su composicioacuten
y propiedades fiacutesico - quiacutemicas vendraacuten determinados por
Raza y especie la leche entre diferentes especies (vaca oveja
cabra etc) presenta importantes diferencias respecto al contenido
de extracto seco materia grasa carbohidratos etc [22]
Por otro lado dentro de la misma raza tambieacuten surgen importantes
diferencias debidas al contenido proteico y tamantildeo de los gloacutebulos
lipiacutedicos [23]
Factores fisioloacutegicos el momento de extraccioacuten y el nuacutemero de
lactaciones afectan enormemente a la composicioacuten quiacutemica de la
leche teniendo en cuenta que los primeros diacuteas de lactancia se
11
obtiene calostro de composicioacuten quiacutemica muy distinta a la leche [22]
[23]
Alimentacioacuten la calidad de los productos utilizados en la
alimentacioacuten del animal puede afectar a su valor nutritivo [22]
Patologiacuteas los animales pueden presentar enfermedades como la
mastitis que alteran el sabor de la leche haciendo que eacutesta
adquiera un gusto salado [24]
Tratamientos el calentamiento es uno de los tratamientos teacutermicos
maacutes importantes que se llevan a cabo en la leche ya que para
garantizar su calidad higieacutenica es necesario eliminar el agua Sin
embargo estos tratamientos pueden producir efectos negativos
sobre la composicioacuten y propiedades de la leche Por ejemplo un
excesivo calor provoca la precipitacioacuten de proteiacutenas solubles de la
caseiacutena aumento de la acidez reduccioacuten de calcio etc [22]
bull Alterabilidad
La leche es un producto faacutecilmente alterable ya que en eacutel se pueden producir
importantes cambios que afecten a sus buenas propiedades o a su calidad Los
principales cambios que pueden tener lugar en la leche se describen a
continuacioacuten
Durante el ordentildeo del animal se pueden provocar cambios fiacutesicos estos tienen
lugar si se lleva a cabo un ordentildeo inadecuado haciendo que entre en la ubre
aire lo cual ocasiona la incorporacioacuten de oxiacutegeno y nitroacutegeno Otros cambios
fiacutesicos importantes que se pueden producir se deben al efecto de la
temperatura Por ejemplo temperaturas demasiado bajas provocan la
cristalizacioacuten de la materia grasa dando lugar a cambios en la textura de la
leche [22]
Debido a su riqueza nutricional la leche es un producto susceptible a que se
desarrollen microorganismos despueacutes de los procesos de tratamiento los
cambios microbioloacutegicos maacutes frecuentes se deben al desarrollo de bacterias
laacutecticas que llevan a cabo los procesos de fermentacioacuten de la lactosa Con la
fermentacioacuten la lactosa se transforma en aacutecido laacutectico lo que provoca un
aumento de la acidez en la leche ademaacutes se producen compuestos volaacutetiles
aportando olores desagradables [22]
En cuanto a los cambios quiacutemicos la luz puede ejercer un efecto catalizador
dando lugar a reacciones de oxidacioacuten indeseables un ejemplo es la oxidacioacuten
12
del α-tocoferol o de la vitamina E (un antioxidante natural de la grasa) y de los
carotenos [22] [26] Los cambios quiacutemicos tambieacuten pueden ser debidos a la
accioacuten de enzimas [22]
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche
Los productores de leche deben asegurar una entrega de producto con
ausencia de alteraciones defectos o posibles contaminantes Para ello se
realizan una serie de pruebas tanto de control de calidad como sanitario y asiacute
asegurar el suministro de leche que no afecte negativamente a la salud del
consumidor [27]
El control de calidad generalmente se lleva a cabo mediante la evaluacioacuten de
las propiedades fiacutesico - quiacutemicas microbioloacutegicas y sensoriales de las muestras
de leche con pruebas y controles como son
bull Pruebas realizadas en planta control de temperatura caracteres
organoleacutepticos lactofiltracioacuten (informa sobre la presencia de
contaminantes a causa de la falta de limpieza durante la produccioacuten de
la leche) y control de peso especiacutefico (el peso especiacutefico variacutea con la
composicioacuten quiacutemica de la leche por lo que se emplea para detectar
posibles casos de adulteracioacuten) [27]
bull Pruebas realizadas en el laboratorio prueba de acidez pH reduccioacuten
de colorantes etc [27]
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche
Fiacutesicamente la leche se define como un compuesto liacutequido opaco de color
blanco y con el doble de viscosidad que el agua [23]
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche contribuyen a ofrecer una
primera percepcioacuten de la calidad del producto y son aquellas caracteriacutesticas
que se pueden distinguir a traveacutes de nuestros sentidos Un color inusual
advierte sobre la presencia de microorganismos un aroma desagradable
podriacutea indicar la presencia de bacterias debido a que la leche ha estado en
contacto con utensilios sucios o a que se ha almacenado inadecuadamente
[27] Otro factor fundamental que determina la calidad de la leche es la
alimentacioacuten del animal ademaacutes el tipo de terreno pienso y pasto determinan
los nutrientes de la leche y por tanto tambieacuten su calidad [23]
13
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche son [27]
bull Textura la viscosidad es un factor que determina la textura de la leche
la leche liacutequida tiene una viscosidad de aproximadamente 2 ∙ 10minus3119875119886 ∙
119904 su valor depende de la presencia de microorganismos capaces de
producir polisacaacuteridos y de su contenido en materia grasa y proteiacutenas
[27] [28]
bull Color el color natural de la leche es el blanco este color es el resultado
del fenoacutemeno oacuteptico de refraccioacuten que se produce cuando un haz de luz
incide sobre las partiacuteculas coloidales que hay en ella [22]
Los coloides estaacuten presentes en la materia grasa cuando la leche es
semidesnatada presenta un color azulado y cuando es rica en grasa el
color es gris amarillento La percepcioacuten de otras tonalidades (rosado
amarillo o azul) se debe a la contaminacioacuten o al crecimiento de
microorganismos en la leche [27]
bull Sabor la leche en buen estado presenta un sabor ligeramente dulce por
la presencia de azuacutecares como la lactosa Otros sabores informan sobre
el mal estado del producto Por ejemplo el sabor aacutecido se produce por
la presencia del aacutecido laacutectico el sabor salado se debe a la presencia de
cloruros procedentes del uacuteltimo periodo de lactancia del animal [27]
bull Aroma la leche presenta un olor caracteriacutestico debido a la presencia de
compuestos orgaacutenicos volaacutetiles de bajo peso molecular como
aldehiacutedos cetonas aacutecidos entre otros [27]
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas
La leche tiene una estructura fiacutesica compleja ya que en ella se encuentran tres
estados de agregacioacuten de la materia [23]
bull Emulsioacuten en la leche se encuentra la materia grasa en forma de
gloacutebulos los cuales se encuentran en emulsioacuten en el seno de un liacutequido
acuoso a este conjunto se le denomina suero
bull Dispersioacuten coloidal una dispersioacuten coloidal estaacute formada por partiacuteculas
soacutelidas no disueltas en una fase dispersante (el agua) En esta fase
principalmente se encuentran las micelas de caseiacutena
14
Cuando las partiacuteculas soacutelidas presentan gran afinidad por el agua se
forma una disolucioacuten coloidal dentro de esta fase se encuentran las
proteiacutenas del suero
bull Disolucioacuten verdadera formada principalmente por lactosa y minerales
A continuacioacuten se describen las propiedades fiacutesicas de la leche
bull Densidad la densidad de la leche depende del contenido total de
algunos de sus componentes como agua proteiacutenas minerales lactosa
y soacutelidos no grasos a una determinada temperatura A 15ordmC la densidad
de la leche variacutea entre un valor de 1027 gmL y 1040 gmL [23]
La densidad se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten [22]
[28]
1
120588= (
119898119909
120588119909 )
(1)
Ecuacioacuten 1 Caacutelculo de la densidad
Donde 120588119909 es la densidad de cada componente 119898119909 es la masa de cada
componente y 120588 es la densidad total
La densidad es un buen indicador de posibles alteraciones que haya
podido sufrir la leche ya que disminuye al antildeadir agua grasa y con el
aumento de la temperatura [28]
bull Acidez la acidez de la leche es funcioacuten de la acidez actual (pH) y de la
titulable La acidez actual depende de la concentracioacuten de iones
hidroacutegeno libres H+ y la acidez titulable se corresponde con la acidez de
los componentes que por medio de la titulacioacuten liberan iones H+ al
medio [29]
La acidez total de la leche de vaca variacutea entre un 014-018 y depende
principalmente de la acidez de la caseiacutena sales minerales aacutecidos
orgaacutenicos reacciones secundarias debidas a los grupos fosfatos y de la
presencia de aacutecido laacutectico liberado por la actividad microbiana [29]
15
bull pH el pH de la leche representa la acidez actual y se mide con la
concentracioacuten de iones H+ libres [29] La leche generalmente presenta
un valor de pH ligeramente aacutecido entre 65 y 69 valores inferiores o
superiores no son normales e indicariacutean un posible caso de adulteracioacuten
[29] Ademaacutes el pH es un factor que se ve muy afectado por la
temperatura disminuyendo su valor con el aumento de eacutesta debido a la
insolubilidad del fosfato [29]
bull Viscosidad se refiere a la resistencia de un liacutequido a fluir en la leche
depende del contenido total en materia grasa de las proteiacutenas de la
temperatura y en menor grado del estado fiacutesico de las sustancias
disueltas en ella A temperatura ambiente la leche presenta una
viscosidad entre un valor de 15 10-3 Pa∙s y 2 ∙ 10minus3 Pa∙s [24]
La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura es decir
con el aumento de la temperatura la viscosidad disminuye Ademaacutes
tambieacuten depende de la composicioacuten quiacutemica de la leche siendo la leche
entera maacutes viscosa que la leche desnatada [22]
bull Calor especiacutefico se define como las caloriacuteas necesarias para elevar en
un grado centiacutegrado un gramo de leche El valor tiacutepico del calor
especiacutefico de la leche entera es de 093 cal gordm∙C [22][23]
bull Punto de congelacioacuten se define como la temperatura a la que se
produce la solidificacioacuten de un liacutequido Es una propiedad fiacutesica
importante pues permite detectar adulteraciones en la leche El punto
de congelacioacuten de la leche se encuentra en un valor de temperatura
comprendido entre 0513 ordmC y 0565 ordmC [22]
bull Punto de ebullicioacuten se define como el punto en el que un liacutequido hierve
al aumentar la temperatura El punto de ebullicioacuten de la leche es de
10017ordmC [22]
bull Iacutendice de refraccioacuten (n) el iacutendice de refraccioacuten mide el cambio de la
direccioacuten que sufre la luz cuando la radiacioacuten atraviesa un medio con
un iacutendice de refraccioacuten distinto del que proviene [28] En el caso de la
leche el iacutendice de refraccioacuten mide la variacioacuten de la direccioacuten que
experimenta un haz de luz al pasar del aire a leche El valor del iacutendice
de refraccioacuten ldquonrdquo se calcula con la ley de Snell mediante la siguiente
expresioacuten [28]
16
1198991 ∙ 1199041198901198991205791 = 1198992 ∙ 1199041198901198991205792
(2)
Ecuacioacuten 2 Ley de Snell
Donde n1 y n2 son el valor de los iacutendices de refraccioacuten de cada medio
1205791 es el aacutengulo con el que incide el haz de luz y 1205792 es el aacutengulo de
refraccioacuten de la luz
La refraccioacuten de la luz es una propiedad aditiva es decir que la
refraccioacuten total es el resultado de la suma de los iacutendices de refraccioacuten
de cada uno de los componentes de la leche [28] Se trata de un factor
relevante ya que permite detectar posibles casos de adulteracioacuten en la
leche por ejemplo si estaacute aguada el iacutendice seraacute proacuteximo al del agua lo
que puede indicar un fraude [28] Por otro lado se ha demostrado que
el valor de n disminuye con la edad del animal y aumenta con la acidez
del medio por lo que la reflectometriacutea aplicada en muestras de leche es
una herramienta muy uacutetil para determinar dichas caracteriacutesticas [28]
bull Potencial de oxidacioacuten-reduccioacuten (Eh) el potencial redox se refiere a la
capacidad de oxidacioacuten (peacuterdida de electrones) o reduccioacuten (ganancia
de electrones) que tiene una solucioacuten [30]
El potencial redox de la leche a 25ordmC generalmente variacutea entre 250 mV
- 350 mV este potencial se debe a la presencia del oxiacutegeno disuelto y a
la existencia de sustancias reductoras naturales Esta propiedad es
importante ya que informa sobre la calidad de las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche por ejemplo el proceso de fermentacioacuten de
las bacterias de la lactosa a aacutecido laacutectico supone una caiacuteda del potencial
por el consumo del oxiacutegeno [30] Ademaacutes el poder reductor de ciertas
especias que se encuentran naturalmente en la leche las cuales se
mencionaraacuten maacutes adelante impiden que se desarrollen sabores
desagradables en ella [23]
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche
La leche se considera un alimento completo por su importante carga nutritiva
El componente mayoritario de la leche es el agua que representa entre el 86 y
el 88 del total de sus constituyentes el agua estaacute en equilibrio con los
17
nutrientes que se encuentran en diferentes fases disolucioacuten dispersioacuten
coloidal y emulsioacuten [31]
A continuacioacuten se presenta la composicioacuten quiacutemica de la leche
bull El agua es la fase continua de la leche y se puede encontrar en forma
de agua ligada y agua libre El agua libre se encuentra en mayor
proporcioacuten y en ella estaacuten la lactosa y las sales El agua ligada o de
enlace se encuentra en la superficie de los compuestos no solubles
formando enlaces con los componentes y es maacutes complicada de extraer
[22]
bull Extracto seco de la leche el extracto seco lo forman las sustancias de
la leche (a excepcioacuten del agua) que se obtienen por desecacioacuten o
evaporacioacuten del agua [22] El contenido de materia o extracto seco de
la leche es del 12 - 125 de solidos totales [22] Para determinarlo
se puede utilizar el peso (Kg) de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten o a traveacutes de la densidad y del contenido en materia grasa
de la leche Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones [22] [31]
119904oacute119897119894119889119900119904 () = (119875prime
119875) ∙ 100
(3)
Ecuacioacuten 3 Caacutelculo del contenido de soacutelidos () a partir del peso de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten
bull Donde Prsquo es el peso en g de la leche despueacutes de la
desecacioacuten y P es el peso de la leche antes de la
desecacioacuten
119878 119879 = (025 times 119863) + (121 times 119866) + 066
(4)
Ecuacioacuten 4 Ecuacioacuten de Richmond
bull Donde D es el valor de la densidad de la leche en gmL y
G es el contenido en materia grasa de la leche
18
bull Gluacutecidos
La cantidad total de gluacutecidos que hay en la leche de vaca oscila entre un 48
y un 52 siendo algo superior la carga en la leche humana [22]
Los carbohidratos o gluacutecidos se definen como polihidroxialdehiacutedos (todos los
aacutetomos de carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta
enlazado a un grupo aldehiacutedo -CHO) o polihidroxicetonas (todos los aacutetomos de
carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta enlazado
a un grupo cetona C=O) y sus derivados tambieacuten se incluyen aquellas
sustancias que por hidroacutelisis dan lugar a este tipo de compuestos En general
estaacuten formados por carbono hidrogeno y oxiacutegeno por lo que su foacutermula
molecular presenta la forma CnH2nOn [32]
Los gluacutecidos se pueden clasificar en funcioacuten del nuacutemero de subunidades de
monosacaacuteridos en [32]
- Monosacaacuteridos o azuacutecares simples estaacuten formados por una unidad
de un polihidroxialdehiacutedo o una polihidroxicetona que se conocen
como aldosas o cetosas respectivamente Dentro de este grupo se
encuentran los azuacutecares que no pueden descomponerse en otros
azuacutecares maacutes simples
- Oligosacaacuteridos estaacuten formados por dos a diez unidades de
monosacaacuteridos por lo que se pueden transformar en unidades maacutes
simples mediante hidroacutelisis A su vez dentro de este grupo los
carbohidratos se clasifican seguacuten el nuacutemero de unidades en
monosacaacuteridos disacaacuteridos etc
- Polisacaacuteridos consisten en largas moleacuteculas formadas por la unioacuten
de unidades de monosacaacuteridos
En la designacioacuten de los azuacutecares ademaacutes se incluye un signo que puede ser
(+) o (-) seguido de la letra D o L esta designacioacuten estaacute relacionada con la
actividad oacuteptica del compuesto La actividad oacuteptica se refiere a la rotacioacuten del
plano de luz polarizada en un azuacutecar este efecto es el resultado producido por
la actuacioacuten conjunta de todos sus aacutetomos de carbono asimeacutetricos (aacutetomo de
C enlazado a cuatro constituyentes diferentes) Los azuacutecares con el signo (+)
se denominan dextroacutegiros y los azuacutecares con el signo (-) se denominan
levoacutegiros La asignacioacuten de las letras D y L depende de la distribucioacuten de los
19
grupos funcionales del carboacuten asimeacutetrico que se encuentra representado en
cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fisher Si el grupo funcional se
encuentra a la derecha se denomina D y si se encuentra a la izquierda se
denomina L [32] [33]
Finalmente en la designacioacuten tambieacuten se incluyen los siacutembolos griegos α y β
esto es debido a la ciclacioacuten de los monosacaacuteridos en solucioacuten acuosa Esta
estructura es funcioacuten de la orientacioacuten espacial del grupo hidroxilo del carboacuten
C1 de la estructura del anillo (α si el grupo -OH estaacute orientado hacia abajo y β
si el grupo -OH estaacute orientado hacia arriba) [32] [33] Se denomina anillo pirano
cuando es un ciclo de 6 aacutetomos de carbono y furano cuando es un anillo de 5
aacutetomos de carbono [32] [33]
Los carbohidratos constituyen una parte importante de la dieta de los hombres
pues estaacuten presentes en un 65 de los alimentos que consumimos (leche
arroz pan etc) [32] El carbohidrato principal que forma la leche es la lactosa
disacaacuterido constituido por glucosa y galactosa a continuacioacuten se presenta una
descripcioacuten detallada de cada uno de estos azuacutecares
Lactosa
La lactosa o β-D-Galactopiranosil-(1rarr4)-D-glucopiranosa es un disacaacuterido
compuesto por unidades de monosacaacuteridos de glucosa y galactosa unidos
mediante un enlace β (14) glucosiacutedico En dicho enlace el grupo funcional -OH
del carbono C1 en posicioacuten beta de la galactosa estaacute unido al grupo -OH del
carbono C4 de la glucosa [34][35][36]
La lactosa constituye el principal azuacutecar de la leche bioloacutegicamente se produce
en las glaacutendulas mamarias de los mamiacuteferos Dieteacuteticamente es considerada
un azuacutecar extriacutenseco dado que no forma parte de la estructura celular del
alimento sino que se encuentra de forma libre en la leche y en sus derivados
laacutecticos [34] [35] [36]
La determinacioacuten de lactosa en la industria alimentaria ha cobrado una gran
importancia en los uacuteltimos antildeos debido a la intolerancia que presenta gran
parte de la poblacioacuten a este azuacutecar La lactosa puede ser digerida por el cuerpo
humano gracias a la presencia de una enzima la lactasa que degrada la
lactosa en sus dos monosacaacuteridos (glucosa y galactosa) Cuando la enzima no
funciona o no presenta la actividad suficiente se produce la intolerancia [22]
La descomposicioacuten de la lactosa en glucosa y galactosa (figura 1) es importante
puesto que permite su deteccioacuten mediante el empleo de teacutecnicas tradicionales
de anaacutelisis como son la cromatografiacutea de liacutequidos de alta resolucioacuten
20
cromatografiacutea de gases polarimetriacutea gravimetriacutea entre otras Sin embargo
debido al elevado coste y a los elevados tiempos de anaacutelisis que supone el
empleo de estas teacutecnicas en los uacuteltimos antildeos se han desarrollado sensores
que ofrecen una deteccioacuten maacutes raacutepida menos costosa y maacutes precisa [14]
Figura 1 Reaccioacuten enzimaacutetica de la lactosa para formar glucosa y galactosa
En disolucioacuten a temperatura ambiente la lactosa se puede encontrar en dos
configuraciones α-lactosa y β-lactosa con una proporcioacuten del 40 de la
configuracioacuten α y el 60 de la configuracioacuten β Siendo ambas configuraciones
consecuencia de la mutarrotacioacuten (el carboacuten hemiacetal estaacute en equilibrio con
el grupo aldehiacutedo de la cadena abierta y forma los isoacutemeros α y β) [37]
La lactosa es considerado un azuacutecar reductor ya que en su estructura quiacutemica
tiene un grupo carbonilo intacto a traveacutes del cual puede reaccionar con otras
moleacuteculas por lo que es un azuacutecar sensible a sufrir las reacciones de Maillard
[34] [38] Las reacciones de Maillard son un conjunto de reacciones en
cadena no enzimaacuteticas que pueden tener lugar en la leche como
consecuencia de la reaccioacuten entre el grupo carbonilo del azuacutecar y el grupo
amino de las proteiacutenas o aminoaacutecidos que se encuentran presentes en la leche
Estas reacciones son indeseables dado que suponen una peacuterdida en el valor
nutricional (disminucioacuten de aminoaacutecidos esenciales) y en la calidad
(pardeamiento del producto aparicioacuten de aromas desagradables generacioacuten
de subproductos toacutexicos etc) de la leche [39] Para que tengan lugar se deben
dar unas condiciones determinadas de temperatura pH tiempo entre otros
factores [34] [38] [39]
La lactosa a temperatura ambiente es un soacutelido en forma de polvo cristalino
blanco con un punto de fusioacuten de 252ordmC una solubilidad en agua buena (50 g
por 100 g de agua) una densidad de 152 gcm3 tiene una masa molecular
de 3423 gmol y un poder endulzante muy inferior en comparacioacuten con otros
azuacutecares como la glucosa [34] [35] [36]
21
Glucosa
La glucosa o D-glucopiranosa es un monosacaacuterido de foacutermula molecular
C6H12O6 con un grupo aldehiacutedo en su estructura quiacutemica constituye el
monosacaacuterido de mayor abundancia dentro de la naturaleza (se encuentra
presente en poliacutemeros como el chitosaacuten) y es utilizado por las ceacutelulas del
organismo para obtener energiacutea [32] [33]
Su uso abusivo en la industria alimentaria en productos de consumo diario
(productos laacutecteos carne bebidas etc) estaacute asociado al padecimiento de
ciertas enfermedades como la diabetes ademaacutes se encuentra presente en la
leche formando parte de la lactosa Debido a la importancia que presenta la
glucosa en el sector de la alimentacioacuten cada vez son maacutes las investigaciones
centradas en el desarrollo de sensores que permitan la identificacioacuten de este
azuacutecar [40] [41]
La glucosa en solucioacuten presenta dos formas cristalinas α-Glucosa y β-Glucosa
cuando la α-glucosa se disuelve en agua la actividad oacuteptica variacutea debido al
fenoacutemeno de mutarrotacioacuten y una parte de las moleacuteculas se convierten en la
forma β Pasado un tiempo se alcanza el equilibrio donde la mayor parte de la
solucioacuten lo forma el anoacutemero beta y una pequentildea parte de la solucioacuten (13
aproximadamente) lo forma el anoacutemero alfa [32] [33]
La glucosa es un azuacutecar con un fuerte caraacutecter reductor (mayor que el de la
lactosa) debido a la presencia del grupo aldehiacutedo en su estructura abierta por
lo que tambieacuten es sensible a sufrir las reacciones de Maillard [33]
La glucosa a temperatura ambiente es un soacutelido inodoro en forma de polvo
cristalino de color blanco temperatura de fusioacuten de 146ordmC solubilidad en agua
alta (91g por 100 mL de agua) densidad 156 gcm3 tiene una masa
molecular de 18016 gmol y un poder endulzante (743) notablemente
superior al que presentan la galactosa y la lactosa [32] [42] [43]
Galactosa
La galactosa aldehiacutedo D-galactosa o D-(+)-galactosa es un monosacaacuterido de
foacutermula molecular C6H12O6 La galactosa es muy similar a la glucosa por lo que
son considerados epiacutemeros se diferencian en su estructura quiacutemica en la
posicioacuten que ocupa el grupo minusOH del carbono C4 [36]
Nutricionalmente su mayor importancia radica en que es uno de los azuacutecares
que forman parte de la lactosa de la leche Como se ha indicado anteriormente
22
debido al creciente nuacutemero de casos en personas con intolerancia a la lactosa
se han desarrollado sensores dirigidos a la evaluacioacuten del contenido en lactosa
por medio de la deteccioacuten de galactosa (obtenida de la hidroacutelisis de la lactosa
al antildeadir la enzima galactosa oxidasa) [14]
En solucioacuten su estructura abierta adquiere forma de anillo y puede dar lugar a
dos configuraciones diferentes α-D-galactosa y β-D-galactosa siendo la
segunda forma el isoacutemero predominante [44] [45] Como el resto de los
azuacutecares descritos es un azuacutecar reductor ya que presenta un grupo aldehiacutedo
libre en la forma de cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fischer [44] [45]
La galactosa es un soacutelido inodoro en forma de polvo de color blanco punto de
fusioacuten 168-170ordmC solubilidad en agua buena (4725 g por 100g de agua)
densidad de 15 gcm3 su peso molecular es de 18016 gmol y presenta un
grado de dulzura maacutes elevado que el de la lactosa y menor que la glucosa [46]
bull Materia grasa [22] [23] [47] [48]
La materia grasa es un importante componente de la leche ya que ademaacutes de
ser una rica fuente de energiacutea para las personas es el vehiacuteculo de vitaminas
liposolubles (A D E y K) El nivel de materia grasa que contiene la leche puede
variar desde el 3 hasta el 6
La materia grasa de la leche son liacutepidos en forma globular que se encuentran
dispersos en ella y se pueden clasificar en
Liacutepidos saponificables es la fraccioacuten lipiacutedica que se encuentra en mayor
proporcioacuten ya que forma entre el 99 y el 995 de los liacutepidos totales
que hay en la leche Dentro de los liacutepidos saponificables se encuentran
los liacutepidos apolares y polares
Liacutepidos apolares son liacutepidos insolubles en la fraccioacuten acuosa de
la leche dentro de los cuales caben destacar los trigliceacuteridos ya
que son los que se encuentran en mayor proporcioacuten (96 - 98)
Otros como los digliceacuteridos y monogliceacuteridos se encuentran en
cantidades muy pequentildeas
Liacutepidos polares son fosfoliacutepidos que representan entre el 020
y el 1 de los liacutepidos saponificables que contiene la leche se
encuentran formando parte de la membrana de los gloacutebulos
grasos En la leche su importancia radica en su poder
23
emulsionante y a su actuacioacuten como solventes de sustancias no
polares presentes en ella como el colesterol
Liacutepidos insaponificables es la fraccioacuten lipiacutedica de menor proporcioacuten
formada por carotenoides (son los responsables de aportar una
coloracioacuten amarilla en la grasa) y vitaminas liposolubles
La materia grasa estaacute presente en la leche formando gloacutebulos grasos alrededor
de ellos hay una estructura denominada membrana de los gloacutebulos grasos
Esta membrana tiene una gran importancia dado a su funcioacuten protectora que
protege a los liacutepidos de sufrir reacciones enzimaacuteticas A pesar de ello una de
las reacciones enzimaacuteticas que maacutes afecta a la materia grasa es la lipoacutelisis
La lipoacutelisis es una reaccioacuten quiacutemica llevada a cabo por la accioacuten de las enzimas
lipasas que catalizan la hidroacutelisis de los gliceacuteridos en la interfase aire-agua A
causa de la lipoacutelisis se forman aacutecidos grasos libres y glicerol los cuales son los
responsables de algunos de los sabores indeseables que se producen en la
leche Por ejemplo durante esta reaccioacuten se libera aacutecido butiacuterico que da lugar
a un sabor y aroma ldquoa ranciordquo otra de las reacciones enzimaacuteticas que causan
ademaacutes de olores desagradables una peacuterdida del valor nutricional es el
enranciamiento oxidativo llevado a cabo por la enzima xantino oxidasa Esta
enzima cataliza la reaccioacuten de oxidacioacuten de los aacutecidos grasos insaturados
presentes en la leche
Finalmente una caracteriacutestica importante de la materia grasa es la diferencia
de densidad que hay entre la materia grasa que se encuentra emulsionada en
el suero y el suero lo que permite una raacutepida separacioacuten entre ambos
componentes La separacioacuten se logra mediante la aplicacioacuten de meacutetodos
centriacutefugos que dan lugar a dos fases distintas por un lado se obtiene la leche
desnatada y por otro lado una crema rica en gloacutebulos grasos Esta
caracteriacutestica es interesante en la industria alimentaria ya que permite obtener
derivados laacutecteos como la nata
bull Proteiacutenas
Las proteiacutenas son compuestos quiacutemicos formados a partir de aminoaacutecidos de
hecho la mayor parte del nitroacutegeno que contiene la leche (alrededor del 95)
se encuentra formando parte de ellas Las proteiacutenas representan una fraccioacuten
compleja de la composicioacuten quiacutemica de la leche su intereacutes en ella radica en
24
que son esenciales para todos los seres vivos representando un importante
valor en la dieta nutricional de las personas La concentracioacuten de las proteiacutenas
en la leche comprende valores entre el 3 y el 4 [22] [47] [48]
Como se ha indicado anteriormente la leche es un producto faacutecilmente
alterable por lo que parte de sus cambios en sus caracteriacutesticas fiacutesico -
quiacutemicas se deben a cambios causados en las proteiacutenas Cuando se lleva a
cabo un proceso teacutermico severo (pasteurizacioacuten a altas temperaturas o
esterilizacioacuten) puede tener lugar la desnaturalizacioacuten de las mismas liberando
sabores indeseables Ademaacutes las proteiacutenas tambieacuten pueden ser atacadas por
enzimas dando lugar a su proteoacutelisis (degradacioacuten de las proteiacutenas) las
principales responsables de esta reaccioacuten son las enzimas proteasas
provenientes de la actividad bacteriana que puede desarrollarse en la leche
[22]
Las proteiacutenas que forman la leche se pueden clasificar en dos grupos caseiacutena
( ~80 ) y las proteiacutenas del suero (~20 ) [48]
La caseiacutena
La caseiacutena es la fraccioacuten maacutes caracteriacutestica de las proteiacutenas que forman la
leche es un producto uacutenico producido en las glaacutendulas mamarias [23] Se
encuentra en la leche formando agregados y micelas la micela de las caseiacutenas
se compone de un 94 de proteiacutenas y un 6 de minerales [23] [47] Son
bastante resistentes y estables por lo que soportan bien los procesos
industriales sin embargo cuando la leche es sometida a tratamientos teacutermicos
agresivos (temperaturas superiores a 120ordmC) precipitan [23] [47]
Una propiedad de intereacutes de la caseiacutena es que afecta a las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche disimulando el dulzor de la lactosa lo cual permite
el consumo diario de la leche sin que presente un efecto negativo para el
organismo por ser demasiado dulce [23]
Finalmente otra caracteriacutesticas importante de la caseiacutena en el sector laacutecteo
(entre otros sectores) es que puede determinarse faacutecilmente Cuando se aplica
un pH isoeleacutectrico en la leche las proteiacutenas del suero se mantienen solubles
mientras que la caseiacutena precipita la separacioacuten de las proteiacutenas a traveacutes del
pH isoeleacutectrico se conoce industrialmente como electroforesis (este meacutetodo
consiste en aplicar un campo eleacutectrico en una muestra de leche como las
proteiacutenas presentan grupos ionizables COO- y NH+3 se pueden cargar
positivamente negativamente o bien permanecer neutras La carga neta de
25
las proteiacutenas depende del pH del medio en el que se encuentre en el punto
isoeleacutectrico la carga neta es cero) [49]
En la figura 2 se muestra la composicioacuten quiacutemica de la caseiacutena
Figura 2 Estructura quiacutemica de la caseiacutena
Las proteiacutenas del suero
Las proteiacutenas que forman el suero laacutectico representan el 20 del total de
proteiacutenas que forman la leche y constituyen la parte de las proteiacutenas no
caseicas [47] Son grupos proteicos con una estructura globular organizados
en proteiacutenas con una estructura secundaria y terciaria Se pueden clasificar en
β-lactoglobulina α-lactoglobulina inmunoglobulina y seroalbuacutemina [47]
-La β-lactoglobulina es la proteiacutena maacutes abundante en la leche de la
mayoriacutea de los mamiacuteferos sin embargo no estaacute presente en la leche
humana [23]
-La α-lactoglobulina es la 2ordf maacutes abundante en este caso se encuentra
particularmente en la leche humana se trata de la moleacutecula con menor
peso molecular de las proteiacutenas que forman el suero e interviene en la
siacutentesis de la lactosa en las glaacutendulas mamarias [23] [47]
-Las inmunoglobulinas estaacuten presentes en todas las leches de cualquier
procedencia animal y son el grupo de estructuras proteicas maacutes largas
y heterogeacuteneas [23] [47]
26
-La seroalbuacutemina es la proteiacutena de mayor peso molecular de las
proteiacutenas que forman el suero laacutectico [47]
bull Vitaminas
La leche presenta importantes valores nutricionales ya que en ella se
encuentran todas las vitaminas necesarias para el organismo [22] [23] El
mayor inconveniente que presentan los grupos vitamiacutenicos es que son
compuestos faacuteciles de destruir ya sea por una exposicioacuten prolongada a la luz
por accioacuten enzimaacutetica o por tratamientos de calor demasiado agresivos [22]
Las vitaminas que se encuentran en la leche se pueden clasificar en dos
grupos las vitaminas liposolubles que se encuentran en forma de emulsioacuten
junto con la grasa y las vitaminas hidrosolubles que son solubles en el agua
Las vitaminas liposolubles
-Vitamina A En la leche de vaca se puede encontrar como retinol
eacutesteres del retinol y carotenoides en una concentracioacuten de 100-500
mgL esta vitamina se produce a partir de la hidroacutelisis de los β-
carotenos [26] [47]
-Vitamina D Tambieacuten es conocida con el nombre de calciferol se
encuentra en la leche en una concentracioacuten de 1 mgL [26] [47]
-Vitamina E Tambieacuten recibe el nombre de α-Tocoferol esta vitamina se
encuentran en la leche en una concentracioacuten de 500-1000 mgL [26]
Esta vitamina es un antioxidante natural por lo que protege de las
reacciones de oxidacioacuten a las grasas y a los carotenos que se
encuentran en la leche [23]
-Vitamina K Esta vitamina se encuentra en cantidades de trazas (35 y
18 μgL) en la leche por lo que no ejerce un valor importante a nivel
nutricional para el organismo [47]
Las vitaminas hidrosolubles
27
-Vitaminas C B1 B2 B12 Entre estas vitaminas cabe destacar la
vitamina C o aacutecido ascoacuterbico presente en la leche en una concentracioacuten
de 20 mgL por su poder reductor Es decir su bajo potencial redox
protege de la oxidacioacuten a la materia grasa de la leche impidiendo que
se oxide y se desarrolle el sabor a oacutexido [47] [50] El resto de vitaminas
del grupo B se encuentran en concentraciones inferiores y se
caracterizan por ser fuertemente inestables ante la exposicioacuten a la
radiacioacuten y al calor [47]
bull Enzimas
Las enzimas son complejos de naturaleza proteica que se encuentran en la
leche en cantidades iacutenfimas sin embargo su presencia es fundamental dado
que catalizan reacciones importantes determinando las propiedades y
composicioacuten quiacutemica de la leche
La importancia de las enzimas en la industria laacutectea radica en que se emplean
como indicadores de calidad ya que pueden proporcionar informacioacuten sobre el
grado de tratamiento teacutermico que se debe aplicar pureza y frescura de la leche
[51] Por ejemplo la presencia de la enzima catalasa es un indicador de que la
vaca tiene mastitis (la catalasa produce un aumento en el nuacutemero de leucocitos
cuando el animal padece esta enfermedad) La presencia de la enzima
fosfatasa alcalina se utiliza para determinar el grado de tratamiento teacutermico al
que debe someterse la leche puesto que la muerte de esta enzima tiene lugar
a una temperatura similar a la que mueren microrganismos patoacutegenos que
puedan encontrarse en la leche Otras enzimas se utilizan para controlar la
presencia de microorganismos contaminantes debido a su actividad
antimicrobiana [52]
Otra consecuencia de la alterabilidad de la leche ademaacutes de las explicadas
anteriormente son los cambios enzimaacuteticos que causan el deterioro de las
caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche [47] Por esta razoacuten es importante
llevar a cabo un buen control de su composicioacuten quiacutemica durante todo su
proceso de fabricacioacuten la actividad enzimaacutetica es un factor que se monitoriza
en la industria laacutectea mediante la estimacioacuten de enzimas presentes en la leche
[47]
El origen de las enzimas que se encuentran en la leche de origen animal puede
ser por motivos naturales habiendo sido sintetizadas por las ceacutelulas somaacuteticas
del organismo (ceacutelulas que forman tejidos u oacuterganos) estas enzimas se
encuentran asociadas a la membrana de los gloacutebulos grasos caseiacutena y
proteiacutenas del suero El segundo origen de las enzimas que pueden estar
28
presentes en la leche es debido a su liberacioacuten por microorganismos a causa
de la contaminacioacuten microbioloacutegica indeseada [47]
Las enzimas que hay en la leche se pueden clasificar en los siguientes grupos
[22]
Las enzimas hidrolasas son aquellas que catalizan reacciones de
hidroacutelisis en la leche catalizan la hidroacutelisis de la lactosa Dentro de este
grupo cabe destacar la enzima lipasa fosfatasa amilasa y lactasa Su
importancia en la leche se debe a que afectan a sus caracteriacutesticas
organoleacutepticas
Las enzimas oxidorreductasas son enzimas que catalizan las
reacciones de oxidacioacuten - reduccioacuten que se llevan a cabo en la leche
Entre ellas destacan las siguientes enzimas catalasa lactoperoxidasa
y xantino - oxidasa La importancia de estas enzimas se debe a que
influyen en el sabor (xantino-oxidasa) ademaacutes algunas de ellas
presentan actividad antimicrobiana La enzima lactoperoxidasa cataliza
la reaccioacuten del tiocianato en presencia de H2O2 liberando compuestos
con actividad antibacteriana y fungicida [47] [52]
Las enzimas transferasas son enzimas que transfieren grupos activos
que han sido liberados por la ruptura de alguna moleacutecula a otra
sustancia que actuacutea como receptor Por su abundancia en la leche de
vaca cabe destacar la enzima ribonucleasa que se encuentra en una
concentracioacuten de 25 mgL (en la leche materna se encuentra en menor
cantidad) Esta enzima produce la hidroacutelisis de aacutecidos ribonucleicos y
estaacute asociada a las proteiacutenas del suero de la leche [23] [53]
bull Minerales
Los minerales junto con las enzimas forman los constituyentes de la leche que
estaacuten en menor proporcioacuten Se pueden encontrar formando sales solubles o
como una dispersioacuten coloidal insoluble (son los minerales asociados a las
micelas de la caseiacutena) [22] [23]
El grupo de sales solubles lo forman minerales que se encuentran en forma de
cloruros citrato y bicarbonato de compuestos como son el calcio magnesio
potasio y sodio Los cloruros en forma de cloruro de sodio son los que se
encuentran en mayor cantidad en una proporcioacuten del 020 El anaacutelisis de
cloruros en la leche se utiliza para detectar posibles alteraciones si el
29
contenido en estas sales es superior al normal puede indicar que la leche
procede de una vaca con patologiacutea [22] [23]
Las sales coloidales representan el otro grupo en una proporcioacuten proacutexima al
033 [22] Principalmente se refieren al contenido en calcio y fosfato dado a
la presencia predominante de ambos componentes [47] El calcio es una de
las sales de mayor valor nutricional ya que contribuye al mantenimiento de los
huesos [48]
23 Sensores utilizados
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores
El constante crecimiento y desarrollo de la industria alimentaria hace necesario
la aplicacioacuten de teacutecnicas de anaacutelisis que sean capaces de adaptarse a los
cambios del proceso industrial permitiendo llevar a cabo controles raacutepidos y
precisos con el fin de satisfacer la demanda de los consumidores Ademaacutes el
estigma de la industria alimentaria debe ser garantizar la calidad e inocuidad
de los alimentos y bebidas suministrados a las personas En este contexto
surge el anaacutelisis por medio de sensores definido como la praacutectica fundamental
en el control de calidad para garantizar la seguridad e inocuidad de los
alimentos y bebidas
Un sensor es un dispositivo capaz de convertir un estiacutemulo externo en una
sentildeal generalmente eleacutectrica que se pueda medir para obtener informacioacuten
uacutetil tanto cuantitativa como cualitativa [54] La idealidad de un sensor se
evaluacutea mediante el anaacutelisis de paraacutemetros como la sensibilidad (habilidad de
detectar cantidades pequentildeas) selectividad (capacidad de detectar el analito
de intereacutes ante otros que actuacutean como interferencia) reproducibilidad
(concordancia entre resultados independientes obtenidos con el mismo
meacutetodo y a partir de la misma muestra en distintas condiciones
experimentales) y repetitividad (concordancia entre resultados independientes
obtenidos con el mismo meacutetodo y a partir de la misma muestra bajo las mismas
condiciones experimentales) [54] [55] Ademaacutes de estos paraacutemetros es
importante tener en cuenta que en la industria se valoran otros aspectos del
sensor como su coste de fabricacioacuten tiempo de vida tiempo de respuesta etc
[54] [55]
Los sensores presentan tres partes bien diferenciadas en su entructura la zona
de reconocimiento la zona de transducioacuten y el amplificador [55]
30
bull Zona de reconocimiento en esta zona se encuentra el receptor es el
dispositivo que interaciona directamente con la sustancia que se va a
detectar La interacioacuten entre el receptor y la sustancia genera una sentildeal
primaria (oacuteptica maacutesica teacutermica o eleacutectrica) que seraacute interpretada por
un transductor [55] [56] [57]
bull Zona de transduccioacuten en esta zona se encuentra integrado el
transductor Este dispositivo recibe la sentildeal primaria que le llega del
receptor de manera que es transformada en una sentildeal eleacutectrica
medible [58]
bull Amplificador la mayoriacutea de las sentildeales eleacutectricas generadas necesitan
ser amplificadas para poder interpretar la informacioacuten por lo que este
dispositivo incrementa la intensidad de la sentildeal eleacutectrica de salida que
recibe del transductor Finalmente esta sentildeal es enviada a un sistema
de procesamiento donde se registran los datos y se presenta la
informacioacuten obtenida [58] [59]
En la figura 3 se muestra el funcionamiento de un sensor
Figura 3 Estructura de un sensor
Los sensores se pueden clasificar en funcioacuten de la naturaleza de la sentildeal
primaria generada por la interaccioacuten entre el receptor y la sustancia a medir
[57]
Fiacutesicos la zona receptora recibe una informacioacuten de tipo fiacutesico
Dentro de este grupo se encuentran los sensores que miden
propiedades fiacutesicas como la absorbancia temperatura cambio
de masa presioacuten entre otras
31
Quiacutemicos La interaccioacuten del receptor con el analito da lugar a
una reaccioacuten quiacutemica
Dentro de los sensores nombrados los de mayor intereacutes son los sensores
quiacutemicos su importancia en el anaacutelisis sensorial radica en que se presentan
como una nueva herramienta para el control y monitoreo del proceso
productivo debiendo dar una respuesta raacutepida y selectiva [54] [55] Un sensor
quiacutemico es un dispositivo que transforma una sentildeal quiacutemica en una sentildeal
analiacuteticamente uacutetil siendo capaz de proporcionar informacioacuten acerca de la
concentracioacuten de uno o maacutes analitos presentes en la muestra [60]
Los sensores quiacutemicos se pueden clasificar en funcioacuten de las propiedades que
mida el transductor en
bull Electroquiacutemicos estos sensores miden una propiedad eleacutectrica
generada por un sistema de electrodos La sentildeal producida (potencial o
intensidad) es consecuencia de la interaccioacuten electroquiacutemica que tiene
lugar entre el analito y el sensor [55] [58]
bull Piezoeleacutectricos son dispositivos cuya respuesta se emite en forma de
un cambio en la frecuencia de resonancia de un cristal piezoeleacutectrico
El cambio en la frecuencia depende de la cantidad de analito en masa
depositado sobre la superficie del receptor [55] [58]
bull Oacutepticos son dispositivos que responden a la interaccioacuten de la radiacioacuten
electromagneacutetica de la luz (generalmente de la regioacuten del infrarrojo) con
el analito se basan en la medida del cambio en las propiedades oacutepticas
del analito [55]
bull Teacutermicos son dispositivos que registran el calor de reaccioacuten generado
por el analito a causa de su oxidacioacuten o por reaccioacuten con una sustancia
del medio [55]
bull Multiarreglo son dispositivos sensibles a distintos analitos cuyas
respuestas son analizadas de manera simultaacutenea para caracterizar a un
sistema en concreto [55]
Los sensores electroquiacutemicos son los sensores maacutes destacados entre los que
se han nombrado ya que son los sensores maacutes versaacutetiles y los que maacutes se han
investigado a lo largo de los antildeos [55] En funcioacuten de la propiedad eleacutectrica que
32
miden los sensores electroquiacutemicos se pueden clasificar en tres grupos Los
sensores potenciomeacutetricos son dispositivos que miden el voltaje debido a una
reaccioacuten quiacutemica generan una respuesta estableciendo una relacioacuten entre la
diferencia de potencial entre un sistema de dos electrodos (electrodo de
referencia y electrodo de trabajo) y la concentracioacuten del analito (liacutequido o vapor)
[55] [58] En los sensores voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos se aplica un
potencial variable con el tiempo de esta manera se obtiene informacioacuten del
cambio del potencial con la intensidad de la corriente eleacutectrica [58] [61] Los
sensores amperomeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
fijo obteniendo informacioacuten de la variacioacuten de la intensidad de la corriente con
el tiempo [58] [61] Finalmente los sensores electroquiacutemicos se clasifican en
sensores conductimeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
de corriente alterna y se mide el aumento de la conductividad eleacutectrica
provocado por la presencia de iones en una solucioacuten [58] [62]
Dentro de los sensores electroquiacutemicos los sensores basados en meacutetodos de
transduccioacuten voltameacutetricos son los maacutes indicados para el estudio de los
procesos de oxidacioacuten - reduccioacuten de los compuestos mediante el anaacutelisis de
voltamogramas Debido a que presentan importantes ventajas como su
elevada sensibilidad y selectividad [63]
En el desarrollo de este trabajo de investigacioacuten se presenta un innovador
sensor electroquiacutemico de tipo voltameacutetrico basado en la tecnologiacutea de
impresioacuten molecular denominado MIP (ldquomolecular imprinted polymerrdquo) esta
nueva tecnologiacutea promete mejoras en la estabilidad y reproducibilidad de los
anaacutelisis quiacutemicos
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular
(MIP)
Los MIP son materiales que han sido sintetizados para el reconocimiento de
moleacuteculas especiacuteficas Esta tecnologiacutea consiste fundamentalmente en la
formacioacuten de una peliacutecula polimeacuterica en la que una moleacutecula actuacutea como una
plantilla posteriormente la moleacutecula se extrae y deja cavidades de
reconocimiento especiacutefico sobre el poliacutemero [64]
Los paraacutemetros principales que intervienen en la formacioacuten de poliacutemeros de
impresioacuten molecular son el poliacutemero la moleacutecula plantilla y un agente
reticulante
bull Seleccioacuten del poliacutemero
33
Existen una gran variedad de poliacutemeros que se puedan utilizar en la impresioacuten
molecular pero deben cumplir unas caracteriacutesticas estrictas
-El poliacutemero tiene que ser quiacutemicamente compatible con la moleacutecula
plantilla ademaacutes debe ser capaz de unirse a eacutesta para crear las
cavidades de reconocimiento [65]
-El poliacutemero tiene que poder contener los sitios de reconocimiento
complementarios a la moleacutecula original
Entre los poliacutemeros empleados cabe destacar el chitosaacuten debido a sus
caracteriacutesticas de biocompatibilidad y afinidad por diferentes tipos de
moleacuteculas [65] Otros poliacutemeros de impresioacuten molecular estaacuten compuestos por
aacutecido metacriacutelico [66] o-fenilendiamina [67] pirrol [68] etc
bull Seleccioacuten de la moleacutecula plantilla
Una de las mayores ventajas de los MIPs es la utilizacioacuten de praacutecticamente
cualquier tipo de analito como azuacutecares aminoaacutecidos fenoles entre otras
sustancias Generalmente los compuestos empleados presentan grupos
polares (-COOH-OH) por lo que el complejo plantilla-poliacutemero que se forma es
bastante estable Otro tipo de compuestos utilizados son ioacutenes metaacutelicos
macromoleacuteculas etc [69]
bull Agente reticulante o cross-linker
Un agente reticulante (Cross-linker) es un compuesto que facilita la unioacuten entre
moleacuteculas para dar lugar a una red mucho maacutes estable y resistente Por ello la
reticulacioacuten (o el cross-linking) se puede emplear para mejorar la estabilidad
mecaacutenica de ciertas sustancias quiacutemicas como los poliacutemeros Consiste en una
reaccioacuten quiacutemica entre cadenas polimeacutericas que se mantienen unidas por
medio de enlaces covalentes u otro tipo de enlaces como las fuerzas de Van
der Waals [70]
El empleo de cross-linkers en los procesos de siacutentesis de poliacutemeros de
impresioacuten molecular es muy utilizado ya que estos influyen en tres aspectos
importantes intervienen en la morfologiacutea de los MIP fijan las cavidades de
34
reconocimiento especiacutefico e Intervienen en la estabilidad mecaacutenica del MIP
[69] Si el nuacutemero de entrecruzamientos es insuficiente se puede producir la
peacuterdida de las cavidades especiacuteficas formadas en el poliacutemero ya que estas no
se pueden mantener por no ser lo suficientemente estables Como resultado
de este fenoacutemeno el MIP pierde en cierto grado su capacidad de
reconocimiento [69]
El proceso de fabricacioacuten de un MIP se pueden clasificar en las siguientes
etapas [69]
bull 1ordm Interaccioacuten entre la moleacutecula y el poliacutemero
Los tipos de interaccioacuten que se pueden dar son [71] [72]
Impresioacuten covalente se establece un enlace covalente entre un
poliacutemero y la moleacutecula plantilla es un meacutetodo complejo ya que este
enlace se debe romper previamente para que la moleacutecula se pueda
eluir de la matriz polimeacuterica
Impresioacuten no covalante la interaccioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero se lleva a cabo mediante interacciones deacutebiles no
covalentes Se trata del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de
MIP debido a su simplicidad y facilidad de eliminar la moleacutecula
plantilla de la matriz del poliacutemero
Impresioacuten ioacutenica como plantilla se utilizan diferentes tipos de iones
metaacutelicos (Cu2+ Zn2+ Cd2+etc) se trata de una teacutecnica desarrollada
recientemente
En el presente trabajo de investigacioacuten se utilizoacute como matriz polimeacuterica
chitosaacuten y como moleacutecula plantilla un azuacutecar (lactosa glucosa o galactosa) La
unioacuten se llevoacute a cabo mediante el meacutetodo no-covalente como se ha explicado
en este meacutetodo el enlace entre el poliacutemero y la moleacutecula plantilla tiene lugar
mediante fuerzas de interaccioacuten deacutebiles de tipo fuerzas de Vaan der Waals o
puentes de hidroacutegeno [73] [74]
35
bull 2ordf Polimerizacioacuten
La polimerizacioacuten del poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla se realiza
para obtener una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula de intereacutes En la
elaboracioacuten de MIPs existen una gran variedad de procesos de polimerizacioacuten
en concreto en la elaboracioacuten de sensores destacan los sensores de impresioacuten
superficial sobre el electrodo de trabajo cuyos principales meacutetodos de
polimerizacioacuten se describen a continuacioacuten [69]
Electropolimerizacioacuten Es un proceso de deposicioacuten realizado en
presencia de la moleacutecula plantillla en el que se forma una peliacutecula
poliacutemerica sobre un electrodo de trabajo Se puede llevar a cabo a
traveacutes de diferentes teacutecnicas electroquiacutemicas tales como meacutetodos
voltameacutetricos ( el proceso empleado suele ser mediante voltametriacutea
ciacuteclica aplicando un intervalo de potencial) meacutetodos potenciomeacutetricos
(se aplica un potencial constante) y meacutetodos galvanostaacuteticos (se aplica
una corriente constante) [68]
Fotopolimerizacioacuten in situ Es una teacutecnica de deposicioacuten in situ que al
igual que la anterior permite depositar la plantilla polimeacuterica
directamente sobre el electrodo de trabajo El proceso se lleva a cabo
por polimerizacioacuten radicalaria la mezcla de preparacioacuten MIP contiente
un iniciador sensible a la luz de manera que al incidir la radiacioacuten sobre
eacutel absorbe la enegiacutea lumiacutenica y proporciona radicales libres De esta
manera se inicia el proceso de polimerizacioacuten del poliacutemero [75]
Sandwich Esta teacutecnica consiste en depositar unas gotas de la solucioacuten
MIP sobre un electrodo para ello la solucioacuten se coloca en una superficie
metaacutelica o sobre dos laacuteminas metaacutelicas Despueacutes de llevarse a cabo la
polimerizacioacuten se separan las laacuteminas logrando obtener peliacuteculas muy
finas [76]
El principal problema de esta teacutecnica es la falta de reproducibilidad que
se produce al aplicar fuerzas de compresioacuten durante la polimerizacioacuten
por lo que se emplea con menor frecuencia que la anteriores descritas
[76]
bull 3ordm Elucioacuten de la moleacutecula plantilla
36
La moleacutecula plantilla se elimina de la matriz polimeacuterica utilizando un disolvente
adecuado de esta manera se forma una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula
empleada Es por ello por lo que los MIP presentan la capacidad de reconocer
moleacuteculas con una alta selectividad dado que tras la elucioacuten las cavidades
creadas en el poliacutemero presentan muacuteltiples sitios de unioacuten con una
configuracioacuten espacial que es complementaria al analito [69]
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
En 1949 Dickey fue el primero en investigar el concepto de impresioacuten
molecular el cual fue inspirado por los experimentos llevados a cabo por Linus
Pauling quien defendiacutea la formacioacuten de anticuerpos usando el antiacutegeno como
una moleacutecula plantilla [71] Dickey es el responsable de la creacioacuten de la
teacutecnica de impresioacuten molecular de gel de siacutelice (MISC) y basoacute sus
investigaciones en la precipitacioacuten de silicagel en presencia de tintes orgaacutenicos
descubriendo que la impresioacuten de siacutelice proporcionaba una gran selectividad
hacia el tinte [71] Desde entonces se han llevado a cabo varios estudios
basados en la impresioacuten molecular a base de siacutelice por ejemplo en 2013 se
estudioacute la deteccioacuten del aacutecido saliciacutelico mediante esta teacutecnica [77]
En 1972 Wulff y Klotz dos liacutederes de grupos de investigacioacuten independientes
llevaron a cabo los primeros mecanismos de impresioacuten molecular [78] El
primero desarrolloacute un complejo basado en la impresioacuten molecular de tipo
covalente que incluiacutea un monoacutemero y la moleacutecula plantilla para la deteccioacuten
de azuacutecares [79] Al mismo tiempo Klotz sintetizoacute poliacutemeros de impresioacuten
molecular utilizando poliacutemeros y uniones de tipo covalente entre la moleacutecula y
la plantilla Antildeos despueacutes Mosback llevoacute a cabo la siacutentesis de impresioacuten
molecular utilizando otros meacutetodos de unioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero en concretoacute enlaces de tipo no covalentes [71]
Debido a sus excelentes propiedades los MIP han cobrado una mayor
importancia en estos uacuteltimos antildeos habiendo sido utilizados en multitud de
aplicaciones Se han elaborado MIP para la separacioacuten de compuestos quirales
y de proteiacutenas los cuales son muy utilizados en la industria farmaceacuteutica [80]
En el anaacutelisis ambiental para la purificacioacuten de aguas y eliminacioacuten de metales
pesados [80] En el desarrollo de sensores basados en diferentes meacutetodos de
transduccioacuten (electroquiacutemicos [64] oacutepticos [81] etc) En medicina para la
liberacioacuten de faacutermacos [80] y como catalizadores imitando las funciones de las
enzimas pero con una mayor estabilidad [82]
Los primeros sensores que emplearon la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
fueron elaborados entorno a los antildeos 2000 En 1996 se publicoacute el primer
37
artiacuteculo elaborado por Franz L Dicker referido a sensores MIP basados en
meacutetodos de transduccioacuten piezoeleacutectricos En el experimento se crearon
plantillas polimeacutericas con varios tipos de disolventes orgaacutenicos volaacutetiles una
vez creada la plantilla se calculoacute la masa de analito depositada midiendo el
cambio en la frecuencia de resonancia de una microbalanza de cuarzo Con los
resultados de la investigacioacuten se concluyoacute que estos sensores presentariacutean un
futuro prometedor puesto que fueron capaces de reconocer selectivamente
disolventes orgaacutenicos seguacuten su tamantildeo y forma [83]
Recientemente se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en la
impresioacuten molecular para el reconocimiento de azuacutecares principalmente para
la glucosa por su impacto en enfermedades como la diabetes W Zhen et al
desarrollaron un sensor basado en poliacutemeros de impresioacuten molecular para el
reconocimiento de glucosa [84] A Diouf et al sintetizaron un sensor
electroquiacutemico para la cuantificacioacuten de glucosa presente en la saliva [41]
Tambieacuten se han desarrollado sensores MIP para el reconocimiento de
disacaacuteridos por ejemplo H Shekarchizadeh et al fabricaron un sensor MIP
electroquiacutemico para la deteccioacuten de sacarosa en el zumo de remolacha [83]
Tal y como se muestra en la figura 4 el desarrollo de sensores MIP ha ido
creciendo con el paso del tiempo siendo su empleo en el anaacutelisis
electroquiacutemico cada vez maacutes pronunciado Su aplicacioacuten para la identificacioacuten
de azuacutecares se encuentra todaviacutea en sus primeros indicios encontraacutendose las
mayores referencias entre los antildeos 2018 y 2019 Debido al intereacutes que
presentan los MIP es interesante llevar a cabo nuevas investigaciones que
contribuyan al estudio iniciado en estos uacuteltimos antildeos dirigido a la deteccioacuten de
azuacutecares
Figura 4 MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos (rojo) MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos empleados en la deteccioacuten de azuacutecares (rosa) Publicaciones correspondientes al periodo 1999-2019 obtenidas de la base de datos SCOPUS (Elsevier)
38
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Los sensores MIP son una buena alternativa frente a los meacutetodos tradicionales
de anaacutelisis (cromatografiacutea de gases cromatografiacutea de liacutequidos de alta
resolucioacuten etc) debido a sus excelentes propiedades como estabilidad bajo
coste y especificidad [85] Estos sensores son capaces de detectar una gran
variedad de analitos como proteiacutenas [86] virus [87] azuacutecares [84] fenoles
[12] etc Por ello presentan un gran potencial en diferentes campos industria
alimentaria anaacutelisis ambiental anaacutelisis cliacutenico o anaacutelisis quiacutemico entre otros
[88]
Para un mayor entendimiento del presente trabajo es necesario especificar en
que consite un sensor NIP (ldquono molecularly imprinted polymerrdquo) Dicho sensor
es anaacutelogo al MIP sin embargo eacuteste se obtiene en aunsencia de la moleacutecula
plantilla por lo que no cuenta con las cavidades de reconocimiento especiacutefico
Para obtener un buen funcionamiento un sensor MIP debe tener las siguientes
propiedades [69]
bull Rigidez Las cavidades de reconocimiento deben mantener su forma y
tamantildeo despueacutes de que la moleacutecula sea eliminada de la matriz
polimeacuterica
bull Flexibilidad Se debe optimizar el proceso de reconocimiento
consiguiendo un equilibrio entre las cavidades creadas y la
concentracioacuten de analito
bull Estabilidad mecaacutenica El sensor debe mantenerse estable con cada
medida
Al igual que los sensores tradicionales los sensores basados en MIPs se
pueden clasificar en funcioacuten de su principio de funcionamiento en los
siguientes sensores
bull Sensores de afinidad (ldquoAffinity sensorsrdquo) son sensores capaces de
detectar moleacuteculas con caracteriacutesticas medibles Dentro de este tipo se
encuentran los sensores basados en meacutetodos de transduccioacuten
piezoeleacutectricos (se basan en el empleo de un cristal piezoeleacutectrico que
39
vibra al aplicarse un potencial la frecuencia de oscilacioacuten del cristal
variacutea en funcioacuten de la masa de analito depositada en el sensor MIP)
[76] [89] sensores MIP electroquiacutemicos [76] (se basan en diferentes
teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea amperometriacutea y
potenciometriacutea) y sensores MIP oacutepticos en los que el sensor detecta un
cambio en alguna propiedad oacuteptica durante el enlace entre los grupos
funcionales del poliacutemero y la moleacutecula plantilla [90]
bull Receptores Estos sensores se basan en la deteccioacuten directa del analito
aprovechan el momento de unioacuten entre la moleacutecula y la plantilla cuando
tiene lugar un cambio en alguna caracteriacutestica del MIP (conductividad
eleacutectrica potencial superficial o permeabilidad) Dentro de este grupo
hay sensores MIP electroquiacutemicos y oacutepticos [76] Por ejemplo se han
desarrollado sensores MIP electroquiacutemicos para la deteccioacuten de glucosa
basados en el efecto denominado ldquogate effectrdquo El enlace entre la
glucosa y los sitios de unioacuten de la plantilla produce un cambio en la
configuracioacuten del poliacutemero modificaacutendose la permeabilidad de la
peliacutecula polimeacuterica dificultando por tanto el proceso de difusioacuten de las
moleacuteculas a su traveacutes Asiacute la deteccioacuten en este experimento se llevoacute a
cabo registrando la disminucioacuten de la intensidad de la sentildeal en
presencia de glucosa [91]
bull Sensores MIP Cataliacuteticos Constituyen la uacuteltima generacioacuten de sensores
MIP en este grupo se fabrican sensores que imitan la actividad
cataliacutetica de las enzimas Actualmente son pocos los sensores
desarrrollados seguacuten este principio un ejemplo ha sido la fabricacioacuten
de un sensor MIP que imita el funcionamiento de la enzima tirosinasa
El sensor consiste en utilizar un complejo como moleacutecula plantilla
similar a la enzima para catalizar las reacciones de oxidacioacuten del
catecol (anaacutelito de intereacutes en el estudio de la calidad del vino) [79]
Entre los sensores que se han nombrado los sensores MIP electroquiacutemicos son
los que representan el mayor intereacutes en el anaacutelisis quiacutemico debido a su bajo
coste y facilidad de obtencioacuten [85]
La fabricacioacuten de sensores MIP electroquiacutemicos se puede clasificar en dos
etapas
bull Electrodo modificado mediante la teacutecnica de impresioacuten molecular
40
El meacutetodo de integracioacuten maacutes utilizado para la deposicioacuten del MIP en el
electrodo de trabajo es la electropolimerizacioacuten por ser raacutepido y eficaz [85] La
principal ventaja de esta teacutecnica es que los paraacutemetros controlables como el
tiempo de deposicioacuten y el potencial aplicado permiten controlar aspectos
importantes como el grosor de la peliacutecula polimeacuterica [79]
En el presente trabajo de investigacioacuten el sensor MIP fue elaborado mediante
teacutecnicas de electropolimerizacioacuten a traveacutes de cronoamperometriacutea El proceso
consistioacute en aplicar un potencial constante para producir la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla sobre la superficie del
electrodo A continuacioacuten se muestra una imagen esquemaacutetica de este
proceso
Figura 5 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-moleacutecula plantilla]BDD en una celda electroliacutetica con una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de trabajo contraelectrodo y electrodo de referencia) donde se representa la deposicioacuten de la solucioacuten a traveacutes de electropolimerizacioacuten por cronoamperometriacutea sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Elucioacuten y reconocimiento del analito
La elucioacuten consiste en eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz del poliacutemero
de esta manera se crean cavidades de reconocimiento con una estructura
tridimensional que coincide en tamantildeo y forma con el analito de intereacutes es
decir se forma un plantilla polimeacuterica Esta plantilla aporta especificidad al
sensor lo que le permite llevar a cabo la deteccioacuten selectiva de la moleacutecula
plantilla [69] Dado a la importancia que esto supone se deben tener en cuenta
las condiciones en la que se realice el anaacutelisis puesto que el uso de ciertos
41
disolventes orgaacutenicos las altas temperaturas o el empleo de solventes donde
el poliacutemero sea soluble podriacutean dantildear la plantilla sintetizada en el MIP [65] A
pesar de ello no se trata de una etapa costosa y en ella se pueden emplear
distintos tipos de eluyentes Por ejemplo se ha utilizado agua caliente
presurizada para la elucioacuten de moleacuteculas de clorofila de una matriz polimeacuterica
elaborada a partir de aacutecido metacriacutelico y metacrilato de etilenglicol [65]
Tambieacuten se ha empleado cloruro de potasio (KCl) para eliminar catecol de una
matriz polimeacuterica de chitosaacuten [12] Otros disolventes como el HCl se han
utilizado para la elucioacuten de glucosa de una matriz polimeacuterica compuesta por
aacutecido 3-aminobencenoboroacutenico (APBA) [84] En conclusioacuten la eleccioacuten del
eluyente dependeraacute principalmente de las caracteriacutesticas de la moleacutecula
plantilla y del poliacutemero debiendo seleccionar en todo momento un solvente
que no dantildee a la peliacutecula polimeacuterica y en el que la moleacutecula plantilla sea
soluble
Una vez eliminada la moleacutecula plantilla se lleva a cabo la deteccioacuten de eacutesta
durante este momento tiene lugar la selectividad entre la moleacutecula y la plantilla
polimeacuterica Este proceso se corresponde con la uacuteltima etapa del anaacutelisis
electroquiacutemico y puede verse afectado por distintos factores [69]
Presencia de compuestos inhibidores Puede haber grupos inhibidores
que impidan que la moleacutecula se adapte perfectamente en las cavidades
ocupando sus sitios de unioacuten
Cambios en la orientacioacuten espacial de los grupos funcionales del
poliacutemero Factores como los cambios de temperatura o los disolventes
empleados pueden causas cambios en la configuracioacuten espacial de los
grupos funcionales en consecuencia no se produce el enlazamiento
entre el analito y las cavidades del poliacutemero
Fenoacutemenos de repulsioacuten Puede haber grupos funcionales en las
cadenas del poliacutemero que impidan que la moleacutecula y los sitios de unioacuten
reaccionen
Seleccioacuten del disolvente Como se ha explicado anteriormente el
disolvente puede dantildear al poliacutemero debido a ello es importante utilizar
un solvente en el que el poliacutemero no sea soluble
A continuacioacuten se muestra un esquema del proceso de las etapas descritas
42
Figura 6 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP donde se muestra el proceso de polimerizacioacuten y a continuacioacuten un sensor MIP donde se ha llevado a cabo el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
23221 Ventajas de la impresioacuten molecular
La elaboracioacuten de sensores electroquiacutemicos a partir de MIP es una tecnologiacutea
relativamente reciente desarrollada para reconocer bajas concentraciones del
analito La impresioacuten molecular es una de las pocas tecnologiacuteas que permite la
fabricacioacuten de receptores sinteacuteticos ademaacutes presenta importantes ventajas
sobre otros compuestos utilizados para el reconocimiento especiacutefico como las
enzimas Entre las ventajas maacutes destacadas de los sensores basados en esta
tecnologiacutea se encuentran [80]
bull Estabilidad los MIP son estables en un amplio rango de pH
temperaturas y presioacuten por estas razones son buenos sustitutos de
agentes bioloacutegicos [80]
bull Bajo coste Los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular
resultan maacutes baratos comparados con el empleo de receptores
bioloacutegicos como las enzimas [80]
bull Preparacioacuten del sensor MIP sencilla [80]
bull Los poliacutemeros pueden forman plantillas para una gran cantidad de
analitos [80]
bull Reconocimiento especiacutefico y selectivo en disolventes orgaacutenicos por lo
que no estaacuten limitados a detecciones en medios acuosos [80]
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo
En la elaboracioacuten de MIP se suele utilizar un agente reticulante para obtener
una plantilla del poliacutemero maacutes estable y por ende un mejor comportamiento
43
del sensor [69] En este trabajo uno de los experimentos para fabrizar el MIP
se llevoacute a cabo en presencia de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
El glutaraldehiacutedo es un compuesto quiacutemico perteneciente a la familia de los
aldehiacutedos a temperatura ambiente es un liacutequido oleaginoso incoloro o con una
leve coloracioacuten amarilla su foacutermula molecular es OHC-(CH2)3-CHO [92]
El glutaraldehido se ha empleado porque es considerado un buen agente
reticulante para el desarrollado de MIPs basados en chitosaacuten dado a que este
poliacutemero presenta grupos amino reactivos (-NH2) que reaccionan con los
grupos aldehiacutedo (-CHO) del glutaraldehiacutedo [93] Esta reaccioacuten es selectiva por
lo que los grupos hidroxilo -OH del chitosaacuten no intervienen en la reaccioacuten con el
glutaraldehiacutedo [94]
El proceso simplificado de entrecruzamiento del chitosaacuten con el glutaraldehiacutedo
se puede ver en la figura 7
Figura 7 Reaccioacuten simplificada del proceso de entrecruzamiento del chitosaacuten con glutaraldehiacutedo
El producto de reaccioacuten entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo da lugar a una
base de Schiffrsquos [95] una base de schiffrsquos es un enlace imina constituido por
un cabono y un nitroacutegeno unidos atraveacutes de un doble enlace (N=C) su
estructura tiacutepica se muestra en la figura 8 tal y como se observa esta
compuesta por tres radicales R1R2 y R3 que pueden ser grupos alquilo o arilo
[96]
Figura 8 Estructura geneacutericas de una base de Shiffacutes con tres radicales R1 R2 y R3
44
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis
electroquiacutemico
El tipo de electrodos de trabajo empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico variacutea
en funcioacuten de las teacutecnicas electroquiacutemicas de anaacutelisis en voltametriacutea los
electrodos de metales nobles son los maacutes empleados entre ellos destacan los
electrodos de plata [97] los electrodos de oro [98] y los electrodos de platino
[99] Estos electrodos destacan por sus buenas caracteriacutesticas de
conductividad y por ser materiales inertes por lo que no intervienen en las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la celda electroliacutetica Sin
embargo presentan problemas de reproducibilidad por la formacioacuten de oacutexidos
en su superficie [99] [100]
Debido a ello los electrodos metaacutelicos se han ido remplazando en los uacuteltimos
antildeos por los electrodos de carbono cuya principal ventaja es su amplia ventana
de potencial y su facilidad de limpieza (las impurezas de la superficie de los
electrodos de carbono se eliminan faacutecilmente) [99]
Dentro de los electrodos de carbono existen varios tipos pues es un compuesto
con diferentes formas alotroacutepicas En concreto el diamante es la segunda
forma maacutes estable del carbono despueacutes del grafito ademaacutes tiene una de las
estructuras moleculares maacutes destacables por sus propiedades extraordinarias
como son su extremada dureza y alta conductividad teacutermica [101] A pesar de
estas caracteriacutesticas el diamante (sin dopar) no se emplea como electrodo
dado a su alta resistividad eleacutectrica (1020 Ωcm ) que le hace funcionar como
un soacutelido aislante lo que es debido a su ancho de banda prohibida (seguacuten el
modelo de la teoriacutea de bandas en un soacutelido aislante la banda de valencia (BV)
y la banda de conductividad (BC) se encuentran separadas por una banda
prohibida de una energiacutea muy alta por lo que no es posible el salto del electroacuten
de la BV a la BC [102]) Por esta razoacuten los electrodos de diamante se dopan
con otros elementos con el fin de mejorar su conductividad eleacutectrica
Los electrodos de diamante dopados con boro (BDD) constituyen un material
semiconductor de ldquotipo prdquo (un material deldquo tipo prdquo se obtiene al introducir
huecos libres en la estructura quiacutemica del elemento figura 9) ya que el boro
presenta tres electrones en su banda de valencia y el carbono 4 por lo que se
genera un hueco libre en su estructura quiacutemica de esta manera se consigue
reducir su resistividad a la deacutecima parte 102 Ωcm [102] [103]
Otros electrodos de carbono destacables son los electrodos de carboacuten viacutetreo
que son muy utilizados en electroquiacutemica por ser electrodos inertes duros y
por presentar una resistencia eleacutectrica muy baja [104] [105]
45
Figura 9 Diamante dopado con boro Se representan los huecos introducidos por el boro
Dentro de los electrodos que se han explicado los BDDs son los materiales
maacutes destacables en el anaacutelisis electroquiacutemico debido a que algunas de sus
propiedades como su baja resistividad eleacutectrica y amplia ventana de potencial
los convierten en materiales de especial intereacutes en este campo
Cuando se utilizan estos materiales como electrodos de trabajo para obtener
una buena reproducibilidad del anaacutelisis se deben tener en cuenta los aspectos
descritos a continuacioacuten [106]
Cuando se utilizan finas peliacuteculas de BDD depositados en sustratos
conductores la limpieza de su superficie se tiene que realizar mediante
meacutetodos quiacutemicos y no mediante meacutetodos fiacutesicos (pulido mecaacutenico)
para no dantildear a la misma [106]
Antes de usarles en el anaacutelisis quiacutemico se lleva a cabo un pretratamiento
o limpieza de su superficie que contribuye a la mejora de sus
caracteriacutesticas quiacutemicas y fiacutesicas Por ejemplo puede llevarse a cabo
mediante meacutetodos electroquiacutemicos aplicando un potencial o corriente
eleacutectrica [106]
Los tratamientos demasiado fuertes (ej aplicar potencial o una
corriente elevada) pueden dantildear el material del electrodo afectando
negativamente a la reproducibilidad o al rendimiento del mismo
(aumento de la corriente de fondo) [106]
241 Electrodos BDD
Los electrodos BDD se caracterizan por ser materiales semiconductores con
importantes ventajas respecto a otros electrodos semiconductores por su
amplia ventana de potencial baja corriente de fondo alta estabilidad
electroquiacutemica por ser quiacutemicamente inertes y no toacutexicos [107] [102]
46
A continuacioacuten se describen de una manera maacutes precisa las caracteriacutesticas
nombradas
bull Amplia ventana de potencial La ventana de potencial constituye el
intervalo donde se llevan a cabo las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten
de las especies quiacutemicas por lo que los analitos deben ser
electroactivos dentro de este intervalo [108]
La ventana de potencial que ofrece el diamante permite distinguir
reacciones a potenciales altos y bajos [109] Por ejemplo la reaccioacuten
del oxiacutegeno a 225 V y del hidroacutegeno a -11V se puede distinguir en los
electrodos BDD mientras que en otros electrodos como el grafito el
carboacuten viacutetreo el oro o el platino no se puede apreciar [110]
bull Estabilidad electroquiacutemica El diamante se forma por hibridacioacuten sp3
mediante un enlace sigma que une a los aacutetomos de carbono La
fortaleza de este enlace le confiere al diamante una gran estabilidad
electroquiacutemica [102]
bull Baja corriente de fondo En electroquiacutemica la corriente de fondo se
refiere a las reacciones de electroacutelisis debidas a las impurezas
presentes en la solucioacuten electroacutelisis del analito electroacutelisis del material
del electrodo y la corriente capacitiva Las tres primeras son corrientes
faraacutedicas debidas a la reacciones quiacutemicas que tienen lugar en el
electrodo mientras que la corriente capacitiva se debe al
comportamiento de la celda electroquiacutemica como un condensador
(interfaz entre el electrodo y la solucioacuten) [111] [112]
La corriente de fondo generalmente es indeseable excepto la referida a
la corriente generada por el analito Los electrodos BDD presentan una
corriente de fondo pequentildea esta propiedad es de gran intereacutes en
electroquiacutemica ya que permite llevar a cabo un anaacutelisis maacutes sensible
ademaacutes de conseguir liacutemites de deteccioacuten maacutes bajos [111] [112]
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD
Dado a la repercusioacuten que tiene el meacutetodo de fabricacioacuten de los electrodos BDD
en el anaacutelisis electroquiacutemico se han investigado varios meacutetodos para su
obtencioacuten
47
El meacutetodo maacutes empleados para la siacutentesis de BDDs es el proceso de deposicioacuten
quiacutemica de vapor (CVD) Este meacutetodo permite controlar la presencia de
impurezas de grafito que pudiese haber en el electrodo y que pudieran
repercutir negativamente en el anaacutelisis electroquiacutemico causando un aumento
de la corriente de fondo y una disminucioacuten de la ventana de potencial del
electrodo BDD Dentro de este meacutetodo se emplean distintos sustratos para la
deposicioacuten de los BDDs entre los maacutes empleados destacan los sustratos
metaacutelicos (Ti Mo y W) y los sustratos de materiales ceraacutemicos como el silicio
[106] [107] [110]
La deposicioacuten quiacutemica de vapor a altas temperaturas y presiones (HTHP)
constituye otra de las formas para obtener polvo de diamante dopado con boro
compacto A pesar de que este proceso permite obtener BDDs con
caracteriacutesticas similares a la deposicioacuten quiacutemica de vapor es un proceso que
se lleva a cabo en condiciones de presioacuten y temperatura maacutes restrictivas por lo
que es una teacutecnica menos utilizada para la obtencioacuten de este tipo de electrodos
[107]
25 Sensores basados en nanomateriales
Con el desarrollo de la nanotecnologiacutea en el campo del anaacutelisis sensorial se
han podido introducir nanomateriales que mejoran en gran medida el
comportamiento de los sensores electroquiacutemicos Debido a la importancia que
esto supone la modificacioacuten de sensores con superficies nanoestructuradas
ha representado el epicentro de estudio de un gran nuacutemero de grupos de
investigacioacuten
En los uacuteltimos antildeos se han modificado sensores electroquiacutemicos con
nanotubos de carbono por sus caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica y
propiedades fiacutesicas y quiacutemicas [64] Se han sintetizado sensores MIP
modificados con nanopartiacuteculas de oro con objeto de mejorar la intensidad de
corriente alcanzada por el sensor [85] Tambieacuten se han empleado nanohilos
metaacutelicos para mejorar el rendimiento del sensor incrementando su aacuterea
efectiva [98]
La plata por si sola representa uno de los metales con mejores caracteriacutesticas
de conductividad eleacutectrica y teacutermica [113] Por esta razoacuten los nanomateriales
basados en dicho metal son de gran intereacutes en la industria de la
nanotecnologiacutea En concreto los nanohilos de plata (AgNWs) constituyen uno
de los nanomateriales maacutes interesantes ya que presentan excelentes
propiedades que les convierten en materiales muy adecuados para el
desarrollo de los sensores electroquiacutemicos [114] [115] [116] [117]
48
Wagner se considera uno de los primeros desarrolladores de los electrodos
semiconductores basados en nanohilos de diferentes materiales En 1964
sintetizoacute microhilos de silicio utilizando el oro como catalizador del proceso
mediante meacutetodos de vapor-liacutequido-soacutelido (VLS) a traveacutes de los cuales
consiguioacute sintetizar nanoestructuras por deposicioacuten quiacutemica de vapor En 2001
se lograron sintetizar los primeros AgNWs a traveacutes del mismo proceso [118]
Desde este momento en la primera deacutecada de SXXI se han realizado nuacutemeros
estudios dedicados a la obtencioacuten de AgNWs teniendo en cuenta que su
tamantildeo forma y estructura son paraacutemetros que determinan sus propiedades
[113] [119] [120]
251 Los nanohilos de plata (AgNWs)
Los AgNWs son nanoestruras consideradas de una dimensioacuten (1D) que cuentan
con una largura mucho mayor a su diaacutemetro generalmente el diaacutemetro variacutea
entre 10 - 200 nm y su longitud puede variar entre 5 - 100 μm [113] [120]
Gracias a su configuracioacuten exhiben propiedades extraordinarias como son
[121]
bull Transparencia oacuteptica y conductividad eleacutectrica El empleo de AgNWs
como conductores transparentes representa un futuro prometedor su
importancia en este campo radica en su propiedades como son su
elevada conductividad sus propiedades oacutepticas y su sencillez de
obtencioacuten junto con el bajo coste de preparacioacuten [121] [122] [123]
bull Flexibilidad los AgNWs presentan una estructura cuacutebica centrada en las
caras (FCC) que les proporciona una alta flexibilidad y resistencia a la
traccioacuten [124] La fabricacioacuten de dispositivos electroacutenicos flexibles
constituye uno de los campos en los que maacutes se ha investigado en los
uacuteltimos antildeos siendo la flexibilidad de los AgNWs (entre otras
propiedades) lo que hace que puedan ser empleados en dispositivos
electroacutenicos que pueden ser curvados Por ello se han incorporado en
ceacutelulas solares y TCF (peliacuteculas teacutermicas conductoras transparentes)
[121]
bull Aacuterea efectiva los AgNWs presentan un relacioacuten LongitudDiaacutemetro
elevada lo que hace que tengan una gran superficie en comparacioacuten al
volumen que ocupan [125] Esta caracteriacutestica es importante porque
influye en las propiedades conductoras y oacutepticas de eacutestos Se ha
49
demostrado que en los AgNWs de diaacutemetros superiores a 50 nm
cuanto mayor es su diaacutemetro mayor es su conductividad Por el
contrario en AgNWs cuyos diaacutemetros son inferiores a 20 nm cuaacutento
menor es el diaacutemetro mejores son sus propiedades conductoras y
oacutepticas [126]
bull Confinamiento cuaacutentico el confinamiento cuaacutentico tiene lugar cuando
el tamantildeo del nanocristal es muy pequentildeo en comparacioacuten con la
longitud de onda de un electroacuten por lo que se dice que los electrones
se encuentran encerrados en un espacio cuaacutentico ocupando diferentes
niveles de energiacutea a los que ocupariacutean en el mismo material de tamantildeo
macromolecular Este fenoacutemeno hace que las propiedades oacutepticas y
eleacutectricas sean diferentes en comparacioacuten a las que tendriacutea el material
a una escala superior [127]
bull Efecto cataliacutetico se ha demostrado que el empleo de nanoestructuras
como AgNWs mejoran la transferencia electroacutenica de poliacutemeros de
mala conductividad eleacutectrica Tambieacuten actuacutean como mediadores
electroacutenicos mejorando la transferencia de electrones de la solucioacuten al
electrodo [64] [128]
bull Resonancia de plasmoacuten superficial es el fenoacutemeno que tiene lugar
cuando los electrones que estaacuten situados en la capa superficial de un
metal son excitados por los fotones de un haz de luz y despueacutes se
propagan paralelamente a lo largo de la superficie del metal [129] Los
AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso que se puede
apreciar en la banda de absorcioacuten UV- VIS lo que permite estudiar las
propiedades oacutepticas de dichos materiales [130]
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs
Los AgNWs constituyen nanomateriales de gran importancia en la siacutentesis de
sensores nanoestructurados En concreto su utilizacioacuten en sensores
electroquiacutemicos representa uno de sus principales campos de aplicacioacuten
debido a que ciertas de sus propiedades (conductividad aacuterea efectiva entre
otras) les convierten en materiales predilectos para el desarrollo de los mismos
[131] Por ello son varios los estudios dedicados a la integracioacuten de estas
nanoestructuras para la deteccioacuten de compuestos de intereacutes
50
El equipo de investigacioacuten de X Gao et al llevaron a cabo el desarrollo de un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) en la
leche de vaca La deteccioacuten de dicho producto es muy importante dentro de la
industria alimentaria y en concreto en el sector laacutecteo Su presencia se debe a
que es una sustancia muy empleada para el control del desarrollo bacteriano
en productos laacutecteos sin embargo a elevadas concentraciones puede causar
dantildeos en el organismo El sistema de medida desarrollado por el equipo de
investigacioacuten contaba con un electrodo de trabajo de carboacuten vitreo que se
modificoacute depositando AgNWs a traveacutes de ldquodrop coatingrdquo sobre la superficie del
electrodo finalmente mediante la misma teacutecnica depositaron una solucioacuten de
chitosaacuten utilizada como soporte para los AgNWs El comportamiento del sensor
frente a la deteccioacuten del H2O2 fue evaluado a traveacutes de teacutecnicas
electroquiacutemicas como la amperometriacutea en muestras de leche donde se
demostroacute una gran sensibilidad del sensor debido principalmente a la
capacidad electroliacutetica aacuterea efectiva y conductividad eleacutectrica que
proporcionaron los AgNWs [114]
J Turan et al llevaron a cabo el desarrollo de un biosensor modificado con
AgNWs para la deteccioacuten de plaguicidas como el paraoxoacuten que pueden estar
presente en la leche (muchos plaguicidas acaban en productos de consumo
diario debido a que forman parte de la cadena alimentaria de los animales) El
sistema de medida basado en meacutetodos de transduccioacuten amperomeacutetricos
contaba con un electrodo de trabajo de grafito modificado con AgNWs la
enzima que cataliza los procesos redox del compuesto de intereacutes
(butirilcolinesterasa) y un poliacutemero conductor que sirve de soporte para dicha
enzima El comportamiento del sensor fue evaluado mediante amperometriacutea a
traveacutes de la inmersioacuten del electrodo en muestras de leche con paraoxoacuten El
equipo concluyoacute que la presencia de los AgNWs a una concentracioacuten especiacutefica
junto con el poliacutemero conductor contribuiacutea a mejorar la sensibilidad
selectividad y estabilidad de la enzima en el electrodo [115]
Por su repercusioacuten en el presente trabajo tambieacuten es de intereacutes sentildealar el
desarrollo de electrodos que han sido modificados con AgNWs y que se han
empleado para la deteccioacuten de azuacutecares V H Luan et al desarrollaron un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de glucosa analito de gran intereacutes en
la industria alimentaria y en medicina El sistema sensor contaba con un
electrodo de trabajo de carboacuten viacutetreo modificado con AgNWs y grafeno La
sensibilidad del sensor fue evaluada a traveacutes de amperometriacutea en este estudio
se concluyoacute que los AgNWs combinados con el grafeno mejoraban
significativamente la sensibilidad del mismo debido a su actividad
electrocataliacutetica [116]
Finalmente un biosensor elaborado para la monitorizacioacuten de glucosa fue
fabricado por X Jang et al El equipo de investigacioacuten obtuvo un sensor para la
51
monitorizacioacuten de glucosa a traveacutes de la deteccioacuten de H2O2 (la enzima glucosa
oxidasa con oxiacutegeno genera peroacutexidos) cuyo funcionamiento se evaluoacute
mediante voltametriacutea ciacuteclica El sistema sensor contaba con un electrodo de
trabajo de carboacuten vitreo modificado con AgNWs los cuales funcionaron como
agentes electrocataliacuteticos de los procesos de reduccioacuten del H2O2 que teniacutean
lugar en la celda electroliacutetica Los AgNWs mejoraron la transferencia electroacutenica
de los electrones de la solucioacuten al electrodo y demostraron una mejora en la
intensidad de los picos catoacutedico mostrados en el voltamograma
correspondiente a los procesos de reduccioacuten del H2O2 [117]
2521 Siacutentesis de AgNWs
Existen una gran variedad de meacutetodos de obtencioacuten de AgNWs que se han ido
perfeccionando a lo largo de estos uacuteltimos antildeos ya que el meacutetodo de
fabricacioacuten influye en su organizacioacuten estructural y en su dimensioacuten Los
procesos de fabricacioacuten de AgNWs se pueden clasificar en meacutetodos fiacutesicos y
meacutetodos quiacutemicos
Los meacutetodos fiacutesicos se fundamentan en procesos de pulverizacioacuten mecaacutenica
los AgNWs obtenidos mediante este tipo de teacutecnicas no son uniformes y
presentan impurezas por lo que estos meacutetodos actualmente ya no se emplean
[121]
Los meacutetodos quiacutemicos se caracterizan por ser procesos relativamente sencillos
y aplicables a gran escala entre los maacutes destacados estaacuten el empleo de
plantillas el meacutetodo poliol o la fotorreduccioacuten por radiacioacuten ultravioleta entre
otros procesos [121]
Entre los meacutetodos descritos el meacutetodo poliol destaca por ser un meacutetodo
sencillo de bajo coste y muy eficiente Por estas razones esta teacutecnica
constituye uno de los procesos maacutes utilizados para la siacutentesis de AgNWs [121]
bull Meacutetodo poliol
Un poliol es un compuesto orgaacutenico que presenta varios grupos hidroxilo el
poliol empleado por excelencia en la siacutentesis de AgNWs es el etilenglicol (EG)
El meacutetodo poliol consiste en llevar a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten de una sal
metaacutelica mediante la aplicacioacuten de calor en presencia de un poliol [120]
52
En este proceso se utiliza un agente reductor un solvente un agente precursor
y una sal El EG presenta una funcioacuten doble por un lado actuacutea como reductor
y por otro lado actuacutea como disolvente La polivinilpirrolidona (PVP) se utiliza
como agente de recubrimiento para controlar el crecimiento anisoacutetropo de los
aacutetomos de plata y ademaacutes evita que se formen agregados de nanopartiacuteculas
(NPs) Por uacuteltimo el nitrato de plata (AgNO3) es el agente precursor encargado
de proporcionar los iones de plata (Ag+) para la siacutentesis de AgNWs [121] [120]
En mayor detalle el meacutetodo poliol comienza con la reaccioacuten de reduccioacuten de
una sal metaacutelica (CuCl2) en presencia de glicolaldehiacutedo (GA) este compuesto
es un agente reductor obtenido de la reaccioacuten de oxidacioacuten del EG cuando se
alcanza una temperatura de reaccioacuten proacutexima a 160ordmC [121] A continuacioacuten
se antildeaden simultaacuteneamente la sal de AgNO3 y el PVP durante este momento
manteniendo la temperatura de reaccioacuten constante la velocidad de agitacioacuten
y la relacioacuten molar [PVP AgNO3] antildeadida se puede controlar un mecanismo de
formacioacuten homogeacuteneo de los AgNWs [121]
El proceso de siacutentesis de AgNWs se puede seguir a simple vista debido a los
cambios de coloracioacuten que toma la disolucioacuten a medida que los AgNWs crecen
este fenoacutemeno es debido a que las nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) presentes
en la solucioacuten absorben la radiacioacuten electromagneacutetica de una longitud de onda
cercana a 400 nm haciendo que eacutesta adquiere un color amarillento [132]
El proceso de crecimiento de los AgNWs comienza a partir del mecanismo de
nucleacioacuten de los aacutetomos de plata (Ag0) presentes en la solucioacuten los cuales
proceden de la reaccioacuten de reduccioacuten de los iones Ag+ en presencia de EG
[113] Los Ag0 comienzan a nuclearse dando lugar a AgNPs de distintos
tamantildeos y morfologiacuteas Durante este momento la actuacioacuten del PVP es vital
para evitar que se formen agregados de las mismas [113] [120] [133]
A medida que evoluciona la reaccioacuten con los paraacutemetros de temperatura y
velocidad de agitacioacuten fijados como las AgNPs maacutes pequentildeas no son estables
(necesitan una energiacutea superficial mayor) comienzan a disolverse favoreciendo
el crecimiento de las AgNPs maacutes grandes siguiendo el proceso denominado
ldquomaduracioacuten de Ostwaldrdquo [113] Posteriormente gracias a la adsorcioacuten del PVP
sobre la superficie de los cristales que forman las AgNPs se promueve el
crecimiento anisotroacutepico de los mismos de manera que se produce la evolucioacuten
de las AgNPs maacutes grandes a nanobarras o ldquonanorodsrdquo (son otras estructuras
1D distintas de los AgNWs) Finalmente el crecimiento de las nanobarras da
lugar a la formacioacuten de los AgNWs durante esta etapa el PVP evita que los
AgNWs se agreguen [113] [120]
El resultado final es una disolucioacuten que contiene los AgNWs y una dispersioacuten
de las AgNPs maacutes grandes [97] Para la obtencioacuten pura de los AgNWs las NPs
53
se eliminan al finalizar el proceso de siacutentesis por medio de teacutecnicas de
centrifugacioacuten
Figura 10 Proceso de crecimiento de los AgNWs
En la figura 10 se muestran las 4 etapas que se corresponden con el
crecimiento de los cristales que forman los AgNWs En primer lugar la solucioacuten
estaacute formada por aacutetomos de plata Ag0 procedentes de la reaccioacuten de reduccioacuten
de los iones Ag+ en presencia de EG posteriormente se forman cristales de
geometriacutea pentagonal (nuacutecleos) que crecen en forma de nanobarras Este
fenoacutemeno es debido a que las moleacuteculas de PVP son adsorbidas y pasivan el
plano del cristal [100] de las AgNPs por lo que la fortaleza del enlace entre el
PVP y el plano cristalograacutefico [100] prioriza el crecimiento del cristal a lo largo
de la direccioacuten [111] formando nanobarras de una seccioacuten pentagonal
Finalmente tiene lugar el crecimiento de los AgNWs a lo largo de la direccioacuten
longitudinal [120] [134]
Figura 11 Representacioacuten de los planos cristalograacuteficos [111] y [100] de una ldquonanobarrardquo
El meacutetodo poliol puede presentar distintas variantes en funcioacuten de las
condiciones de siacutentesis empleadas es decir la utilizacioacuten de distintas sales
las concentraciones que se empleen la temperatura la velocidad de agitacioacuten
etc Dichas caracteriacutesticas afectan significativamente al proceso de obtencioacuten
54
de los AgNWs [120] [121] a continuacioacuten se describen los paraacutemetros maacutes
representativos que afectan a la formacioacuten y crecimiento de los AgNWs
Temperatura y tiempo de reaccioacuten
El poder de reduccioacuten del etilenglicol aumenta con la temperatura es decir la
reaccioacuten de oxidacioacuten del EG para dar lugar al GA se ve favorecida por las altas
temperaturas [113] [120] [121] Por esta razoacuten la temperatura del
mecanismo de reaccioacuten de la siacutentesis de los AgNWs generalmente se lleva a
cabo a 160ordmC durante 1h asiacute se consiguen obtener AgNWs de eleva longitud
[120] [121] Se ha comprobado que llevando a cabo el proceso de reaccioacuten a
temperaturas inferiores (100 ordmC) la longitud de los AgNWs disminuye y no llegan
a alcanzar el tamantildeo adecuado debido a que no se proporciona la energiacutea
suficiente para su crecimiento Por consiguiente sus propiedades se veriacutean
afectadas como por ejemplo se obtendriacutea un menor aacuterea efectiva o
disminuiriacutea la capacidad conductora de los AgNWs lo cual es indeseable [120]
Por otro lado cuando se alcanzan temperaturas maacutes elevadas (185ordmC) en la
reaccioacuten de oxidacioacuten para dar lugar a GA el producto de siacutentesis final del
meacutetodo polio seriacutean nanobarras en lugar de los AgNWs [121]
El tiempo de obtencioacuten de los AgNWs tambieacuten depende de la temperatura
Cuanto menor es la temperatura mayor es el tiempo requerido para que tenga
lugar la formacioacuten de los AgNWs ya que la reaccioacuten para dar lugar a GA no se
ve favorecida a temperaturas bajas [120] [121] Por esta razoacuten se ha
comprobado que trabajando a una temperatura de 160 ordmC los AgNWs alcanzan
su tamantildeo oacuteptimo en 1h [121]
Influencia de la Polivinilpirrolidona (PVP) y del nitrato de plata
(AgNO3)
La PVP es el poliacutemero empleado por excelencia como agente de recubrimiento
por sus buenos resultados [113] [120] [121] Su efectividad se asocia a la
presencia de determinados aacutetomos en su cadena polimeacuterica el nitroacutegeno y
oxiacutegeno que hacen que pueda ser adsorbido selectivamente sobre la superficie
de las AgNPs de esta manera ralentiza la tasa de crecimiento de las AgNPs y
favorece la formacioacuten de AgNWs [120][121] El AgNO3 es el agente que
proporciona los iones Ag+ por lo que la concentracioacuten que se antildeada tambieacuten
determinaraacute la forma de crecimiento de los AgNWs [121]
55
La concentracioacuten empleada de PVP es un factor vital que afecta directamente
a la morfologiacutea de los AgNWs ademaacutes no es un factor tratado de manera
independiente puesto que generalmente va ligado con la concentracioacuten del
AgNO3 empleada Es decir se busca un ratio molar [PVPAgNO3] que
proporcione los AgNWs con las caracteriacutesticas deseadas [121] Cuanto mayor
sea la concentracioacuten de PVP (mayor ratio manteniendo la concentracioacuten de
AgNO3 constante) se obtendraacuten AgNWs maacutes largos y de menor diaacutemetro [121]
Por otro lado cuanto mayor sea la concentracioacuten del AgNO3 se formaraacuten AgNWs
maacutes cortos y gruesos lo cual es indeseable por la obtencioacuten de AgNWs de
menor aacuterea efectiva [121]
El grado de polimerizacioacuten del PVP tambieacuten afecta significativamente a la
formacioacuten de AgNWs Largas cadenas del poliacutemero proporcionan AgNWs con
una relacioacuten LongitudDiaacutemetro mayor [120]
Influencia de la Sal metaacutelica empleada
La adiccioacuten de una sal metaacutelica es importante ya que su presencia afecta en la
morfologiacutea y al rendimiento de siacutentesis de los AgNWs En este paraacutemetro
difieren la mayoriacutea de los procesos de formacioacuten de AgNWs basados en el
meacutetodo poliol puesto que las sales que se pueden emplear son varias como el
NaCl KBr y CuCl CuCl2 [121]
Las sales que proporcionan los iones cloruro presentan importancia en la
morfologiacutea y formacioacuten de AgNWs Su intereacutes se debe a que son sustancias que
se coordinan con los nuacutecleos de plata evitando que se formen agregados de
Nps Dicho suceso es importante ya que constituye el mecanismo primario para
el crecimiento de las AgNPs [120]
El meacutetodo de adiccioacuten de los reactivos
El modo de adiccioacuten de los reactivos es un factor importante ya que afecta a la
formacioacuten de los AgNWs generalmente se puede llevar a cabo de dos maneras
diferentes La primera forma consiste en antildeadir los reactivos con una bomba
peristaacuteltica cuando se alcanza la temperatura de reaccioacuten deseada de esta
manera se controla el tamantildeo de los AgNWs mediante el ajuste de la velocidad
de la bomba La segunda forma consiste en mezclar todos los reactivos a
temperatura ambiente sin esperar a que el sistema alcance la temperatura de
reaccioacuten [120] Este uacuteltimo meacutetodo es el menos utilizado debido a que se
56
pueden formar agregados de los aacutetomos de plata lo cual es indeseable para la
formacioacuten de los AgNWs [120]
Agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten
La velocidad de agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten es un factor
importante ya que afecta a la morfologiacutea de los AgNWs Para comprobar su
efecto se han llevado a cabo estudios donde se variacutea la velocidad de agitacioacuten
para obtener un valor oacuteptimo Se ha comprobado que utilizando una velocidad
de agitacioacuten demasiado alta (500-700 rpm) el producto final obtenido son
nanobarras lo cual es indeseable ya que no se obtienen AgNWs Con
velocidades de agitacioacuten inferiores se obtienen AgNWs con una relacioacuten
LongitudDiaacutemetro elevada [133]
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs
El proceso de siacutentesis de los AgNWs afecta significativamente a su forma y
tamantildeo repercutiendo estos directamente en sus propiedades Debido a la
importancia que esto genera son varias las teacutecnicas empleadas para su
caracterizacioacuten entre ellas destacan la espectroscopiacutea de rayos-X de energiacutea
dispersiva o ldquoEnergy-Dispersive X-ray Spectroscopyrdquo (EDX) difraccioacuten de rayos-
X o ldquoX-ray Diffractionrdquo (DRX) microscopiacutea electroacutenica de barrido o ldquoScanning
Electron Microscopyrdquo (SEM) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten o ldquo
transmission electron miscroscoperdquo (TEM) microscopiacutea de fuerza atoacutemica o
ldquoAtomic force spectroscopyrdquo (AFM) y la espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta
visible o ldquo UV-VIS absorption spectrometryrdquo (UV-VIS) entre otras [135] [130]
En el presente trabajo de investigacioacuten se ha llevado a cabo un estudio de las
caracteriacutesticas morfoloacutegicas dimensionales y oacutepticas de los AgNWs
sintetizados Con el empleo del AFM se obtuvo informacioacuten de las
caracteriacutesticas dimensionales de los AgNWs por otro lado se emplearon
teacutecnicas oacutepticas de espectroscopiacutea UV-VIS para obtener informacioacuten sobre el
plasmoacuten de resonancia de los AgNWs Finalmente se utilizoacute la DRX para
realizar un anaacutelisis estructural de los AgNWs
En los apartados siguientes se lleva a cabo una descripcioacuten detallada de cada
una de las teacutecnicas empleadas
25221 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
57
El microscopio de fuerza atoacutemica es un instrumento donde se combina la
mecaacutenica y la oacuteptica estaacute formado por una punta muy fina que guarda una
estrecha distancia (nanomeacutetrica) con la superficie que va a recorrer La punta
se encuentra acoplada a un cantilever un soporte de un material
(generalmente) piezoeleacutectrico de una longitud del orden de microacutemetros Este
instrumento funciona como un muelle que se flexiona en funcioacuten de las fuerzas
de interaccioacuten entre la punta y la muestra [136] [137]
La imagen de la muestra se obtiene cuando la punta recorre su superficie de
manera que se establecen fuerzas de interaccioacuten entre la punta y eacutesta [136]
Estas fuerzas provocan la flexioacuten del cantilever que recorre la muestra
realizando un escaneo en un sistema de coordenadas tridimensional (x y z)
como se trata de un material piezoeleacutectrico presenta la capacidad de alargarse
o acortarse en funcioacuten del voltaje que reciba El movimiento del cantilever es
registrado por un haz laacuteser rojo que incide sobre eacuteste de manera que sus
desviaciones son refractadas sobre el cantilever hacia un fotodetector y la
informacioacuten es interpretada por un software proporcionando una imagen de la
muestra estudiada [136] [138]
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica presenta la gran ventaja de ser capaz de
obtener informacioacuten de la muestra sin la necesidad de que intervengan
meacutetodos eleacutectricos esto hace que se puedan utilizar una gran variedad de
muestras tanto conductoras como no conductoras Por ello la naturaleza de
la muestra es diversa pudiendo ser un soacutelido polvo muestras bioloacutegicas e
incluso se pueden emplear liacutequidos [138] Ademaacutes no requiere trabajar a vaciacuteo
como otras teacutecnicas de anaacutelisis instrumental y el tratamiento previo de la
muestra es miacutenimo o ninguno lo que hace que el AFM sea un instrumento muy
empleado en el anaacutelisis de nanomateriales [138]
A continuacioacuten en la figura 12 se muestra una imagen simplificada del
funcionamiento del AFM [138]
Figura 12 Esquema de funcionamiento de un Microscopio de fuerza atoacutemica
58
El modo de operar del AFM se basa en los siguientes modos de contacto entre
el cantilever y la muestra
bull Meacutetodo de contacto
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica por contacto directo es el mecanismo de
funcionamiento maacutes simple del microscopio En este meacutetodo la punta se
encuentra en contacto constante (muy suave) con la superficie de la muestra
de manera que las fuerzas que se dan por la interaccioacuten entre la punta y la
muestra son suficientes para alargar o comprimir el cantilever En este punto
pueden actuar tres tipos de fuerzas las fuerzas de Van der Waals son las
resultantes de la interaccioacuten entre la punta y la muestra Las fuerzas de
capilaridad (en el medio todos los materiales presentan una ligera peliacutecula de
agua) y por uacuteltimo las fuerza ejercida por el propio movimiento del cantilever
sobre la muestra [136] [139]
A pesar de que se trata de un meacutetodo sencillo presenta varias desventajas
como el ruido debido al contacto interferencias en los resultados por la
aparicioacuten de fuerzas no deseadas y el desgaste o posible destruccioacuten de la
punta [136]
bull Contacto intermitente (ldquotapping moderdquo)
La principal diferencia con respecto al anterior modo de funcionamiento es que
en este meacutetodo en lugar de arrastrar la punta se ejerce un contacto
intermitente que se puede controlar con tres paraacutemetros tiacutepicos de la oscilacioacuten
de una onda frecuencia amplitud y fase de la onda [136] El cantilever se hace
oscilar a una frecuencia fija y la amplitud se mantiene variable siendo el orden
de variacioacuten de decenas de nm Cuando la punta se acerca a la superficie se
ejercen fuerzas de interaccioacuten entre ambas cambiando los paraacutemetros de
oscilacioacuten del cantilever [136] La amplitud (relativamente amplia) que se le da
al sensor permite llevar a cabo este mecanismo de contacto intermitente por
este motivo recibe el nombre de AM-AFM (modulacioacuten de amplitud) [136]
Con este meacutetodo se reducen los efectos de friccioacuten en la punta se obtienen
medidas muy estables y ademaacutes permite obtener imaacutegenes de alta resolucioacuten
con una exactitud nanomeacutetrica [136] Por estas razones este modo de operar
constituye el meacutetodo maacutes utilizado y sobre el que se han implantado
59
importantes innovaciones tecnoloacutegicas En este contexto se ha incorporado al
microscopio un segundo laacuteser denominado ldquoblue driverdquo cuya actuacioacuten se
complementa con el laacuteser rojo inicial En este caso el movimiento del soporte
en el que se encuentra el cantilever no se debe a fenoacutemenos piezoeleacutectricos
sino que se produce por un calentamiento del cantilever a este fenoacutemeno se
le denomina excitacioacuten fototeacutermica El calentamiento provoca el movimiento
mecaacutenico del cantilever cuya frecuencia y amplitud de oscilacioacuten pueden ser
regulados con la potencia del laacuteser [140]
El blue drive proporciona imaacutegenes mucho maacutes raacutepidas precisas estables y
de mayor resolucioacuten de todo tipos de muestras tanto en medios soacutelidos como
en liacutequidos estas extraordinarias caracteriacutesticas le convierten en un
instrumento predilecto en el campo de la nanotecnologiacutea [140]
En el presente trabajo de investigacioacuten se contoacute con un AFM de estas
caracteriacutesticas gracias al cual se pudo llevar a cabo un estudio de la
morfologiacutea de los AgNWs
bull Meacutetodo de no contacto
En el meacutetodo de no contacto la punta no se arrastra sobre la muestra en
cambio se hace vibrar al cantilever en su frecuencia de resonancia fijaacutendole
una amplitud entre 1Aring hasta nanoacutemetros respecto de la muestra por ello
tambieacuten se denomina FM-AFM (modulacioacuten de frecuencia) [136] La distancia
nanomeacutetrica que mantiene separados la punta y la muestra es suficiente como
para que se establezcan fuerzas de repulsioacuten [136]
Otra de las ventajas que presenta la microscopiacutea de fuerza atoacutemica en el
anaacutelisis de materiales es que ademaacutes de obtener imaacutegenes proporciona
informacioacuten acerca de las caracteriacutesticas de fuerza de la muestra Las medidas
de fuerza se obtienen cuando la punta con la que se rastrea la muestra se
mantiene fija (meacutetodo de contacto) de manera que se puede extraer
informacioacuten uacutetil de las propiedades mecaacutenicas del material [141]
La informacioacuten se consigue mediante la representacioacuten graacutefica de la fuerza en
funcioacuten de la distancia a la muestra donde se tienen en cuenta las fuerzas de
repulsioacuten las cuales son debidas a una distancia muy proacutexima ente la punta y
la muestra y las fuerzas de atraccioacuten que tiene lugar cuando la punta se aleja
de la muestra [141] El resultado final es una graacutefica en forma de curva a partir
de la cual se obtiene informacioacuten de la dureza de un material [141]
60
25222 Teacutecnicas espectroscoacutepicas UV-VIS y DRX
La espectroscopiacutea es una teacutecnica de anaacutelisis instrumental que mide la
interaccioacuten de la materia con la radiacioacuten electromagneacutetica [142]
La radiacioacuten electromagneacutetica se puede explicar mediante dos teoriacuteas la teoriacutea
ondulatoria que establece que la luz se transmite describiendo ondas en el
espacio y la teoriacutea corpuscular la cual explica que la luz estaacute formada por
fotones La energiacutea de la radiacioacuten viene dada por la ecuacioacuten de Planck [143]
119864 = ℎ ∙ 119907 = ℎ ∙ 119888 ∙ 1120582
(5)
Ecuacioacuten 5 Ley de Planck
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull h es la constante de Planck (kg m2s)
bull v es la frecuencia (m-1)
bull 120582 es longitud de onda (m)
bull 119888 es la velocidad de la luz (ms)
La radiacioacuten comprende un espectro de diferentes longitudes de onda desde
frecuencias altas (ondas de radio) hasta frecuencias muy bajas (rayos gamma)
Cuando esta energiacutea incide sobre la materia la radiacioacuten sufre diferentes
procesos absorcioacuten transmisioacuten reflexioacuten refraccioacuten y dispersioacuten [144]
Existen diferentes teacutecnicas en funcioacuten de los procesos que sufre la luz como
son la espectroscopiacutea de absorcioacuten (radiacioacuten absorbida por la muestra) la
espectroscopiacutea de emisioacuten (radiacioacuten que emite una muestra al ser excitada) o
los meacutetodos de fluorescencia (radiacioacuten que emite la muestra cuando ha sido
excitada por radiacioacuten electromagneacutetica) [145]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten se basa en las leyes de la transmitancia y
absorbancia La transmitancia (T) es un paraacutemetro fiacutesico que indica la parte de
la energiacutea que ha sido transmitida y que es detectada por el detector una vez
61
la radiacioacuten haya atravesado la disolucioacuten La absorbancia (A) indica la
cantidad de luz absorbida por la muestra [146]
La transmitancia de una sustancia se obtiene a partir de la Ley de la
transmitancia expresada como [146]
119879 = 119868119879 119868119874
( 6)
Ecuacioacuten 6 Ley de la Transmitancia
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull IT es la cantidad de energiacutea transmitida al receptor una vez ha
atravesado la muestra
bull I0 es la cantidad de energiacutea que incide sobre la muestra
La absorbancia (A) de una sustancia se calcula a traveacutes de la transmitancia
mediante la siguiente expresioacuten [146]
119860 = 119897119900119892 (1
119879)
(7)
Ecuacioacuten 7 Caacutelculo de la absorbancia
-Espectroscopiacutea Ultravioleta-Visible (UV-VIS)
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS es una de las teacutecnicas de anaacutelisis maacutes
empleadas debido a que sus mediciones espectroscoacutepicas son muy sensibles
y no destructivas ademaacutes requiere de pequentildeas cantidades de muestra para
llevar a cabo un anaacutelisis quiacutemico [142]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS se basa en la absorcioacuten de la radiacioacuten
ultravioleta visible cuando un haz de luz atraviesa la solucioacuten en la que se
encuentra el analito La regioacuten espectral de la radiacioacuten ultravioleta visible
comprende una pequentildea regioacuten de todo el espectro electromagneacutetico donde
la luz visible alcanza las longitudes de onda entre 400 nm y 780 nm y el
ultravioleta la regioacuten entre 195 nm - 400 nm [143] [144]
62
Figura 13 Espectro electromagneacutetico correspondiente a las longitudes de onda de la regioacuten UV-VIS
La regioacuten visible es aquella parte de la radiacioacuten electromagneacutetica que puede
ser percibida por el ojo humano y gracias a ella se puede apreciar el color que
presenta una disolucioacuten [146] [147]
La regioacuten ultravioleta es una regioacuten de energiacutea muy alta y se corresponde con
una parte del espectro muy importante en el estudio y cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos Debido a que los compuestos quiacutemicos con enlaces
dobles triples enlaces peptiacutedicos compuestos aromaacuteticos y heteroaacutetomos
(aacutetomos que no son ni carbono ni hidroacutegeno) presentan sus maacuteximos de
absorbancia en dicha regioacuten [147]
El espectro de la regioacuten ultravioleta comprende las siguientes regiones
ultravioleta cercano o UV-A (es la regioacuten maacutes proacutexima a la regioacuten del espectro
visible su energiacutea de radiacioacuten fluctuacutea entre 315 nm y 400 nm) UV lejano o
UV-B (presenta un rango de radiacioacuten entre 280 nm y 315 nm) UV extremo o
UV-C (presenta un rango de radiacioacuten entre 100 nm y 280 nm) y finalmente el
UV de vaciacuteo ( es la regioacuten del espectro UV que presenta un intervalo de longitud
de onda menor comprendido entre 200 nm y 10 119899119898) [148]
El meacutetodo de absorcioacuten UV-VIS se basa en la incidencia de la radiacioacuten
electromagneacutetica con una determinada longitud de onda sobre la muestra
parte de la energiacutea es absorbida lo que provoca transiciones electroacutenicas entre
diferentes niveles energeacuteticos Debido a ello el aacutetomo que absorbe la radiacioacuten
pasa de su estado fundamental a un estado excitado de mayor energiacutea y
transcurrido un tiempo retorna a su estado energeacutetico basal (estado de menor
energiacutea) emitiendo radiacioacuten [144]
En la figura 14 se muestran las transiciones electroacutenicas que tienen lugar en la
regioacuten del espectro UV-VIS Estas transiciones se producen desde la banda de
valencia donde se encuentran los electrones hasta una nivel de energiacutea
superior [149]
63
Figura 14 Orbital molecular de la banda de valencia y transiciones electroacutenicas
Las transiciones electroacutenicas que pueden tener lugar son
bull σ rarr σ la transicioacuten del orbital sigma al orbital sigma antienlazante la
presentan la gran mayoriacutea de compuestos orgaacutenicos e implica una gran
cantidad de energiacutea e intensidad Estas transiciones se producen en la
regioacuten del UV de vaciacuteo y la regioacuten del UV lejano [149]
bull n rarrσ la transicioacuten electroacutenica del orbital molecular n al orbital σ se
da en compuestos que tienen heteroaacutetomos (los maacutes comunes son O
N S y haloacutegenos) a una longitud de onda de 200 nm Los compuestos
con azufre y yodo dan maacuteximos de absorbancia en la regioacuten UV-cercano
[149]
bull 120645 rarr 120645 lowast estos orbitales moleculares se encuentran en moleacuteculas que
presentan enlaces muacuteltiples como alquenos alquinos o compuestos
aromaacuteticos La transicioacuten electroacutenica del orbital 120645 al orbital 120645 lowast se puede
apreciar en la regioacuten del UV-lejano Tambieacuten hay compuestos que
pueden dar bandas de absorcioacuten en el UV-cercano si el compuesto
orgaacutenico presenta una insaturacioacuten conjugada (compuestos como el
fenol o furano) [149]
bull 119951 rarr 120645 lowast las transiciones electroacutenicas del orbital n al orbital 120645 lowast tienen
lugar en compuestos insaturados con heteroaacutetomos y se producen en
sustancias que dan bandas de absorcioacuten en la regioacuten del UV cercano
[149]
64
Cuando se lleva a cabo el anaacutelisis de la muestra por espectroscopiacutea de
absorcioacuten UV-VIS hay que tener en cuenta el tipo de celda en la que se introduce
la muestra Generalmente se utilizan cubetas de base cuadrada siendo dos de
sus paredes transparentes a la radiacioacuten en el rango de longitudes de onda en
el que se trabaje (ya que la luz atravesaraacute estas paredes) por ello el material
empleado en espectroscopiacutea UV suele ser el cuarzo [150]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS generalmente se lleva a cabo con la
especie quiacutemica disuelta en un disolvente Calculando la cantidad de energiacutea
absorbida o transmitida por la muestra se puede obtener la concentracioacuten de
analito presente en la solucioacuten a traveacutes de la ley de Lambert-Beer (ecuacioacuten 8)
Dicha ley relaciona la cantidad de energiacutea que ha sido absorbida con la
concentracioacuten de analito que hay en la muestra [146]
119860 = 휀 ∙ 119888 ∙ 119897
(8)
Ecuacioacuten 8 Ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [145]
bull A es la absorbancia y es un paraacutemetro adimensional
bull 휀 es el coeficiente de extincioacuten molar o absortividad Es caracteriacutestico
de cada sustancia y se corresponde con la cantidad de energiacutea que
absorbe una sustancia a una longitud de onda determinada por unidad
de concentracioacuten (119872minus1 ∙ 119888119898minus1)
bull 119888 es la concentracioacuten molar del analito en la muestra (M)
bull l es el camino oacuteptico anchura de la ceacutelula que contiene a la disolucioacuten
(cm)
A traveacutes de la ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer se deduce que la absorbancia
depende del nuacutemero de moleacuteculas que hay en la muestra por lo que cuanto
mayor es su concentracioacuten mayor es la interaccioacuten de la luz con eacutestas Del
camino oacuteptico cuanto mayor es la distancia que recorre la luz a traveacutes de la
muestra mayor es la interaccioacuten con eacutesta De la naturaleza quiacutemica de la
muestra y finalmente tambieacuten depende de la intensidad y de la longitud de
onda de la radiacioacuten electromagneacutetica que incida sobre la muestra [143]
[146]
65
La ley de Lambert-Beer se cumple uacutenicamente para disoluciones diluidas a
concentraciones elevadas la disolucioacuten deja de comportarse de manera ideal
Esto supone que el coeficiente de extincioacuten molar (ε) variacutee con la concentracioacuten
debido a fenoacutemenos asociados con la dispersioacuten de la luz agregaciones de
sustancia etc En consecuencia la relacioacuten entre la absorbancia y la
concentracioacuten deja de tener un comportamiento lineal tal y como se muestra
en la figura 15 [146] [151]
Figura 15 A Recta de la ecuacioacuten de la Ley de Lambert-Beer y B representacioacuten de las desviaciones de la ley de Lambert- Bee
La espectroscopiacutea UV-VIS ha sido muy utilizada en el anaacutelisis cualitativo y
cuantitativo por su sencillez y utilidad En el anaacutelisis cualitativo se usa para la
determinacioacuten y caracterizacioacuten de biomoleacuteculas ya que la longitud de onda a
la que una sustancia puede absorber es una propiedad caracteriacutestica de cada
grupo funcional En el anaacutelisis cuantitativo se usa en la cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos e inorgaacutenicos ya que proporciona una alta sensibilidad
y buena precisioacuten [152]
En el campo de la nanotecnologiacutea dicha teacutecnica constituye una herramienta
muy valiosa para identificar caracterizar y estudiar nanomateriales debido a
que las nanopartiacuteculas o nanohilos de ciertos metales presentan propiedades
oacutepticas sensibles a su tamantildeo y forma [153] Cuando un haz de luz incide sobre
ellos interactuacutean con la radiacioacuten emitiendo a una determinada longitud de
onda dando lugar a fenoacutemenos oacutepticos de intereacutes [153] Por ejemplo las
resonancias de plasmoacuten superficial son fenoacutemenos dependientes de la
geometriacutea de los nanomateriales y se producen en respuesta a una excitacioacuten
electromagneacutetica que incide sobre ellos [154]
Los AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso en la regioacuten UV-
VIS y debido a la repercusioacuten que tienen sus caracteriacutesticas morfoloacutegicas en
sus propiedades se han realizado estudios donde se ha comprobado que en
66
funcioacuten de la morfologiacutea de los AgNWs el plasmoacuten de resonancia variacutea [154]
Se ha demostrado que en AgNWs con una seccioacuten pentagonal se obtiene un
plasmoacuten de resonancia formado por dos bandas de absorcioacuten bien
diferenciadas en longitudes de onda proacuteximas a 361 nm (maacutes intenso) y 345
nm (menos intenso) En cambio en AgNWs con una seccioacuten circular el espectro
tiene una sola banda de absorcioacuten Finalmente en el anaacutelisis del espectro de
los AgNWs con una seccioacuten triangular se obtienen 3 bandas de absorcioacuten [154]
Por consiguiente el plasmoacuten de resonancia obtenido a partir de espectroscopiacutea
UV-VIS resulta de gran intereacutes en el estudio de ciertos nanomateriales como
los AgNWs ya que se puede relacionar con las caracteriacutesticas morfoloacutegicas de
los mismos
-Difraccioacuten de rayos-X (DRX)
La difraccioacuten de rayos-X es una de las teacutecnicas de anaacutelisis instrumental maacutes
empleadas para la caracterizacioacuten de materiales pues aporta informacioacuten
sobre sus caracteriacutesticas estructurales (estructura orientacioacuten de los cristales
grado de cristalinidad defectos en la estructura cristalina etc) y de su
composicioacuten quiacutemica Su mayor importancia en la nanotecnologiacutea radica en
que permite caracterizar de manera no destructiva los nanomateriales a
traveacutes de un estudio de la cristalinidad de su estructura [155] [156]
La teacutecnica DRX consiste en la emisioacuten de una radiacioacuten electromagneacutetica
filtrada de esta manera se consigue un haz de luz monocromaacutetico dirigido
hacia la muestra Los picos del espectro obtenidos son consecuencia de la
interaccioacuten producida entre los rayos-X que inciden y la muestra lo que da lugar
a la refraccioacuten de un haz de luz que uacutenicamente tiene lugar cuando se cumple
la ley de Bragg [155] [156]
La ley de Bragg (ecuacioacuten 9) relaciona la longitud de onda de los rayos-X con el
aacutengulo del haz refractado y el espacio interplanar de la muestra [155]
119899 ∙ 120582 = 2 ∙ 119889 ∙ 119904119890119899(120579)
(9)
Ecuacioacuten 9 Ley de Bragg
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [155]
67
bull n es un nuacutemero entero
bull 120582 es la longitud de onda de los rayos-X que inciden sobre la muestra
bull 119889 es el espacio comprendido entre las filas de aacutetomos
bull 120579 es el aacutengulo que los rayos-X forman con el plano de las filas de aacutetomos
El espectro de difraccioacuten que se obtiene es caracteriacutestico de cada compuesto
lo que permite el anaacutelisis cualitativo de sustancias quiacutemicas En este proceso
se compara el patroacuten obtenido del espectro con patrones conocidos de esta
manera se puede lograr la determinacioacuten estructural de muestras cuya
composicioacuten es desconocida [155] Por esta razoacuten la teacutecnica DRX es de gran
utilidad en el campo de la nanotecnologiacutea ya que puede ser empleada para
caracterizar la estructura de nanomateriales mediante su excitacioacuten por rayos-
X
Los AgNWs presentan un patroacuten de difraccioacuten de rayos-X muy caracteriacutestico que
es utilizado para estudiar su estructura y cristalinidad ya que a traveacutes de eacutel se
obtiene informacioacuten de la orientacioacuten cristalograacutefica de los cristales que
componen dichos nanomateriales Generalmente los AgNWs presentan
espectros de difraccioacuten en los planos cristalograacuteficos [111] [200] [220] [311]
y [222] donde la intensidad de cada uno de ellos dependeraacute de la orientacioacuten
de los cristales que los compongan [157]
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas
La electroquiacutemica es la rama de la quiacutemica y la fiacutesica que estudia la relacioacuten
entre las caracteriacutesticas eleacutectricas y los cambios quiacutemicos que se producen en
una solucioacuten Esta teacutecnica es empleada en una gran variedad de campos
dentro de los cuales destacan el diagnoacutestico cliacutenico el anaacutelisis ambiental y el
control de calidad en la industria alimentaria [158] Actualmente y por su
implicacioacuten en el presente trabajo cabe destacar la vinculacioacuten que se ha
establecido entre el campo de la electroquiacutemica y la nanotecnologiacutea estaacute
combinacioacuten ha contribuido al desarrollo de nuevos sensores electroquiacutemicos
como son los MIPs con propiedades conductoras [159]
Un proceso electroquiacutemico implica un intercambio de electrones entre el
electrodo y la especie que se encuentra en la solucioacuten consecuencia de los
procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda electroquiacutemica
68
(en una reaccioacuten de oxidacioacuten la especie pierde electrones mientras que en un
proceso de reduccioacuten gana electrones)
La celda electroquiacutemica se puede clasificar en dos tipos de celda en funcioacuten de
coacutemo tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten Si se produce una
reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea que genera un flujo de corriente eleacutectrica se
denomina celda galvaacutenica Por el contrario si se emplea una fuente externa
(por ejemplo un potenciostato) que proporciona electricidad para provocar la
reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten de una especie se denomina celda
electroliacutetica En ambas celdas la oxidacioacuten tiene lugar en el aacutenodo y la
reduccioacuten tiene lugar en el caacutetodo por lo que la reaccioacuten de oxidacioacuten-
reduccioacuten da lugar a una diferencia de potencial entre el sistema de electrodos
que puede ser medida obtenieacutendose asiacute informacioacuten uacutetil sobre los procesos
electroquiacutemicos [100] [160]
La ecuacioacuten de Nernst (ecuacioacuten 10) es la ecuacioacuten por excelencia para
estudiar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda
electroquiacutemica Relaciona el potencial (tambieacuten llamado fuerza electromotriz)
producido en la celda con el potencial normal tabulado y la actividad de las
especies quiacutemicas en la solucioacuten [100]
119864 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865∙ 119871119899 119896
(10)
Ecuacioacuten 10 Ecuacioacuten de Nerst
Donde los teacuterminos de la ecuacioacuten son [100]
bull E es el potencial que tiene lugar en la celda electroquiacutemica y es el
resultado de la suma de los potenciales entre el caacutetodo por la reaccioacuten
de reduccioacuten y el aacutenodo por la reaccioacuten de oxidacioacuten de las especies
quiacutemicas que participan en la actividad redox
119864 = 119864119888aacute119905119900119889119900 + 119864aacute119899119900119889119900
(11)
Ecuacioacuten 11 Ecuacioacuten del potencial resultante de una celda electroquiacutemica
bull E0 potencial estaacutendar de una reaccioacuten quiacutemica
bull R constante universal de los gases ideales (831 Jmol ordm K)
69
bull T temperatura (ordmK)
bull n moles de electrones que se transfieren en el proceso de oxidacioacuten-
reduccioacuten
bull F constante de Faraday (96500 Cmol de electrones)
bull K constante de equilibrio termodinaacutemica Se define como el cociente
de los productos de las sustancias que participan en la actividad de
oxidacioacuten-reduccioacuten elevados a sus coeficientes estequiomeacutetricos
Para una reaccioacuten quiacutemica geneacuterica
119886119860 + 119887119861 + harr 119888119862 + 119889119863+
(12)
Ecuacioacuten 12 Reaccioacuten quiacutemica general de un proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten
La constante K se calcula como
119870 = [119862]119888 ∙ [119863]119889
[119860]119886 ∙ [119861]119887
(13)
Ecuacioacuten 13 Ecuacioacuten de la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde los paraacutemetros de la reaccioacuten [A] [B] [C] y [D] son las
concentraciones molares de los reactivos y productos que intervienen
en el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten Los paraacutemetros a y b son los
coeficientes estequiomeacutetricos de los reactivos [A] y [B] respectivamente
c y d son los coeficientes estequiomeacutetricos de los productos [C] y [D]
respectivamente
El potencial de la celda se puede relacionar con la energiacutea libre de Gibbs
mediante la siguiente expresioacuten [100]
∆119866 = minus 119882 = minus119899 ∙ 119865 ∙ 119864
(14)
Ecuacioacuten 14 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs
70
La energiacutea libre de Gibbs (∆119866) indica la espontaneidad del proceso de
oxidacioacuten-reduccioacuten y se define como la maacutexima cantidad de trabajo (W) que
puede extraerse de un sistema Un proceso electroquiacutemico seraacute reversible si
∆119866 lt 0 por el contrario un proceso electroquiacutemico seraacute irreversible si ∆119866 gt 0
[100]
Ademaacutes la constante K se relaciona con el cambio de la energiacutea libre de Gibbs
mediante la expresioacuten de la ecuacioacuten 15
∆119866 = ∆1198660 + 119877 ∙ 119879 ∙ 119897119899 119870
(15)
Ecuacioacuten 15 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs relacionada con la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde ∆119866ordm se corresponde con el incremento de la energiacutea libre de
Gibbs medida en condiciones normales
Las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que se producen como consecuencia de
aplicar un potencial eleacutectrico o una corriente a traveacutes de un potenciostato en
una celda electroliacutetica tienen lugar entre un sistema de electrodos que puede
presentar diferentes configuraciones
Las celdas electroliacuteticas que presentan un sistema de dos electrodos (electrodo
de referencia y electrodo de trabajo) pueden medir la diferencia de potencial
existente entre ambos Sin embargo las celdas electroliacuteticas maacutes empleadas
utilizan una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de referencia electrodo
de trabajo y electrodo auxiliar) ya que por medio de esta configuracioacuten se puede
controlar la peacuterdida de carga que sufre el sistema El dispositivo que mide la
diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia
presenta una elevada impedancia por lo que la corriente que circula entre ellos
es muy baja [161] [162]
Los electrodos se encuentran sumergidos en la solucioacuten de la celda
electroliacutetica para que tenga lugar una circulacioacuten de corriente eleacutectrica desde
el electrodo de trabajo al electrodo auxiliar deben estar conectados por un hilo
conductor (por ejemplo un metal) a un potenciostato (figura 16) [162]
71
Figura 16 Esquema de una celda electroliacutetica conectada a un potenciostato que presenta un sistema de tres electrodos electrodo auxiliar electrodo de referencia y electrodo de trabajo
En la figura 16 se puede distinguir el electrodo de trabajo un contraelectrodo
y el electrodo de referencia cuyas funciones son
bull Electro de trabajo Electrodo donde se impone un potencial fijo o
variable que sirve para caracterizar las reacciones electroquiacutemicas Si
se impone un potencial positivo tendraacute lugar una reaccioacuten de oxidacioacuten
sobre el electrodo de trabajo si se impone un potencial negativo tendraacute
lugar una reaccioacuten de reduccioacuten sobre eacuteste [163]
bull Electrodo auxiliar o contraelectrodo Con este electrodo se cierra el
circuito ya que permite circular la corriente eleacutectrica a su traveacutes (de esta
manera la corriente no pasa por el electrodo de referencia) Este
electrodo puede ser de varios materiales (ej oro carbono etc) pero el
maacutes comuacuten es una placa de platino ya que es un material resistente a
la corrosioacuten y no afecta negativamente a los procesos que tienen lugar
en el electrodo de trabajo [164]
bull Electrodo de referencia Este electrodo debe tener un potencial
constante y conocido ya que se utiliza como potencial de referencia
para obtener los valores de los potenciales individuales Por esta razoacuten
el material empleado en su construccioacuten debe tener un potencial
estable ante las condiciones de anaacutelisis
A lo largo de los antildeos se han empleado una gran variedad de electrodos
de referencia siendo el electrodo de referencia universal el electrodo de
hidroacutegeno Sin embargo eacuteste no se utiliza por su difiacutecil preparacioacuten y la
72
necesidad de introducir hidroacutegeno [164] [165] En su lugar
actualmente se utiliza el electrodo de calomelanos saturado (SCE) y el
electrodo de plata (Ag) cloruro de plata (AgCl)
El electrodo SCE consiste en un tubo lleno de mercurio (Hg) en cuyo
interior hay un alambre de platino conectado a la salida del mismo y una
solucioacuten saturada de cloruro de mercurio (I) o calomelano Esta solucioacuten
estaacute en contacto con una solucioacuten de cloruro de potasio (KCl) que se
encuentra en el tubo exterior el final de este tubo presenta una
membrana porosa que permite el paso de iones a su traveacutes cerrando el
circuito eleacutectrico [166] La reaccioacuten quiacutemica que tiene lugar en este
electrodo es [166]
11986711989221198621198972(119904oacute119897119894119889119900) + 2119890minus harr 11986711989222+(119897iacute119902119906119894119889119900) + 2119862119897
minus
(16)
Ecuacioacuten 16 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo SCE
El electrodo Ag AgCl es el maacutes utilizado debido a su eficacia y facilidad
de siacutentesis Consta de un alambre de plata en contacto con una
disolucioacuten electroliacutetica de KCl que estaacute saturada con AgCl el final del
electrodo acaba con un diafragma de un material poroso que permite el
paso de iones a traveacutes de eacutel [164] [165] La reaccioacuten quiacutemica que tiene
lugar se muestra a continuacioacuten [167]
119860119892119862119897(119904oacute119897119894119889119900) + 119890minus harr 119860119892(119904oacute119897119894119889119900) + 119862119897minus
(17)
Ecuacioacuten 17 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo AgAgCl
Fundamentadas en los procesos electroquiacutemicos surgen las teacutecnicas
electroanaliacuteticas un conjunto de teacutecnicas utilizadas para el anaacutelisis tanto
cualitativo como cuantitativo de un analito a traveacutes de la medicioacuten de sus
caracteriacutesticas eleacutectricas y electroquiacutemicas como la corriente y el potencial
[158] Estas teacutecnicas destacan por su sensibilidad precisioacuten y selectividad
[100]
Las teacutecnicas electroanaliacuteticas se clasifican en funcioacuten de la respuesta eleacutectrica
que se genera al aplicar una perturbacioacuten eleacutectrica al sistema La perturbacioacuten
puede ser por la imposicioacuten de un potencial o una corriente eleacutectrica en funcioacuten
de ello la informacioacuten obtenida seraacute diferente [100] [168]
73
Entre las teacutecnicas electroanaliacuteticas maacutes empleadas se encuentran la
potenciometriacutea (obtiene informacioacuten del sistema mediante la medida del
potencial de la celda electroquiacutemica relacionando la actividad electroquiacutemica
con el potencial mediante la aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Nernst) [169]
conductimetriacutea (se basa en medir la conductividad de la disolucioacuten que es
funcioacuten de la concentracioacuten ioacutenica por lo que la produccioacuten de corriente
eleacutectrica depende de la circulacioacuten de iones) [169] electrogravimetriacutea (se basa
en el caacutelculo de la cantidad de analito que se ha transformado en producto
como consecuencia de una reaccioacuten quiacutemica) [169] culombimetriacutea (se basa
en determinar la cantidad de corriente que es necesaria aplicar a la celda para
que todo el analito se transforme en producto) [169] voltametriacutea (se basa en
relacionar el potencial aplicado en el electrodo de trabajo con la corriente
eleacutectrica generada mediante un voltamograma) [169]
En el siguiente apartado se describen en profundidad las teacutecnicas empleadas
en el desarrollo de este trabajo
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos
La voltametriacutea se basa en la obtencioacuten de informacioacuten del analito por medio de
la medida de la intensidad de corriente que fluye a traveacutes de la celda
electroliacutetica al aplicar un potencial eleacutectrico (sobre el electrodo de trabajo) que
variacutea con el tiempo El potencial eleacutectrico aplicado debe ser el suficiente para
que tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del compuesto quiacutemico
estudiado [170]
Existen una gran variedad de teacutecnicas de voltametriacutea en funcioacuten del tipo de
sentildeal aplicada sobre el electrodo de trabajo El barrido lineal consiste en llevar
a cabo un barrido de potencial de corriente continua esta sentildeal aumenta
linealmente con el tiempo Las sentildeales de excitacioacuten de impulsos consisten en
aplicar impulsos de manera que se mide la intensidad de corriente en los
diferentes lapsos de tiempo en que dure el impulso La onda de forma
triangular consiste en aplicar una diferencia de potencial sobre el electrodo de
trabajo En primer lugar el potencial aumenta linealmente con el tiempo hasta
que se alcanza un punto maacuteximo en este momento el valor del potencial
disminuye con la misma pendiente hasta alcanzar un miacutenimo (la amplitud de
la onda no se mantiene constante sino que forma un aacutengulo) Finalmente la
sentildeal de excitacioacuten de onda cuadrada consiste en aplicar un impulso al
comenzar un escaloacuten y durante la mitad de tiempo de su duracioacuten la amplitud
de cada escaloacuten se mantiene constante [170]
74
A continuacioacuten se explica la voltametriacutea ciacuteclica ya que es el meacutetodo utilizado
en el presente trabajo de investigacioacuten
2611 Voltametriacutea ciacuteclica
La voltametriacutea ciacuteclica es una de las teacutecnicas electroquiacutemicas maacutes utilizadas ya
que permite llevar a cabo un anaacutelisis de las muestras en un amplio rango de
potenciales en el que el analito debe ser electroactivo [171] Dicha teacutecnica
proporciona informacioacuten tanto cualitativa como cuantitativa sobre las
reacciones electroquiacutemicas actividad cataliacutetica de las especies quiacutemicas
reversibilidad del proceso etc [172]
La voltametriacutea ciacuteclica se lleva a cabo en una celda electroliacutetica generalmente
con una configuracioacuten de tres electrodos Durante el anaacutelisis se mide el
potencial del electrodo de trabajo respecto del potencial del electrodo de
referencia que se mantiene constante [173] [174] El proceso de medida del
potencial comienza aplicando una diferencia de potencial a un electrodo de
trabajo Primero se aplica un potencial inicial (Eo) que aumenta de forma lineal
hasta alcanzar un valor de potencial (E1) en este potencial se produce una
inversioacuten del sentido de barrido completando asiacute el ciclo [173] [174] La sentildeal
de excitacioacuten adquiere una forma triangular tal y como se observa en la figura
17
Figura 17 Voltametriacutea Ciacuteclica Sentildeal de excitacioacuten triangular
Al mismo tiempo que se aplica el potencial se produce la circulacioacuten de la
corriente eleacutectrica del electrodo de trabajo al electrodo auxiliar La variacioacuten de
75
la intensidad de corriente con el potencial se puede estudiar a traveacutes de la
representacioacuten de un voltamograma [174]
El voltamograma (figura 18) se obtiene de aplicar un barrido de potencial al
electrodo de trabajo en dos direcciones Generalmente se comienza en el
sentido anoacutedico es decir aplicando un potencial (Eλ1) se produce la reaccioacuten
de oxidacioacuten del analito En consecuencia la corriente generada (ipa) aumenta
hasta alcanzar un punto maacuteximo (Epa) a partir del cual la intensidad disminuye
debido al consumo del analito en la superficie del electrodo El barrido de
potencial en sentido inverso se basa en el mismo fundamento pero en este
caso se produce la reaccioacuten de reduccioacuten del analito [175]
Figura 18 Voltamograma ciacuteclico Intensidad frente a potencial del analito de intereacutes
En la figura 18 ipc es la intensidad de corriente catoacutedica Eλ2 es el valor de
potencial de corte anoacutedico donde el sentido del barrido de potencial se invierte
y Epc es el corte de pico catoacutedico a partir del cual la intensidad disminuye
Los paraacutemetros de un voltamperograma dan informacioacuten acerca del grado de
reversibilidad del proceso de la reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten Para que
tenga lugar un proceso reversible las concentraciones de las especies en el
seno de la disolucioacuten se tienen que mantener constantes [173]
En voltametriacutea afectan en gran medida los procesos de difusioacuten y de
transferencia electroacutenica de las especies electroactivas de la solucioacuten hasta la
superficie del electrodo En un proceso reversible se considera que la etapa
predominante del proceso electroquiacutemico (proceso maacutes lento) es la difusioacuten del
analito hasta la superficie del electrodo [100]
76
En el caso de un proceso reversible el potencial de pico anoacutedico y catoacutedico
dependen de igual forma del potencial formal y se calculan con la ecuacioacuten 19
y 18 respectivamente [176]
119864119901119888 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(18)
Ecuacioacuten 18 Caacutelculo del potencial de pico catoacutedico para un proceso reversible
119864119901119886 = 1198640 + 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(19)
Ecuacioacuten 19 Caacutelculo del potencial de pico anoacutedico para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de ambas ecuaciones son
bull 1198640 es el potencial formal (V)
bull 119864119901119888 es el potencial de pico catoacutedico (V)
bull 119864119901119886 es el potencial de pico anoacutedico (V)
bull 119877 119879 119899 119865 son paraacutemetros que se han descrito en la ecuacioacuten de Nerst
bull 119863119877 y 119863119874 son los coeficientes de difusioacuten correspondientes a la especie
reducida y a la especie oxidada respectivamente (cm2s)
En un proceso reversible el potencial formal se calcula a partir de los
potenciales de pico anoacutedico y catoacutedico con la ecuacioacuten 20 [177]
1198640 = 119864119901119888 + 119864119901119886
2
(20)
Ecuacioacuten 20 Caacutelculo del potencial de media onda para un proceso reversible
77
La corriente de pico se calcula a partir de la ecuacioacuten de Randles-SevciK Esta
ecuacioacuten relaciona la corriente de pico con la concentracioacuten del analito y la
velocidad de barrido A 25ordmC la corriente de pico se calcula con la ecuacioacuten 21
[173]
119894119901 = 269 ∙ 105 ∙ 11989932 ∙ 119860 ∙ 11986312 ∙ 119862lowast ∙ 11990712
(21)
Ecuacioacuten 21 Ley de Randles Seycik para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull ip es la corriente de pico (A)
bull n es el nuacutemero de electrones intercambiados
bull A es el aacuterea del electrodo (cm2)
bull D es el coeficiente de difusioacuten (cm2s)
bull C concentracioacuten en el seno de la disolucioacuten del analito (molcm3)
bull v es la velocidad de barrido (Vs)
La corriente de pico catoacutedico (119894119901119888) y anoacutedico (119894119901119886) coinciden por lo que su
relacioacuten es igual a la unidad
(119894119901119888
119894119901119886) = 1
(22)
Ecuacioacuten 22 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso reversible
A traveacutes de las ecuaciones se concluye que la corriente de pico es proporcional
a la velocidad de barrido mientras que el potencial de pico es independiente
de la velocidad de barrido con la que se realice la voltametriacutea ciacuteclica
Realmente es difiacutecil que el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten sea completamente
reversible por lo que a continuacioacuten se describiraacute un proceso irreversible
78
En un proceso totalmente irreversible la velocidad de transporte electroacutenica
presenta un valor muy bajo debido a ello la etapa limitante de la reaccioacuten es
la transferencia electroacutenica (en lugar de la difusioacuten) La ecuacioacuten de Randles-
Seycik para un proceso irreversible se corresponde con la ecuacioacuten 23 donde
la intensidad de pico a 25ordmC se calcula con la siguiente ecuacioacuten [178]
119894119901 = (299105) 119899 120572
12 119863
12 119907
12 119860 119862lowast
(23)
Ecuacioacuten 23 Ley de Randles-Sevcik para un proceso totalmente irreversible
119894119901119888 ne 119894119901119886 ne 1
(24)
Ecuacioacuten 24 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso irreversible
Donde la uacutenica variable nueva es 120572 que representa el coeficiente de
transferencia electroacutenica
El potencial de pico se puede relacionar con el potencial formal a partir de la
ecuacioacuten 25
119864119875 = 1198640 minus (119877119879
120572119899119865) [0780 + 119897119899 (
11986312
1198960) + 119897119899 (
120572119865 ∙ 119907
119877 ∙ 119879)12 ]
(25)
Ecuacioacuten 25 Potencial para un proceso totalmente irreversible
Donde k0 es la conste estaacutendar cineacutetica de la reaccioacuten electroquiacutemica
Con las ecuaciones que describen un proceso irreversible se puede concluir
que la velocidad de barrido siacute afecta al valor del potencial de pico Por otro lado
al igual que en el proceso reversible la corriente de pico tambieacuten estaacute afectada
por la raiacutez cuadrada de la velocidad de barrido con la que se lleve a cabo la
voltametriacutea ciacuteclica [173]
En el caso de que el proceso electroquiacutemico sea cuasi-reversible dependeraacute
tanto de la transferencia electroacutenica como de los procesos de difusioacuten Para
79
obtener una idea de la irreversibilidad se calcula la separacioacuten del pico anoacutedico
y catoacutedico a partir de la ecuacioacuten 20 [176]
2612 Cronoamperometriacutea
La cronoamperometriacutea es un meacutetodo electroquiacutemico en el que se aplica un
potencial fijo sobre el electro de trabajo [179] Dicha teacutecnica normalmente se
realiza en una celda electroliacutetica que presenta una configuracioacuten de tres
electrodos El proceso de medida del potencial en la celda parte de un potencial
en el que no se producen reacciones electroquiacutemicas Posteriormente
aplicando un potencial constante en el que el compuesto de intereacutes es
electroactivo tienen lugar las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten del mismo
[180]
Como consecuencia de los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del analito que
tienen lugar en la celda se produce una circulacioacuten de corriente eleacutectrica
representada en un cronoamperograma El valor de la corriente alcanzada
dependeraacute de las capas difusivas del analito en el electrodo de trabajo (una
capa difusiva (δ) se corresponde con la regioacuten de un electrodo en la que la
concentracioacuten del analito difiere con la concentracioacuten del mismo en la
disolucioacuten electroliacutetica) [181] El proceso electroquiacutemico genera una diferencia
de concentraciones entre la solucioacuten y la concentracioacuten de la especie en la zona
cercana a la superficie del electrodo (δ) lo que da lugar a un transporte de
especies (difusioacuten) que tiende a compensar la diferencia de concentraciones
entre ambas regiones [182]
El fenoacutemeno de difusioacuten viene descrito por la ley de Fick [183]
119869 = minusD ∙120597119862
120597119883
(26)
Ecuacioacuten 26 Ley de difusioacuten de Fick
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull J es el flujo de difusioacuten (molcm ∙ 119904)
bull D es el coeficiente de difusioacuten
80
bull 120597119862120597119883 es el gradiente de concentracioacuten
El transporte de las especies de la solucioacuten hasta la superficie del electrodo
puede tener lugar de distintas formas por su intereacutes con el presente trabajo
caben mencionar
La difusioacuten de reacutegimen transitorio es el fenoacutemeno de transporte resultante de
un gradiente de concentraciones que tiene lugar al aplicar un potencial
(catoacutedico o anoacutedico) en consecuencia el analito se consume debido a las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten La difusioacuten del analito desde la solucioacuten
(donde la concentracioacuten es mayor) hasta la superficie del electrodo (donde la
concentracioacuten es menor) se produce uacutenicamente por la difusioacuten natural donde
el perfil de concentraciones obtenido (figura 19) es funcioacuten del tiempo y de la
distancia al electrodo [181] [182] Inicialmente la concentracioacuten de la especie
electroactiva en la superficie del electrodo es 0 mientras que en la solucioacuten se
mantiene la concentracioacuten original Por ello las especies maacutes cercanas al
electrodo comienzan a difundirse hasta eacutel con el paso del tiempo el espesor
de la capa liacutemite aumenta (la pendiente del perfil de concentraciones
disminuye) Debido a ello la difusioacuten de las especies hasta la superficie del
electrodo tendraacute lugar con una mayor dificultad con el paso del tiempo [184]
Figura 19 Difusioacuten de reacutegimen transitorio
La densidad de corriente en reacutegimen transitorio viene definida por la ecuacioacuten
de Cottrel la cual muestra la caiacuteda de corriente faraacutedica debido a la
transferencia electroacutenica entre la solucioacuten y el electrodo en cada pulso de
potencial [180]
81
119894(119905) = 11989911986511986011986312119862119878119900119897119906119888119894oacute119899
12058712 11990512
(27)
Ecuacioacuten 27 Ecuacioacuten de Cottrell
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull n es el nuacutemero de electrones transferidos en los procesos de
oxidacioacuten-reduccioacuten
bull F constante de Faraday (Cmol)
bull A aacuterea del electrodo (cm2)
bull CSolucioacuten es la concentracioacuten del analito en la disolucioacuten (molcm3)
bull t tiempo transcurrido desde la aplicacioacuten del pulso de potencial (s)
La difusioacuten de reacutegimen estacionario en el transporte de las especies desde la
solucioacuten hasta la superficie del electrodo interviene el fenoacutemeno de
conveccioacuten dicho suceso es la causa de que se lleve a cabo agitacioacuten mecaacutenica
(generalmente) de la solucioacuten que contiene al analito [182] Como resultado de
la agitacioacuten la concentracioacuten de las moleacuteculas en la cercaniacutea del electrodo se
mantiene uniforme en todo momento por lo que δ presenta un espesor
constante independientemente del tiempo [182] Tal y como se muestra en la
figura 20 lejos del electrodo el perfil de concentraciones se mantiene
horizontal gracias a la conveccioacuten que es capaz de mantener constante la
concentracioacuten del analito en el seno de la solucioacuten
La densidad de corriente en reacutegimen estacionario viene dada por la ecuacioacuten
de Levich [182]
119894 = 119899 ∙ 119865 ∙ 119863
120575 (119862119878119900119897119906119888119894oacute119899 minus 119862119864119897119890119888119905119903119900119889119900)
(28)
Ecuacioacuten 28 Ecuacioacuten de Levich
Donde el uacutenico paraacutemetro nuevo es la concentracioacuten del analito en el
electrodo (CElectrodo)
82
Figura 20 Difusioacuten de reacutegimen estacionario
La cronoamperometriacutea se utiliza generalmente para el estudio de mecanismos
de reaccioacuten la obtencioacuten de paraacutemetros cineacuteticos coeficientes de difusioacuten del
analito procesos de electropolimerizacioacuten etc [179] [185]
La electropolimerizacioacuten llevada a cabo por cronoamperometriacutea es uno de los
meacutetodos maacutes empleados en la modificacioacuten de electrodos de trabajo se trata
del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de sensores basados en MIPs
[85] En este proceso la solucioacuten contiene un poliacutemero donde al aplicar un
potencial fijo (catoacutedico o anoacutedico) se consigue la polimerizacioacuten electroquiacutemica
sobre el electrodo de trabajo [185] Este fenoacutemeno se puede ver afectado por
los procesos de difusioacuten de las especies electroactivas de manera que la
corriente alcanzada en el proceso de electropolimerizacioacuten es menor cuanto
maacutes se dificulte el paso de difusioacuten de las especies a traveacutes del poliacutemero [186]
La difusioacuten es un paraacutemetro de gran importancia en los procesos de
electropolimerizacioacuten sobre el electrodo de trabajo y determina la forma del
codo de curvatura que se muestre en el cronoamperograma obtenido de la
representacioacuten de la corriente frente al tiempo (figura 21) [183] En las curvas
cronoamperomeacutetricas que se obtienen por polimerizacioacuten generalmente se
distinguen tres zonas en las que se pueden observar la nucleacioacuten la
formacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica y su crecimiento con el tiempo [187]
bull Zona I la corriente aumenta raacutepidamente debido a los procesos
electroquiacutemicos que tienen lugar en la celda electroliacutetica al aplicar un
potencial (se produce la oxidacioacuten-reduccioacuten de las sustancias que se
encuentran en la disolucioacuten)
bull Zona II la intensidad de la corriente aumenta en esta parte de la curva
se puede distinguir la nucleacioacuten proceso por el cual se depositan los
primeros nuacutecleos cristalinos sobre la superficie del electrodo de trabajo
83
y depende principalmente del potencial aplicado Por tanto durante
esta etapa el poliacutemero se adhiere sobre la superficie del electrodo de
trabajo [188]
bull Zona III se observa la estabilizacioacuten y crecimiento de la peliacutecula sobre
el electrodo a un valor constante de potencial
Figura 21 Cronoamperograma obtenido de la electropolimerizacioacuten de un poliacutemero
El espesor de la peliacutecula que se ha formado sobre el electrodo de trabajo se
puede calcular a partir de la derivada de la primera ley de Faraday [187]
119889 = 119876 ∙ 119872
2 ∙ 119865 ∙ 120588
(29)
Ecuacioacuten 29 Caacutelculo del espesor de una peliacutecula polimeacuterica a partir de la 1ordf Ley de Faraday
Donde
bull Q es la carga especiacutefica por unidad de aacuterea polimerizada
bull M es la masa molecular del poliacutemero
84
bull F es la constante de Faraday
bull 120588 es la densidad del poliacutemero
El espesor de la peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo depende del
tiempo de electropolimerizacioacuten durante el cual se lleve a cabo la
cronoamperometriacutea cuanto mayor es el tiempo mayor es el grosor de la
peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo [189]
La importancia de la cronoamperometriacutea en el presente trabajo radica en que
ha sido utilizada para la obtencioacuten de sensores MIP tal y como se ha indicado
en anteriores apartados Esta teacutecnica puede estar afectada por factores como
el tiempo de electropolimerizacioacuten el voltaje aplicado la presencia de agitacioacuten
o no de la solucioacuten que contiene al poliacutemero entre otros paraacutemetros
El tiempo de electropolimerizacioacuten es un paraacutemetro importante en la
fabricacioacuten de los sensores basados en MIP ya que trabajando con espesores
de peliacutecula elevados la transferencia electroacutenica a traveacutes del poliacutemero se
dificulta con el aumento del espesor Debido a la importancia que esto supone
se debe trabajar con espesores de poliacutemeros conductores sintetizados con el
tiempo oacuteptimo para que no afecten negativamente al rendimiento
electroquiacutemico del sensor [189] El potencial aplicado durante la
cronoamperometriacutea tambieacuten es un paraacutemetro de gran importancia ya que se
debe aplicar el potencial suficiente para que tenga lugar la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla [179] Finalmente el proceso de
agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea es una caracteriacutestica de gran intereacutes
ya que da lugar a un transporte de las especies en el que interviene la
conveccioacuten fenoacutemeno que da lugar a un proceso de difusioacuten en reacutegimen
estacionario [182]
27 Chitosaacuten o quitosano
El chitosaacuten o quitosano (figura 22) es un amino-polisacaacuterido que se obtiene por
desacetilacioacuten de la quitina poliacutemero natural muy abundante en la naturaleza
La quitina se encuentra formando parte del exoesqueleto de artroacutepodos y
tambieacuten de la pared celular de algunos vegetales como los hongos en su
estructura quiacutemica presenta unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-β-D-
glucopiranosa [190] El chitosaacuten presenta una estructura lineal no ramificada
compuesta principalmente por unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi- β-D-
85
glucopiranosa y en menor proporcioacuten por moleacuteculas de 2-acetilamina-2-desoxi-
β-D-glucopiranosa que se encuentran unidas por enlaces β (14) [191] [192]
Figura 22 Estructura quiacutemica del chitosaacuten ldquoxrdquo Unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa y Unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa
El chitosaacuten se caracteriza fundamentalmente mediante la definicioacuten de los
siguientes paraacutemetros
-Masa molecular (MW) Caracteriacutestica que depende fundamentalmente de la
procedencia de la quitina (animal o vegetal) [193]
-Grado de desacetilacioacuten (DDA) Indica el grado en que los grupos acetilo han
sido sustituidos por grupos amino El DDA del chitosaacuten comercial oscila entre
un 70 y un 90 este paraacutemetro depende de las condiciones en las que se
haya llevado a cabo la obtencioacuten del chitosaacuten [191] Cuanto mayor es el grado
de DDA del chitosaacuten maacutes cristalino es el biopoliacutemero lo cual se debe a la
disminucioacuten de los grupos acetilo presentes es su estructura quiacutemica [190]
El chitosaacuten presenta propiedades que le convierten en un biopoliacutemero
interesante en la industria alimentaria biomedicina biotecnologiacutea y en el
desarrollo de sensores las cuales se describen a continuacioacuten
bull Biocompatible El chitosaacuten es un poliacutemero no toacutexico compatible con el
organismo [191]
bull Biodegradable Su degradacioacuten se lleva a cabo por las reacciones
quiacutemicas resultantes de la actuacioacuten de microorganismos dando lugar
a productos no toacutexicos [191]
86
bull Bioactivo El chitosaacuten es considerado bioactivo por presentar poder
antimicrobiano (actuacutea sobre microorganismos inhibiendo su
crecimiento o incluso provocando su muerte [191][194]) propiedades
antioxidantes (el chitosaacuten actuacutea como eliminador de radicales libres
impidiendo la reacciones de oxidacioacuten) [191] [195] y es un compuesto
antitumoral (ayuda a la formacioacuten de ceacutelulas contra el caacutencer) [194]
bull Estructura quiacutemica faacutecilmente modificable Su estructura quiacutemica
presenta varios grupos reactivos por lo que se obtienen faacutecilmente
compuestos derivados [190]
bull Agente quelante El chitosaacuten forma faacutecilmente enlaces con iones de
metales pesados Esta propiedad es fundamental ya que le permite
formar enlaces estables con la plata [128] [196]
La solubilidad del chitosaacuten depende del pH del medio por debajo de un valor
de pH 63 el chitosaacuten se vuelve insoluble y precipita En estado soacutelido tal y
como se muestra en la figura 23 se forman puentes de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilo y amino de su estructura quiacutemica Cuando se introduce en un
aacutecido este enlace se disocia convirtieacutendolo en un polielectrolito catioacutenico
soluble para su disolucioacuten se pueden utilizar diferentes aacutecidos diluidos entre
los maacutes empleados se encuentran el aacutecido aceacutetico el aacutecido foacutermico y el aacutecido
niacutetrico [191] En ciertas aplicaciones o anaacutelisis electroquiacutemicos su baja
solubilidad a pH baacutesico puede ser un inconveniente que se puede solucionar
modificando su estructura quiacutemica ya que es un poliacutemero faacutecilmente alterable
por la presencia de distintos grupos reactivos En su estructura quiacutemica hay
grupos amino (-NH2) hidroxilo (-OH) primario y secundario y finalmente el grupo
n-acetilo (NH-CO-CH3) por lo que se pueden obtener derivados que mejoren su
solubilidad [193]
Figura 23 Estructura quiacutemica del chitosaacuten donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno entre los grupos acetilo e hidroxilo y el grupo amino e hidroxilo
87
En los uacuteltimos antildeos este poliacutemero se ha utilizado en el desarrollo de sensores
electroquiacutemicos debido a sus buenas caracteriacutesticas siendo de especial
intereacutes su biocompatibilidad facilidad de formar peliacuteculas (debido a sus
condiciones de solubilidad) y reactividad [36] Estas cualidades le convierten
en un biopoliacutemero muy adecuado para el desarrollo de sensores basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular [67]
El procedimiento empleado para su electrodeposicioacuten sobre un electrodo de
trabajo se conoce como mecanismo de neutralizacioacuten Al circular una corriente
eleacutectrica debido a los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la
celda electroliacutetica se produce la liberacioacuten de los grupos OH de la solucioacuten de
manera que pueden desprotonar las aminas catioacutenicas (NH3+) responsables de
la solubilidad del chitosaacuten [198] Como consecuencia de la neutralizacioacuten en
la interfaz de la superficie del electrodo se produce un cambio en la constante
de acidez del grupo amino (pKagt63) Debido a ello el chitosaacuten se convierte en
un poliacutemero insoluble depositaacutendose asiacute sobre el electrodo [198] [199]
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados
El mayor inconveniente del chitosaacuten en el anaacutelisis electroquiacutemico es su alto
grado de cristalinidad lo que le hace ser un mal conductor de la corriente
eleacutectrica este hecho dificulta la transferencia electroacutenica a su traveacutes Este
problema se puede solucionar mediante la incorporacioacuten de nanoestructuras
basadas en metales conductores [64] [120]
La combinacioacuten de poliacutemeros con nanoestructuras de propiedades
electroactivas como nanopartiacuteculas de oro o nanohilos metaacutelicos es una de las
teacutecnicas maacutes interesantes para el desarrollo de sensores electroquiacutemicos [64]
[120] Entre los nanomateriales nombrados los AgNWs son de las sustancias
de mayor intereacutes debido a que son capaces de incrementar la conductividad
del poliacutemero recubrieacutendolo y transformaacutendolo en un poliacutemero conductor [64]
[120]
La capacidad quelante del chitosaacuten le confiere facilidad para enlazarse
covalentemente con los aacutetomos de plata [128] [196] [200] Sin embargo
como la adhesioacuten de los AgNWs en el chitosaacuten es poco resistente [122] [201]
es necesario llevar a cabo diferentes procesos de unioacuten para solventarlo
Actualmente destacan el empleo de agentes reticulantes o las modificaciones
sobre la superficie del chitosaacuten
88
Chitosaacuten reticulado Se ha comprobado que la utilizacioacuten de agentes
reticulantes mejoran la estabilidad de la plata en la peliacutecula polimeacuterica
del chitosaacuten [93] El glutaraldehiacutedo es el agente de reticulacioacuten
empleado por excelencia debido a su efectividad la reaccioacuten con el
chitosaacuten provoca cambios en su morfologiacutea y estructura lo que modifica
algunas de sus propiedades como su capacidad de adsorber los iones
metaacutelicos [202] Por ejemplo se han utilizado iones metaacutelicos (Au Ag)
que se encuentran en su forma anioacutenica en medios aacutecidos (ej HCl )
dando lugar a una fuerte atraccioacuten electroestaacutetica entre dichos iones de
carga negativa y los grupos imina con carga positiva resultantes del
entrecruzamiento entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo Este fenoacutemeno
favorece la adsorcioacuten de los ioacutenes metaacutelicos en el chitosan reticulado
[202]
Obtencioacuten de derivados del chitosaacuten Se ha demostrado que la
modificacioacuten de la estructura quiacutemica del chitosaacuten con grupos reactivos
da lugar a enlaces de mayor fortaleza entre los AgNWs y el chitosaacuten Por
ejemplo el chitosaacuten tiolado (derivado del chitosaacuten obtenido de incluir
un grupo tiol en el grupo amino del 2ordm carbono del chitosaacuten) permite que
se forme un enlace covalente de gran resistencia y estabilidad entre la
plata y los grupos tiol [201]
Modificaciones sobre la superficie del chitosaacuten Se ha demostrado que
la modificacioacuten de la de la superficie del chitosaacuten con compuestos
orgaacutenicos proporciona una unioacuten maacutes resistente entre los AgNWs y este
poliacutemero Por ejemplo se ha empleado el aacutecido 11-aminodecanoiacuteco
para formar un enlace covalente entre los grupos carboxilo de un
extremo del aacutecido y el grupo amino del chitosaacuten y puentes de hidroacutegeno
entre el grupo amino del aacutecido y el PVP que recubre los AgNWs De esta
manera se consigue fortalecer la adhesioacuten de los AgNWs a la peliacutecula
de chitosaacuten [122] [203]
89
Capiacutetulo III
Reactivos materiales y equipos
90
91
3 Reactivos materiales y equipos
31 Reactivos
Los reactivos empleados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Aacutecido sulfuacuterico (H2SO4 pureza 95-97 CAS Number 7664-93-9)
bull Aacutecido aceacutetico glaciar (CH3COOH pureza miacutenima 997 Panreac CAS
Number 613-90-4)
bull Acetona (C3H6O pureza miacutenima 99 Quality Chemicals CAS
Number67-64-1)
bull Agua desionizada Milli-Q de conductividad 182 MΩcm
bull Alpha-D (+)-Glucosa (C6H12O6 pureza gt99 Sigma-Aldrich)
bull Chitosaacuten o Quitosano CHI (C56H12O6 purezagt99 Amresco)
bull Cloruro de cobre (II) (CuCl2 2 H2O Panreac Coacutedigo 141264)
bull D (+) Galactosa (C6H12O6 purezagt99 Sigma-Aldrich)
bull Dihidrogenofosfato soacutedico (Na2H2PO4 pureza miacutenima 99 Sigma-
Aldrich CAS Number 7558-79-4)
bull Etanol (C2H6O pureza miacutenimagt 998 Sigma-Aldrich CAS Number 64-
15-5)
bull Etilenglicol (C2H6O2 anhidro al 998 Sigma-Aldrich CAS Number 107-
21-1)
bull Glutaraldehiacutedo (C5H8O2 solucioacuten acuosa al 50 Alta Aesar CAS
Number 111-30-8)
bull Hidrogenofosfato soacutedico (Na2HPO4 pureza miacutenima 99 Sigma-Aldrich
CAS number 7558-80-7)
92
bull Lactosa (C12 H22 O11 Sigma - Aldrich)
bull Nitrato de plata (AgNO3 Sigma- Aldrich CAS Number 7761-88-8)
bull Peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2 33 pv Nordm CE 231-765-0)
bull Polivinipirrolidona PVP (C6H9NO)n Sigma-Aldrich CAS Number 9003-39-8)
32 Materiales
Todos los materiales empleados en el presente trabajo se nombran a
continuacioacuten
bull Bomba peristaacuteltica (Perimax)
bull Celda electroquiacutemica de 5 mL
bull Placa de platino (2 cm times 1 cm)
bull Cubeta de cuarzo (10 mm times 10 mm)
bull Electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Electrodo de referencia (AgAgCl 3M Nesslab)
bull Matraz de fondo redondo con dos bocas
bull Placa calefactora (RSLAb-11C)
bull Placa calefactora (Arex Digital)
bull Sistema de reflujo
33 Equipos
Todos los equipos utilizados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Microscopio de Fuerza Atoacutemica Molecular (Cypher asylum Research
AFM)
93
bull Centrifuga modelo Sorvall Centrifuge ST 8 (Thermo Scientific USA)
bull Espectrofotoacutemetro Ultravioleta-Visible modelo UV-2600 (Shimadzu
Corporation Japoacuten)
bull Equipo de Difraccioacuten de Rayos X (DRX Bruker Discover D8)
bull Potenciostato Galvanostato modelo PARSTAT 2273 (Princeton Applied
Research)
bull Ultrasonidos Vortex 3 (IKA USA)
94
Capiacutetulo IV
Metodologiacutea y Desarrollo
experimental
95
96
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados
La elaboracioacuten de sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
dedicados a la deteccioacuten de azuacutecares actualmente representa una liacutenea de
investigacioacuten relativamente nueva por lo que el estudio experimental del
presente trabajo se ha modificado conforme se han ido obteniendo resultados
El desarrollo de trabajo de fin de grado aquiacute presentado se puede dividir en dos
etapas la primera etapa consiste en la preparacioacuten de las disoluciones para
sintetizar los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular MIP y NIP
asiacute como la siacutentesis y la caracterizacioacuten de los AgNWs que forman parte de la
peliacutecula polimeacuterica La segunda etapa de la fabricacioacuten del sensor consiste en
depositar las disoluciones sobre la superficie de los electrodos BDD mediante
la aplicacioacuten de teacutecnicas electroquiacutemicas
411 Preparacioacuten de las disoluciones
- Limpieza de los electrodos BDD
bull Disolucioacuten pirantildea
En un vaso de precipitados se antildeaden 3 mL de aacutecido sulfuacuterico de pureza
miacutenima del 95 y 1 mL de peroacutexido de hidroacutegeno
-Fabricacioacuten de los sensores MIP y NIP
bull Aacutecido Aceacutetico 3 VV (CH3COOH)
Se preparoacute una disolucioacuten de aacutecido aceacutetico con una concentracioacuten de
porcentaje en volumen al 3 Para obtener la concentracioacuten deseada en una
matraz aforado de 50 mL se antildeadieron 15 mL de aacutecido aceacutetico puro y se
enrasoacute con agua desionizada Milli-Q
bull Chitosaacuten o Quitosano
97
Se preparoacute una disolucioacuten de chitosaacuten con una concentracioacuten de 15 mgmL
en un matraz aforado de 25 mL Para ello se antildeadieron 00375 g de chitosaacuten
al matraz y se enrasoacute con la disolucioacuten de aacutecido aceacutetico al 3 VV
bull Disolucioacuten de AgNWs
Se preparoacute una disolucioacuten madre de AgNWs con una concentracioacuten de 10
mgmL en etanol A partir de esta disolucioacuten se prepararon las disoluciones hija
de una concentracioacuten de un 1 mgmL y 5 mgmL
bull Glutaraldehiacutedo
Se han empleado vapores de glutaraldehiacutedo al 25 ww en buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M
-Deteccioacuten de los analitos por voltametriacutea ciacuteclica
bull Disolucioacuten buffer fosfato de pH 74
Se preparoacute una disolucioacuten de pH 74 y concentracioacuten 001 M de buffer fosfato
(PBP) en un matraz aforado de 500 mL Para ello se pesaron 02697 g de
fosfato disoacutedico (Na2HPO4) y 03659 g de fosfato monosoacutedico (NaH2PO4)
Finalmente se llevaron a un matraz aforado de 500 mL enrasando con agua
desionizada Milli-Q
Con la ecuacioacuten de Henderson-Hasselbalch se calcula el pH conocido el pKa de
la solucioacuten
119901119867 = 119901119870119886 + [1198731198862HP1198744]
[Na1198672P1198744]
(30)
Ecuacioacuten 30 Ecuacioacuten de Henderson-Hasselbach
bull Lactosa
98
Para obtener una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10-4 M en buffer
fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M se preparoacute previamente una
disolucioacuten madre de concentracioacuten 10-3 M Para ello se pesaron 85575 mg de
lactosa y se llevaron a un matraz aforado de 25 mL el cual se enrasoacute con la
solucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La solucioacuten de lactosa 10-4 M se obtuvo tomando 25 mL de la solucioacuten madre
preparada finalmente se enrasoacute con la misma disolucioacuten buffer en un matraz
aforado de 25 mL
bull Glucosa
Se preparoacute previamente una disolucioacuten madre de glucosa con una
concentracioacuten 10minus3 119872 Para obtener la concentracioacuten deseada se pesaron
45 mg de glucosa y se antildeadieron a un matraz aforado de 25 mL el cual se
enrasoacute con la disolucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M se preparoacute tomando 25 mL
de la disolucioacuten madre preparada finalmente se enrasoacute con la misma
disolucioacuten buffer en un matraz aforado de 25 mL
bull Galactosa
Se preparoacute una disolucioacuten madre de galactosa 10-3 M en buffer fosfato de pH
74 y concentracioacuten 001 M para obtener una disolucioacuten hija de concentracioacuten
10-4 M Para ello se siguieron los mismos pasos que en la preparacioacuten de la
disolucioacuten de glucosa
bull Disolucioacuten de cloruro de potasio (KCl)
Se preparoacute una disolucioacuten de cloruro de potasio de 25 mL con una
concentracioacuten 01 M Para ello se pesaron 01863 g de KCl y se antildeadieron a
un matraz de 25 mL enrasando con agua desionizada Milli-Q
-Disoluciones empleadas para la siacutentesis de AgNWs
bull Cloruro de cobre (CuCl2)
99
Se preparoacute una disolucioacuten de CuCl2 de una concentracioacuten 1510-4 M para ello
se pesaron 00001 g de CuCl2 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con etilenglicol puro (EG)
bull Nitrato de plata (AgNO3)
Se preparoacute una disolucioacuten de AgNO3 de una concentracioacuten 012 M Para ello
se pesaron 0102 g de AgNO3 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con EG
bull Polivinilpirrolidona (PVP)
Se preparoacute una disolucioacuten de concentracioacuten 3610-4 M para ello se pesaron
0099 g de PVP y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL enrasando con
EG
412 Procedimiento experimental
4121 preparacioacuten de los AgNWs
La preparacioacuten de AgNWs se ha llevado a cabo seguacuten el meacutetodo poliol descrito
en el fundamento teoacuterico (capiacutetulo II)
Se comienza calentando 5 mL de EG en un matraz redondo de dos bocas
situado sobre un bantildeo de aceite a 160 ordmC tal y como se muestra en la figura
24 Este proceso se lleva a cabo bajo reflujo conectando una de las boquillas
del matraz a la red de bombeo y cerrando la otra boquilla del matraz con un
tapoacuten Posteriormente se antildeade con una micropipeta 05 mL de la disolucioacuten
de CuCl2 directamente al matraz y se deja calentando durante 5 min
Pasado el tiempo con ayuda de una bomba peristaacuteltica de jeringas se antildeaden
simultaacuteneamente y gota a gota 25 mL de la disolucioacuten de AgNO3 y 5 mL de la
disolucioacuten de PVP Durante todo este proceso se aplica una velocidad de
agitacioacuten de 400 rpm una vez ha finalizado se tapa el matraz con el tapoacuten y se
dejan reaccionar durante 1 h bajo agitacioacuten
La disolucioacuten obtenida se deja enfriar a temperatura ambiente en ella hay una
mezcla de nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) y AgNWs por lo que para purificar
los AgNWs se lavan con etanol y se centrifuga a 2000 rpm durante 20 min
100
utilizando la centriacutefuga que se muestra en la figura 24 Posteriormente se
elimina el sobrenadante y el producto de reaccioacuten se lava una segunda vez con
etanol la mezcla se vuelve a centrifugar durante 10 min a 5000 rpm Para el
tercer lavado el precipitado se antildeade a un eppendorf al que se le antildeade etanol
y se centrifuga durante 10 min a 5000 rpm Finalmente se elimina el
sobrenadante del eppendorf y se deja evaporar el etanol
Figura 24 Equipo empleado en la siacutentesis de AgNWs
En la figura 25 se muestra la obtencioacuten y las etapas de centrifugacioacuten para la
siacutentesis de AgNWs
101
Figura 25 En la parte superior de la figura y leyendo de izquierda a derecha se muestran las etapas del proceso final de obtencioacuten de AgNWs 1) y 2) Disolucioacuten obtenida tras un tiempo de reaccioacuten de 1h en la que hay una mezcla de AgNPs y AgNWs 3) Disolucioacuten obtenida diluida con etanol 4) primera centrifugacioacuten donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 5) 2ordf centrifugacioacuten de AgNWs diluidos en etanol donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 6) AgNWs diluidos en etanol antes de llevar a cabo la uacuteltima etapa de la centrifugacioacuten 7) AgNWs obtenidos de la uacuteltima etapa de centrifugacioacuten donde el sobrenadante ha sido eliminado
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro
(BDD)
Para la elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP en primer lugar se deben
acondicionar los electrodos BDD (figura 26) Para ello se comienza limpiando
la superficie de los electrodos introducieacutendolos en acetona pura y
sometieacutendolos a ultrasonidos durante 10 min finalizado este tiempo se
introducen en agua desionizada Milli Q Posteriormente se lleva a cabo su
inmersioacuten en una solucioacuten pirantildea durante un tiempo de 3 min Transcurrido el
tiempo se llevan a cabo lavados sucesivos en agua desionizada Milli Q y en
etanol dejaacutendolos reposar en ambos disolventes durante 1 min Una vez
102
finalizado el proceso de lavado de su superficie los electrodos se dejan secar
al aire
El proceso descrito se ha llevado a cabo con cada uno de los electrodos que se
han empleado para la deteccioacuten de los azuacutecares Lo que permite su
reutilizacioacuten para cada experimento realizado
Figura 26 Electrodos de diamante dopado con boro (BDD)
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP
Para la denominacioacuten de las configuraciones correspondientes a los sensores
se ha utilizado la simbologiacutea entre corchetes ldquo[]rdquo donde se encuentra la
secuencia de materiales divididos por un ldquo-ldquo que han sido utilizados para la
fabricacioacuten de los sensores MIP o NIP Finalmente al final de cada
configuracioacuten hay una ldquordquo tras la que se encuentra el nombre BDD lo que indica
que los sensores han sido fabricados en un electrodo BDD (ej [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD)
Las abreviaturas empleadas para cada material son las siguientes
CHI para el chitosaacuten
AgNWs para los nanohilos de plata
Para desarrollar los sensores MIP y NIP frente la deteccioacuten de lactosa se
emplearon diferentes configuraciones y paraacutemetros de medida con el objetivo
103
de seleccionar la que presentase la mejor respuesta frente a la deteccioacuten de
este analito
Los sensores NIP se obtuvieron siguiendo el mismo protocolo que el aplicado
para la obtencioacuten del MIP de la configuracioacuten deseada sin la presencia de la
moleacutecula plantilla durante la polimerizacioacuten
Las configuraciones empleadas son
-MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con 3 concentraciones de AgNWs distintas 1
mgmL 5 mgmL y 10 mgmL
-MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo para llevar a cabo un cross-linking
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo
Los paraacutemetros de medida que se han modificado para la configuracioacuten del
sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD son
- Electropolimerizacioacuten mediante voltametriacutea ciacuteclica y cronoamperometriacutea
- Concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (1 mgmL 5 mgmL y 10
mgmL)
- Electropolimerizacioacuten sobre el electrodo BDD con agitacioacuten y sin agitacioacuten
- Seleccioacuten del eluyente
bull MIP [CHI-AgNWsndashLactosa] BDD
Sensores con una concentracioacuten de 1 mgmL en AgNWs
104
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo mediante la
polimerizacioacuten sobre el electrodo BDD de una solucioacuten con una mezcla de
chitosaacuten de concentracioacuten 15 mgmL y AgNWs con una concentracioacuten de 1
mgmL que conteniacutea la moleacutecula plantilla de lactosa en una concentracioacuten
001 M
La polimerizacioacuten de la mezcla sobre el electrodo BDD se llevoacute a cabo sin
agitacioacuten por medio de cronoamperometriacutea Posteriormente los electrodos se
extrajeron de la celda electroliacutetica y se dejaron secar a temperatura ambiente
durante toda la noche
La moleacutecula plantilla de lactosa fue eliminada de la matriz polimeacuterica de
chitosaacuten empleando como eluyente una solucioacuten de KCl de concentracioacuten 01
M Para llevar a cabo la elucioacuten los electrodos se sumergieron en esta solucioacuten
durante un periodo de 20 min con agitacioacuten Finalizado el tiempo los
electrodos se lavaron con agua desionizada Milli Q para eliminar los residuos
de la solucioacuten de KCl
Sensores con una concentracioacuten de 5 mgmL en AgNWs
Con esta concentracioacuten (5 mgmL) se obtuvieron dos sensores llevando a cabo
polimerizacioacuten con agitacioacuten y sin agitacioacuten en la fabricacioacuten del sensor
obtenido sin agitacioacuten se siguioacute el mismo procedimiento que el descrito para la
misma configuracioacuten del sensor de lactosa con una concentracioacuten de AgNWs
de 1 mgmL
El procedimiento de siacutentesis seguido para la obtencioacuten del sensor a traveacutes de
polimerizacioacuten con agitacioacuten fue el mismo que en el anterior sensor pero en
este caso se introdujo agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea y el proceso de
elucioacuten se realizoacute utilizando de manera independiente dos eluyentes distintos
el KCl de concentracioacuten 01 M y el agua desionizada Milli Q
Sensores con una concentracioacuten de 10 mgmL en AgNWs
Estos sensores se han obtenido siguiendo el mismo procedimiento que el
descrito en los anteriores sensores en concentracioacuten 5 mgmL (obtenidos por
cronoamperometriacutea con agitacioacuten) y llevando a cabo la elucioacuten con agua
desionizada Milli Q en lugar de con KCl
105
bull MIP [CHI-AgNWs-Glutaraldehiacutedo-Lactosa] BDD
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo siguiendo el protocolo
anteriormente descrito en concentracioacuten 10 mgmL Finalizada la
polimerizacioacuten los electrodos se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
durante 10 min sin secar
El proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla es exactamente el mismo que se
ha seguido para la anterior configuracioacuten en ausencia de reaccioacuten con
glutaraldehiacutedo a una concentracioacuten de 10 mgmL de AgNWs
bull MIP [CHI-AgNWsndashGlucosa] BDD y MIP [CHI-AgNWsndashGalactosa] BDD
Se obtuvieron sensores MIP para la deteccioacuten de glucosa y galactosa La
elaboracioacuten del sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD se realizoacute bajo el mismo
protocolo de siacutentesis que se siguioacute para el sensor de lactosa con una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten empleando en
este caso glucosa como moleacutecula plantilla (001 M) La elaboracioacuten del sensor
MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento
utilizando como moleacutecula plantilla galactosa (01 M)
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs
La caracterizacioacuten de los AgNWs se ha realizado mediante tres teacutecnicas
espectroscopiacutea UV-VIS AFM y DRX
bull Espectroscopiacutea ultravioleta ndash visible (UVndashVIS)
Las propiedades oacutepticas de los AgNWs se estudiaron mediante la teacutecnica
espectroscoacutepica ultravioleta-visible (UV-VIS)
El proceso se llevoacute a cabo con el software UV-Probe introduciendo la solucioacuten
de estudio en un porta-muestras de cuarzo (10 mm times 10 mm)
Para llevar a cabo la caracterizacioacuten en primer lugar se programoacute el rango de
longitudes de onda entre 200 nm y 800 nm Posteriormente se realizoacute una
liacutenea base la cual constituye el blanco del espectro ultravioleta y despueacutes se
106
llevoacute a cabo la medida con un espectrofotoacutemetro como el mostrado en la figura
27
El estudio se comenzoacute con la obtencioacuten del espectro de la solucioacuten inicial de
AgNWs sin purificar posteriormente tras el proceso de centrifugacioacuten se obtuvo
el espectro de absorcioacuten correspondiente tanto de los AgNWs como del
sobrenadante
Figura 27 Espectrofotoacutemetro empleado para caracterizar los AgNWs
bull Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica se llevoacute a cabo para estudiar la morfologiacutea y
dimensioacuten de los AgNWs para ello se utilizoacute el equipo AFM mostrado en la
figura 28
Para obtener la muestra se depositaron 25 μL de la solucioacuten de AgNWs en
etanol sobre el electrodo BDD y se dejoacute secar al aire para evaporar el etanol
107
Figura 28 Equipo de Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico
La elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP y el estudio de su comportamiento
electroquiacutemico se ha llevado a cabo mediante teacutecnicas electroquiacutemicas de
anaacutelisis
La deposicioacuten de la peliacutecula polimeacuterica sobre la superficie del electrodo se ha
realizado a traveacutes de dos teacutecnicas electroquiacutemicas cronoamperometriacutea y
voltametriacutea ciacuteclica La respuesta del sensor frente a los analitos de intereacutes se
ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica Los analitos estudiados han sido
lactosa glucosa y galactosa cuyo comportamiento electroquiacutemico se ha
determinado a traveacutes de los procesos de oxidacioacuten de los AgNWs que se
encuentran depositados en la peliacutecula de chitosaacuten
El equipo empleado para llevar a cabo ambos procesos fue un
potenciostatogalvanostato como el que se muestra en la figura 29
Figura 29 Potenciostato utilizado para el estudio electroquiacutemico de los sensores MIP y NIP
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP
108
La deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se realizoacute en
una celda electroliacutetica que presentaba una configuracioacuten de tres electrodos
como electrodo de trabajo se empleoacute un electrodo BDD como electrodo de
referencia Ag AgCl en KCl y un contraelectrodo de platino
El proceso de deposicioacuten se comenzoacute vertiendo la disolucioacuten preparada en
ausencia de la moleacutecula plantilla (NIP) o en presencia de la misma (MIP) en una
celda electroliacutetica de 5 mL de capacidad La polimerizacioacuten se llevoacute a cabo en
un primer momento sin agitacioacuten pero finalmente se comproboacute que se
obteniacutean mejores resultados depositando las soluciones con agitacioacuten
estableciendo una velocidad de agitacioacuten de 190 rpm
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por
cronoamperometriacutea son
bull Tiempo de electrodeposicioacuten 90 s
bull Potencial aplicado -11 v
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por voltametriacutea ciacuteclica
son
bull Nordm de ciclos 15
bull Potencial maacuteximo (V) 04
bull Potencial miacutenimo (V) -11
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
A continuacioacuten se muestra el montaje de la celda para llevar a cabo la
electropolimerizacioacuten
109
Figura 30 Esquema de trabajo para llevar a cabo cronoamperometriacutea incluyendo el sistema de agitacioacuten
4122 voltametriacutea ciacuteclica
El funcionamiento de los sensores MIP y NIP se estudioacute mediante voltametriacutea
ciacuteclica y la medicioacuten se realizoacute en las mismas condiciones que la deposicioacuten
Los paraacutemetros de trabajo para llevar a cabo las mediciones mediante
voltametriacutea ciacuteclica son
bull Nordm de ciclos 5
bull Potencial maacuteximo (V) 1
bull Potencial miacutenimo (V) -1
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
Establecidos los paraacutemetros de operacioacuten se continuoacute con el montaje de la
celda cuyo esquema se muestra en las figuras 31 y 32 seguacuten el analito
empleado
110
Para la deteccioacuten de glucosa y lactosa la celda electroquiacutemica empleada
presenta 5 mL de capacidad y es la que se muestra en la figura 31 Cuyo
protocolo de medicioacuten se explica a continuacioacuten
Como se ha mencionado anteriormente las medidas electroquiacutemicas
empleadas para el anaacutelisis electroquiacutemico de los sensores desarrollados
durante este trabajo se han determinado mediante voltametriacutea ciacuteclica Para
ello los sensores MIP se sumergen en una solucioacuten de buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M y de pH 74 con objeto de conseguir una respuesta
voltameacutetrica que sirva como sentildeal de referencia para el resto de las
mediciones Seguidamente el electrodo de trabajo se deja en un vaso de
precipitados con el eluyente correspondiente y en presencia de agitacioacuten para
disolver la moleacutecula plantilla (azuacutecar correspondiente en cada caso) de la
peliacutecula de chitosaacuten Finalizado el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
el electrodo de trabajo se lava con agua destilada Posteriormente se introduce
en la celda la disolucioacuten de intereacutes (glucosa o lactosa) y en la concentracioacuten
deseada A continuacioacuten se conecta el potenciostato y se comprueba que la
celda presenta el correcto montaje En este momento para mantener una
buena reproducibilidad es de gran importancia que la superficie sumergida del
contraelectrodo y electrodo de trabajo sea la misma
Figura 31 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de lactosa y glucosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
La deteccioacuten del monosacaacuterido galactosa se ha llevado a cabo en la celda que
se muestra en la figura 32 de una capacidad de 5 mL Los pasos que se han
seguido para la deteccioacuten de galactosa son los mismos que se han descrito
111
anteriormente pero en este caso durante el proceso de elucioacuten el electrodo de
trabajo se mantiene en la celda no siendo necesaria su extraccioacuten
Figura 32 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de galactosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
A continuacioacuten se muestra un esquema de funcionamiento de un sensor MIP
[CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD en el proceso de deteccioacuten del azuacutecar deseado
Figura 33 Esquema de funcionamiento de un MIP [CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD frente a la deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
112
El procedimiento de trabajo que se llevoacute a cabo para el sensor NIP es el mismo
que el seguido para el sensor MIP sin embargo en este caso en el sensor no
se llevoacute a cabo la etapa de elucioacuten ya que el chitosaacuten no contiene a la moleacutecula
plantilla
113
Capiacutetulo V
Resultados experimentales y
discusioacuten de resultados
114
115
5 Resultados experimentales y discusioacuten de
resultados
Los resultados experimentales se dividen en dos bloques En el primer bloque
se realizoacute la siacutentesis de los sensores MIP y NIP para ello se llevoacute a cabo la
preparacioacuten de las disoluciones deseadas las cuales se depositaron a traveacutes
de teacutecnicas electroquiacutemicas sobre la superficie de los electrodos BDD En los
sensores la presencia de AgNWs es de gran importancia ya que la deteccioacuten
es posible al uso de los mismos por ello se ha comenzado el trabajo
optimizando su siacutentesis y caracterizacioacuten
A lo largo de la investigacioacuten se han sintetizado dos reacuteplicas de MIP para cada
azuacutecar de intereacutes lactosa glucosa y galactosa En primer lugar se optimizoacute la
configuracioacuten del sensor MIP frente a lactosa en el que se probaron distintos
paraacutemetros de fabricacioacuten y de medida meacutetodo de electrodeposicioacuten agitacioacuten
durante la cronoamperometriacutea uso de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
y empleo de distintos eluyentes de la moleacutecula plantilla En segundo lugar se
obtuvo un sensor MIP para el azuacutecar de glucosa sin agitacioacuten En tercer lugar
se desarrolloacute el sensor MIP de galactosa fabricado sin agitacioacuten en este sensor
se comproboacute el efecto de un aumento en la concentracioacuten de la moleacutecula
plantilla presente en el mismo
En el segundo bloque se estudiaron por voltametriacutea ciacuteclica los sensores MIP y
NIP en los tres tipos de analitos lactosa glucosa y galactosa Su
comportamiento electroquiacutemico fue evaluado mediante el empleo de AgNWs y
chitosaacuten en diferentes concentraciones
51 Caracterizacioacuten de AgNWs
Debido a la importancia de la presencia de AgNWs en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor es necesario la caracterizacioacuten previa de los mismos
mediante el uso de distintas teacutecnicas espectroscoacutepicas espectroscopiacutea UV-VIS
AFM y DRX
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-
VIS)
116
La espectroscopiacutea UV-VIS se ha empleado para estudiar las propiedades
oacutepticas de los AgNWs Se comenzoacute obteniendo el espectro ultravioleta de los
AgNWs sintetizados con el meacutetodo poliol descrito en el apartado teoacuterico
(capitulo 2521) Posteriormente se lavaron con etanol y tras centrifugar y
eliminar el sobrenadante (residuo que se obtiene con cada lavado) se volvioacute a
realizar el espectro En la figura 34 se muestran los espectros
correspondientes
En el espectro de absorcioacuten obtenido de los AgNWs sin purificar se pueden
observar las bandas correspondientes a la presencia de nanopartiacuteculas de
plata (AgNPs) y AgNWs Las dos primeras bandas se atribuyen a la presencia
del plasmoacuten de resonancia caracteriacutestico de los AgNWs que tienen lugar a una
longitud de onda de 355 nm y 385 nm [120] En el espectro obtenido tras la
purificacioacuten uacutenicamente se aprecia el plasmoacuten de resonancia de los AgNWs
por lo que la ausencia de la banda correspondiente a las AgNPs a 434 nm es
un indicador de la pureza de eacutestos [120] La primera banda de absorcioacuten de
este espectro representa la absorcioacuten longitudinal de los AgNWs (355 nm) y la
segunda a una longitud de onda de 402 nm se atribuye a la absorcioacuten
transversal de los mismos [113] [130]
Finalmente en el espectro correspondiente al sobrenadante se aprecia una
banda de absorcioacuten a 438 nm que se atribuye a la presencia exclusiva de las
AgNPs lo que indica que el meacutetodo empleado para lavar los AgNWs es
adecuado [120]
Figura 34 Espectroscopiacutea UV-VIS del producto obtenido de la siacutentesis de AgNWs sin lavar (rojo) AgNWs purificados (azul) y sobrenadante (negro)
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM)
117
Existen una gran variedad de factores durante el proceso de fabricacioacuten de los
AgNWs que pueden afectar a su morfologiacutea como son la temperatura el tiempo
de reaccioacuten la adiccioacuten de reactivos etc [120] [121] Por ello la microscopiacutea
de fuerza atoacutemica se ha utilizado para controlar la homogeneidad de los AgNWs
obtenidos ya que proporciona imaacutegenes de tamantildeo nanomeacutetrico (figura 35)
Las imaacutegenes de la muestra que se obtuvieron demuestran que los AgNWs
presentaban un tamantildeo homogeacuteneo con un diaacutemetro cercano a 350 nm y
longitudes entorno a los 10 μm
Figura 35 Fotografiacutea obtenida mediante microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) de una muestra de AgNWs depositada sobre un electrodo BDD
513 Difraccioacuten de rayos-X
La difraccioacuten de rayos-X se ha utilizado para caracterizar la estructura de los
AgNWs el patroacuten de difraccioacuten obtenido muestra que los AgNWs son
nanomateriales compuestos por nanocristales orientados en diferentes planos
cristalograacuteficos [204]
De acuerdo con el patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs se muestran 5 picos de
difraccioacuten (figura 36) correspondientes a los planos [111] [200] [220] [311]
y [222] respectivamente [205] Donde se puede apreciar una gran diferencia
en la intensidad alcanzada entre ellos El pico correspondiente al plano
cristalograacutefico [111] que tiene lugar a 2120579= 382ordm es el pico de mayor intensidad
lo que indica que los cristales que forman los AgNWs estaacuten orientados
preferentemente en esta direccioacuten cristalograacutefica [205] [206] El pico de
difraccioacuten que tiene lugar a 2120579= 443ordm se corresponde con el plano [200] [206]
En cuanto al pico que se encuentra en 2120579= 645ordm se corresponde con el plano
[220] [207] Finalmente los picos de difraccioacuten que tienen lugar a 2120579=768 ordm y
2120579= 815ordm representan los planos [311] y [222] respectivamente [207]
118
El patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs que se ha descrito se corresponde con
una estructura cuacutebica centrada en las caras (FCC) [207] La ausencia de picos
adicionales es debida a la pureza de los AgNWs obtenidos [206]
Figura 36 Patroacuten de difraccioacuten de rayos-X de los AgNWs
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD
Se ha llevado a cabo la fabricacioacuten de sensores electroquiacutemicos basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa Dicho
sensor se ha preparado mediante la electropolimerizacioacuten de chitosaacuten
modificado con AgNWs en presencia de una moleacutecula plantilla de lactosa Las
funciones de cada uno de los constituyente que forman el sensor MIP son
Chitosaacuten biopoliacutemero que se deposita sobre el electrodo BDD su
funcioacuten es contener a los huecos de la moleacutecula que se quiera
detectar ademaacutes sirve de soporte de unioacuten para los AgNWs
AgNWs son nanoestructuras metaacutelicas que actuacutean recubriendo la
matriz de chitosaacuten sus reacciones de oxidacioacuten sirven para
determinar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a la
deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
119
Lactosa es la moleacutecula plantilla su funcioacuten es imprimir en la matriz
de chitosaacuten las cavidades de reconocimiento con el propoacutesito de
proporcionar al sensor MIP una mayor especificidad hacia la
deteccioacuten de la misma
En todos los sensores (MIP) se ha trabajado con una concentracioacuten de lactosa
en la solucioacuten [CHI-AgNWs] de 001 M y una concentracioacuten de la solucioacuten de
chitosaacuten de 15 mgmL Fijados estos paraacutemetros con el propoacutesito de obtener
el sensor MIP que proporcione las mejores prestaciones frente a la deteccioacuten
de lactosa se emplearon distintas variables de trabajo y de medida el meacutetodo
de electrodeposicioacuten la presencia de agitacioacuten o no durante la
cronoamperometriacutea la concentracioacuten de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
empleo de un agente reticulante y el uso de distintos eluyentes
A lo largo del desarrollo de la investigacioacuten es de gran importancia comprobar
el funcionamiento del MIP por ello este sensor se ha comparado con un sensor
obtenido bajo las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula de
lactosa NIP
bull Meacutetodo de electrodeposicioacuten de las disoluciones para elaborar los
sensores MIP o NIP
El primer experimento se llevoacute a cabo depositando la solucioacuten que contiene la
mezcla para la obtencioacuten del sensor MIP y NIP sobre la superficie del electrodo
BDD a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica paraacutemetros de trabajo citados en el
capiacutetulo 4
En los voltamogramas obtenidos de los sensores MIP (figura 37 a) y NIP (figura
37 b) no se aprecia ninguacuten indicio que indique la electrodeposicioacuten de la
solucioacuten sobre la superficie del electrodo BDD Por ejemplo en un estudio
llevado a cabo por Zhang Q et al se llevoacute a cabo la electrodeposicioacuten de un MIP
por medio de voltametriacutea ciacuteclica en cada ciclo se obtuvo una disminucioacuten en la
intensidad de corriente de los picos de oxidacioacuten de los AgNWs a medida que
el poliacutemero de impresioacuten molecular se depositaba sobre el electrodo BDD
[208] Este fenoacutemeno no se puede apreciar en ninguna de los voltamogramas
ante este resultado en el resto del trabajo se optoacute por llevar a cabo la
electrodeposicioacuten mediante cronoamperometriacutea en lugar de por voltametriacutea
ciacuteclica para los sucesivos experimentos
120
Figura 37 Electrodeposicioacuten por voltametriacutea ciacuteclica a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD
bull Cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
El estudio se ha continuado con la siacutentesis de sensores MIP y NIP cuyas
configuraciones son MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD
Ambos tienen una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL en la peliacutecula de
chitosaacuten los paraacutemetros de fabricacioacuten de ambos sensores se han indicado en
el capiacutetulo 4
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se
sintetizaron dos sensores de cada tipo Para obtener la reproducibilidad de los
cronoamperogramas del MIP y NIP se calculoacute el coeficiente de variacioacuten (CV)
tomando el valor maacuteximo de la corriente alcanzada por cada sensor
El CV o tambieacuten llamado desviacioacuten estaacutendar relativa (RSD) proporciona
informacioacuten sobre la dispersioacuten de las series de datos obtenidas y se calcula a
partir de la siguiente expresioacuten
119862119881 = 120590
∙ 100
120590 = radicsum (119909119894 minus 119909 119873
119894 )2
119873
(31)
Ecuacioacuten 31 Caacutelculo del coeficiente de variacioacuten (CV) o (RSD)
Donde 120590 es desviacioacuten estaacutendar x es la variable N es el nuacutemero de resultados
xi es el valor nuacutemero i de la variable x es la media de los datos obtenidos
121
Figura 38 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
El CV obtenido para los cronoamperogramas del sensor MIP y NIP es del
2577 y del 1687 respectivamente Ambos coeficientes indican falta de
homogeneidad durante la fabricacioacuten de los sensores lo que supone que las
condiciones de trabajo durante la fabricacioacuten de los mismos no fueron buenas
Entre los motivos principales se encuentran inmersioacuten de los electrodos de
trabajo y contraelectrodo de manera inadecuada asiacute como la ausencia de
agitacioacuten durante el desarrollo de los sensores
En el cronoamperograma del MIP (figura 38 a) y NIP (figura 38 b) se pueden
distinguir cada una de las fases correspondientes a la formacioacuten de la peliacutecula
de chitosaacuten con el tiempo sobre el electrodo BDD En un primer momento tiene
lugar un aumento de la intensidad de corriente debido a los procesos
electroquiacutemicos que se producen en la celda (fase I) El codo de curvatura
representa la fase II cuando se produce la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre la
superficie del electrodo BDD para ello se aplica un potencial de -11 V A este
potencial el chitosaacuten se vuelve insoluble debido a los cambios de pH que
tienen lugar en la proximidad de la superficie del electrodo estos cambios son
provocados por la desprotonacioacuten de los grupos NH3+ de la estructura quiacutemica
del chitosaacuten por los grupos OH- que hay en la solucioacuten [198] [209] En la
cronoamperometriacutea de ambos sensores se puede apreciar un proceso de
nucleacioacuten costoso debido posiblemente a la falta de agitacioacuten durante la
electrodeposicioacuten que da lugar a un proceso de difusioacuten en estado transitorio
Debido a la ausencia de agitacioacuten la concentracioacuten de las especies no se
mantiene constante en la solucioacuten por lo que la capa difusiva (δ) va adquiriendo
un mayor grosor Este hecho dificulta la difusioacuten de las especies hasta la
superficie del electrodo con el transcurso del tiempo [182] En la fase III se
muestra el crecimiento de la peliacutecula polimeacuterica sobre el electrodo BDD al
finalizar este proceso se distingue una caiacuteda en la intensidad de corriente
122
desde un valor de 65 μA en el NIP hasta un valor de 54 μA en el MIP La
disminucioacuten de la intensidad se debe a la presencia del azuacutecar durante la
polimerizacioacuten del chitosaacuten el cual dificulta la difusioacuten de las especies a su
traveacutes [186]
Para estudiar el efecto selectivo de la plantilla polimeacuterica en el MIP y el
comportamiento de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten se obtuvieron las
respuestas voltameacutetricas correspondientes a un electrodo BDD en blanco y a
los sensores MIP y NIP El blanco se elaboroacute mediante voltametriacutea ciacuteclica a
traveacutes de su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa 10-4 M en buffer fosfato
(PBP) de concentracioacuten 001 M y pH 74 aplicando un potencial de -1 V a 1 V
con una velocidad de barrido de 100 mVs El resultado obtenido se muestra
en la figura 39 a donde no se observa ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten
debido a que la lactosa no presenta actividad electroliacutetica La respuesta
electroquiacutemica de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvo mediante su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa
10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros
de medida y siguiendo el proceso de deteccioacuten explicados en el capiacutetulo 4
En el resultado obtenido de la voltametriacutea ciacuteclica figura 39 b se puede apreciar
como el MIP proporciona una mayor intensidad de sentildeal respecto del NIP y el
electrodo BDD blanco Este hecho se atribuye a la creacioacuten de cavidades
especiacuteficas en la matriz de chitosaacuten con una forma y tamantildeo que son
complementarios a las moleacuteculas de lactosa gracias a esta plantilla se
consigue una gran especificidad durante la deteccioacuten ya que las moleacuteculas se
enlazan faacutecilmente a los huecos creados [64] Como resultado de la siacutentesis de
la plantilla polimeacuterica se consigue un sensor que ofrece un mejor
comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de lactosa y por ende es
capaz de proporcionar una mayor intensidad de sentildeal en comparacioacuten al
sensor NIP
Por otro lado en este experimento no se pudieron distinguir los picos anoacutedicos
de las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs el resultado desfavorable puede
deberse a las siguientes razones
La ausencia de agitacioacuten durante la electropolimerizacioacuten sobre el
electrodo BDD podriacutea suponer que la cantidad de AgNWs depositados
en el sensor es inferior a la deseada
123
La concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten es
insuficiente
Figura 39 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH
74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El estudio de la reproducibilidad se llevoacute a cabo mediante la fabricacioacuten de dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs mediante la
inmersioacuten de los sensores en una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten
10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M El criterio empleado para su
obtencioacuten fue el caacutelculo del CV
La reproducibilidad obtenida tanto para el MIP como para el NIP es muy baja
siendo eacutesta de un 1873 y de un 3782 respectivamente La razoacuten de la
mala reproducibilidad en el MIP podriacutea atribuirse a la falta de homogeneidad
durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el electrodo BDD puesto
que es un fenoacutemeno que puede afectar a los sensores basados en la tecnologiacutea
de impresioacuten molecular [210] Sin embargo la baja reproducibilidad del NIP
indica que las condiciones en las que se llevaron a cabo la fabricacioacuten o la
medicioacuten de los sensores no fueron las adecuadas siendo una posible razoacuten
la falta de agitacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten de ambos
A pesar del buen funcionamiento del MIP no se pudieron apreciar los picos
correspondientes a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs presentes en la
peliacutecula de chitosaacuten por lo que la investigacioacuten se continuoacute incrementando la
concentracioacuten de eacutestos en un valor de 5 mgmL
124
La fabricacioacuten de sensores MIP y NIP con una concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten de 5 mgmL se realizoacute por cronoamperometriacutea
estableciendo los paraacutemetros de trabajo indicados en el capiacutetulo 4 Tal y como
se muestra en la figura 40 a y b donde se representan los cronoamperogramas
de los sensores MIP y NIP respectivamente En ellos se pueden distinguir las 3
fases correspondientes al proceso de electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo De nuevo en el MIP se observa un proceso de nucleacioacuten maacutes
costoso en comparacioacuten al NIP asiacute como una caiacuteda de la corriente desde un
valor de 150 μA alcanzado por el NIP hasta una intensidad de 80 μA en el MIP
La razoacuten de ambos fenoacutemenos se atribuye a una mayor dificultad en el proceso
de difusioacuten tal y como se explicaba para la misma configuracioacuten del sensor
pero con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
Figura 40 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-
AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgml
Como en el anterior sensor para estudiar la reproducibilidad del MIP y NIP se
han sintetizado dos sensores de cada tipo el CV obtenido para ambos
cronoamperogramas es del 26 y del 956 respectivamente Los CV
obtenidos son bajos las razones por las que esto podiacutea ocurrir se indicaron en
la anterior configuracioacuten del sensor de una concentracioacuten de AgNWs de 1
mgmL
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado a traveacutes de
voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten
001 M y pH 74 Su respuesta voltameacutetrica se ha comparado con la obtenida
por un sensor NIP y un electrodo BDD blanco siguiendo el mismo
procedimiento que el descrito para la anterior configuracioacuten del sensor en
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL En el voltamograma figura 41 a se
puede comprobar que el MIP presenta una mayor intensidad que el NIP en la
deteccioacuten frente a lactosa lo cual indica la formacioacuten de las cavidades de
125
reconocimiento en la matriz de chitosaacuten que aportan especificidad al sensor
MIP frente a la deteccioacuten de este azuacutecar [211] tal y como se ha explicado
anteriormente
Por otro lado los resultados obtenidos demuestran que a una concentracioacuten
de AgNWs de 5 mgmL es posible distinguir los procesos correspondientes a
las reacciones de oxidacioacuten de los mismos El primer pico anoacutedico (51528 mV)
se corresponde con el proceso de oxidacioacuten de la plata (Ag) al estado de
oxidacioacuten +1 (Ag+1) y el segundo pico anoacutedico (67886 mV) se corresponde con
la oxidacioacuten de la plata de su estado elemental (Ag0) al estado de oxidacioacuten +2
(Ag2+) El estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ es menos comuacuten sin embargo
cuando se alcanzan potenciales superiores a 040 V se puede apreciar [212]
Figura 41 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para calcular la reproducibilidad se siguieron los mismos pasos que se han
empleado para el sensor que presenta la misma configuracioacuten a una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL De la misma forma el criterio empleado
fue el caacutelculo del CV tomando como referencia el pico anoacutedico de mayor
intensidad (1198601198922+) en estas condiciones se obtuvieron valores de
reproducibilidad del 2861 y del 1665 para el MIP y NIP respectivamente
126
A pesar del buen funcionamiento del MIP en las configuraciones descritas se
aprecia una falta de reproducibilidad importante cuyo valor se encuentra por
encima del 5 Con el propoacutesito de mejorar la reproducibilidad de ambos
sensores se modificoacute un nuevo paraacutemetro durante el proceso de fabricacioacuten
del sensor Por lo que en los experimentos siguientes se sintetizaron sensores
MIP y NIP en presencia de agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
bull Cronoamperometriacutea con agitacioacuten
Los experimentos relativos al desarrollo de sensores frente a la deteccioacuten
oacuteptima de lactosa se continuaron mediante la elaboracioacuten de sensores MIP y
NIP con la siguiente configuracioacuten MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD ambos con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL en la
peliacutecula de chitosaacuten Su siacutentesis se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten fijando los paraacutemetros de trabajo indicados en el
capiacutetulo 4
Tal y como sucediacutea en los anteriores sensores en el MIP (figura 42 a) se aprecia
un proceso de nucleacioacuten maacutes costoso en comparacioacuten al NIP (figura 42 b) asiacute
como una caiacuteda en la intensidad de corriente hasta a un valor de 80 μA
respecto a la intensidad de 150 μA alcanzada por el NIP
A pesar de ello se encuentran importantes diferencias entre los
cronoamperogramas de los sensores MIP (figura 40 a) y NIP (figura 40 b)
obtenidos por cronoamperometriacutea sin agitacioacuten a la misma concentracioacuten de
AgNWs que se han descrito en el anterior punto
En la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten la nucleacioacuten del chitosaacuten se produciacutea
con una mayor dificultad siendo el proceso maacutes lento en este caso lo cual es
un indicador de que el factor de agitacioacuten facilita la electrodeposicioacuten del
chitosaacuten modificado con AgNWs sobre la superficie del electrodo BDD Como
se ha indicado anteriormente (capiacutetulo 2612) la cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten da lugar a un fenoacutemeno de conveccioacuten de las moleacuteculas
que se encuentran en la solucioacuten lo que hace que el espesor de la capa
difusiva se mantenga constante en todo el tiempo en que dura el pulso de
potencial aplicado sobre el electrodo de trabajo Al contrario de lo que sucede
en la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten donde el espesor de la capa difusiva
aumenta con el paso del tiempo [182]
127
Figura 42 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y un b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se obtuvieron
dos sensores MIP y NIP de cada tipo cuyos cronoamperogramas presentaron
un CV (calculado con el mismo criterio que en los anteriores sensores descritos)
del 111 y del 687 respectivamente En este caso los valores del CV
indican que las condiciones de trabajo con las que se fabricaron ambos
sensores contribuyeron a mejorar la reproducibilidad de los
cronoamperogramas
El estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP frente a la
deteccioacuten de lactosa se ha realizado mediante voltametriacutea ciacuteclica
estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el mecanismo de deteccioacuten
indicados en el capiacutetulo 4 Para ello se ha comparado la respuesta voltameacutetrica
del MIP con la del NIP y un electrodo BDD blanco cuya voltametriacutea se ha
realizado siguiendo el mismo procedimiento que se ha explicado para las
anteriores configuraciones del sensor de lactosa En el voltamograma obtenido
figura 43 a se puede observar que el sensor MIP proporciona una intensidad
de corriente superior al NIP lo que es un indicador de la correcta formacioacuten de
la plantilla polimeacuterica de lactosa en la matriz de chitosaacuten siendo eacutesta la
responsable de que el MIP tenga una mayor especificidad frente a la deteccioacuten
de dicho analito Por otro lado se pueden distinguir los picos de las reacciones
de oxidacioacuten de los AgNWs el primer pico se corresponde con el estado de
oxidacioacuten de la plata Ag+1 producido a un potencial de 39899 mV y el segundo
pico que tiene lugar a un potencial de 51015 mV se corresponde con el estado
de oxidacioacuten de la plata Ag2+ [212]
128
Figura 43 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes obtenidos en presencia de agitacioacuten
Para comprobar el efecto de la agitacioacuten en la respuesta voltameacutetrica se ha
comparado el sensor MIP descrito en este apartado con el sensor MIP que
presenta la misma concentracioacuten de AgNWs (5 mgmL) fabricado sin agitacioacuten
cuyo funcionamiento se explicoacute en el apartado cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten En la tabla 1 donde se comparan los valores de los potenciales
obtenidos entre ambos sensores se puede observar que el potencial necesario
para que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs son inferiores
en el sensor sintetizado bajo cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten
Esta disminucioacuten en el potencial indica una mejora en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor MIP ya que es necesario un menor potencial para
que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs En la tabla 2 se
muestran los valores de la intensidad de corriente alcanzados por ambos
sensores donde se distingue un aumento en la intensidad de corriente en el
sensor MIP obtenido por cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten lo que
indica una mejora en la actividad electroquiacutemica del mismo Con estos
resultados se puede concluir que la introduccioacuten de agitacioacuten afecta
positivamente al funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP
129
Tabla 1 Potencial (mV) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico Paraacutemetros fabricacioacuten
Potencial con agitacioacuten
Potencial sin agitacioacuten
(Ag+) 39899 51528
(Ag2+) 51015 67886
Tabla 2 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico
Paraacutemetros de obtencioacuten
Intensidad de corriente con agitacioacuten
Intensidad de corriente sin agitacioacuten
(Ag+) 34 2110
(Ag2+) 3327 307
Finalmente se realizoacute un estudio de la reproducibilidad sintetizando dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten
de lactosa 10minus4119872 siguiendo el mismo procedimiento que se ha indicado en las
anteriores configuraciones Para ello se utilizoacute el caacutelculo del CV tomando como
referencia la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico 1198601198922+ Se
obtuvo una reproducibilidad de un 141 para el NIP y un 1275 para el MIP
como se aprecia el NIP presentoacute una reproducibilidad significativamente
superior El motivo de esta diferencia puede estar asociado a la falta de
homogeneidad durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el
electrodo BDD como se ha indicado anteriormente dicho fenoacutemeno es posible
que afecte a los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
[210]
En la tabla 3 se han comparado los valores de reproducibilidad de los sensores
obtenidos con y sin agitacioacuten donde se aprecia una reproducibilidad
notablemente superior en los sensores MIP y NIP sintetizados por
cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten En vista a estos resultados se
puede concluir que la presencia de agitacioacuten durante la obtencioacuten de los
sensores contribuye a obtener una respuesta maacutes reproducible
130
Tabla 3 CV () de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs] con 5 mgmL de AgNWs 0btenidos con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
Electrodeposicioacuten Sensores
CV con agitacioacuten CV sin agitacioacuten
MIP 1275 2861
NIP 141 1665
Con el propoacutesito de conseguir un aumento en el valor de la intensidad de
corriente alcanzado por el sensor MIP frente a la deteccioacuten de lactosa la
investigacioacuten se continuoacute incrementando la concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten a una concentracioacuten de 10 mgmL La fabricacioacuten de este
sensor se llevoacute a cabo mediante cronoamperometriacutea fijando los paraacutemetros de
trabajo indicados en el capiacutetulo 4
Figura 44 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Como en el resto de las configuraciones se han sintetizado dos sensores de
cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV del 1178 y del 455
para el MIP (figura 44 a) y NIP (figura 44 b) respectivamente Estos valores
indican una menor homogeneidad en la fabricacioacuten del sensor MIP atribuible a
una mayor dificultad durante el proceso de fabricacioacuten del mismo
Tal y como se observa la polimerizacioacuten del chitosaacuten en presencia de los
AgNWs y de la moleacutecula plantilla de lactosa (figura 44 a) tiene lugar con una
mayor dificultad en comparacioacuten al NIP (figura 44 b) Ademaacutes en el MIP se
alcanza una intensidad de corriente de 50 μA y en el NIP un valor igual a 75
μA Ambos fenoacutemenos se han producido y explicado en el resto de las
configuraciones desarrolladas en el presente trabajo
131
El comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha evaluado comparando
su respuesta voltameacutetrica con la obtenida por el NIP y un electrodo BDD blanco
(figura 45 a) El protocolo seguido para la obtencioacuten de los voltamogramas del
MIP NIP y el blanco es el mismo que el que se ha descrito para el resto de las
configuraciones
La respuesta voltameacutetrica proporcionada por el MIP no fue la adecuada e indicoacute
un mal funcionamiento por parte de este sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
(figura 45 b) Es decir la intensidad de corriente de este sensor es inferior a la
proporcionada por el NIP lo cual no deberiacutea suceder ya que el MIP debe ofrecer
una mayor intensidad de sentildeal Este resultado indicoacute que la plantilla de lactosa
no se sintetizoacute correctamente en la matriz de chitosaacuten La razoacuten del mal
funcionamiento del sensor MIP puede estar asociada a la elevada
concentracioacuten de AgNWs que se utilizoacute durante la electrodeposicioacuten lo que
provocoacute que el chitosaacuten no polimerizase bien sobre la superficie del electrodo
en consecuencia la plantilla de lactosa no se formoacute adecuadamente en la
matriz polimeacuterica
Por otro lado ademaacutes de apreciar los picos anoacutedicos correspondientes a los
estados de oxidacioacuten de los AgNWs a esta concentracioacuten tambieacuten es posible
apreciar los picos catoacutedicos que se corresponden con la reacciones de
reduccioacuten reversibles de la plata (del estado de oxidacioacuten Ag2+ al estado
elemental Ag0) producidas a un potencial de 4047 mV y 1813 mV [212] (figura
45 a)
132
Figura 45 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para estudiar el efecto en el aumento de concentracioacuten de los AgNWs en la
matriz de chitosaacuten en la tabla 4 se muestra una comparativa con el sensor
que tiene la misma configuracioacuten en una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
y que se ha descrito en este mismo punto Los valores indican un aumento en
la intensidad de corriente del pico anoacutedico Ag2+ en el MIP y NIP de un valor del
131 y del 211 respectivamente Estos resultados demuestran que la
intensidad proporcionada por los AgNWs aumenta con su concentracioacuten en la
peliacutecula de chitosaacuten tal y como se observa en la figura 46
Cabe mencionar que la comparacioacuten entre concentraciones (1mgmL y 5
mgmL) en el anterior punto no se realizoacute puesto que careciacutea de intereacutes al no
poderse apreciar los picos anoacutedicos de los AgNWs en el sensor que presentaba
una concentracioacuten de eacutestos en 1mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
133
Tabla 4 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos con una concentracioacuten de AgNWs 5 y 10 mgmL
MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
NIP [CHI-AgNWs]BDD
Pico anoacutedico Concentracioacuten
de AgNWs
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad de
corriente
(10 mgmL)
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad
de corriente
(10 mgmL)
(Ag2+) 3327 4361 2898 6128
Figura 46 Intensidad del pico anoacutedico Ag2+ de los sensores MIP (negro) NIP (rojo) inmersos en una solucioacuten de lactosa en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 Se representa un aumento de la concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (0 5 10 mgmL)
En cuanto al estudio de la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de
cada tipo MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD NIP [CHI-AgNWs]BDD el criterio
empleado para su caacutelculo se realizoacute bajo las mismas condiciones que se han
descrito para el resto de los sensores El CV obtenido para el MIP y NIP fue del
23 y del 184 respectivamente El empeoramiento de la reproducibilidad
(respecto de la anterior configuracioacuten que presentaba una concentracioacuten de
AgNWs de 5 mgmL) indica que las condiciones en las que se fabricaron los
sensores no fueron las adecuadas siendo una posible causa la elevada
concentracioacuten de AgNWs (10 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten que se empleoacute
para la construccioacuten del sensor
134
bull Agente reticulante glutaraldehiacutedo
La utilizacioacuten de agentes reticulantes en la siacutentesis de poliacutemeros de impresioacuten
molecular es muy frecuente ya que estos influyen directamente en la
morfologiacutea de los MIP en su estabilidad y en la fijacioacuten de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico [69] Por estas razones en el presente trabajo se ha
comprobado su efecto en los sensores MIP y NIP sometieacutendolos a vapores de
glutaraldehiacutedo a traveacutes del anaacutelisis de su respuesta voltameacutetrica y de un
estudio de la reproducibilidad de los mismos
Se ha utilizado la siguiente denotacioacuten para los sensores desarrollados MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-lactosa]BDD y NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs]BDD
Los sensores fueron fabricados con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
mediante cronoamperometriacutea seguacuten los paraacutemetros de medida que se
establecieron en el capiacutetulo 4 los cronoamperogramas obtenidos no se
muestran en el presente trabajo dado que coinciden con los
cronoamperogramas del sensor que presenta la misma concentracioacuten de
AgNWs en ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo (figura 44 a y b) Tras la
cronoamperometriacutea los sensores MIP y NIP se introdujeron en vapores de
glutaraldehiacutedo seguacuten el procedimiento indicado en el mismo capiacutetulo
El efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP frente
a la deteccioacuten de lactosa se ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica
mediante la inmersioacuten del sensor en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP
de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el
protocolo de medida indicados en el capiacutetulo 4 En el voltamograma obtenido
figura 47 a se compara la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP con el NIP y
un electrodo BDD blanco
Tal y como se observa la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico
de mayor intensidad (Ag 2+) es de 11327 μA para el NIP mientras que para el
MIP es inferior e igual a 5031 μA Los valores de corriente indican un mal
funcionamiento del MIP al proporcionar el otro sensor una mayor intensidad de
sentildeal (este fenoacutemeno se ha repetido para el sensor que presentaba la misma
concentracioacuten de AgNWs sin agente reticulante glutaraldehiacutedo) Como se ha
explicado anteriormente el mal funcionamiento del MIP se asocia a una posible
saturacioacuten del sensor debido a la elevada concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten que impide la correcta formacioacuten de la plantilla polimeacuterica
No obstante a pesar del mal funcionamiento del sensor frente a la deteccioacuten
de lactosa se consiguioacute incrementar notablemente la intensidad de la sentildeal
135
Figura 47 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
En la tabla 5 se muestran los valores de corriente alcanzados por los sensores
MIP y NIP en presencia y ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo en los que se
puede apreciar un incremento de la intensidad de corriente en un coeficiente
del 115 y del 185 respectivamente Estos resultados indican que la
fabricacioacuten del sensor en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo mejora la
respuesta cataliacutetica del mismo lo cual puede estar asociado a diversas
razones
El chitosaacuten reticulado ayuda a mantener la rigidez de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico contribuyendo a mantener su forma y
tamantildeo [69]
Aumento de la estabilidad mecaacutenica el nuacutemero de entrecruzamientos
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo evitan la peacuterdida de las cavidades
de reconocimiento especiacutefico [69]
Por estas razones el chitosaacuten se convierte en un soporte maacutes estable para los
AgNWs lo cual se produce gracias a la unioacuten entre los grupos -COOH de los
extremos de la moleacutecula del glutaraldehiacutedo con los grupos -NH2 del chitosaacuten
dando lugar a un enlace imina muy resistente (minusC=NH-) [93]
136
Tabla 5 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Configuracioacuten
Pico anoacutedico
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de corriente
MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]
BDD
Intensidad de corriente
NIP
[CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD
Intensidad de
corriente
(Ag2+) 4361 5031 6128 11327
Finalmente se ha llevado a cabo un estudio del sometimiento de los sensores
a vapores de glutaraldehiacutedo Para ello se sintetizaron dos sensores MIP [CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNws-lactosa]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD de
cada tipo siguiendo el mismo procedimiento que en los anteriores sensores
descritos El CV se ha calculado bajo el mismo criterio obteniendo un valor para
el MIP del 837 y del NIP de 1364 respectivamente Mientras que las
mismas configuraciones del sensor pero sin sometimiento a vapores de
glutaraldehiacutedo muestran una reproducibilidad muy mala con un CV del 23 y
del 184 respectivamente
Los resultados indican que bajo los paraacutemetros en los que fueron fabricados
ambos sensores los vapores de glutaraldehiacutedo mejoran significativamente su
reproducibilidad lo cual estaacute asociado a una mayor estabilidad mecaacutenica de la
plantilla polimeacuterica de chitosaacuten asiacute como de los AgNWs que lo recubren [69]
bull Seleccioacuten del agente eluyente
El eluyente empleado para eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten no debe afectar a su rigidez y estabilidad [69] Por ello con objeto de
seleccionar el disolvente que proporcionase los mejores resultados se ha
estudio la respuesta voltameacutetrica del MIP frente a dos eluyentes distintos KCl
01 M y agua desionizada Milli Q Para la seleccioacuten de ambos se ha tenido en
cuenta la solubilidad del chitosaacuten y de la lactosa en ambos eluyentes
El chitosaacuten es un poliacutemero catioacutenico soluble en aacutecidos diluidos (aacutecido aceacutetico
aacutecido niacutetrico aacutecido clorhiacutedrico entre otros) sin embargo es insoluble en medios
con pH superiores a 65 (agua disoluciones baacutesicas o en disolventes
137
orgaacutenicos) por lo que el empleo de agua desionizada Milli Q o KCl no deberiacutea
de afectar a la solubilidad de la peliacutecula de chitosaacuten en ambos eluyentes [191]
La lactosa es un azuacutecar soluble en disolucioacuten acuosa debido a la formacioacuten de
puentes de hidroacutegeno entre los grupos hidroxilo del azuacutecar y el hidroacutegeno del
agua por lo que es soluble en ambos tipos de disolventes [213]
El protocolo de medicioacuten empleado para la deteccioacuten de lactosa es el descrito
en el capiacutetulo 4 Tras el proceso de elucioacuten llevado a cabo con KCl (figura 48 a)
y agua desionizada Milli Q (figura 48 b) se observa que ambos sensores MIP
proporcionan una disminucioacuten en la intensidad de corriente en el mismo grado
Tras estos resultados se concluye que no hay cambios al utilizar un eluyente u
otro puesto que ambos afectan de la misma manera a la respuesta
voltameacutetrica del sensor
Figura 48 a) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con KCl (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP (001M pH 74) b) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con agua desionizada Milli Q (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP (001M pH 74)
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
El sensor seleccionado para estudiar su comportamiento electroquiacutemico frente
a la deteccioacuten de lactosa fue el MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD con una
concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL Las siguientes razones fueron
determinantes para elegir este sensor desarrollado por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten
138
En el estudio llevado a cabo por voltametriacutea ciacuteclica el MIP demostroacute un
mejor comportamiento con respecto al NIP (figura 43 a) Este resultado
fue de gran importancia ya que indicoacute la formacioacuten de una plantilla
polimeacuterica en la matriz de chitosaacuten que aportaba una mayor
especificidad al sensor MIP frente a la deteccioacuten lactosa
Con esta configuracioacuten se apreciaron los picos anoacutedicos de los AgNWs
lo que permitiraacute determinar el comportamiento electroquiacutemico del
sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
Representa el sensor MIP que cumpliendo con las dos condiciones
descritas tiene una mayor reproducibilidad
La fabricacioacuten del sensor se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea tal y como se
explicoacute en el capiacutetulo 4 el cronoamperograma de ambos sensores MIP (figura
42 a) y NIP (figura 42 b) ya se indicoacute dentro de este mismo capiacutetulo en la
fabricacioacuten de sensores por cronoamperometriacutea con agitacioacuten
El proceso de deteccioacuten llevado a cabo frente a lactosa ha sido descrito en el
capiacutetulo 4 figura 49 a Tras eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten con KCl (01 M) se forman las cavidades de reconocimiento especiacutefico
cuya estructura es complementaria a las moleacuteculas de lactosa Una vez
obtenido el sensor se lleva a cabo la deteccioacuten en la disolucioacuten de lactosa
(10 minus4 119872) durante este proceso tiene lugar la especificidad entre la plantilla
polimeacuterica y las moleacuteculas de lactosa presentes en la solucioacuten Con la
disminucioacuten de la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs es posible
estudiar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a lactosa dado
que es un fenoacutemeno que se puede utilizar como un indicador de la presencia
del azuacutecar en la solucioacuten
La disminucioacuten en la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs puede
estar asociado a dos razones en primer lugar la lactosa presente en la
solucioacuten dificulta la transferencia de electrones hasta la superficie del
electrodo [84] En segundo lugar la disminucioacuten de la corriente puede ser
provocada por el efecto denominado ldquogate effectrdquo Este fenoacutemeno es tiacutepico en
los sensores MIP y contribuye a un decremento en la intensidad de la sentildeal
causado por un cambio en la morfologiacutea de la peliacutecula de chitosaacuten al enlazarse
la moleacutecula plantilla a los sitios de unioacuten de eacuteste A causa de este suceso la
capacidad de difusioacuten de los electrones a traveacutes de la peliacutecula polimeacuterica se
produce con una mayor dificultad [91]
139
Figura 49 a) respuesta voltameacutetrica de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M despueacutes de la elucioacuten (rojo) en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M (azul) Respuesta voltameacutetrica de un electrodo BDD blanco en lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (rosa) a1) Detalle de los picos anoacutedicos
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a
lactosa
Para estudiar la sensibilidad del sensor frente a las moleacuteculas de lactosa se
llevaron a cabo detecciones en una solucioacuten de lactosa con una concentracioacuten
10-4 M y 10-3 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M Aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs
En la figura 50 a y b se muestran los voltamogramas obtenidos con los
sensores MIP y NIP respectivamente donde se puede observar que la
intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs disminuye al aumentar la
concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten Como ya se ha indicado dicho
fenoacutemeno tiene lugar en los sensores MIP que utilizan sustancias
electroactivas para el reconocimiento de azuacutecares La presencia del azuacutecar en
la solucioacuten provoca el empeoramiento de la transferencia electroacutenica a traveacutes
de la matriz de chitosaacuten por lo que la intensidad de la sentildeal proporcionada por
el sensor disminuye [41] [84] [212]
140
Figura 50 Estudio de la sensibilidad de un sensor a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) posteriormente en un disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10minus4 119872 (rojo) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M y finalmente en una disolucioacuten de lactosa de
concentracioacuten 10minus3M (azul) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
De la representacioacuten de la intensidad del pico anoacutedico (figura 51)
correspondiente al estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ se obtienen dos rectas
para cada uno de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD La ecuacioacuten correspondiente al sensor MIP para el tramo de (0
mM - 01 mM) es 119910 = 2456119909 + 4175 y para el 2ordm tramo (01 mM ndash 1mM)
119910 = minus116119909 + 1835 Donde ldquoxrdquo es la concentracioacuten de lactosa (mM) e ldquoyrdquo es
la intensidad de sentildeal del pico anoacutedico (μA)
De la misma forma para el sensor NIP la ecuacioacuten para el tramo de (0 mM-
01Mm) es 119910 = minus1043119909 + 2218 y para el segundo tramo (01 ndash 1mM) es la
siguiente 119910 = minus58556119909 + 12336
En esta representacioacuten se demuestra que a mayor concentracioacuten del azuacutecar
menor es la intensidad de la sentildeal proporcionada por ambos sensores (MIP y
NIP) Ademaacutes la intensidad de corriente alcanzada por el sensor MIP y NIP ante
la deteccioacuten de lactosa entre las concentraciones 0 mM ndash 01 mM presenta un
gran salto de deteccioacuten Por otro lado cuando la deteccioacuten se lleva a cabo con
una concentracioacuten de lactosa entre los valores de 01 mM - 1 mM el salto de
deteccioacuten es menos brusco es decir la caiacuteda de corriente tanto del MIP como
del NIP es maacutes baja Por otro lado se aprecia que a una concentracioacuten de
10minus3 119872 de lactosa en la solucioacuten el sensor MIP parece que se llega a saturar
puesto que la diferencia en la intensidad de corriente alcanzada entre los
sensores MIP y NIP es praacutecticamente despreciable Por estas razones se
deberiacutea comprobar el funcionamiento de los sensores llevando a cabo
detecciones frente a concentraciones inferiores de lactosa en la solucioacuten
(10minus5 119872 10minus6 119872 etc)
141
Figura 51 Rectas de la intensidad del pico anoacutedico (Ag2+) de los sensores MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD (negro) y NIP [ CHI-AgNWs]BDD (rojo) en PBP (001 M y pH 74) para un incremento de la concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten (0 01 y 1 mM)
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa
La reproducibilidad del MIP (1275) figura 52 a es inferior a la del NIP
(141) figura 52 b la diferencia de reproducibilidad entre el MIP y el NIP se
debe a que los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
pueden estar afectados por una mala reproducibilidad asociada al proceso de
fabricacioacuten del MIP durante la electrodeposicioacuten electroquiacutemica [210] Aunque
como ya se ha indicado en el anterior apartado el empleo de agentes
reticulantes como el glutaraldehiacutedo contribuyen a la mejora de la
reproducibilidad
142
Figura 52 Reproducibilidad mediante voltametriacutea ciacuteclica en lactosa 10-4M en PBP 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa
El estudio de la repetitividad del sensor (tabla 6) se ha llevado a cabo utilizando
voltametriacutea ciacuteclica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M mediante 5 ciclos consecutivos potencial de -1 V a 1 V
y una velocidad de barrido de 100 mVs El criterio empleado para calcular la
repetitividad del sensor es el CV obtenido del valor de intensidad del pico
anoacutedico Ag2+ de los 4 uacuteltimos ciclos
La repetitividad del MIP (figura 53 a) calculada es del 1251 y la del NIP (figura
53 b) es del 1878 estos resultados demuestran una mala repetitividad que
puede estar asociada a dos factores la peacuterdida de AgNWs en la superficie del
chitosaacuten con cada ciclo y al deterioramiento de la peliacutecula de chitosaacuten lo que
implicariacutea la peacuterdida en la intensidad de la sentildeal
Figura 53 Repetitividad mediante voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
143
Tabla 6 Estudio de la repetitividad a traveacutes de la intensidad de corriente (μA) de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgmL
Ciclo Configuracioacuten
MIP
[CHI-AgNWs- Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]BDD
Intensidad de corriente
2 5038 4457
3 4257 3733
4 37 33
5 3327 2898
CV () 1251 1878
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-
Glucosa]BDD
Se ha sintetizado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD utilizando la
glucosa como moleacutecula plantilla en una concentracioacuten 001 M El
funcionamiento de dicho sensor se ha comparado con un NIP [CHI-
AgNWs]BDD
El sensor se ha sintetizado con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
llevando a cabo la polimerizacioacuten del chitosaacuten por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten cuyos paraacutemetros de medida fueron establecidos en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se muestra el cronoamperograma de la electrodeposicioacuten
llevada a cabo para la fabricacioacuten de los sensores MIP (figura 54 a) y NIP (figura
54 b) Tal y como se ha explicado en el sensor de lactosa en ambos
cronoamperogramas se distinguen cada una de las fases que se corresponden
con la deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten sobre el electrodo BDD con el
tiempo Primero se produce un aumento en la intensidad de corriente debido
a los procesos electroquiacutemicos que ocurren en la celda En la segunda fase
tiene lugar la nucleacioacuten del chitosaacuten en ambos sensores el codo de curvatura
es muy pronunciado lo cual indica que la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo se produce con dificultad Este resultado se podriacutea asociar a la falta
de agitacioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la siacutentesis de los
sensores tal y como se ha indicado en los sensores de lactosa fabricados en
las mismas condiciones Finalmente la peliacutecula de chitosaacuten crece sobre el
electrodo BDD
144
Como en los sensores de lactosa la presencia de glucosa en la disolucioacuten
dificulta la difusioacuten de las especies a traveacutes de la peliacutecula de chitosaacuten Este
resultado se refleja en la intensidad de la corriente final alcanzada en los
cronoamperogramas respectivos donde el MIP alcanza una intensidad 45 μA
y el NIP de 60 μA
Figura 54 Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Se fabricaron dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas
presentaron un CV (calculado siguiendo el mismo criterio que para el sensor de
lactosa) para el MIP del 20 y para el NIP del 1795 La razoacuten de la baja
reproducibilidad se asocia a que las condiciones en las que se realizoacute la
fabricacioacuten o medicioacuten de ambos sensores no fueron las adecuadas siendo un
posible motivo la ausencia de agitacioacuten o una inmersioacuten inadecuada del
electrodo de trabajo y contraelectrodo
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado comparando
la respuesta obtenida por voltametriacutea ciacuteclica de un electrodo BDD blanco con
la respuesta electroquiacutemica proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 55
b) en una disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001M La voltametriacutea ciacuteclica se ha realizado siguiendo el mismo
procedimiento y estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que se han
explicado para el sensor de lactosa
En la figura 55 a se muestra la respuesta voltameacutetrica del blanco donde no es
posible apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten dado que la glucosa no es
un compuesto con actividad electroliacutetica
145
Figura 55 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de glucosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de glucosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL sensor NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
La respuesta voltameacutetrica obtenida de los sensores (MIP y NIP) asiacute como la del
blanco indica que los resultados no son buenos por varias razones En el MIP
no hay nada que sugiera que se haya formado una plantilla polimeacuterica puesto
que la intensidad de corriente alcanzada es muy baja e inferior a la lograda por
el blanco En segundo lugar en el sensor no se aprecia un buen funcionamiento
de los AgNWs puesto que la intensidad de corriente proporcionada por eacutestos
es inferior a la respuesta voltameacutetrica del blanco En adiccioacuten tampoco es
posible apreciar los picos de oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el
estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a glucosa
Teniendo en cuenta estos resultados se puede concluir que los paraacutemetros de
fabricacioacuten utilizados para la elaboracioacuten del sensor MIP no fueron los
adecuados las posibles razones son
En la electrodeposicioacuten del MIP no se llevoacute a cabo agitacioacuten lo que
implica que la cantidad de AgNWs depositados en el electrodo es
insuficiente para apreciar los picos de oxidacioacuten de los mismos
La concentracioacuten de AgNWs en el sensor (1mgmL) es demasiado
pequentildea lo que afectoacute directamente a la respuesta electroquiacutemica del
mismo
Con objeto de estudiar la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de cada
tipo MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute
146
a cabo por medio de voltametriacutea ciacuteclica siguiendo el mismo procedimiento que
en los sensores de lactosa
Para ello se calculoacute el CV del MIP y NIP obteniendo valores de reproducibilidad
del 30 (MIP) y del 12 (NIP) La mala reproducibilidad de los sensores se
puede deber a que las condiciones en las que se llevaron a cabo los
experimentos no fueron las adecuadas siendo una posible causa la falta de
agitacioacuten durante la electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla
para la siacutentesis del MIP o NIP
Finalmente es necesario aclarar que el procedimiento seguido para la
optimizacioacuten del sensor de lactosa con los distintos paraacutemetros de fabricacioacuten
y de medida indicados a lo largo de este trabajo (fabricacioacuten del sensor con
agitacioacuten concentracioacuten de AgNWs uso de agente reticulante glutaraldehiacutedo
etc) se deberiacutean de repetir para el sensor de glucosa descrito en este mismo
punto
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-
Galactosa]BDD
Se ha elaborado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD para la deteccioacuten
de galactosa para ello se utiliza dicho analito como moleacutecula plantilla El
funcionamiento del MIP se ha comparado con un sensor NIP fabricado de la
misma forma pero en ausencia de la moleacutecula de galactosa
A diferencia del resto de las configuraciones explicadas en el presente trabajo
en este caso el sensor se obtuvo por cronoamperometriacutea en presencia de una
moleacutecula plantilla que se encontraba en la solucioacuten en una concentracioacuten 01 M
(el resto de los sensores MIP de glucosa y galactosa se sintetizaron con una
concentracioacuten 001 M de las moleacuteculas plantilla respectivas) Este cambio se
realizoacute con objeto de comprobar coacutemo afectariacutea al sensor un aumento de la
concentracioacuten del azuacutecar en la formacioacuten de la plantilla de chitosaacuten La
polimerizacioacuten se llevoacute a cabo sin agitacioacuten bajo las condiciones indicadas en
el capiacutetulo 4
En la figura 56 a y b se muestra el cronoamperograma obtenido para el MIP y
NIP respectivamente donde se pueden observar las tres fases
correspondientes a la electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el electrodo BDD y
que ya se han explicado en apartados anteriores En ambos sensores se puede
apreciar un proceso de nucleacioacuten muy costoso asiacute como una caiacuteda en la
intensidad de corriente del NIP (60 μA) en comparacioacuten al MIP (50 μA) Tal y
147
como ocurriacutea en el resto de las configuraciones obtenidas mediante
cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
Figura 56 a) Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se fabricaron
dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV
(calculado siguiendo los mismos pasos que para el sensor de lactosa) para el
MIP del 18 y para el NIP del 1725 De nuevo la reproducibilidad es baja las
posibles causas de ello se han indicado para los sensores de lactosa y glucosa
obtenidos bajo las mismas condiciones de fabricacioacuten
Para llevar a cabo un estudio del funcionamiento del MIP se ha comparado la
respuesta de un electrodo BDD blanco con la respuesta electroquiacutemica
proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 57 b) en una solucioacuten de
galactosa 10-4 en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M La respuesta
voltameacutetrica de los sensores MIP y NIP frente a galactosa se obtuvo seguacuten los
paraacutemetros de medida y el protocolo de deteccioacuten establecidos en el capiacutetulo
4 En este caso para llevar a cabo la medicioacuten frente a galactosa se empleoacute
una celda electroquiacutemica distinta con el fin de comprobar el funcionamiento
electroquiacutemico de los sensores en la misma Esta celda presentaba la ventaja
de mantener siempre el mismo aacuterea de contacto de los sensores MIP en el
proceso de deteccioacuten frente al azuacutecar de intereacutes
La respuesta voltameacutetrica del electrodo BDD blanco figura 57 a se obtuvo
estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que fueron indicados en los
sensores de lactosa y glucosa En el voltamograma obtenido no es posible
148
apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten ya que la galactosa no presenta
actividad electroliacutetica
Figura 57 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de galactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de galactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El resultado de la voltametriacutea ciacuteclica figura 57 b demuestra un mal
funcionamiento del sensor MIP ya que la intensidad obtenida por el NIP es
mayor a la intensidad proporcionada por el sensor MIP frente a galactosa
Ademaacutes no es posible apreciar los picos correspondientes a las reacciones de
oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el estudio del comportamiento
electroquiacutemico del sensor frente a galactosa
El mal funcionamiento del MIP se puede asociar a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Ademaacutes en este caso se debe tener en
cuenta que con una concentracioacuten de galactosa 01 M en la solucioacuten que
contiene la mezcla para sintetizar el sensor seguramente se produzca la
saturacioacuten de la misma lo cual impide la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica en
la matriz de chitosaacuten
Finalmente en la figura 57 b se puede observar que la intensidad de corriente
alcanzada por los sensores es muy inferior (lt 5 μA) a la que se obtuvo con el
resto de las configuraciones descritas que presentaban la misma
concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten La razoacuten de la
baja intensidad de la sentildeal se podriacutea atribuir a un menor aacuterea de contacto entre
el electrodo de trabajo y la solucioacuten en la celda empleada en este experimento
en comparacioacuten al aacuterea de contacto que se conseguiacutea con la celda electroliacutetica
utilizada en el resto de los experimentos descritos en este trabajo
149
Para obtener la reproducibilidad se fabricaron dos sensores de cada tipo
MIP[CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP[CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute a
cabo con voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de galactosa 10-4 M siguiendo el
mismo procedimiento que para el sensor de glucosa y lactosa De la misma
forma el criterio empleado para su obtencioacuten fue el caacutelculo del CV obteniendo
un valor para el sensor MIP del 1095 y para el NIP del 756 Ambos
sensores tienen falta de reproducibilidad lo que sugiere que las condiciones
en las que se obtuvieron los sensores no fueron las adecuadas A pesar de ello
el MIP presenta una mayor reproducibilidad que el resto de los sensores
obtenidos a la misma concentracioacuten de AgNWs por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten Lo cual se puede deber al empleo de la celda descrita en el capiacutetulo
4 que mantuvo el mismo aacuterea de contacto del electrodo de trabajo en todo el
proceso de deteccioacuten frente a galactosa
Como se ha indicado en el sensor de glucosa el protocolo de optimizacioacuten
mediante el empleo de diferentes concentraciones de AgNWs fabricacioacuten por
cronoamperometriacutea bajo agitacioacuten concentracioacuten de la moleacutecula plantilla etc
Se deberiacutea realizar para llevar a cabo la optimizacioacuten de un sensor MIP frente
a galactosa que proporcione las mejores prestaciones frente a dicho analito
150
Capiacutetulo VI
Conclusiones y trabajo futuro
151
152
6 Conclusiones y trabajo futuro
61 Conclusiones
En el presente trabajo de fin de grado se han elaborado sensores
nanoestructurados con AgNWs basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Sensor nanoestructurado de lactosa
De los experimentos realizados para la configuracioacuten de este sensor se pueden
extraer las siguientes conclusiones
bull La voltametriacutea ciacuteclica para llevar a cabo la polimerizacioacuten de chitosaacuten no
es un meacutetodo adecuado puesto que no se consigue la polimerizacioacuten
del MIP sobre el electrodo BDD
bull Se ha demostrado que fabricando los sensores sin agitacioacuten MIP [CHI-
AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD y con una concentracioacuten
de AgNWs de 1 mgmL no es posible apreciar los picos de oxidacioacuten de
los AgNWs
bull Se ha comprobado que en la electrodeposicioacuten llevada a cabo con el
MIP frente al NIP se alcanzan valores en la intensidad de corriente
inferiores lo que supone que la presencia del azuacutecar dificulta la
polimerizacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica
bull Se ha demostrado que el paraacutemetro de agitacioacuten durante el proceso de
electrodeposicioacuten facilita el mecanismo de nucleacioacuten del chitosaacuten por
medio de un proceso de difusioacuten de las especies en estado estacionario
Por otro lado la agitacioacuten tiene una gran influencia en el
comportamiento electroquiacutemico del sensor ya que con eacutel se consigue
una mejora del rendimiento y de la reproducibilidad
bull Se ha demostrado la importancia de los AgNWs en el sensor ya que a
traveacutes de ellos se puede llevar a cabo la deteccioacuten de azuacutecares lo que
resulta de gran intereacutes para la deteccioacuten de una gran cantidad de
analitos
bull Se han desarrollado sensores con concentraciones crecientes de
AgNWs comprobaacutendose que la intensidad de corriente es directamente
proporcional a la concentracioacuten de eacutestos Con ello tambieacuten se ha
153
comprobado que a una concentracioacuten de AgNWs en el sensor de 10
mgmL el MIP no funciona bien lo que podriacutea suponer que a
concentraciones tan elevadas se produce la saturacioacuten del sensor
bull Se obtuvieron sensores que se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD en los que se demostroacute
que su uso favoreciacutea la respuesta voltameacutetrica del sensor En los
sensores con ausencia de glutaraldehiacutedo se obtuvo una
reproducibilidad del 23 y 184 para el MIP y NIP respectivamente
Mientras que para el sensor sometido a glutaraldehiacutedo se obtuvo para
el MIP y NIP una reproducibilidad del 837 y 1364 respectivamente
Estos resultados demuestran que la obtencioacuten de sensores en
presencia de un agente reticulante contribuye a obtener una respuesta
maacutes reproducible
bull Para el sensor seleccionado que presenta la configuracioacuten oacuteptima frente
a lactosa se ha llevado a cabo un estudio de la reproducibilidad
repetitividad y sensibilidad Se ha comprobado que la reproducibilidad
de los MIP (1275) es inferior a la de los NIP (141) este resultado
negativo se atribuye a la falta de homogeneidad durante la fabricacioacuten
del sensor Por otro lado tampoco se obtuvieron buenos resultados en
la repetitividad pudiendo ser debido a la peacuterdida de AgNWs o al
deterioramiento de la peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten Finalmente en el
estudio de sensibilidad se comproboacute que el aumento del azuacutecar a una
concentracioacuten de 10-3M en la solucioacuten puede causar la saturacioacuten del
sensor MIP
Sensores de glucosa y galactosa
bull En el sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvieron malos resultados dado que la intensidad
de la sentildeal obtenida entre ambos sensores era inferior a la intensidad
proporcionada por el blanco Lo que demostroacute que las condiciones en
las que se fabricaron los dos tipos de sensores no fueron las adecuadas
El mal funcionamiento se atribuye a la polimerizacioacuten del chitosaacuten en
presencia de AgNWs en ausencia de agitacioacuten y a una concentracioacuten de
AgNWs de 1 mgmL insuficiente
bull En el sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD tambieacuten se obtuvieron malos resultados obteniendo una
peor intensidad en el sensor MIP en comparacioacuten al NIP El mal
funcionamiento del sensor se asocia a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Adicionalmente se comproboacute que
el azuacutecar en una concentracioacuten 01 M en la solucioacuten causoacute la saturacioacuten
del mismo
154
A pesar de que los experimentos realizados son insuficientes como para
predecir su comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de glucosa y
galactosa a priori y en comparacioacuten con los resultados obtenidos en el sensor
frente a lactosa ambos sensores funcionan peor Debido a ello todaviacutea es
necesario llevar a cabo la optimizacioacuten de los mismos para poder predecir su
comportamiento electroquiacutemico frente a los azuacutecares de intereacutes
Trabajo pendiente
Finalmente es necesario aclarar que el trabajo concerniente al desarrollo
experimental no pudo ser concluido debido a la covid-19 los resultados
presentados en esta investigacioacuten se corresponden con un trabajo de
permanencia en el laboratorio de 1 mes y medio
En lo referente al sensor MIP de lactosa se deberiacutea de continuar con la siguiente
investigacioacuten en el laboratorio
bull Terminar de optimizar el sensor con una concentracioacuten de 5 mgmL de
AgNWs dado que es con esta concentracioacuten donde el MIP demostroacute un
mejor comportamiento frente a la deteccioacuten de lactosa Para ello se
propone comprobar el efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta
voltameacutetrica de este sensor y llevar a cabo un estudio de la sensibilidad
a traveacutes de la voltametriacutea ciacuteclica con concentraciones inferiores de
lactosa
bull Una vez optimizado por completo se deberiacutea de estudiar mediante
voltametriacutea ciacuteclica el comportamiento del sensor frente la deteccioacuten de
lactosa variando la proporcioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
(50 60 70 etc)
bull Se debe calcular el liacutemite de deteccioacuten del sensor definido este como
ldquola concentracioacuten maacutes baja a la que se puede detectar el analitordquo El
liacutemite de deteccioacuten generalmente se calcula mediante
cronoamperometriacutea a traveacutes de la siguiente expresioacuten
119871119863 = 3120590
119898
(32)
Ecuacioacuten 32 Caacutelculo del liacutemite de deteccioacuten
155
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son 120590 es la desviacioacuten estaacutendar
de las medidas del blanco entendido este como una muestra sin el
analito y m es la pendiente de la curva de calibracioacuten obtenida de
representar la concentracioacuten de analito con la intensidad de corriente
alcanzada con cada concentracioacuten de analito antildeadida [214] [215]
bull Caracterizar la estructura del sensor MIP y NIP a traveacutes de teacutecnicas
como la espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X y AFM
En lo referente a los sensores MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y MIP [CHI-
AgNWs-Glucosa]BDD se deberiacutea de completar la investigacioacuten llevando a cabo
el mismo estudio que el que se ha efectuado para el sensor de lactosa
62 Trabajo futuro
En relacioacuten con el trabajo futuro relativo al desarrollo de sensores basados en
la tecnologiacutea de impresioacuten molecular se podriacutean llevar a cabo las siguientes
investigaciones
bull En lo referente al estudio de la morfologiacutea de los sensores se propone
llevar a cabo un estudio basado en AFM con el fin de caracterizar la
plantilla polimeacuterica formada
bull Mejorar el proceso de elaboracioacuten de la moleacutecula plantilla depositada
sobre la superficie del electrodo con el fin de mejorar la reproducibilidad
del sensor MIP
bull Llevar a cabo nuevas teacutecnicas de inmovilizacioacuten de los nanohilos de
plata en la peliacutecula de chitosaacuten para conseguir una mejor
reproducibilidad y repetitividad de los sensores nanoestructurados
bull Realizar un estudio del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
frente a otras moleacuteculas interferentes para comprobar la selectividad de
los sensores basados en la impresioacuten molecular
bull Llevar a cabo la construccioacuten de una lengua electroacutenica que consista en
un sistema multisensor basado en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
para la identificacioacuten simultanea de diferentes tipos de azuacutecares Con
156
la lengua electroacutenica se pueden llevar a cabo anaacutelisis en medios
complejos como en la leche zumos yogures batidos etc Lo que resulta
de especial intereacutes en la industria laacutectea
157
Capiacutetulo VII
Bibliografiacutea
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Resumen
Se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en poliacutemeros de
impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
Eacutestos se sintetizaron mediante la electropolimerizacioacuten de una peliacutecula
compuesta por un biopoliacutemero de intereacutes chitosaacuten modificada con nanohilos
de plata (AgNWs) sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD) en
presencia de la moleacutecula plantilla Utilizando voltametriacutea ciacuteclica (CV) su
funcionamiento se comparoacute con otros sensores NIP obtenidos bajo las
mismas condiciones sin la moleacutecula plantilla
Primero se sintetizaron AgNWs de tamantildeo homogeacuteneo a traveacutes del meacutetodo
poliol Ademaacutes se caracterizaron mediante espectroscopiacutea UV-VIS DRX y AFM
Posteriormente se analizoacute la configuracioacuten oacuteptima del sensor frente a lactosa
Se evaluoacute su repetitividad reproducibilidad y sensibilidad donde se comproboacute
una posible saturacioacuten en lactosa 10minus3119872
Finalmente se sintetizaron sensores para la deteccioacuten de glucosa y galactosa
mediante CV pero como no mostraron un buen funcionamiento es necesario
continuar investigando
Palabras clave
Sensores electroquiacutemicos MIP AgNWs chitosaacuten leche
Abstract
In this piece of work electrochemical sensors based on molecular imprinted
polymers (MIP) have been developed for the detection of lactose glucose and
galactose All of these were synthesized through the electropolymerization of a
coating composed of a biopolymer of interest chitosan modified with silver
nanowires (AgNWs) on a boron-doped diamond electrode (BDD) in the
presence of the template molecule Using cyclic voltametry (CV) its
performance was compared to other sensors NIP obtained under the same
conditions without the template molecule
Firstly AgNWs of homogeneous size were synthesized through the polyol
method In addition AgNWs were characterized by spectroscopy UV-VIS XRD
and AFM
Secondly the optimal configuration of the sensor was analyzed against lactose
For which it was studied its repeatability reproducibility and sensitivity where
a possible sensor saturation was checked at concentration of lactose in
solution 10 -3 M
Finally sensors were synthesized for the detection of glucose and galactose by
CV but as they did not show a good performance further optimization is
needed
Keywords
Electrochemical sensors MIP AgNWs chitosan milk
Iacutendice
1 Introduccioacuten y objetivos 3
11 Introduccioacuten 3
12 Objetivos 4
2 Fundamento teoacuterico 8
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y Nanotecnologiacutea 8
211 La nanociencia en la industria alimentaria Nanosensores 8
22 La industria laacutectea Materia prima leche 10
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche 12
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche 12
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas 13
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche 16
23 Sensores utilizados 29
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores 29
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular (MIP) 32
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 36
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 38
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo 42
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico 44
241 Electrodos BDD 45
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD 46
25 Sensores basados en nanomateriales 47
251 Los nanohilos de plata (AgNWs) 48
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs 49
2521 Siacutentesis de AgNWs 51
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs 56
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas 67
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos 73
2611 Voltametriacutea ciacuteclica 74
2612 Cronoamperometriacutea 79
27 Chitosaacuten o quitosano 84
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados 87
3 Reactivos materiales y equipos 91
31 Reactivos 91
32 Materiales 92
33 Equipos 92
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental 96
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados 96
411 Preparacioacuten de las disoluciones 96
412 Procedimiento experimental 99
4121 preparacioacuten de los AgNWs 99
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro (BDD) 101
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP 102
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs 105
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico 107
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP 107
4122 voltametriacutea ciacuteclica 109
5 Resultados experimentales y discusioacuten de resultados 115
51 Caracterizacioacuten de AgNWs 115
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-VIS) 115
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM) 116
513 Difraccioacuten de rayos-X 117
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD 118
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa 137
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a lactosa 139
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa 141
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa 142
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs- Glucosa]BDD 143
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD 146
6 Conclusiones y trabajo futuro 152
61 Conclusiones 152
62 Trabajo futuro 155
7 Bibliografiacutea 159
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 REACCIOacuteN ENZIMAacuteTICA DE LA LACTOSA PARA FORMAR GLUCOSA Y GALACTOSA 20
FIGURA 2 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DE LA CASEIacuteNA 25
FIGURA 3 ESTRUCTURA DE UN SENSOR 30
FIGURA 4 MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS (ROJO) MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE
TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS EMPLEADOS EN LA DETECCIOacuteN DE AZUacuteCARES (ROSA) PUBLICACIONES
CORRESPONDIENTES AL PERIODO 1999-2019 OBTENIDAS DE LA BASE DE DATOS SCOPUS (ELSEVIER) 37
FIGURA 5 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-MOLEacuteCULA PLANTILLA]BDD EN UNA CELDA
ELECTROLIacuteTICA CON UNA CONFIGURACIOacuteN DE TRES ELECTRODOS (ELECTRODO DE TRABAJO CONTRAELECTRODO Y
ELECTRODO DE REFERENCIA) DONDE SE REPRESENTA LA DEPOSICIOacuteN DE LA SOLUCIOacuteN A TRAVEacuteS DE
ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN POR CRONOAMPEROMETRIacuteA SOBRE UN ELECTRODO DE DIAMANTE DOPADO CON BORO
(BDD) 40
FIGURA 6 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP DONDE SE MUESTRA EL PROCESO DE POLIMERIZACIOacuteN Y A
CONTINUACIOacuteN UN SENSOR MIP DONDE SE HA LLEVADO A CABO EL PROCESO DE ELUCIOacuteN DE LA MOLEacuteCULA
PLANTILLA 42
FIGURA 7 REACCIOacuteN SIMPLIFICADA DEL PROCESO DE ENTRECRUZAMIENTO DEL CHITOSAacuteN CON GLUTARALDEHIacuteDO 43
FIGURA 8 ESTRUCTURA GENEacuteRICAS DE UNA BASE DE SHIFFacuteS CON TRES RADICALES R1 R2 Y R3 43
FIGURA 9 DIAMANTE DOPADO CON BORO SE REPRESENTAN LOS HUECOS INTRODUCIDOS POR EL BORO 45
FIGURA 10 PROCESO DE CRECIMIENTO DE LOS AGNWS 53
FIGURA 11 REPRESENTACIOacuteN DE LOS PLANOS CRISTALOGRAacuteFICOS [111] Y [100] DE UNA ldquoNANOBARRArdquo 53
FIGURA 12 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MICROSCOPIO DE FUERZA ATOacuteMICA 57
FIGURA 13 ESPECTRO ELECTROMAGNEacuteTICO CORRESPONDIENTE A LAS LONGITUDES DE ONDA DE LA REGIOacuteN UV-VIS
62
FIGURA 14 ORBITAL MOLECULAR DE LA BANDA DE VALENCIA Y TRANSICIONES ELECTROacuteNICAS 63
FIGURA 15 A RECTA DE LA ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER Y B REPRESENTACIOacuteN DE LAS DESVIACIONES DE LA
LEY DE LAMBERT- BEE 65
FIGURA 16 ESQUEMA DE UNA CELDA ELECTROLIacuteTICA CONECTADA A UN POTENCIOSTATO QUE PRESENTA UN SISTEMA
DE TRES ELECTRODOS ELECTRODO AUXILIAR ELECTRODO DE REFERENCIA Y ELECTRODO DE TRABAJO 71
FIGURA 17 VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA SENtildeAL DE EXCITACIOacuteN TRIANGULAR 74
FIGURA 18 VOLTAMOGRAMA CIacuteCLICO INTENSIDAD FRENTE A POTENCIAL DEL ANALITO DE INTEREacuteS 75
FIGURA 19 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN TRANSITORIO 80
FIGURA 20 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN ESTACIONARIO 82
FIGURA 21 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO DE LA ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN DE UN POLIacuteMERO 83
FIGURA 22 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN ldquoXrdquo UNIDADES REPETIDAS DE 2-AMINO-2-DESOXI-BETA-D-
GLUCOPIRANOSA Y UNIDADES REPETIDAS DE 2-ACETILAMINA-2-DESOXI-BETA-D-GLUCOPIRANOSA 85
FIGURA 23 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN DONDE SE MUESTRAN LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO ENTRE LOS
GRUPOS ACETILO E HIDROXILO Y EL GRUPO AMINO E HIDROXILO 86
FIGURA 24 EQUIPO EMPLEADO EN LA SIacuteNTESIS DE AGNWS 100
FIGURA 25 EN LA PARTE SUPERIOR DE LA FIGURA Y LEYENDO DE IZQUIERDA A DERECHA SE MUESTRAN LAS ETAPAS DEL
PROCESO FINAL DE OBTENCIOacuteN DE AGNWS 1) Y 2) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA TRAS UN TIEMPO DE REACCIOacuteN DE
1H EN LA QUE HAY UNA MEZCLA DE AGNPS Y AGNWS 3) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA DILUIDA CON ETANOL 4)
PRIMERA CENTRIFUGACIOacuteN DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE Y LOS AGNWS 5) 2ordf
CENTRIFUGACIOacuteN DE AGNWS DILUIDOS EN ETANOL DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE
Y LOS AGNWS 6) AGNWS DILUIDOS EN ETANOL ANTES DE LLEVAR A CABO LA UacuteLTIMA ETAPA DE LA
CENTRIFUGACIOacuteN 7) AGNWS OBTENIDOS DE LA UacuteLTIMA ETAPA DE CENTRIFUGACIOacuteN DONDE EL SOBRENADANTE
HA SIDO ELIMINADO 101
FIGURA 26 ELECTRODOS DE DIAMANTE DOPADO CON BORO (BDD) 102
FIGURA 27 ESPECTROFOTOacuteMETRO EMPLEADO PARA CARACTERIZAR LOS AGNWS 106
FIGURA 28 EQUIPO DE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA MOLECULAR 107
FIGURA 29 POTENCIOSTATO UTILIZADO PARA EL ESTUDIO ELECTROQUIacuteMICO DE LOS SENSORES MIP Y NIP 107
FIGURA 30 ESQUEMA DE TRABAJO PARA LLEVAR A CABO CRONOAMPEROMETRIacuteA INCLUYENDO EL SISTEMA DE
AGITACIOacuteN 109
FIGURA 31 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE LACTOSA Y GLUCOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 110
FIGURA 32 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE GALACTOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 111
FIGURA 33 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MIP [CHI-AGNWS-AZUacuteCAR]BDD FRENTE A LA DETECCIOacuteN DEL
AZUacuteCAR DE INTEREacuteS 111
FIGURA 34 ESPECTROSCOPIacuteA UV-VIS DEL PRODUCTO OBTENIDO DE LA SIacuteNTESIS DE AGNWS SIN LAVAR (ROJO)
AGNWS PURIFICADOS (AZUL) Y SOBRENADANTE (NEGRO) 116
FIGURA 35 FOTOGRAFIacuteA OBTENIDA MEDIANTE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA (AFM) DE UNA MUESTRA DE
AGNWS DEPOSITADA SOBRE UN ELECTRODO BDD 117
FIGURA 36 PATROacuteN DE DIFRACCIOacuteN DE RAYOS-X DE LOS AGNWS 118
FIGURA 37 ELECTRODEPOSICIOacuteN POR VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD 120
FIGURA 38 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 121
FIGURA 39 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP
DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M
EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 123
FIGURA 40 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML 124
FIGURA 41 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 125
FIGURA 42 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y UN B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 5 MGML 127
FIGURA 43 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES OBTENIDOS EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN 128
FIGURA 44 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE
10 MGML 130
FIGURA 45 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 132
FIGURA 46 INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO AG2+ DE LOS SENSORES MIP (NEGRO) NIP (ROJO) INMERSOS EN UNA
SOLUCIOacuteN DE LACTOSA EN PBP DE CONCENTRACIOacuteN 001 M Y PH 74 SE REPRESENTA UN AUMENTO DE LA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS EN LA PELIacuteCULA DE CHITOSAacuteN (0 5 10 MGML) 133
FIGURA 47 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 10 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 10
MGML Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES
MIP NIP CORRESPONDIENTES 135
FIGURA 48 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74)
(NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA CON KCL (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE
LACTOSA 10-4 M EN PBP (001M PH 74) B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74) (NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA
CON AGUA DESIONIZADA MILLI Q (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP (001M PH 74)
137
FIGURA 49 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DESPUEacuteS DE LA ELUCIOacuteN
(ROJO) EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10 minus 4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M (AZUL)
RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN ELECTRODO BDD BLANCO EN LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (ROSA) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS 139
FIGURA 50 ESTUDIO DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) POSTERIORMENTE EN UN DISOLUCIOacuteN
DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 4 119872 (ROJO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M Y
FINALMENTE EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 3M (AZUL) EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M A1) Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
RESPECTIVAMENTE 140
FIGURA 51 RECTAS DE LA INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO (AG2+) DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD (NEGRO) Y NIP [ CHI-AGNWS]BDD (ROJO) EN PBP (001 M Y PH 74) PARA UN
INCREMENTO DE LA CONCENTRACIOacuteN DE LACTOSA EN LA SOLUCIOacuteN (0 01 Y 1 MM) 141
FIGURA 52 REPRODUCIBILIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN LACTOSA 10-4M EN PBP 74 Y CONCENTRACIOacuteN
001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1) Y B1) DETALLES DE LOS
PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 53 REPETITIVIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH
74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1)
Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 54 CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD
AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 144
FIGURA 55 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML SENSOR NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON
UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 145
FIGURA 56 A) CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 147
FIGURA 57 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 148
Iacutendice de tablas
TABLA 1 POTENCIAL (MV) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN SENSOR MIP
[CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN
DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 2 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN
AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 3 CV () DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS] CON 5 MGML DE
AGNWS 0BTENIDOS CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 130
TABLA 4 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS CON UNA CONCENTRACIOacuteN
DE AGNWS 5 Y 10 MGML 133
TABLA 5 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD MIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP
[CHI-AGNWS]BDD NIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 10 MGML 136
TABLA 6 ESTUDIO DE LA REPETITIVIDAD A TRAVEacuteS DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) DE UN SENSOR MIP [CHI-
AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML
143
Iacutendice de ecuaciones
ECUACIOacuteN 1 CAacuteLCULO DE LA DENSIDAD 14
ECUACIOacuteN 2 LEY DE SNELL 16
ECUACIOacuteN 3 CAacuteLCULO DEL CONTENIDO DE SOacuteLIDOS () A PARTIR DEL PESO DE LA LECHE ANTES Y DESPUEacuteS DE LA
DESECACIOacuteN 17
ECUACIOacuteN 4 ECUACIOacuteN DE RICHMOND 17
ECUACIOacuteN 5 LEY DE PLANCK 60
ECUACIOacuteN 6 LEY DE LA TRANSMITANCIA 61
ECUACIOacuteN 7 CAacuteLCULO DE LA ABSORBANCIA 61
ECUACIOacuteN 8 ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER 64
ECUACIOacuteN 9 LEY DE BRAGG 66
ECUACIOacuteN 10 ECUACIOacuteN DE NERST 68
ECUACIOacuteN 11 ECUACIOacuteN DEL POTENCIAL RESULTANTE DE UNA CELDA ELECTROQUIacuteMICA 68
ECUACIOacuteN 12 REACCIOacuteN QUIacuteMICA GENERAL DE UN PROCESO DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN 69
ECUACIOacuteN 13 ECUACIOacuteN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO TERMODINAacuteMICA 69
ECUACIOacuteN 14 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS 69
ECUACIOacuteN 15 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS RELACIONADA CON LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
TERMODINAacuteMICA 70
ECUACIOacuteN 16 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO SCE 72
ECUACIOacuteN 17 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO AGAGCL 72
ECUACIOacuteN 18 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 19 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO ANOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 20 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE MEDIA ONDA PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 21 LEY DE RANDLES SEYCIK PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 22 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 23 LEY DE RANDLES-SEVCIK PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 24 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 25 POTENCIAL PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 26 LEY DE DIFUSIOacuteN DE FICK 79
ECUACIOacuteN 27 ECUACIOacuteN DE COTTRELL 81
ECUACIOacuteN 28 ECUACIOacuteN DE LEVICH 81
ECUACIOacuteN 29 CAacuteLCULO DEL ESPESOR DE UNA PELIacuteCULA POLIMEacuteRICA A PARTIR DE LA 1ordf LEY DE FARADAY 83
ECUACIOacuteN 30 ECUACIOacuteN DE HENDERSON-HASSELBACH 97
ECUACIOacuteN 31 CAacuteLCULO DEL COEFICIENTE DE VARIACIOacuteN (CV) O (RSD) 120
ECUACIOacuteN 32 CAacuteLCULO DEL LIacuteMITE DE DETECCIOacuteN 154
1
Capiacutetulo I
Introduccioacuten y objetivos
2
3
1 Introduccioacuten y objetivos
11 Introduccioacuten
La industria de la alimentacioacuten forma parte del sector de produccioacuten industrial
cuyo principal objetivo es transformar conservar y proporcionar productos
destinados al consumo humano Los procesos de transformacioacuten y elaboracioacuten
de alimentos tienen como objeto cumplir con los haacutebitos de alimentacioacuten de
las personas asiacute como alargar la vida uacutetil del producto conservando sus
propiedades organoleacutepticas [1]
De acuerdo con los datos publicados por el Ministerio de Agricultura Pesca y
Alimentacioacuten la industria de la alimentacioacuten da empleo a cerca de 5 millones
de personas dentro de la UE generando un total de 110900 Meuro Espantildea
ocupa el 4ordm puesto en la generacioacuten de negocios (87 ) quedando por detraacutes
de Francia (162) Alemania (154) e Italia (12) [2]
En Espantildea este sector constituye un importante motor dentro de la economiacutea
ya que representa el 16 del total de la industria del paiacutes Hay 29196
empresas que dan empleo a cerca de 450000 miles de personas lo que
supone el 202 del empleo industrial dentro del paiacutes [2]
Castilla y Leoacuten es la 3ordf Comunidad Autoacutenoma por detraacutes de Cataluntildea y
Andaluciacutea que genera maacutes produccioacuten dentro del sector con una cifra de
10133 Meuro [2] Valladolid Burgos y Leoacuten representan el 60 de las
exportaciones dentro del sector agroalimentario destacando subsectores
como la industria laacutectea la industria caacuternica industria de vinos y bebidas
azuacutecar y derivados pan y galletas [3]
En cuanto al sector laacutecteo seguacuten los datos proporcionados por el ministerio de
agricultura pesca y alimentacioacuten la comunidad de Castilla y Leoacuten alcanzoacute en
el antildeo 2017 una produccioacuten de 1169 millones de litros de leche ademaacutes es
la primera regioacuten productora de la leche de oveja en Espantildea [4][5]
La industria alimentaria estaacute en constante crecimiento y desarrollo con el fin
de adaptarse a sus cambios e innovaciones se hace necesaria la introduccioacuten
de recursos tecnoloacutegicos es por ello por lo que actualmente se encuentra en
la denominada 4ordf revolucioacuten industrial industria inteligente o industria 40 La
industria 40 es capaz de mejorar la calidad eficiencia y competitividad entre
diferentes sectores Dentro de la industria alimentaria el sector
agroalimentario es el maacutes involucrado puesto que busca la automatizacioacuten y
4
digitalizacioacuten de los procesos industriales para mejorar su eficiencia y
productividad y asiacute cumplir con la demanda del mercado [6] Ademaacutes la
industria alimentaria debe garantizar el suministro de productos seguros que
no comprometan la salud de las personas debido a ello se adoptan medidas
que aseguren el buen estado de los alimentos por ello como en el resto de
sectores el sector laacutecteo se encuentra sometido a una normativa estricta [7]
La industria 40 posibilita llevar a cabo un control y automatizacioacuten de todo el
proceso productivo para alcanzarlo cuenta con unos pilares fundamentales
entre los que cabe destacar el empleo de la nanotecnologiacutea Adaptaacutendose a los
cambios que posibilita esta revolucioacuten industrial y con objeto de aplicar la
industria 40 mediante la introduccioacuten de sensores basados en nanomateriales
surgen equipos de investigacioacuten relacionados con este campo
En Valladolid se encuentra el grupo UvaSens dirigido por la catedraacutetica Mariacutea
Luz Rodriacuteguez Meacutendez del departamento de Quiacutemica Fiacutesica y Quiacutemica
inorgaacutenica UvaSens nacioacute en 1962 y actualmente se encuentra asentado en
la escuela de Ingenieriacuteas Industriales de la Universidad de Valladolid Estaacute
integrado por un grupo multidisciplinar con quiacutemicos fiacutesicos e ingenieros El
grupo surge con el objeto de elaborar sensores y redes de sensores que sean
fiables reproducibles y que faciliten las tareas de control de calidad en
alimentacioacuten y bebidas Actualmente el grupo trabaja en dos liacuteneas de
investigacioacuten [8][9]
La primera estaacute dirigida al desarrollo de sensores y biosensores
nanoestructurados utilizando teacutecnicas como Layer by layer Langmuir-Blodgett
spin coating o teacutecnicas electroquiacutemicas [8] En cuanto a la segunda liacutenea de
investigacioacuten el equipo se dedica a la elaboracioacuten de sistemas multisensor
denominados lenguas electroacutenicas y narices electroacutenicas cuyo fundamento es
imitar el sentido del gusto y del olfato respectivamente [10][11] Los sensores
y biosensores desarrollados por el grupo UvaSens son de especial intereacutes en la
industria alimentaria ya que se dedican principalmente al estudio del vino [12]
la cerveza [13] y la leche [14]
Este trabajo se centra en el desarrollo de sensores electroquiacutemicos en los que
se incorporan nanoestructuras metaacutelicas para detectar azuacutecares de intereacutes en
la industria alimentaria que pueden encontrarse en bebidas como la leche
zumos batidos etc
12 Objetivos
5
El objetivo principal del presente trabajo ha sido desarrollar sensores
voltameacutetricos basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular MIPs para la
deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa utilizando nanohilos de plata
(AgNWs) Para conseguirlo se han persigo una serie de objetivos secundarios
como son
1 La optimizacioacuten de la siacutentesis de AgNWs a traveacutes del meacutetodo poliol y su
caracterizacioacuten mediante espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X
(DRX) y microscopiacutea de fuerza atoacutemica molecular (AFM)
2 La obtencioacuten de MIPs a traveacutes de meacutetodos electroquiacutemicos mediante la
deposicioacuten de una peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten modificada con
AgNWs en presencia de la moleacutecula plantilla de intereacutes
3 El estudio de la especificidad introducida por la plantilla polimeacuterica en
los sensores MIPs llevando a cabo su comparacioacuten con sensores
preparados en las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula
plantilla denominados NIPs
4 La determinacioacuten del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
MIPs por medio de teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea ciacuteclica
para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
5 La optimizacioacuten de los sensores MIPs frente a la deteccioacuten de lactosa
para ello se ha realizado la modificacioacuten de distintos paraacutemetros en el
desarrollo del sensor y de medida como son el meacutetodo de
electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la
obtencioacuten de los sensores MIP o NIP desarrollo de los sensores en
presencia de agitacioacuten o sin ella concentracioacuten de AgNWs el uso de
glutaraldehiacutedo como agente reticulante y el empleo de distintos
eluyentes de la moleacutecula plantilla
6
Capiacutetulo II
Desarrollo del TFG
7
8
2 Fundamento teoacuterico
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y
Nanotecnologiacutea
La nanociencia es una rama de la ciencia en la que convergen conocimientos
de la fiacutesica quiacutemica ingenieriacutea biologiacutea entre otros Se define como la
tecnologiacutea encargada del disentildeo y manejo de la materia a nivel de aacutetomos o
moleacuteculas para la fabricacioacuten de productos a nano-escala [10]
La nanotecnologiacutea implica controlar y comprender la materia a escala
nanomeacutetrica por lo que se basa en el estudio de nanomateriales de tamantildeo
entre 1 y 100 nanoacutemetros Su intereacutes radica en que las sustancias a esta
escala presentan propiedades fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas diferentes a las
que tienen los materiales a escala macroscoacutepica Una de sus caracteriacutesticas
maacutes interesantes es que su tamantildeo y aacuterea de superficie de tamantildeo
nanomeacutetrico les confieren una mayor estabilidad reactividad quiacutemica y
bioloacutegica haciendo posible el desarrollo de nuevos materiales con muacuteltiples
aplicaciones en diferentes sectores como en la fabricacioacuten de sensores [10]
El teacutermino ldquonanotecnologiacuteardquo fue utilizado por primera vez en 1974 por Norio
Tanigushi pero no fue hasta la deacutecada de 1980 con el desarrollo del
microscopio de Tuacutenel de Barrido (STM) cuando la nanotecnologiacutea comenzoacute a
abrirse camino entre los investigadores hasta la actualidad A lo largo del SXX
han tenido lugar acontecimientos que han marcado el mundo de la
nanotecnologiacutea como el descubrimiento de los fullerenos (1985) o de los
nanotubos de carbono (1991) [15] La nanotecnologiacutea ha seguido
evolucionando a lo largo del SXXI donde se han desarrollado nanomateriales
interesantes como los AgNWs que resultan de especial intereacutes en la
elaboracioacuten de sensores por sus excelentes propiedades oacutepticas y eleacutectricas
los primeros estudios acerca de estos nanomateriales datan en el antildeo 2006
[16] [17]
En la actualidad la nanotecnologiacutea encabeza una revolucioacuten tecnoloacutegica que
forma parte de muacuteltiples sectores Actualmente se trabaja en diversos campos
como el anaacutelisis sensorial electroacutenica comunicacioacuten produccioacuten de energiacutea
medicina e industria de los alimentos [18]
211 La nanociencia en la industria alimentaria
Nanosensores
9
En la industria alimentaria la nanotecnologiacutea se abre camino asegurando la
inocuidad y calidad de los alimentos aunque su incorporacioacuten en este sector
resulta algo tardiacutea debido al rechazo por parte de la poblacioacuten a la inclusioacuten de
nanomateriales por miedo a que provoquen efectos adversos en el organismo
[18]
A pesar de ello la nanotecnologiacutea representa un claro sector con un enorme
potencial en la industria alimentaria donde se encuentra en pleno desarrollo
Las cuatro vertientes en los que se divide son [18]
bull La necesidad de mejorar y simplificar la produccioacuten primaria y el
procesado de alimentos
Desarrollo de sensores inteligentes
Incorporacioacuten de nuevos pesticidas
Refuerzo de la alimentacioacuten animal
Produccioacuten de antiaglomerantes y nanoencapsulacioacuten de
sabores
bull Garantizar la inocuidad Seguridad alimentaria
Diagnoacutestico y deteccioacuten de la presencia de contaminantes
bull Embalaje de los alimentos
Antimicrobiales
bull Nutricioacuten
Fabricacioacuten de nanoemulsiones que mejoran la distribucioacuten de
los ingredientes farmaceacuteuticos activos [19]
Adicionalmente con el fin de proporcionar alimentos y bebidas que no
comprometan la salud del consumidor se debe asegurar la deteccioacuten de
sustancias en concentraciones extremadamente pequentildeas Por ello es
interesante la implementacioacuten de la nanotecnologiacutea en este aacutembito ya que
posibilita llevar a cabo detecciones maacutes precisas mediante el empleo de
nanosensores y la incorporacioacuten de nanocompuestos Con estas innovaciones
se consigue incrementar la sensibilidad selectividad y la relacioacuten
10
aacutereavolumen de los sensores permitiendo realizar anaacutelisis maacutes precisos y
exactos [18]
22 La industria laacutectea Materia prima leche
La industria laacutectea es un sector cuya materia prima principal es la leche este
sector produce anualmente cerca de 76 millones de toneladas de productos
laacutecteos La mayoriacutea de leche que se produce en Espantildea es de origen vacuno
(88) quedando por detraacutes la leche de oveja cabra y de otros animales
productores de leche [20] La comercializacioacuten de la leche puede llevarse a
cabo en diferentes formas leche liacutequida leche evaporada o concentrada leche
condensada y leche en polvo [21]
La leche se considera un producto baacutesico en la alimentacioacuten desde la
antiguumledad ya que se obtiene de manera natural y constituye un alimento
completo rico en proteiacutenas vitaminas grasas minerales entre otros
componentes Se define como un ldquoproducto iacutentegro y fresco de la ordentildea de
vacas sanas bien alimentadas y en reposo exenta de calostro y que cumple
con las caracteriacutesticas fiacutesicas y microbioloacutegicas establecidasrdquo [22] [23]
La leche es un producto muy complejo susceptible a que en eacutel se produzcan
importantes cambios que afecten a su calidad Por ello se establecen una serie
de factores que determinan su variabilidad alterabilidad y complejidad [22]
bull Variabilidad
La leche es un producto natural de origen bioloacutegico por lo que su composicioacuten
y propiedades fiacutesico - quiacutemicas vendraacuten determinados por
Raza y especie la leche entre diferentes especies (vaca oveja
cabra etc) presenta importantes diferencias respecto al contenido
de extracto seco materia grasa carbohidratos etc [22]
Por otro lado dentro de la misma raza tambieacuten surgen importantes
diferencias debidas al contenido proteico y tamantildeo de los gloacutebulos
lipiacutedicos [23]
Factores fisioloacutegicos el momento de extraccioacuten y el nuacutemero de
lactaciones afectan enormemente a la composicioacuten quiacutemica de la
leche teniendo en cuenta que los primeros diacuteas de lactancia se
11
obtiene calostro de composicioacuten quiacutemica muy distinta a la leche [22]
[23]
Alimentacioacuten la calidad de los productos utilizados en la
alimentacioacuten del animal puede afectar a su valor nutritivo [22]
Patologiacuteas los animales pueden presentar enfermedades como la
mastitis que alteran el sabor de la leche haciendo que eacutesta
adquiera un gusto salado [24]
Tratamientos el calentamiento es uno de los tratamientos teacutermicos
maacutes importantes que se llevan a cabo en la leche ya que para
garantizar su calidad higieacutenica es necesario eliminar el agua Sin
embargo estos tratamientos pueden producir efectos negativos
sobre la composicioacuten y propiedades de la leche Por ejemplo un
excesivo calor provoca la precipitacioacuten de proteiacutenas solubles de la
caseiacutena aumento de la acidez reduccioacuten de calcio etc [22]
bull Alterabilidad
La leche es un producto faacutecilmente alterable ya que en eacutel se pueden producir
importantes cambios que afecten a sus buenas propiedades o a su calidad Los
principales cambios que pueden tener lugar en la leche se describen a
continuacioacuten
Durante el ordentildeo del animal se pueden provocar cambios fiacutesicos estos tienen
lugar si se lleva a cabo un ordentildeo inadecuado haciendo que entre en la ubre
aire lo cual ocasiona la incorporacioacuten de oxiacutegeno y nitroacutegeno Otros cambios
fiacutesicos importantes que se pueden producir se deben al efecto de la
temperatura Por ejemplo temperaturas demasiado bajas provocan la
cristalizacioacuten de la materia grasa dando lugar a cambios en la textura de la
leche [22]
Debido a su riqueza nutricional la leche es un producto susceptible a que se
desarrollen microorganismos despueacutes de los procesos de tratamiento los
cambios microbioloacutegicos maacutes frecuentes se deben al desarrollo de bacterias
laacutecticas que llevan a cabo los procesos de fermentacioacuten de la lactosa Con la
fermentacioacuten la lactosa se transforma en aacutecido laacutectico lo que provoca un
aumento de la acidez en la leche ademaacutes se producen compuestos volaacutetiles
aportando olores desagradables [22]
En cuanto a los cambios quiacutemicos la luz puede ejercer un efecto catalizador
dando lugar a reacciones de oxidacioacuten indeseables un ejemplo es la oxidacioacuten
12
del α-tocoferol o de la vitamina E (un antioxidante natural de la grasa) y de los
carotenos [22] [26] Los cambios quiacutemicos tambieacuten pueden ser debidos a la
accioacuten de enzimas [22]
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche
Los productores de leche deben asegurar una entrega de producto con
ausencia de alteraciones defectos o posibles contaminantes Para ello se
realizan una serie de pruebas tanto de control de calidad como sanitario y asiacute
asegurar el suministro de leche que no afecte negativamente a la salud del
consumidor [27]
El control de calidad generalmente se lleva a cabo mediante la evaluacioacuten de
las propiedades fiacutesico - quiacutemicas microbioloacutegicas y sensoriales de las muestras
de leche con pruebas y controles como son
bull Pruebas realizadas en planta control de temperatura caracteres
organoleacutepticos lactofiltracioacuten (informa sobre la presencia de
contaminantes a causa de la falta de limpieza durante la produccioacuten de
la leche) y control de peso especiacutefico (el peso especiacutefico variacutea con la
composicioacuten quiacutemica de la leche por lo que se emplea para detectar
posibles casos de adulteracioacuten) [27]
bull Pruebas realizadas en el laboratorio prueba de acidez pH reduccioacuten
de colorantes etc [27]
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche
Fiacutesicamente la leche se define como un compuesto liacutequido opaco de color
blanco y con el doble de viscosidad que el agua [23]
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche contribuyen a ofrecer una
primera percepcioacuten de la calidad del producto y son aquellas caracteriacutesticas
que se pueden distinguir a traveacutes de nuestros sentidos Un color inusual
advierte sobre la presencia de microorganismos un aroma desagradable
podriacutea indicar la presencia de bacterias debido a que la leche ha estado en
contacto con utensilios sucios o a que se ha almacenado inadecuadamente
[27] Otro factor fundamental que determina la calidad de la leche es la
alimentacioacuten del animal ademaacutes el tipo de terreno pienso y pasto determinan
los nutrientes de la leche y por tanto tambieacuten su calidad [23]
13
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche son [27]
bull Textura la viscosidad es un factor que determina la textura de la leche
la leche liacutequida tiene una viscosidad de aproximadamente 2 ∙ 10minus3119875119886 ∙
119904 su valor depende de la presencia de microorganismos capaces de
producir polisacaacuteridos y de su contenido en materia grasa y proteiacutenas
[27] [28]
bull Color el color natural de la leche es el blanco este color es el resultado
del fenoacutemeno oacuteptico de refraccioacuten que se produce cuando un haz de luz
incide sobre las partiacuteculas coloidales que hay en ella [22]
Los coloides estaacuten presentes en la materia grasa cuando la leche es
semidesnatada presenta un color azulado y cuando es rica en grasa el
color es gris amarillento La percepcioacuten de otras tonalidades (rosado
amarillo o azul) se debe a la contaminacioacuten o al crecimiento de
microorganismos en la leche [27]
bull Sabor la leche en buen estado presenta un sabor ligeramente dulce por
la presencia de azuacutecares como la lactosa Otros sabores informan sobre
el mal estado del producto Por ejemplo el sabor aacutecido se produce por
la presencia del aacutecido laacutectico el sabor salado se debe a la presencia de
cloruros procedentes del uacuteltimo periodo de lactancia del animal [27]
bull Aroma la leche presenta un olor caracteriacutestico debido a la presencia de
compuestos orgaacutenicos volaacutetiles de bajo peso molecular como
aldehiacutedos cetonas aacutecidos entre otros [27]
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas
La leche tiene una estructura fiacutesica compleja ya que en ella se encuentran tres
estados de agregacioacuten de la materia [23]
bull Emulsioacuten en la leche se encuentra la materia grasa en forma de
gloacutebulos los cuales se encuentran en emulsioacuten en el seno de un liacutequido
acuoso a este conjunto se le denomina suero
bull Dispersioacuten coloidal una dispersioacuten coloidal estaacute formada por partiacuteculas
soacutelidas no disueltas en una fase dispersante (el agua) En esta fase
principalmente se encuentran las micelas de caseiacutena
14
Cuando las partiacuteculas soacutelidas presentan gran afinidad por el agua se
forma una disolucioacuten coloidal dentro de esta fase se encuentran las
proteiacutenas del suero
bull Disolucioacuten verdadera formada principalmente por lactosa y minerales
A continuacioacuten se describen las propiedades fiacutesicas de la leche
bull Densidad la densidad de la leche depende del contenido total de
algunos de sus componentes como agua proteiacutenas minerales lactosa
y soacutelidos no grasos a una determinada temperatura A 15ordmC la densidad
de la leche variacutea entre un valor de 1027 gmL y 1040 gmL [23]
La densidad se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten [22]
[28]
1
120588= (
119898119909
120588119909 )
(1)
Ecuacioacuten 1 Caacutelculo de la densidad
Donde 120588119909 es la densidad de cada componente 119898119909 es la masa de cada
componente y 120588 es la densidad total
La densidad es un buen indicador de posibles alteraciones que haya
podido sufrir la leche ya que disminuye al antildeadir agua grasa y con el
aumento de la temperatura [28]
bull Acidez la acidez de la leche es funcioacuten de la acidez actual (pH) y de la
titulable La acidez actual depende de la concentracioacuten de iones
hidroacutegeno libres H+ y la acidez titulable se corresponde con la acidez de
los componentes que por medio de la titulacioacuten liberan iones H+ al
medio [29]
La acidez total de la leche de vaca variacutea entre un 014-018 y depende
principalmente de la acidez de la caseiacutena sales minerales aacutecidos
orgaacutenicos reacciones secundarias debidas a los grupos fosfatos y de la
presencia de aacutecido laacutectico liberado por la actividad microbiana [29]
15
bull pH el pH de la leche representa la acidez actual y se mide con la
concentracioacuten de iones H+ libres [29] La leche generalmente presenta
un valor de pH ligeramente aacutecido entre 65 y 69 valores inferiores o
superiores no son normales e indicariacutean un posible caso de adulteracioacuten
[29] Ademaacutes el pH es un factor que se ve muy afectado por la
temperatura disminuyendo su valor con el aumento de eacutesta debido a la
insolubilidad del fosfato [29]
bull Viscosidad se refiere a la resistencia de un liacutequido a fluir en la leche
depende del contenido total en materia grasa de las proteiacutenas de la
temperatura y en menor grado del estado fiacutesico de las sustancias
disueltas en ella A temperatura ambiente la leche presenta una
viscosidad entre un valor de 15 10-3 Pa∙s y 2 ∙ 10minus3 Pa∙s [24]
La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura es decir
con el aumento de la temperatura la viscosidad disminuye Ademaacutes
tambieacuten depende de la composicioacuten quiacutemica de la leche siendo la leche
entera maacutes viscosa que la leche desnatada [22]
bull Calor especiacutefico se define como las caloriacuteas necesarias para elevar en
un grado centiacutegrado un gramo de leche El valor tiacutepico del calor
especiacutefico de la leche entera es de 093 cal gordm∙C [22][23]
bull Punto de congelacioacuten se define como la temperatura a la que se
produce la solidificacioacuten de un liacutequido Es una propiedad fiacutesica
importante pues permite detectar adulteraciones en la leche El punto
de congelacioacuten de la leche se encuentra en un valor de temperatura
comprendido entre 0513 ordmC y 0565 ordmC [22]
bull Punto de ebullicioacuten se define como el punto en el que un liacutequido hierve
al aumentar la temperatura El punto de ebullicioacuten de la leche es de
10017ordmC [22]
bull Iacutendice de refraccioacuten (n) el iacutendice de refraccioacuten mide el cambio de la
direccioacuten que sufre la luz cuando la radiacioacuten atraviesa un medio con
un iacutendice de refraccioacuten distinto del que proviene [28] En el caso de la
leche el iacutendice de refraccioacuten mide la variacioacuten de la direccioacuten que
experimenta un haz de luz al pasar del aire a leche El valor del iacutendice
de refraccioacuten ldquonrdquo se calcula con la ley de Snell mediante la siguiente
expresioacuten [28]
16
1198991 ∙ 1199041198901198991205791 = 1198992 ∙ 1199041198901198991205792
(2)
Ecuacioacuten 2 Ley de Snell
Donde n1 y n2 son el valor de los iacutendices de refraccioacuten de cada medio
1205791 es el aacutengulo con el que incide el haz de luz y 1205792 es el aacutengulo de
refraccioacuten de la luz
La refraccioacuten de la luz es una propiedad aditiva es decir que la
refraccioacuten total es el resultado de la suma de los iacutendices de refraccioacuten
de cada uno de los componentes de la leche [28] Se trata de un factor
relevante ya que permite detectar posibles casos de adulteracioacuten en la
leche por ejemplo si estaacute aguada el iacutendice seraacute proacuteximo al del agua lo
que puede indicar un fraude [28] Por otro lado se ha demostrado que
el valor de n disminuye con la edad del animal y aumenta con la acidez
del medio por lo que la reflectometriacutea aplicada en muestras de leche es
una herramienta muy uacutetil para determinar dichas caracteriacutesticas [28]
bull Potencial de oxidacioacuten-reduccioacuten (Eh) el potencial redox se refiere a la
capacidad de oxidacioacuten (peacuterdida de electrones) o reduccioacuten (ganancia
de electrones) que tiene una solucioacuten [30]
El potencial redox de la leche a 25ordmC generalmente variacutea entre 250 mV
- 350 mV este potencial se debe a la presencia del oxiacutegeno disuelto y a
la existencia de sustancias reductoras naturales Esta propiedad es
importante ya que informa sobre la calidad de las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche por ejemplo el proceso de fermentacioacuten de
las bacterias de la lactosa a aacutecido laacutectico supone una caiacuteda del potencial
por el consumo del oxiacutegeno [30] Ademaacutes el poder reductor de ciertas
especias que se encuentran naturalmente en la leche las cuales se
mencionaraacuten maacutes adelante impiden que se desarrollen sabores
desagradables en ella [23]
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche
La leche se considera un alimento completo por su importante carga nutritiva
El componente mayoritario de la leche es el agua que representa entre el 86 y
el 88 del total de sus constituyentes el agua estaacute en equilibrio con los
17
nutrientes que se encuentran en diferentes fases disolucioacuten dispersioacuten
coloidal y emulsioacuten [31]
A continuacioacuten se presenta la composicioacuten quiacutemica de la leche
bull El agua es la fase continua de la leche y se puede encontrar en forma
de agua ligada y agua libre El agua libre se encuentra en mayor
proporcioacuten y en ella estaacuten la lactosa y las sales El agua ligada o de
enlace se encuentra en la superficie de los compuestos no solubles
formando enlaces con los componentes y es maacutes complicada de extraer
[22]
bull Extracto seco de la leche el extracto seco lo forman las sustancias de
la leche (a excepcioacuten del agua) que se obtienen por desecacioacuten o
evaporacioacuten del agua [22] El contenido de materia o extracto seco de
la leche es del 12 - 125 de solidos totales [22] Para determinarlo
se puede utilizar el peso (Kg) de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten o a traveacutes de la densidad y del contenido en materia grasa
de la leche Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones [22] [31]
119904oacute119897119894119889119900119904 () = (119875prime
119875) ∙ 100
(3)
Ecuacioacuten 3 Caacutelculo del contenido de soacutelidos () a partir del peso de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten
bull Donde Prsquo es el peso en g de la leche despueacutes de la
desecacioacuten y P es el peso de la leche antes de la
desecacioacuten
119878 119879 = (025 times 119863) + (121 times 119866) + 066
(4)
Ecuacioacuten 4 Ecuacioacuten de Richmond
bull Donde D es el valor de la densidad de la leche en gmL y
G es el contenido en materia grasa de la leche
18
bull Gluacutecidos
La cantidad total de gluacutecidos que hay en la leche de vaca oscila entre un 48
y un 52 siendo algo superior la carga en la leche humana [22]
Los carbohidratos o gluacutecidos se definen como polihidroxialdehiacutedos (todos los
aacutetomos de carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta
enlazado a un grupo aldehiacutedo -CHO) o polihidroxicetonas (todos los aacutetomos de
carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta enlazado
a un grupo cetona C=O) y sus derivados tambieacuten se incluyen aquellas
sustancias que por hidroacutelisis dan lugar a este tipo de compuestos En general
estaacuten formados por carbono hidrogeno y oxiacutegeno por lo que su foacutermula
molecular presenta la forma CnH2nOn [32]
Los gluacutecidos se pueden clasificar en funcioacuten del nuacutemero de subunidades de
monosacaacuteridos en [32]
- Monosacaacuteridos o azuacutecares simples estaacuten formados por una unidad
de un polihidroxialdehiacutedo o una polihidroxicetona que se conocen
como aldosas o cetosas respectivamente Dentro de este grupo se
encuentran los azuacutecares que no pueden descomponerse en otros
azuacutecares maacutes simples
- Oligosacaacuteridos estaacuten formados por dos a diez unidades de
monosacaacuteridos por lo que se pueden transformar en unidades maacutes
simples mediante hidroacutelisis A su vez dentro de este grupo los
carbohidratos se clasifican seguacuten el nuacutemero de unidades en
monosacaacuteridos disacaacuteridos etc
- Polisacaacuteridos consisten en largas moleacuteculas formadas por la unioacuten
de unidades de monosacaacuteridos
En la designacioacuten de los azuacutecares ademaacutes se incluye un signo que puede ser
(+) o (-) seguido de la letra D o L esta designacioacuten estaacute relacionada con la
actividad oacuteptica del compuesto La actividad oacuteptica se refiere a la rotacioacuten del
plano de luz polarizada en un azuacutecar este efecto es el resultado producido por
la actuacioacuten conjunta de todos sus aacutetomos de carbono asimeacutetricos (aacutetomo de
C enlazado a cuatro constituyentes diferentes) Los azuacutecares con el signo (+)
se denominan dextroacutegiros y los azuacutecares con el signo (-) se denominan
levoacutegiros La asignacioacuten de las letras D y L depende de la distribucioacuten de los
19
grupos funcionales del carboacuten asimeacutetrico que se encuentra representado en
cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fisher Si el grupo funcional se
encuentra a la derecha se denomina D y si se encuentra a la izquierda se
denomina L [32] [33]
Finalmente en la designacioacuten tambieacuten se incluyen los siacutembolos griegos α y β
esto es debido a la ciclacioacuten de los monosacaacuteridos en solucioacuten acuosa Esta
estructura es funcioacuten de la orientacioacuten espacial del grupo hidroxilo del carboacuten
C1 de la estructura del anillo (α si el grupo -OH estaacute orientado hacia abajo y β
si el grupo -OH estaacute orientado hacia arriba) [32] [33] Se denomina anillo pirano
cuando es un ciclo de 6 aacutetomos de carbono y furano cuando es un anillo de 5
aacutetomos de carbono [32] [33]
Los carbohidratos constituyen una parte importante de la dieta de los hombres
pues estaacuten presentes en un 65 de los alimentos que consumimos (leche
arroz pan etc) [32] El carbohidrato principal que forma la leche es la lactosa
disacaacuterido constituido por glucosa y galactosa a continuacioacuten se presenta una
descripcioacuten detallada de cada uno de estos azuacutecares
Lactosa
La lactosa o β-D-Galactopiranosil-(1rarr4)-D-glucopiranosa es un disacaacuterido
compuesto por unidades de monosacaacuteridos de glucosa y galactosa unidos
mediante un enlace β (14) glucosiacutedico En dicho enlace el grupo funcional -OH
del carbono C1 en posicioacuten beta de la galactosa estaacute unido al grupo -OH del
carbono C4 de la glucosa [34][35][36]
La lactosa constituye el principal azuacutecar de la leche bioloacutegicamente se produce
en las glaacutendulas mamarias de los mamiacuteferos Dieteacuteticamente es considerada
un azuacutecar extriacutenseco dado que no forma parte de la estructura celular del
alimento sino que se encuentra de forma libre en la leche y en sus derivados
laacutecticos [34] [35] [36]
La determinacioacuten de lactosa en la industria alimentaria ha cobrado una gran
importancia en los uacuteltimos antildeos debido a la intolerancia que presenta gran
parte de la poblacioacuten a este azuacutecar La lactosa puede ser digerida por el cuerpo
humano gracias a la presencia de una enzima la lactasa que degrada la
lactosa en sus dos monosacaacuteridos (glucosa y galactosa) Cuando la enzima no
funciona o no presenta la actividad suficiente se produce la intolerancia [22]
La descomposicioacuten de la lactosa en glucosa y galactosa (figura 1) es importante
puesto que permite su deteccioacuten mediante el empleo de teacutecnicas tradicionales
de anaacutelisis como son la cromatografiacutea de liacutequidos de alta resolucioacuten
20
cromatografiacutea de gases polarimetriacutea gravimetriacutea entre otras Sin embargo
debido al elevado coste y a los elevados tiempos de anaacutelisis que supone el
empleo de estas teacutecnicas en los uacuteltimos antildeos se han desarrollado sensores
que ofrecen una deteccioacuten maacutes raacutepida menos costosa y maacutes precisa [14]
Figura 1 Reaccioacuten enzimaacutetica de la lactosa para formar glucosa y galactosa
En disolucioacuten a temperatura ambiente la lactosa se puede encontrar en dos
configuraciones α-lactosa y β-lactosa con una proporcioacuten del 40 de la
configuracioacuten α y el 60 de la configuracioacuten β Siendo ambas configuraciones
consecuencia de la mutarrotacioacuten (el carboacuten hemiacetal estaacute en equilibrio con
el grupo aldehiacutedo de la cadena abierta y forma los isoacutemeros α y β) [37]
La lactosa es considerado un azuacutecar reductor ya que en su estructura quiacutemica
tiene un grupo carbonilo intacto a traveacutes del cual puede reaccionar con otras
moleacuteculas por lo que es un azuacutecar sensible a sufrir las reacciones de Maillard
[34] [38] Las reacciones de Maillard son un conjunto de reacciones en
cadena no enzimaacuteticas que pueden tener lugar en la leche como
consecuencia de la reaccioacuten entre el grupo carbonilo del azuacutecar y el grupo
amino de las proteiacutenas o aminoaacutecidos que se encuentran presentes en la leche
Estas reacciones son indeseables dado que suponen una peacuterdida en el valor
nutricional (disminucioacuten de aminoaacutecidos esenciales) y en la calidad
(pardeamiento del producto aparicioacuten de aromas desagradables generacioacuten
de subproductos toacutexicos etc) de la leche [39] Para que tengan lugar se deben
dar unas condiciones determinadas de temperatura pH tiempo entre otros
factores [34] [38] [39]
La lactosa a temperatura ambiente es un soacutelido en forma de polvo cristalino
blanco con un punto de fusioacuten de 252ordmC una solubilidad en agua buena (50 g
por 100 g de agua) una densidad de 152 gcm3 tiene una masa molecular
de 3423 gmol y un poder endulzante muy inferior en comparacioacuten con otros
azuacutecares como la glucosa [34] [35] [36]
21
Glucosa
La glucosa o D-glucopiranosa es un monosacaacuterido de foacutermula molecular
C6H12O6 con un grupo aldehiacutedo en su estructura quiacutemica constituye el
monosacaacuterido de mayor abundancia dentro de la naturaleza (se encuentra
presente en poliacutemeros como el chitosaacuten) y es utilizado por las ceacutelulas del
organismo para obtener energiacutea [32] [33]
Su uso abusivo en la industria alimentaria en productos de consumo diario
(productos laacutecteos carne bebidas etc) estaacute asociado al padecimiento de
ciertas enfermedades como la diabetes ademaacutes se encuentra presente en la
leche formando parte de la lactosa Debido a la importancia que presenta la
glucosa en el sector de la alimentacioacuten cada vez son maacutes las investigaciones
centradas en el desarrollo de sensores que permitan la identificacioacuten de este
azuacutecar [40] [41]
La glucosa en solucioacuten presenta dos formas cristalinas α-Glucosa y β-Glucosa
cuando la α-glucosa se disuelve en agua la actividad oacuteptica variacutea debido al
fenoacutemeno de mutarrotacioacuten y una parte de las moleacuteculas se convierten en la
forma β Pasado un tiempo se alcanza el equilibrio donde la mayor parte de la
solucioacuten lo forma el anoacutemero beta y una pequentildea parte de la solucioacuten (13
aproximadamente) lo forma el anoacutemero alfa [32] [33]
La glucosa es un azuacutecar con un fuerte caraacutecter reductor (mayor que el de la
lactosa) debido a la presencia del grupo aldehiacutedo en su estructura abierta por
lo que tambieacuten es sensible a sufrir las reacciones de Maillard [33]
La glucosa a temperatura ambiente es un soacutelido inodoro en forma de polvo
cristalino de color blanco temperatura de fusioacuten de 146ordmC solubilidad en agua
alta (91g por 100 mL de agua) densidad 156 gcm3 tiene una masa
molecular de 18016 gmol y un poder endulzante (743) notablemente
superior al que presentan la galactosa y la lactosa [32] [42] [43]
Galactosa
La galactosa aldehiacutedo D-galactosa o D-(+)-galactosa es un monosacaacuterido de
foacutermula molecular C6H12O6 La galactosa es muy similar a la glucosa por lo que
son considerados epiacutemeros se diferencian en su estructura quiacutemica en la
posicioacuten que ocupa el grupo minusOH del carbono C4 [36]
Nutricionalmente su mayor importancia radica en que es uno de los azuacutecares
que forman parte de la lactosa de la leche Como se ha indicado anteriormente
22
debido al creciente nuacutemero de casos en personas con intolerancia a la lactosa
se han desarrollado sensores dirigidos a la evaluacioacuten del contenido en lactosa
por medio de la deteccioacuten de galactosa (obtenida de la hidroacutelisis de la lactosa
al antildeadir la enzima galactosa oxidasa) [14]
En solucioacuten su estructura abierta adquiere forma de anillo y puede dar lugar a
dos configuraciones diferentes α-D-galactosa y β-D-galactosa siendo la
segunda forma el isoacutemero predominante [44] [45] Como el resto de los
azuacutecares descritos es un azuacutecar reductor ya que presenta un grupo aldehiacutedo
libre en la forma de cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fischer [44] [45]
La galactosa es un soacutelido inodoro en forma de polvo de color blanco punto de
fusioacuten 168-170ordmC solubilidad en agua buena (4725 g por 100g de agua)
densidad de 15 gcm3 su peso molecular es de 18016 gmol y presenta un
grado de dulzura maacutes elevado que el de la lactosa y menor que la glucosa [46]
bull Materia grasa [22] [23] [47] [48]
La materia grasa es un importante componente de la leche ya que ademaacutes de
ser una rica fuente de energiacutea para las personas es el vehiacuteculo de vitaminas
liposolubles (A D E y K) El nivel de materia grasa que contiene la leche puede
variar desde el 3 hasta el 6
La materia grasa de la leche son liacutepidos en forma globular que se encuentran
dispersos en ella y se pueden clasificar en
Liacutepidos saponificables es la fraccioacuten lipiacutedica que se encuentra en mayor
proporcioacuten ya que forma entre el 99 y el 995 de los liacutepidos totales
que hay en la leche Dentro de los liacutepidos saponificables se encuentran
los liacutepidos apolares y polares
Liacutepidos apolares son liacutepidos insolubles en la fraccioacuten acuosa de
la leche dentro de los cuales caben destacar los trigliceacuteridos ya
que son los que se encuentran en mayor proporcioacuten (96 - 98)
Otros como los digliceacuteridos y monogliceacuteridos se encuentran en
cantidades muy pequentildeas
Liacutepidos polares son fosfoliacutepidos que representan entre el 020
y el 1 de los liacutepidos saponificables que contiene la leche se
encuentran formando parte de la membrana de los gloacutebulos
grasos En la leche su importancia radica en su poder
23
emulsionante y a su actuacioacuten como solventes de sustancias no
polares presentes en ella como el colesterol
Liacutepidos insaponificables es la fraccioacuten lipiacutedica de menor proporcioacuten
formada por carotenoides (son los responsables de aportar una
coloracioacuten amarilla en la grasa) y vitaminas liposolubles
La materia grasa estaacute presente en la leche formando gloacutebulos grasos alrededor
de ellos hay una estructura denominada membrana de los gloacutebulos grasos
Esta membrana tiene una gran importancia dado a su funcioacuten protectora que
protege a los liacutepidos de sufrir reacciones enzimaacuteticas A pesar de ello una de
las reacciones enzimaacuteticas que maacutes afecta a la materia grasa es la lipoacutelisis
La lipoacutelisis es una reaccioacuten quiacutemica llevada a cabo por la accioacuten de las enzimas
lipasas que catalizan la hidroacutelisis de los gliceacuteridos en la interfase aire-agua A
causa de la lipoacutelisis se forman aacutecidos grasos libres y glicerol los cuales son los
responsables de algunos de los sabores indeseables que se producen en la
leche Por ejemplo durante esta reaccioacuten se libera aacutecido butiacuterico que da lugar
a un sabor y aroma ldquoa ranciordquo otra de las reacciones enzimaacuteticas que causan
ademaacutes de olores desagradables una peacuterdida del valor nutricional es el
enranciamiento oxidativo llevado a cabo por la enzima xantino oxidasa Esta
enzima cataliza la reaccioacuten de oxidacioacuten de los aacutecidos grasos insaturados
presentes en la leche
Finalmente una caracteriacutestica importante de la materia grasa es la diferencia
de densidad que hay entre la materia grasa que se encuentra emulsionada en
el suero y el suero lo que permite una raacutepida separacioacuten entre ambos
componentes La separacioacuten se logra mediante la aplicacioacuten de meacutetodos
centriacutefugos que dan lugar a dos fases distintas por un lado se obtiene la leche
desnatada y por otro lado una crema rica en gloacutebulos grasos Esta
caracteriacutestica es interesante en la industria alimentaria ya que permite obtener
derivados laacutecteos como la nata
bull Proteiacutenas
Las proteiacutenas son compuestos quiacutemicos formados a partir de aminoaacutecidos de
hecho la mayor parte del nitroacutegeno que contiene la leche (alrededor del 95)
se encuentra formando parte de ellas Las proteiacutenas representan una fraccioacuten
compleja de la composicioacuten quiacutemica de la leche su intereacutes en ella radica en
24
que son esenciales para todos los seres vivos representando un importante
valor en la dieta nutricional de las personas La concentracioacuten de las proteiacutenas
en la leche comprende valores entre el 3 y el 4 [22] [47] [48]
Como se ha indicado anteriormente la leche es un producto faacutecilmente
alterable por lo que parte de sus cambios en sus caracteriacutesticas fiacutesico -
quiacutemicas se deben a cambios causados en las proteiacutenas Cuando se lleva a
cabo un proceso teacutermico severo (pasteurizacioacuten a altas temperaturas o
esterilizacioacuten) puede tener lugar la desnaturalizacioacuten de las mismas liberando
sabores indeseables Ademaacutes las proteiacutenas tambieacuten pueden ser atacadas por
enzimas dando lugar a su proteoacutelisis (degradacioacuten de las proteiacutenas) las
principales responsables de esta reaccioacuten son las enzimas proteasas
provenientes de la actividad bacteriana que puede desarrollarse en la leche
[22]
Las proteiacutenas que forman la leche se pueden clasificar en dos grupos caseiacutena
( ~80 ) y las proteiacutenas del suero (~20 ) [48]
La caseiacutena
La caseiacutena es la fraccioacuten maacutes caracteriacutestica de las proteiacutenas que forman la
leche es un producto uacutenico producido en las glaacutendulas mamarias [23] Se
encuentra en la leche formando agregados y micelas la micela de las caseiacutenas
se compone de un 94 de proteiacutenas y un 6 de minerales [23] [47] Son
bastante resistentes y estables por lo que soportan bien los procesos
industriales sin embargo cuando la leche es sometida a tratamientos teacutermicos
agresivos (temperaturas superiores a 120ordmC) precipitan [23] [47]
Una propiedad de intereacutes de la caseiacutena es que afecta a las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche disimulando el dulzor de la lactosa lo cual permite
el consumo diario de la leche sin que presente un efecto negativo para el
organismo por ser demasiado dulce [23]
Finalmente otra caracteriacutesticas importante de la caseiacutena en el sector laacutecteo
(entre otros sectores) es que puede determinarse faacutecilmente Cuando se aplica
un pH isoeleacutectrico en la leche las proteiacutenas del suero se mantienen solubles
mientras que la caseiacutena precipita la separacioacuten de las proteiacutenas a traveacutes del
pH isoeleacutectrico se conoce industrialmente como electroforesis (este meacutetodo
consiste en aplicar un campo eleacutectrico en una muestra de leche como las
proteiacutenas presentan grupos ionizables COO- y NH+3 se pueden cargar
positivamente negativamente o bien permanecer neutras La carga neta de
25
las proteiacutenas depende del pH del medio en el que se encuentre en el punto
isoeleacutectrico la carga neta es cero) [49]
En la figura 2 se muestra la composicioacuten quiacutemica de la caseiacutena
Figura 2 Estructura quiacutemica de la caseiacutena
Las proteiacutenas del suero
Las proteiacutenas que forman el suero laacutectico representan el 20 del total de
proteiacutenas que forman la leche y constituyen la parte de las proteiacutenas no
caseicas [47] Son grupos proteicos con una estructura globular organizados
en proteiacutenas con una estructura secundaria y terciaria Se pueden clasificar en
β-lactoglobulina α-lactoglobulina inmunoglobulina y seroalbuacutemina [47]
-La β-lactoglobulina es la proteiacutena maacutes abundante en la leche de la
mayoriacutea de los mamiacuteferos sin embargo no estaacute presente en la leche
humana [23]
-La α-lactoglobulina es la 2ordf maacutes abundante en este caso se encuentra
particularmente en la leche humana se trata de la moleacutecula con menor
peso molecular de las proteiacutenas que forman el suero e interviene en la
siacutentesis de la lactosa en las glaacutendulas mamarias [23] [47]
-Las inmunoglobulinas estaacuten presentes en todas las leches de cualquier
procedencia animal y son el grupo de estructuras proteicas maacutes largas
y heterogeacuteneas [23] [47]
26
-La seroalbuacutemina es la proteiacutena de mayor peso molecular de las
proteiacutenas que forman el suero laacutectico [47]
bull Vitaminas
La leche presenta importantes valores nutricionales ya que en ella se
encuentran todas las vitaminas necesarias para el organismo [22] [23] El
mayor inconveniente que presentan los grupos vitamiacutenicos es que son
compuestos faacuteciles de destruir ya sea por una exposicioacuten prolongada a la luz
por accioacuten enzimaacutetica o por tratamientos de calor demasiado agresivos [22]
Las vitaminas que se encuentran en la leche se pueden clasificar en dos
grupos las vitaminas liposolubles que se encuentran en forma de emulsioacuten
junto con la grasa y las vitaminas hidrosolubles que son solubles en el agua
Las vitaminas liposolubles
-Vitamina A En la leche de vaca se puede encontrar como retinol
eacutesteres del retinol y carotenoides en una concentracioacuten de 100-500
mgL esta vitamina se produce a partir de la hidroacutelisis de los β-
carotenos [26] [47]
-Vitamina D Tambieacuten es conocida con el nombre de calciferol se
encuentra en la leche en una concentracioacuten de 1 mgL [26] [47]
-Vitamina E Tambieacuten recibe el nombre de α-Tocoferol esta vitamina se
encuentran en la leche en una concentracioacuten de 500-1000 mgL [26]
Esta vitamina es un antioxidante natural por lo que protege de las
reacciones de oxidacioacuten a las grasas y a los carotenos que se
encuentran en la leche [23]
-Vitamina K Esta vitamina se encuentra en cantidades de trazas (35 y
18 μgL) en la leche por lo que no ejerce un valor importante a nivel
nutricional para el organismo [47]
Las vitaminas hidrosolubles
27
-Vitaminas C B1 B2 B12 Entre estas vitaminas cabe destacar la
vitamina C o aacutecido ascoacuterbico presente en la leche en una concentracioacuten
de 20 mgL por su poder reductor Es decir su bajo potencial redox
protege de la oxidacioacuten a la materia grasa de la leche impidiendo que
se oxide y se desarrolle el sabor a oacutexido [47] [50] El resto de vitaminas
del grupo B se encuentran en concentraciones inferiores y se
caracterizan por ser fuertemente inestables ante la exposicioacuten a la
radiacioacuten y al calor [47]
bull Enzimas
Las enzimas son complejos de naturaleza proteica que se encuentran en la
leche en cantidades iacutenfimas sin embargo su presencia es fundamental dado
que catalizan reacciones importantes determinando las propiedades y
composicioacuten quiacutemica de la leche
La importancia de las enzimas en la industria laacutectea radica en que se emplean
como indicadores de calidad ya que pueden proporcionar informacioacuten sobre el
grado de tratamiento teacutermico que se debe aplicar pureza y frescura de la leche
[51] Por ejemplo la presencia de la enzima catalasa es un indicador de que la
vaca tiene mastitis (la catalasa produce un aumento en el nuacutemero de leucocitos
cuando el animal padece esta enfermedad) La presencia de la enzima
fosfatasa alcalina se utiliza para determinar el grado de tratamiento teacutermico al
que debe someterse la leche puesto que la muerte de esta enzima tiene lugar
a una temperatura similar a la que mueren microrganismos patoacutegenos que
puedan encontrarse en la leche Otras enzimas se utilizan para controlar la
presencia de microorganismos contaminantes debido a su actividad
antimicrobiana [52]
Otra consecuencia de la alterabilidad de la leche ademaacutes de las explicadas
anteriormente son los cambios enzimaacuteticos que causan el deterioro de las
caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche [47] Por esta razoacuten es importante
llevar a cabo un buen control de su composicioacuten quiacutemica durante todo su
proceso de fabricacioacuten la actividad enzimaacutetica es un factor que se monitoriza
en la industria laacutectea mediante la estimacioacuten de enzimas presentes en la leche
[47]
El origen de las enzimas que se encuentran en la leche de origen animal puede
ser por motivos naturales habiendo sido sintetizadas por las ceacutelulas somaacuteticas
del organismo (ceacutelulas que forman tejidos u oacuterganos) estas enzimas se
encuentran asociadas a la membrana de los gloacutebulos grasos caseiacutena y
proteiacutenas del suero El segundo origen de las enzimas que pueden estar
28
presentes en la leche es debido a su liberacioacuten por microorganismos a causa
de la contaminacioacuten microbioloacutegica indeseada [47]
Las enzimas que hay en la leche se pueden clasificar en los siguientes grupos
[22]
Las enzimas hidrolasas son aquellas que catalizan reacciones de
hidroacutelisis en la leche catalizan la hidroacutelisis de la lactosa Dentro de este
grupo cabe destacar la enzima lipasa fosfatasa amilasa y lactasa Su
importancia en la leche se debe a que afectan a sus caracteriacutesticas
organoleacutepticas
Las enzimas oxidorreductasas son enzimas que catalizan las
reacciones de oxidacioacuten - reduccioacuten que se llevan a cabo en la leche
Entre ellas destacan las siguientes enzimas catalasa lactoperoxidasa
y xantino - oxidasa La importancia de estas enzimas se debe a que
influyen en el sabor (xantino-oxidasa) ademaacutes algunas de ellas
presentan actividad antimicrobiana La enzima lactoperoxidasa cataliza
la reaccioacuten del tiocianato en presencia de H2O2 liberando compuestos
con actividad antibacteriana y fungicida [47] [52]
Las enzimas transferasas son enzimas que transfieren grupos activos
que han sido liberados por la ruptura de alguna moleacutecula a otra
sustancia que actuacutea como receptor Por su abundancia en la leche de
vaca cabe destacar la enzima ribonucleasa que se encuentra en una
concentracioacuten de 25 mgL (en la leche materna se encuentra en menor
cantidad) Esta enzima produce la hidroacutelisis de aacutecidos ribonucleicos y
estaacute asociada a las proteiacutenas del suero de la leche [23] [53]
bull Minerales
Los minerales junto con las enzimas forman los constituyentes de la leche que
estaacuten en menor proporcioacuten Se pueden encontrar formando sales solubles o
como una dispersioacuten coloidal insoluble (son los minerales asociados a las
micelas de la caseiacutena) [22] [23]
El grupo de sales solubles lo forman minerales que se encuentran en forma de
cloruros citrato y bicarbonato de compuestos como son el calcio magnesio
potasio y sodio Los cloruros en forma de cloruro de sodio son los que se
encuentran en mayor cantidad en una proporcioacuten del 020 El anaacutelisis de
cloruros en la leche se utiliza para detectar posibles alteraciones si el
29
contenido en estas sales es superior al normal puede indicar que la leche
procede de una vaca con patologiacutea [22] [23]
Las sales coloidales representan el otro grupo en una proporcioacuten proacutexima al
033 [22] Principalmente se refieren al contenido en calcio y fosfato dado a
la presencia predominante de ambos componentes [47] El calcio es una de
las sales de mayor valor nutricional ya que contribuye al mantenimiento de los
huesos [48]
23 Sensores utilizados
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores
El constante crecimiento y desarrollo de la industria alimentaria hace necesario
la aplicacioacuten de teacutecnicas de anaacutelisis que sean capaces de adaptarse a los
cambios del proceso industrial permitiendo llevar a cabo controles raacutepidos y
precisos con el fin de satisfacer la demanda de los consumidores Ademaacutes el
estigma de la industria alimentaria debe ser garantizar la calidad e inocuidad
de los alimentos y bebidas suministrados a las personas En este contexto
surge el anaacutelisis por medio de sensores definido como la praacutectica fundamental
en el control de calidad para garantizar la seguridad e inocuidad de los
alimentos y bebidas
Un sensor es un dispositivo capaz de convertir un estiacutemulo externo en una
sentildeal generalmente eleacutectrica que se pueda medir para obtener informacioacuten
uacutetil tanto cuantitativa como cualitativa [54] La idealidad de un sensor se
evaluacutea mediante el anaacutelisis de paraacutemetros como la sensibilidad (habilidad de
detectar cantidades pequentildeas) selectividad (capacidad de detectar el analito
de intereacutes ante otros que actuacutean como interferencia) reproducibilidad
(concordancia entre resultados independientes obtenidos con el mismo
meacutetodo y a partir de la misma muestra en distintas condiciones
experimentales) y repetitividad (concordancia entre resultados independientes
obtenidos con el mismo meacutetodo y a partir de la misma muestra bajo las mismas
condiciones experimentales) [54] [55] Ademaacutes de estos paraacutemetros es
importante tener en cuenta que en la industria se valoran otros aspectos del
sensor como su coste de fabricacioacuten tiempo de vida tiempo de respuesta etc
[54] [55]
Los sensores presentan tres partes bien diferenciadas en su entructura la zona
de reconocimiento la zona de transducioacuten y el amplificador [55]
30
bull Zona de reconocimiento en esta zona se encuentra el receptor es el
dispositivo que interaciona directamente con la sustancia que se va a
detectar La interacioacuten entre el receptor y la sustancia genera una sentildeal
primaria (oacuteptica maacutesica teacutermica o eleacutectrica) que seraacute interpretada por
un transductor [55] [56] [57]
bull Zona de transduccioacuten en esta zona se encuentra integrado el
transductor Este dispositivo recibe la sentildeal primaria que le llega del
receptor de manera que es transformada en una sentildeal eleacutectrica
medible [58]
bull Amplificador la mayoriacutea de las sentildeales eleacutectricas generadas necesitan
ser amplificadas para poder interpretar la informacioacuten por lo que este
dispositivo incrementa la intensidad de la sentildeal eleacutectrica de salida que
recibe del transductor Finalmente esta sentildeal es enviada a un sistema
de procesamiento donde se registran los datos y se presenta la
informacioacuten obtenida [58] [59]
En la figura 3 se muestra el funcionamiento de un sensor
Figura 3 Estructura de un sensor
Los sensores se pueden clasificar en funcioacuten de la naturaleza de la sentildeal
primaria generada por la interaccioacuten entre el receptor y la sustancia a medir
[57]
Fiacutesicos la zona receptora recibe una informacioacuten de tipo fiacutesico
Dentro de este grupo se encuentran los sensores que miden
propiedades fiacutesicas como la absorbancia temperatura cambio
de masa presioacuten entre otras
31
Quiacutemicos La interaccioacuten del receptor con el analito da lugar a
una reaccioacuten quiacutemica
Dentro de los sensores nombrados los de mayor intereacutes son los sensores
quiacutemicos su importancia en el anaacutelisis sensorial radica en que se presentan
como una nueva herramienta para el control y monitoreo del proceso
productivo debiendo dar una respuesta raacutepida y selectiva [54] [55] Un sensor
quiacutemico es un dispositivo que transforma una sentildeal quiacutemica en una sentildeal
analiacuteticamente uacutetil siendo capaz de proporcionar informacioacuten acerca de la
concentracioacuten de uno o maacutes analitos presentes en la muestra [60]
Los sensores quiacutemicos se pueden clasificar en funcioacuten de las propiedades que
mida el transductor en
bull Electroquiacutemicos estos sensores miden una propiedad eleacutectrica
generada por un sistema de electrodos La sentildeal producida (potencial o
intensidad) es consecuencia de la interaccioacuten electroquiacutemica que tiene
lugar entre el analito y el sensor [55] [58]
bull Piezoeleacutectricos son dispositivos cuya respuesta se emite en forma de
un cambio en la frecuencia de resonancia de un cristal piezoeleacutectrico
El cambio en la frecuencia depende de la cantidad de analito en masa
depositado sobre la superficie del receptor [55] [58]
bull Oacutepticos son dispositivos que responden a la interaccioacuten de la radiacioacuten
electromagneacutetica de la luz (generalmente de la regioacuten del infrarrojo) con
el analito se basan en la medida del cambio en las propiedades oacutepticas
del analito [55]
bull Teacutermicos son dispositivos que registran el calor de reaccioacuten generado
por el analito a causa de su oxidacioacuten o por reaccioacuten con una sustancia
del medio [55]
bull Multiarreglo son dispositivos sensibles a distintos analitos cuyas
respuestas son analizadas de manera simultaacutenea para caracterizar a un
sistema en concreto [55]
Los sensores electroquiacutemicos son los sensores maacutes destacados entre los que
se han nombrado ya que son los sensores maacutes versaacutetiles y los que maacutes se han
investigado a lo largo de los antildeos [55] En funcioacuten de la propiedad eleacutectrica que
32
miden los sensores electroquiacutemicos se pueden clasificar en tres grupos Los
sensores potenciomeacutetricos son dispositivos que miden el voltaje debido a una
reaccioacuten quiacutemica generan una respuesta estableciendo una relacioacuten entre la
diferencia de potencial entre un sistema de dos electrodos (electrodo de
referencia y electrodo de trabajo) y la concentracioacuten del analito (liacutequido o vapor)
[55] [58] En los sensores voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos se aplica un
potencial variable con el tiempo de esta manera se obtiene informacioacuten del
cambio del potencial con la intensidad de la corriente eleacutectrica [58] [61] Los
sensores amperomeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
fijo obteniendo informacioacuten de la variacioacuten de la intensidad de la corriente con
el tiempo [58] [61] Finalmente los sensores electroquiacutemicos se clasifican en
sensores conductimeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
de corriente alterna y se mide el aumento de la conductividad eleacutectrica
provocado por la presencia de iones en una solucioacuten [58] [62]
Dentro de los sensores electroquiacutemicos los sensores basados en meacutetodos de
transduccioacuten voltameacutetricos son los maacutes indicados para el estudio de los
procesos de oxidacioacuten - reduccioacuten de los compuestos mediante el anaacutelisis de
voltamogramas Debido a que presentan importantes ventajas como su
elevada sensibilidad y selectividad [63]
En el desarrollo de este trabajo de investigacioacuten se presenta un innovador
sensor electroquiacutemico de tipo voltameacutetrico basado en la tecnologiacutea de
impresioacuten molecular denominado MIP (ldquomolecular imprinted polymerrdquo) esta
nueva tecnologiacutea promete mejoras en la estabilidad y reproducibilidad de los
anaacutelisis quiacutemicos
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular
(MIP)
Los MIP son materiales que han sido sintetizados para el reconocimiento de
moleacuteculas especiacuteficas Esta tecnologiacutea consiste fundamentalmente en la
formacioacuten de una peliacutecula polimeacuterica en la que una moleacutecula actuacutea como una
plantilla posteriormente la moleacutecula se extrae y deja cavidades de
reconocimiento especiacutefico sobre el poliacutemero [64]
Los paraacutemetros principales que intervienen en la formacioacuten de poliacutemeros de
impresioacuten molecular son el poliacutemero la moleacutecula plantilla y un agente
reticulante
bull Seleccioacuten del poliacutemero
33
Existen una gran variedad de poliacutemeros que se puedan utilizar en la impresioacuten
molecular pero deben cumplir unas caracteriacutesticas estrictas
-El poliacutemero tiene que ser quiacutemicamente compatible con la moleacutecula
plantilla ademaacutes debe ser capaz de unirse a eacutesta para crear las
cavidades de reconocimiento [65]
-El poliacutemero tiene que poder contener los sitios de reconocimiento
complementarios a la moleacutecula original
Entre los poliacutemeros empleados cabe destacar el chitosaacuten debido a sus
caracteriacutesticas de biocompatibilidad y afinidad por diferentes tipos de
moleacuteculas [65] Otros poliacutemeros de impresioacuten molecular estaacuten compuestos por
aacutecido metacriacutelico [66] o-fenilendiamina [67] pirrol [68] etc
bull Seleccioacuten de la moleacutecula plantilla
Una de las mayores ventajas de los MIPs es la utilizacioacuten de praacutecticamente
cualquier tipo de analito como azuacutecares aminoaacutecidos fenoles entre otras
sustancias Generalmente los compuestos empleados presentan grupos
polares (-COOH-OH) por lo que el complejo plantilla-poliacutemero que se forma es
bastante estable Otro tipo de compuestos utilizados son ioacutenes metaacutelicos
macromoleacuteculas etc [69]
bull Agente reticulante o cross-linker
Un agente reticulante (Cross-linker) es un compuesto que facilita la unioacuten entre
moleacuteculas para dar lugar a una red mucho maacutes estable y resistente Por ello la
reticulacioacuten (o el cross-linking) se puede emplear para mejorar la estabilidad
mecaacutenica de ciertas sustancias quiacutemicas como los poliacutemeros Consiste en una
reaccioacuten quiacutemica entre cadenas polimeacutericas que se mantienen unidas por
medio de enlaces covalentes u otro tipo de enlaces como las fuerzas de Van
der Waals [70]
El empleo de cross-linkers en los procesos de siacutentesis de poliacutemeros de
impresioacuten molecular es muy utilizado ya que estos influyen en tres aspectos
importantes intervienen en la morfologiacutea de los MIP fijan las cavidades de
34
reconocimiento especiacutefico e Intervienen en la estabilidad mecaacutenica del MIP
[69] Si el nuacutemero de entrecruzamientos es insuficiente se puede producir la
peacuterdida de las cavidades especiacuteficas formadas en el poliacutemero ya que estas no
se pueden mantener por no ser lo suficientemente estables Como resultado
de este fenoacutemeno el MIP pierde en cierto grado su capacidad de
reconocimiento [69]
El proceso de fabricacioacuten de un MIP se pueden clasificar en las siguientes
etapas [69]
bull 1ordm Interaccioacuten entre la moleacutecula y el poliacutemero
Los tipos de interaccioacuten que se pueden dar son [71] [72]
Impresioacuten covalente se establece un enlace covalente entre un
poliacutemero y la moleacutecula plantilla es un meacutetodo complejo ya que este
enlace se debe romper previamente para que la moleacutecula se pueda
eluir de la matriz polimeacuterica
Impresioacuten no covalante la interaccioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero se lleva a cabo mediante interacciones deacutebiles no
covalentes Se trata del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de
MIP debido a su simplicidad y facilidad de eliminar la moleacutecula
plantilla de la matriz del poliacutemero
Impresioacuten ioacutenica como plantilla se utilizan diferentes tipos de iones
metaacutelicos (Cu2+ Zn2+ Cd2+etc) se trata de una teacutecnica desarrollada
recientemente
En el presente trabajo de investigacioacuten se utilizoacute como matriz polimeacuterica
chitosaacuten y como moleacutecula plantilla un azuacutecar (lactosa glucosa o galactosa) La
unioacuten se llevoacute a cabo mediante el meacutetodo no-covalente como se ha explicado
en este meacutetodo el enlace entre el poliacutemero y la moleacutecula plantilla tiene lugar
mediante fuerzas de interaccioacuten deacutebiles de tipo fuerzas de Vaan der Waals o
puentes de hidroacutegeno [73] [74]
35
bull 2ordf Polimerizacioacuten
La polimerizacioacuten del poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla se realiza
para obtener una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula de intereacutes En la
elaboracioacuten de MIPs existen una gran variedad de procesos de polimerizacioacuten
en concreto en la elaboracioacuten de sensores destacan los sensores de impresioacuten
superficial sobre el electrodo de trabajo cuyos principales meacutetodos de
polimerizacioacuten se describen a continuacioacuten [69]
Electropolimerizacioacuten Es un proceso de deposicioacuten realizado en
presencia de la moleacutecula plantillla en el que se forma una peliacutecula
poliacutemerica sobre un electrodo de trabajo Se puede llevar a cabo a
traveacutes de diferentes teacutecnicas electroquiacutemicas tales como meacutetodos
voltameacutetricos ( el proceso empleado suele ser mediante voltametriacutea
ciacuteclica aplicando un intervalo de potencial) meacutetodos potenciomeacutetricos
(se aplica un potencial constante) y meacutetodos galvanostaacuteticos (se aplica
una corriente constante) [68]
Fotopolimerizacioacuten in situ Es una teacutecnica de deposicioacuten in situ que al
igual que la anterior permite depositar la plantilla polimeacuterica
directamente sobre el electrodo de trabajo El proceso se lleva a cabo
por polimerizacioacuten radicalaria la mezcla de preparacioacuten MIP contiente
un iniciador sensible a la luz de manera que al incidir la radiacioacuten sobre
eacutel absorbe la enegiacutea lumiacutenica y proporciona radicales libres De esta
manera se inicia el proceso de polimerizacioacuten del poliacutemero [75]
Sandwich Esta teacutecnica consiste en depositar unas gotas de la solucioacuten
MIP sobre un electrodo para ello la solucioacuten se coloca en una superficie
metaacutelica o sobre dos laacuteminas metaacutelicas Despueacutes de llevarse a cabo la
polimerizacioacuten se separan las laacuteminas logrando obtener peliacuteculas muy
finas [76]
El principal problema de esta teacutecnica es la falta de reproducibilidad que
se produce al aplicar fuerzas de compresioacuten durante la polimerizacioacuten
por lo que se emplea con menor frecuencia que la anteriores descritas
[76]
bull 3ordm Elucioacuten de la moleacutecula plantilla
36
La moleacutecula plantilla se elimina de la matriz polimeacuterica utilizando un disolvente
adecuado de esta manera se forma una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula
empleada Es por ello por lo que los MIP presentan la capacidad de reconocer
moleacuteculas con una alta selectividad dado que tras la elucioacuten las cavidades
creadas en el poliacutemero presentan muacuteltiples sitios de unioacuten con una
configuracioacuten espacial que es complementaria al analito [69]
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
En 1949 Dickey fue el primero en investigar el concepto de impresioacuten
molecular el cual fue inspirado por los experimentos llevados a cabo por Linus
Pauling quien defendiacutea la formacioacuten de anticuerpos usando el antiacutegeno como
una moleacutecula plantilla [71] Dickey es el responsable de la creacioacuten de la
teacutecnica de impresioacuten molecular de gel de siacutelice (MISC) y basoacute sus
investigaciones en la precipitacioacuten de silicagel en presencia de tintes orgaacutenicos
descubriendo que la impresioacuten de siacutelice proporcionaba una gran selectividad
hacia el tinte [71] Desde entonces se han llevado a cabo varios estudios
basados en la impresioacuten molecular a base de siacutelice por ejemplo en 2013 se
estudioacute la deteccioacuten del aacutecido saliciacutelico mediante esta teacutecnica [77]
En 1972 Wulff y Klotz dos liacutederes de grupos de investigacioacuten independientes
llevaron a cabo los primeros mecanismos de impresioacuten molecular [78] El
primero desarrolloacute un complejo basado en la impresioacuten molecular de tipo
covalente que incluiacutea un monoacutemero y la moleacutecula plantilla para la deteccioacuten
de azuacutecares [79] Al mismo tiempo Klotz sintetizoacute poliacutemeros de impresioacuten
molecular utilizando poliacutemeros y uniones de tipo covalente entre la moleacutecula y
la plantilla Antildeos despueacutes Mosback llevoacute a cabo la siacutentesis de impresioacuten
molecular utilizando otros meacutetodos de unioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero en concretoacute enlaces de tipo no covalentes [71]
Debido a sus excelentes propiedades los MIP han cobrado una mayor
importancia en estos uacuteltimos antildeos habiendo sido utilizados en multitud de
aplicaciones Se han elaborado MIP para la separacioacuten de compuestos quirales
y de proteiacutenas los cuales son muy utilizados en la industria farmaceacuteutica [80]
En el anaacutelisis ambiental para la purificacioacuten de aguas y eliminacioacuten de metales
pesados [80] En el desarrollo de sensores basados en diferentes meacutetodos de
transduccioacuten (electroquiacutemicos [64] oacutepticos [81] etc) En medicina para la
liberacioacuten de faacutermacos [80] y como catalizadores imitando las funciones de las
enzimas pero con una mayor estabilidad [82]
Los primeros sensores que emplearon la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
fueron elaborados entorno a los antildeos 2000 En 1996 se publicoacute el primer
37
artiacuteculo elaborado por Franz L Dicker referido a sensores MIP basados en
meacutetodos de transduccioacuten piezoeleacutectricos En el experimento se crearon
plantillas polimeacutericas con varios tipos de disolventes orgaacutenicos volaacutetiles una
vez creada la plantilla se calculoacute la masa de analito depositada midiendo el
cambio en la frecuencia de resonancia de una microbalanza de cuarzo Con los
resultados de la investigacioacuten se concluyoacute que estos sensores presentariacutean un
futuro prometedor puesto que fueron capaces de reconocer selectivamente
disolventes orgaacutenicos seguacuten su tamantildeo y forma [83]
Recientemente se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en la
impresioacuten molecular para el reconocimiento de azuacutecares principalmente para
la glucosa por su impacto en enfermedades como la diabetes W Zhen et al
desarrollaron un sensor basado en poliacutemeros de impresioacuten molecular para el
reconocimiento de glucosa [84] A Diouf et al sintetizaron un sensor
electroquiacutemico para la cuantificacioacuten de glucosa presente en la saliva [41]
Tambieacuten se han desarrollado sensores MIP para el reconocimiento de
disacaacuteridos por ejemplo H Shekarchizadeh et al fabricaron un sensor MIP
electroquiacutemico para la deteccioacuten de sacarosa en el zumo de remolacha [83]
Tal y como se muestra en la figura 4 el desarrollo de sensores MIP ha ido
creciendo con el paso del tiempo siendo su empleo en el anaacutelisis
electroquiacutemico cada vez maacutes pronunciado Su aplicacioacuten para la identificacioacuten
de azuacutecares se encuentra todaviacutea en sus primeros indicios encontraacutendose las
mayores referencias entre los antildeos 2018 y 2019 Debido al intereacutes que
presentan los MIP es interesante llevar a cabo nuevas investigaciones que
contribuyan al estudio iniciado en estos uacuteltimos antildeos dirigido a la deteccioacuten de
azuacutecares
Figura 4 MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos (rojo) MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos empleados en la deteccioacuten de azuacutecares (rosa) Publicaciones correspondientes al periodo 1999-2019 obtenidas de la base de datos SCOPUS (Elsevier)
38
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Los sensores MIP son una buena alternativa frente a los meacutetodos tradicionales
de anaacutelisis (cromatografiacutea de gases cromatografiacutea de liacutequidos de alta
resolucioacuten etc) debido a sus excelentes propiedades como estabilidad bajo
coste y especificidad [85] Estos sensores son capaces de detectar una gran
variedad de analitos como proteiacutenas [86] virus [87] azuacutecares [84] fenoles
[12] etc Por ello presentan un gran potencial en diferentes campos industria
alimentaria anaacutelisis ambiental anaacutelisis cliacutenico o anaacutelisis quiacutemico entre otros
[88]
Para un mayor entendimiento del presente trabajo es necesario especificar en
que consite un sensor NIP (ldquono molecularly imprinted polymerrdquo) Dicho sensor
es anaacutelogo al MIP sin embargo eacuteste se obtiene en aunsencia de la moleacutecula
plantilla por lo que no cuenta con las cavidades de reconocimiento especiacutefico
Para obtener un buen funcionamiento un sensor MIP debe tener las siguientes
propiedades [69]
bull Rigidez Las cavidades de reconocimiento deben mantener su forma y
tamantildeo despueacutes de que la moleacutecula sea eliminada de la matriz
polimeacuterica
bull Flexibilidad Se debe optimizar el proceso de reconocimiento
consiguiendo un equilibrio entre las cavidades creadas y la
concentracioacuten de analito
bull Estabilidad mecaacutenica El sensor debe mantenerse estable con cada
medida
Al igual que los sensores tradicionales los sensores basados en MIPs se
pueden clasificar en funcioacuten de su principio de funcionamiento en los
siguientes sensores
bull Sensores de afinidad (ldquoAffinity sensorsrdquo) son sensores capaces de
detectar moleacuteculas con caracteriacutesticas medibles Dentro de este tipo se
encuentran los sensores basados en meacutetodos de transduccioacuten
piezoeleacutectricos (se basan en el empleo de un cristal piezoeleacutectrico que
39
vibra al aplicarse un potencial la frecuencia de oscilacioacuten del cristal
variacutea en funcioacuten de la masa de analito depositada en el sensor MIP)
[76] [89] sensores MIP electroquiacutemicos [76] (se basan en diferentes
teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea amperometriacutea y
potenciometriacutea) y sensores MIP oacutepticos en los que el sensor detecta un
cambio en alguna propiedad oacuteptica durante el enlace entre los grupos
funcionales del poliacutemero y la moleacutecula plantilla [90]
bull Receptores Estos sensores se basan en la deteccioacuten directa del analito
aprovechan el momento de unioacuten entre la moleacutecula y la plantilla cuando
tiene lugar un cambio en alguna caracteriacutestica del MIP (conductividad
eleacutectrica potencial superficial o permeabilidad) Dentro de este grupo
hay sensores MIP electroquiacutemicos y oacutepticos [76] Por ejemplo se han
desarrollado sensores MIP electroquiacutemicos para la deteccioacuten de glucosa
basados en el efecto denominado ldquogate effectrdquo El enlace entre la
glucosa y los sitios de unioacuten de la plantilla produce un cambio en la
configuracioacuten del poliacutemero modificaacutendose la permeabilidad de la
peliacutecula polimeacuterica dificultando por tanto el proceso de difusioacuten de las
moleacuteculas a su traveacutes Asiacute la deteccioacuten en este experimento se llevoacute a
cabo registrando la disminucioacuten de la intensidad de la sentildeal en
presencia de glucosa [91]
bull Sensores MIP Cataliacuteticos Constituyen la uacuteltima generacioacuten de sensores
MIP en este grupo se fabrican sensores que imitan la actividad
cataliacutetica de las enzimas Actualmente son pocos los sensores
desarrrollados seguacuten este principio un ejemplo ha sido la fabricacioacuten
de un sensor MIP que imita el funcionamiento de la enzima tirosinasa
El sensor consiste en utilizar un complejo como moleacutecula plantilla
similar a la enzima para catalizar las reacciones de oxidacioacuten del
catecol (anaacutelito de intereacutes en el estudio de la calidad del vino) [79]
Entre los sensores que se han nombrado los sensores MIP electroquiacutemicos son
los que representan el mayor intereacutes en el anaacutelisis quiacutemico debido a su bajo
coste y facilidad de obtencioacuten [85]
La fabricacioacuten de sensores MIP electroquiacutemicos se puede clasificar en dos
etapas
bull Electrodo modificado mediante la teacutecnica de impresioacuten molecular
40
El meacutetodo de integracioacuten maacutes utilizado para la deposicioacuten del MIP en el
electrodo de trabajo es la electropolimerizacioacuten por ser raacutepido y eficaz [85] La
principal ventaja de esta teacutecnica es que los paraacutemetros controlables como el
tiempo de deposicioacuten y el potencial aplicado permiten controlar aspectos
importantes como el grosor de la peliacutecula polimeacuterica [79]
En el presente trabajo de investigacioacuten el sensor MIP fue elaborado mediante
teacutecnicas de electropolimerizacioacuten a traveacutes de cronoamperometriacutea El proceso
consistioacute en aplicar un potencial constante para producir la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla sobre la superficie del
electrodo A continuacioacuten se muestra una imagen esquemaacutetica de este
proceso
Figura 5 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-moleacutecula plantilla]BDD en una celda electroliacutetica con una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de trabajo contraelectrodo y electrodo de referencia) donde se representa la deposicioacuten de la solucioacuten a traveacutes de electropolimerizacioacuten por cronoamperometriacutea sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Elucioacuten y reconocimiento del analito
La elucioacuten consiste en eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz del poliacutemero
de esta manera se crean cavidades de reconocimiento con una estructura
tridimensional que coincide en tamantildeo y forma con el analito de intereacutes es
decir se forma un plantilla polimeacuterica Esta plantilla aporta especificidad al
sensor lo que le permite llevar a cabo la deteccioacuten selectiva de la moleacutecula
plantilla [69] Dado a la importancia que esto supone se deben tener en cuenta
las condiciones en la que se realice el anaacutelisis puesto que el uso de ciertos
41
disolventes orgaacutenicos las altas temperaturas o el empleo de solventes donde
el poliacutemero sea soluble podriacutean dantildear la plantilla sintetizada en el MIP [65] A
pesar de ello no se trata de una etapa costosa y en ella se pueden emplear
distintos tipos de eluyentes Por ejemplo se ha utilizado agua caliente
presurizada para la elucioacuten de moleacuteculas de clorofila de una matriz polimeacuterica
elaborada a partir de aacutecido metacriacutelico y metacrilato de etilenglicol [65]
Tambieacuten se ha empleado cloruro de potasio (KCl) para eliminar catecol de una
matriz polimeacuterica de chitosaacuten [12] Otros disolventes como el HCl se han
utilizado para la elucioacuten de glucosa de una matriz polimeacuterica compuesta por
aacutecido 3-aminobencenoboroacutenico (APBA) [84] En conclusioacuten la eleccioacuten del
eluyente dependeraacute principalmente de las caracteriacutesticas de la moleacutecula
plantilla y del poliacutemero debiendo seleccionar en todo momento un solvente
que no dantildee a la peliacutecula polimeacuterica y en el que la moleacutecula plantilla sea
soluble
Una vez eliminada la moleacutecula plantilla se lleva a cabo la deteccioacuten de eacutesta
durante este momento tiene lugar la selectividad entre la moleacutecula y la plantilla
polimeacuterica Este proceso se corresponde con la uacuteltima etapa del anaacutelisis
electroquiacutemico y puede verse afectado por distintos factores [69]
Presencia de compuestos inhibidores Puede haber grupos inhibidores
que impidan que la moleacutecula se adapte perfectamente en las cavidades
ocupando sus sitios de unioacuten
Cambios en la orientacioacuten espacial de los grupos funcionales del
poliacutemero Factores como los cambios de temperatura o los disolventes
empleados pueden causas cambios en la configuracioacuten espacial de los
grupos funcionales en consecuencia no se produce el enlazamiento
entre el analito y las cavidades del poliacutemero
Fenoacutemenos de repulsioacuten Puede haber grupos funcionales en las
cadenas del poliacutemero que impidan que la moleacutecula y los sitios de unioacuten
reaccionen
Seleccioacuten del disolvente Como se ha explicado anteriormente el
disolvente puede dantildear al poliacutemero debido a ello es importante utilizar
un solvente en el que el poliacutemero no sea soluble
A continuacioacuten se muestra un esquema del proceso de las etapas descritas
42
Figura 6 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP donde se muestra el proceso de polimerizacioacuten y a continuacioacuten un sensor MIP donde se ha llevado a cabo el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
23221 Ventajas de la impresioacuten molecular
La elaboracioacuten de sensores electroquiacutemicos a partir de MIP es una tecnologiacutea
relativamente reciente desarrollada para reconocer bajas concentraciones del
analito La impresioacuten molecular es una de las pocas tecnologiacuteas que permite la
fabricacioacuten de receptores sinteacuteticos ademaacutes presenta importantes ventajas
sobre otros compuestos utilizados para el reconocimiento especiacutefico como las
enzimas Entre las ventajas maacutes destacadas de los sensores basados en esta
tecnologiacutea se encuentran [80]
bull Estabilidad los MIP son estables en un amplio rango de pH
temperaturas y presioacuten por estas razones son buenos sustitutos de
agentes bioloacutegicos [80]
bull Bajo coste Los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular
resultan maacutes baratos comparados con el empleo de receptores
bioloacutegicos como las enzimas [80]
bull Preparacioacuten del sensor MIP sencilla [80]
bull Los poliacutemeros pueden forman plantillas para una gran cantidad de
analitos [80]
bull Reconocimiento especiacutefico y selectivo en disolventes orgaacutenicos por lo
que no estaacuten limitados a detecciones en medios acuosos [80]
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo
En la elaboracioacuten de MIP se suele utilizar un agente reticulante para obtener
una plantilla del poliacutemero maacutes estable y por ende un mejor comportamiento
43
del sensor [69] En este trabajo uno de los experimentos para fabrizar el MIP
se llevoacute a cabo en presencia de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
El glutaraldehiacutedo es un compuesto quiacutemico perteneciente a la familia de los
aldehiacutedos a temperatura ambiente es un liacutequido oleaginoso incoloro o con una
leve coloracioacuten amarilla su foacutermula molecular es OHC-(CH2)3-CHO [92]
El glutaraldehido se ha empleado porque es considerado un buen agente
reticulante para el desarrollado de MIPs basados en chitosaacuten dado a que este
poliacutemero presenta grupos amino reactivos (-NH2) que reaccionan con los
grupos aldehiacutedo (-CHO) del glutaraldehiacutedo [93] Esta reaccioacuten es selectiva por
lo que los grupos hidroxilo -OH del chitosaacuten no intervienen en la reaccioacuten con el
glutaraldehiacutedo [94]
El proceso simplificado de entrecruzamiento del chitosaacuten con el glutaraldehiacutedo
se puede ver en la figura 7
Figura 7 Reaccioacuten simplificada del proceso de entrecruzamiento del chitosaacuten con glutaraldehiacutedo
El producto de reaccioacuten entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo da lugar a una
base de Schiffrsquos [95] una base de schiffrsquos es un enlace imina constituido por
un cabono y un nitroacutegeno unidos atraveacutes de un doble enlace (N=C) su
estructura tiacutepica se muestra en la figura 8 tal y como se observa esta
compuesta por tres radicales R1R2 y R3 que pueden ser grupos alquilo o arilo
[96]
Figura 8 Estructura geneacutericas de una base de Shiffacutes con tres radicales R1 R2 y R3
44
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis
electroquiacutemico
El tipo de electrodos de trabajo empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico variacutea
en funcioacuten de las teacutecnicas electroquiacutemicas de anaacutelisis en voltametriacutea los
electrodos de metales nobles son los maacutes empleados entre ellos destacan los
electrodos de plata [97] los electrodos de oro [98] y los electrodos de platino
[99] Estos electrodos destacan por sus buenas caracteriacutesticas de
conductividad y por ser materiales inertes por lo que no intervienen en las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la celda electroliacutetica Sin
embargo presentan problemas de reproducibilidad por la formacioacuten de oacutexidos
en su superficie [99] [100]
Debido a ello los electrodos metaacutelicos se han ido remplazando en los uacuteltimos
antildeos por los electrodos de carbono cuya principal ventaja es su amplia ventana
de potencial y su facilidad de limpieza (las impurezas de la superficie de los
electrodos de carbono se eliminan faacutecilmente) [99]
Dentro de los electrodos de carbono existen varios tipos pues es un compuesto
con diferentes formas alotroacutepicas En concreto el diamante es la segunda
forma maacutes estable del carbono despueacutes del grafito ademaacutes tiene una de las
estructuras moleculares maacutes destacables por sus propiedades extraordinarias
como son su extremada dureza y alta conductividad teacutermica [101] A pesar de
estas caracteriacutesticas el diamante (sin dopar) no se emplea como electrodo
dado a su alta resistividad eleacutectrica (1020 Ωcm ) que le hace funcionar como
un soacutelido aislante lo que es debido a su ancho de banda prohibida (seguacuten el
modelo de la teoriacutea de bandas en un soacutelido aislante la banda de valencia (BV)
y la banda de conductividad (BC) se encuentran separadas por una banda
prohibida de una energiacutea muy alta por lo que no es posible el salto del electroacuten
de la BV a la BC [102]) Por esta razoacuten los electrodos de diamante se dopan
con otros elementos con el fin de mejorar su conductividad eleacutectrica
Los electrodos de diamante dopados con boro (BDD) constituyen un material
semiconductor de ldquotipo prdquo (un material deldquo tipo prdquo se obtiene al introducir
huecos libres en la estructura quiacutemica del elemento figura 9) ya que el boro
presenta tres electrones en su banda de valencia y el carbono 4 por lo que se
genera un hueco libre en su estructura quiacutemica de esta manera se consigue
reducir su resistividad a la deacutecima parte 102 Ωcm [102] [103]
Otros electrodos de carbono destacables son los electrodos de carboacuten viacutetreo
que son muy utilizados en electroquiacutemica por ser electrodos inertes duros y
por presentar una resistencia eleacutectrica muy baja [104] [105]
45
Figura 9 Diamante dopado con boro Se representan los huecos introducidos por el boro
Dentro de los electrodos que se han explicado los BDDs son los materiales
maacutes destacables en el anaacutelisis electroquiacutemico debido a que algunas de sus
propiedades como su baja resistividad eleacutectrica y amplia ventana de potencial
los convierten en materiales de especial intereacutes en este campo
Cuando se utilizan estos materiales como electrodos de trabajo para obtener
una buena reproducibilidad del anaacutelisis se deben tener en cuenta los aspectos
descritos a continuacioacuten [106]
Cuando se utilizan finas peliacuteculas de BDD depositados en sustratos
conductores la limpieza de su superficie se tiene que realizar mediante
meacutetodos quiacutemicos y no mediante meacutetodos fiacutesicos (pulido mecaacutenico)
para no dantildear a la misma [106]
Antes de usarles en el anaacutelisis quiacutemico se lleva a cabo un pretratamiento
o limpieza de su superficie que contribuye a la mejora de sus
caracteriacutesticas quiacutemicas y fiacutesicas Por ejemplo puede llevarse a cabo
mediante meacutetodos electroquiacutemicos aplicando un potencial o corriente
eleacutectrica [106]
Los tratamientos demasiado fuertes (ej aplicar potencial o una
corriente elevada) pueden dantildear el material del electrodo afectando
negativamente a la reproducibilidad o al rendimiento del mismo
(aumento de la corriente de fondo) [106]
241 Electrodos BDD
Los electrodos BDD se caracterizan por ser materiales semiconductores con
importantes ventajas respecto a otros electrodos semiconductores por su
amplia ventana de potencial baja corriente de fondo alta estabilidad
electroquiacutemica por ser quiacutemicamente inertes y no toacutexicos [107] [102]
46
A continuacioacuten se describen de una manera maacutes precisa las caracteriacutesticas
nombradas
bull Amplia ventana de potencial La ventana de potencial constituye el
intervalo donde se llevan a cabo las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten
de las especies quiacutemicas por lo que los analitos deben ser
electroactivos dentro de este intervalo [108]
La ventana de potencial que ofrece el diamante permite distinguir
reacciones a potenciales altos y bajos [109] Por ejemplo la reaccioacuten
del oxiacutegeno a 225 V y del hidroacutegeno a -11V se puede distinguir en los
electrodos BDD mientras que en otros electrodos como el grafito el
carboacuten viacutetreo el oro o el platino no se puede apreciar [110]
bull Estabilidad electroquiacutemica El diamante se forma por hibridacioacuten sp3
mediante un enlace sigma que une a los aacutetomos de carbono La
fortaleza de este enlace le confiere al diamante una gran estabilidad
electroquiacutemica [102]
bull Baja corriente de fondo En electroquiacutemica la corriente de fondo se
refiere a las reacciones de electroacutelisis debidas a las impurezas
presentes en la solucioacuten electroacutelisis del analito electroacutelisis del material
del electrodo y la corriente capacitiva Las tres primeras son corrientes
faraacutedicas debidas a la reacciones quiacutemicas que tienen lugar en el
electrodo mientras que la corriente capacitiva se debe al
comportamiento de la celda electroquiacutemica como un condensador
(interfaz entre el electrodo y la solucioacuten) [111] [112]
La corriente de fondo generalmente es indeseable excepto la referida a
la corriente generada por el analito Los electrodos BDD presentan una
corriente de fondo pequentildea esta propiedad es de gran intereacutes en
electroquiacutemica ya que permite llevar a cabo un anaacutelisis maacutes sensible
ademaacutes de conseguir liacutemites de deteccioacuten maacutes bajos [111] [112]
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD
Dado a la repercusioacuten que tiene el meacutetodo de fabricacioacuten de los electrodos BDD
en el anaacutelisis electroquiacutemico se han investigado varios meacutetodos para su
obtencioacuten
47
El meacutetodo maacutes empleados para la siacutentesis de BDDs es el proceso de deposicioacuten
quiacutemica de vapor (CVD) Este meacutetodo permite controlar la presencia de
impurezas de grafito que pudiese haber en el electrodo y que pudieran
repercutir negativamente en el anaacutelisis electroquiacutemico causando un aumento
de la corriente de fondo y una disminucioacuten de la ventana de potencial del
electrodo BDD Dentro de este meacutetodo se emplean distintos sustratos para la
deposicioacuten de los BDDs entre los maacutes empleados destacan los sustratos
metaacutelicos (Ti Mo y W) y los sustratos de materiales ceraacutemicos como el silicio
[106] [107] [110]
La deposicioacuten quiacutemica de vapor a altas temperaturas y presiones (HTHP)
constituye otra de las formas para obtener polvo de diamante dopado con boro
compacto A pesar de que este proceso permite obtener BDDs con
caracteriacutesticas similares a la deposicioacuten quiacutemica de vapor es un proceso que
se lleva a cabo en condiciones de presioacuten y temperatura maacutes restrictivas por lo
que es una teacutecnica menos utilizada para la obtencioacuten de este tipo de electrodos
[107]
25 Sensores basados en nanomateriales
Con el desarrollo de la nanotecnologiacutea en el campo del anaacutelisis sensorial se
han podido introducir nanomateriales que mejoran en gran medida el
comportamiento de los sensores electroquiacutemicos Debido a la importancia que
esto supone la modificacioacuten de sensores con superficies nanoestructuradas
ha representado el epicentro de estudio de un gran nuacutemero de grupos de
investigacioacuten
En los uacuteltimos antildeos se han modificado sensores electroquiacutemicos con
nanotubos de carbono por sus caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica y
propiedades fiacutesicas y quiacutemicas [64] Se han sintetizado sensores MIP
modificados con nanopartiacuteculas de oro con objeto de mejorar la intensidad de
corriente alcanzada por el sensor [85] Tambieacuten se han empleado nanohilos
metaacutelicos para mejorar el rendimiento del sensor incrementando su aacuterea
efectiva [98]
La plata por si sola representa uno de los metales con mejores caracteriacutesticas
de conductividad eleacutectrica y teacutermica [113] Por esta razoacuten los nanomateriales
basados en dicho metal son de gran intereacutes en la industria de la
nanotecnologiacutea En concreto los nanohilos de plata (AgNWs) constituyen uno
de los nanomateriales maacutes interesantes ya que presentan excelentes
propiedades que les convierten en materiales muy adecuados para el
desarrollo de los sensores electroquiacutemicos [114] [115] [116] [117]
48
Wagner se considera uno de los primeros desarrolladores de los electrodos
semiconductores basados en nanohilos de diferentes materiales En 1964
sintetizoacute microhilos de silicio utilizando el oro como catalizador del proceso
mediante meacutetodos de vapor-liacutequido-soacutelido (VLS) a traveacutes de los cuales
consiguioacute sintetizar nanoestructuras por deposicioacuten quiacutemica de vapor En 2001
se lograron sintetizar los primeros AgNWs a traveacutes del mismo proceso [118]
Desde este momento en la primera deacutecada de SXXI se han realizado nuacutemeros
estudios dedicados a la obtencioacuten de AgNWs teniendo en cuenta que su
tamantildeo forma y estructura son paraacutemetros que determinan sus propiedades
[113] [119] [120]
251 Los nanohilos de plata (AgNWs)
Los AgNWs son nanoestruras consideradas de una dimensioacuten (1D) que cuentan
con una largura mucho mayor a su diaacutemetro generalmente el diaacutemetro variacutea
entre 10 - 200 nm y su longitud puede variar entre 5 - 100 μm [113] [120]
Gracias a su configuracioacuten exhiben propiedades extraordinarias como son
[121]
bull Transparencia oacuteptica y conductividad eleacutectrica El empleo de AgNWs
como conductores transparentes representa un futuro prometedor su
importancia en este campo radica en su propiedades como son su
elevada conductividad sus propiedades oacutepticas y su sencillez de
obtencioacuten junto con el bajo coste de preparacioacuten [121] [122] [123]
bull Flexibilidad los AgNWs presentan una estructura cuacutebica centrada en las
caras (FCC) que les proporciona una alta flexibilidad y resistencia a la
traccioacuten [124] La fabricacioacuten de dispositivos electroacutenicos flexibles
constituye uno de los campos en los que maacutes se ha investigado en los
uacuteltimos antildeos siendo la flexibilidad de los AgNWs (entre otras
propiedades) lo que hace que puedan ser empleados en dispositivos
electroacutenicos que pueden ser curvados Por ello se han incorporado en
ceacutelulas solares y TCF (peliacuteculas teacutermicas conductoras transparentes)
[121]
bull Aacuterea efectiva los AgNWs presentan un relacioacuten LongitudDiaacutemetro
elevada lo que hace que tengan una gran superficie en comparacioacuten al
volumen que ocupan [125] Esta caracteriacutestica es importante porque
influye en las propiedades conductoras y oacutepticas de eacutestos Se ha
49
demostrado que en los AgNWs de diaacutemetros superiores a 50 nm
cuanto mayor es su diaacutemetro mayor es su conductividad Por el
contrario en AgNWs cuyos diaacutemetros son inferiores a 20 nm cuaacutento
menor es el diaacutemetro mejores son sus propiedades conductoras y
oacutepticas [126]
bull Confinamiento cuaacutentico el confinamiento cuaacutentico tiene lugar cuando
el tamantildeo del nanocristal es muy pequentildeo en comparacioacuten con la
longitud de onda de un electroacuten por lo que se dice que los electrones
se encuentran encerrados en un espacio cuaacutentico ocupando diferentes
niveles de energiacutea a los que ocupariacutean en el mismo material de tamantildeo
macromolecular Este fenoacutemeno hace que las propiedades oacutepticas y
eleacutectricas sean diferentes en comparacioacuten a las que tendriacutea el material
a una escala superior [127]
bull Efecto cataliacutetico se ha demostrado que el empleo de nanoestructuras
como AgNWs mejoran la transferencia electroacutenica de poliacutemeros de
mala conductividad eleacutectrica Tambieacuten actuacutean como mediadores
electroacutenicos mejorando la transferencia de electrones de la solucioacuten al
electrodo [64] [128]
bull Resonancia de plasmoacuten superficial es el fenoacutemeno que tiene lugar
cuando los electrones que estaacuten situados en la capa superficial de un
metal son excitados por los fotones de un haz de luz y despueacutes se
propagan paralelamente a lo largo de la superficie del metal [129] Los
AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso que se puede
apreciar en la banda de absorcioacuten UV- VIS lo que permite estudiar las
propiedades oacutepticas de dichos materiales [130]
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs
Los AgNWs constituyen nanomateriales de gran importancia en la siacutentesis de
sensores nanoestructurados En concreto su utilizacioacuten en sensores
electroquiacutemicos representa uno de sus principales campos de aplicacioacuten
debido a que ciertas de sus propiedades (conductividad aacuterea efectiva entre
otras) les convierten en materiales predilectos para el desarrollo de los mismos
[131] Por ello son varios los estudios dedicados a la integracioacuten de estas
nanoestructuras para la deteccioacuten de compuestos de intereacutes
50
El equipo de investigacioacuten de X Gao et al llevaron a cabo el desarrollo de un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) en la
leche de vaca La deteccioacuten de dicho producto es muy importante dentro de la
industria alimentaria y en concreto en el sector laacutecteo Su presencia se debe a
que es una sustancia muy empleada para el control del desarrollo bacteriano
en productos laacutecteos sin embargo a elevadas concentraciones puede causar
dantildeos en el organismo El sistema de medida desarrollado por el equipo de
investigacioacuten contaba con un electrodo de trabajo de carboacuten vitreo que se
modificoacute depositando AgNWs a traveacutes de ldquodrop coatingrdquo sobre la superficie del
electrodo finalmente mediante la misma teacutecnica depositaron una solucioacuten de
chitosaacuten utilizada como soporte para los AgNWs El comportamiento del sensor
frente a la deteccioacuten del H2O2 fue evaluado a traveacutes de teacutecnicas
electroquiacutemicas como la amperometriacutea en muestras de leche donde se
demostroacute una gran sensibilidad del sensor debido principalmente a la
capacidad electroliacutetica aacuterea efectiva y conductividad eleacutectrica que
proporcionaron los AgNWs [114]
J Turan et al llevaron a cabo el desarrollo de un biosensor modificado con
AgNWs para la deteccioacuten de plaguicidas como el paraoxoacuten que pueden estar
presente en la leche (muchos plaguicidas acaban en productos de consumo
diario debido a que forman parte de la cadena alimentaria de los animales) El
sistema de medida basado en meacutetodos de transduccioacuten amperomeacutetricos
contaba con un electrodo de trabajo de grafito modificado con AgNWs la
enzima que cataliza los procesos redox del compuesto de intereacutes
(butirilcolinesterasa) y un poliacutemero conductor que sirve de soporte para dicha
enzima El comportamiento del sensor fue evaluado mediante amperometriacutea a
traveacutes de la inmersioacuten del electrodo en muestras de leche con paraoxoacuten El
equipo concluyoacute que la presencia de los AgNWs a una concentracioacuten especiacutefica
junto con el poliacutemero conductor contribuiacutea a mejorar la sensibilidad
selectividad y estabilidad de la enzima en el electrodo [115]
Por su repercusioacuten en el presente trabajo tambieacuten es de intereacutes sentildealar el
desarrollo de electrodos que han sido modificados con AgNWs y que se han
empleado para la deteccioacuten de azuacutecares V H Luan et al desarrollaron un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de glucosa analito de gran intereacutes en
la industria alimentaria y en medicina El sistema sensor contaba con un
electrodo de trabajo de carboacuten viacutetreo modificado con AgNWs y grafeno La
sensibilidad del sensor fue evaluada a traveacutes de amperometriacutea en este estudio
se concluyoacute que los AgNWs combinados con el grafeno mejoraban
significativamente la sensibilidad del mismo debido a su actividad
electrocataliacutetica [116]
Finalmente un biosensor elaborado para la monitorizacioacuten de glucosa fue
fabricado por X Jang et al El equipo de investigacioacuten obtuvo un sensor para la
51
monitorizacioacuten de glucosa a traveacutes de la deteccioacuten de H2O2 (la enzima glucosa
oxidasa con oxiacutegeno genera peroacutexidos) cuyo funcionamiento se evaluoacute
mediante voltametriacutea ciacuteclica El sistema sensor contaba con un electrodo de
trabajo de carboacuten vitreo modificado con AgNWs los cuales funcionaron como
agentes electrocataliacuteticos de los procesos de reduccioacuten del H2O2 que teniacutean
lugar en la celda electroliacutetica Los AgNWs mejoraron la transferencia electroacutenica
de los electrones de la solucioacuten al electrodo y demostraron una mejora en la
intensidad de los picos catoacutedico mostrados en el voltamograma
correspondiente a los procesos de reduccioacuten del H2O2 [117]
2521 Siacutentesis de AgNWs
Existen una gran variedad de meacutetodos de obtencioacuten de AgNWs que se han ido
perfeccionando a lo largo de estos uacuteltimos antildeos ya que el meacutetodo de
fabricacioacuten influye en su organizacioacuten estructural y en su dimensioacuten Los
procesos de fabricacioacuten de AgNWs se pueden clasificar en meacutetodos fiacutesicos y
meacutetodos quiacutemicos
Los meacutetodos fiacutesicos se fundamentan en procesos de pulverizacioacuten mecaacutenica
los AgNWs obtenidos mediante este tipo de teacutecnicas no son uniformes y
presentan impurezas por lo que estos meacutetodos actualmente ya no se emplean
[121]
Los meacutetodos quiacutemicos se caracterizan por ser procesos relativamente sencillos
y aplicables a gran escala entre los maacutes destacados estaacuten el empleo de
plantillas el meacutetodo poliol o la fotorreduccioacuten por radiacioacuten ultravioleta entre
otros procesos [121]
Entre los meacutetodos descritos el meacutetodo poliol destaca por ser un meacutetodo
sencillo de bajo coste y muy eficiente Por estas razones esta teacutecnica
constituye uno de los procesos maacutes utilizados para la siacutentesis de AgNWs [121]
bull Meacutetodo poliol
Un poliol es un compuesto orgaacutenico que presenta varios grupos hidroxilo el
poliol empleado por excelencia en la siacutentesis de AgNWs es el etilenglicol (EG)
El meacutetodo poliol consiste en llevar a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten de una sal
metaacutelica mediante la aplicacioacuten de calor en presencia de un poliol [120]
52
En este proceso se utiliza un agente reductor un solvente un agente precursor
y una sal El EG presenta una funcioacuten doble por un lado actuacutea como reductor
y por otro lado actuacutea como disolvente La polivinilpirrolidona (PVP) se utiliza
como agente de recubrimiento para controlar el crecimiento anisoacutetropo de los
aacutetomos de plata y ademaacutes evita que se formen agregados de nanopartiacuteculas
(NPs) Por uacuteltimo el nitrato de plata (AgNO3) es el agente precursor encargado
de proporcionar los iones de plata (Ag+) para la siacutentesis de AgNWs [121] [120]
En mayor detalle el meacutetodo poliol comienza con la reaccioacuten de reduccioacuten de
una sal metaacutelica (CuCl2) en presencia de glicolaldehiacutedo (GA) este compuesto
es un agente reductor obtenido de la reaccioacuten de oxidacioacuten del EG cuando se
alcanza una temperatura de reaccioacuten proacutexima a 160ordmC [121] A continuacioacuten
se antildeaden simultaacuteneamente la sal de AgNO3 y el PVP durante este momento
manteniendo la temperatura de reaccioacuten constante la velocidad de agitacioacuten
y la relacioacuten molar [PVP AgNO3] antildeadida se puede controlar un mecanismo de
formacioacuten homogeacuteneo de los AgNWs [121]
El proceso de siacutentesis de AgNWs se puede seguir a simple vista debido a los
cambios de coloracioacuten que toma la disolucioacuten a medida que los AgNWs crecen
este fenoacutemeno es debido a que las nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) presentes
en la solucioacuten absorben la radiacioacuten electromagneacutetica de una longitud de onda
cercana a 400 nm haciendo que eacutesta adquiere un color amarillento [132]
El proceso de crecimiento de los AgNWs comienza a partir del mecanismo de
nucleacioacuten de los aacutetomos de plata (Ag0) presentes en la solucioacuten los cuales
proceden de la reaccioacuten de reduccioacuten de los iones Ag+ en presencia de EG
[113] Los Ag0 comienzan a nuclearse dando lugar a AgNPs de distintos
tamantildeos y morfologiacuteas Durante este momento la actuacioacuten del PVP es vital
para evitar que se formen agregados de las mismas [113] [120] [133]
A medida que evoluciona la reaccioacuten con los paraacutemetros de temperatura y
velocidad de agitacioacuten fijados como las AgNPs maacutes pequentildeas no son estables
(necesitan una energiacutea superficial mayor) comienzan a disolverse favoreciendo
el crecimiento de las AgNPs maacutes grandes siguiendo el proceso denominado
ldquomaduracioacuten de Ostwaldrdquo [113] Posteriormente gracias a la adsorcioacuten del PVP
sobre la superficie de los cristales que forman las AgNPs se promueve el
crecimiento anisotroacutepico de los mismos de manera que se produce la evolucioacuten
de las AgNPs maacutes grandes a nanobarras o ldquonanorodsrdquo (son otras estructuras
1D distintas de los AgNWs) Finalmente el crecimiento de las nanobarras da
lugar a la formacioacuten de los AgNWs durante esta etapa el PVP evita que los
AgNWs se agreguen [113] [120]
El resultado final es una disolucioacuten que contiene los AgNWs y una dispersioacuten
de las AgNPs maacutes grandes [97] Para la obtencioacuten pura de los AgNWs las NPs
53
se eliminan al finalizar el proceso de siacutentesis por medio de teacutecnicas de
centrifugacioacuten
Figura 10 Proceso de crecimiento de los AgNWs
En la figura 10 se muestran las 4 etapas que se corresponden con el
crecimiento de los cristales que forman los AgNWs En primer lugar la solucioacuten
estaacute formada por aacutetomos de plata Ag0 procedentes de la reaccioacuten de reduccioacuten
de los iones Ag+ en presencia de EG posteriormente se forman cristales de
geometriacutea pentagonal (nuacutecleos) que crecen en forma de nanobarras Este
fenoacutemeno es debido a que las moleacuteculas de PVP son adsorbidas y pasivan el
plano del cristal [100] de las AgNPs por lo que la fortaleza del enlace entre el
PVP y el plano cristalograacutefico [100] prioriza el crecimiento del cristal a lo largo
de la direccioacuten [111] formando nanobarras de una seccioacuten pentagonal
Finalmente tiene lugar el crecimiento de los AgNWs a lo largo de la direccioacuten
longitudinal [120] [134]
Figura 11 Representacioacuten de los planos cristalograacuteficos [111] y [100] de una ldquonanobarrardquo
El meacutetodo poliol puede presentar distintas variantes en funcioacuten de las
condiciones de siacutentesis empleadas es decir la utilizacioacuten de distintas sales
las concentraciones que se empleen la temperatura la velocidad de agitacioacuten
etc Dichas caracteriacutesticas afectan significativamente al proceso de obtencioacuten
54
de los AgNWs [120] [121] a continuacioacuten se describen los paraacutemetros maacutes
representativos que afectan a la formacioacuten y crecimiento de los AgNWs
Temperatura y tiempo de reaccioacuten
El poder de reduccioacuten del etilenglicol aumenta con la temperatura es decir la
reaccioacuten de oxidacioacuten del EG para dar lugar al GA se ve favorecida por las altas
temperaturas [113] [120] [121] Por esta razoacuten la temperatura del
mecanismo de reaccioacuten de la siacutentesis de los AgNWs generalmente se lleva a
cabo a 160ordmC durante 1h asiacute se consiguen obtener AgNWs de eleva longitud
[120] [121] Se ha comprobado que llevando a cabo el proceso de reaccioacuten a
temperaturas inferiores (100 ordmC) la longitud de los AgNWs disminuye y no llegan
a alcanzar el tamantildeo adecuado debido a que no se proporciona la energiacutea
suficiente para su crecimiento Por consiguiente sus propiedades se veriacutean
afectadas como por ejemplo se obtendriacutea un menor aacuterea efectiva o
disminuiriacutea la capacidad conductora de los AgNWs lo cual es indeseable [120]
Por otro lado cuando se alcanzan temperaturas maacutes elevadas (185ordmC) en la
reaccioacuten de oxidacioacuten para dar lugar a GA el producto de siacutentesis final del
meacutetodo polio seriacutean nanobarras en lugar de los AgNWs [121]
El tiempo de obtencioacuten de los AgNWs tambieacuten depende de la temperatura
Cuanto menor es la temperatura mayor es el tiempo requerido para que tenga
lugar la formacioacuten de los AgNWs ya que la reaccioacuten para dar lugar a GA no se
ve favorecida a temperaturas bajas [120] [121] Por esta razoacuten se ha
comprobado que trabajando a una temperatura de 160 ordmC los AgNWs alcanzan
su tamantildeo oacuteptimo en 1h [121]
Influencia de la Polivinilpirrolidona (PVP) y del nitrato de plata
(AgNO3)
La PVP es el poliacutemero empleado por excelencia como agente de recubrimiento
por sus buenos resultados [113] [120] [121] Su efectividad se asocia a la
presencia de determinados aacutetomos en su cadena polimeacuterica el nitroacutegeno y
oxiacutegeno que hacen que pueda ser adsorbido selectivamente sobre la superficie
de las AgNPs de esta manera ralentiza la tasa de crecimiento de las AgNPs y
favorece la formacioacuten de AgNWs [120][121] El AgNO3 es el agente que
proporciona los iones Ag+ por lo que la concentracioacuten que se antildeada tambieacuten
determinaraacute la forma de crecimiento de los AgNWs [121]
55
La concentracioacuten empleada de PVP es un factor vital que afecta directamente
a la morfologiacutea de los AgNWs ademaacutes no es un factor tratado de manera
independiente puesto que generalmente va ligado con la concentracioacuten del
AgNO3 empleada Es decir se busca un ratio molar [PVPAgNO3] que
proporcione los AgNWs con las caracteriacutesticas deseadas [121] Cuanto mayor
sea la concentracioacuten de PVP (mayor ratio manteniendo la concentracioacuten de
AgNO3 constante) se obtendraacuten AgNWs maacutes largos y de menor diaacutemetro [121]
Por otro lado cuanto mayor sea la concentracioacuten del AgNO3 se formaraacuten AgNWs
maacutes cortos y gruesos lo cual es indeseable por la obtencioacuten de AgNWs de
menor aacuterea efectiva [121]
El grado de polimerizacioacuten del PVP tambieacuten afecta significativamente a la
formacioacuten de AgNWs Largas cadenas del poliacutemero proporcionan AgNWs con
una relacioacuten LongitudDiaacutemetro mayor [120]
Influencia de la Sal metaacutelica empleada
La adiccioacuten de una sal metaacutelica es importante ya que su presencia afecta en la
morfologiacutea y al rendimiento de siacutentesis de los AgNWs En este paraacutemetro
difieren la mayoriacutea de los procesos de formacioacuten de AgNWs basados en el
meacutetodo poliol puesto que las sales que se pueden emplear son varias como el
NaCl KBr y CuCl CuCl2 [121]
Las sales que proporcionan los iones cloruro presentan importancia en la
morfologiacutea y formacioacuten de AgNWs Su intereacutes se debe a que son sustancias que
se coordinan con los nuacutecleos de plata evitando que se formen agregados de
Nps Dicho suceso es importante ya que constituye el mecanismo primario para
el crecimiento de las AgNPs [120]
El meacutetodo de adiccioacuten de los reactivos
El modo de adiccioacuten de los reactivos es un factor importante ya que afecta a la
formacioacuten de los AgNWs generalmente se puede llevar a cabo de dos maneras
diferentes La primera forma consiste en antildeadir los reactivos con una bomba
peristaacuteltica cuando se alcanza la temperatura de reaccioacuten deseada de esta
manera se controla el tamantildeo de los AgNWs mediante el ajuste de la velocidad
de la bomba La segunda forma consiste en mezclar todos los reactivos a
temperatura ambiente sin esperar a que el sistema alcance la temperatura de
reaccioacuten [120] Este uacuteltimo meacutetodo es el menos utilizado debido a que se
56
pueden formar agregados de los aacutetomos de plata lo cual es indeseable para la
formacioacuten de los AgNWs [120]
Agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten
La velocidad de agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten es un factor
importante ya que afecta a la morfologiacutea de los AgNWs Para comprobar su
efecto se han llevado a cabo estudios donde se variacutea la velocidad de agitacioacuten
para obtener un valor oacuteptimo Se ha comprobado que utilizando una velocidad
de agitacioacuten demasiado alta (500-700 rpm) el producto final obtenido son
nanobarras lo cual es indeseable ya que no se obtienen AgNWs Con
velocidades de agitacioacuten inferiores se obtienen AgNWs con una relacioacuten
LongitudDiaacutemetro elevada [133]
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs
El proceso de siacutentesis de los AgNWs afecta significativamente a su forma y
tamantildeo repercutiendo estos directamente en sus propiedades Debido a la
importancia que esto genera son varias las teacutecnicas empleadas para su
caracterizacioacuten entre ellas destacan la espectroscopiacutea de rayos-X de energiacutea
dispersiva o ldquoEnergy-Dispersive X-ray Spectroscopyrdquo (EDX) difraccioacuten de rayos-
X o ldquoX-ray Diffractionrdquo (DRX) microscopiacutea electroacutenica de barrido o ldquoScanning
Electron Microscopyrdquo (SEM) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten o ldquo
transmission electron miscroscoperdquo (TEM) microscopiacutea de fuerza atoacutemica o
ldquoAtomic force spectroscopyrdquo (AFM) y la espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta
visible o ldquo UV-VIS absorption spectrometryrdquo (UV-VIS) entre otras [135] [130]
En el presente trabajo de investigacioacuten se ha llevado a cabo un estudio de las
caracteriacutesticas morfoloacutegicas dimensionales y oacutepticas de los AgNWs
sintetizados Con el empleo del AFM se obtuvo informacioacuten de las
caracteriacutesticas dimensionales de los AgNWs por otro lado se emplearon
teacutecnicas oacutepticas de espectroscopiacutea UV-VIS para obtener informacioacuten sobre el
plasmoacuten de resonancia de los AgNWs Finalmente se utilizoacute la DRX para
realizar un anaacutelisis estructural de los AgNWs
En los apartados siguientes se lleva a cabo una descripcioacuten detallada de cada
una de las teacutecnicas empleadas
25221 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
57
El microscopio de fuerza atoacutemica es un instrumento donde se combina la
mecaacutenica y la oacuteptica estaacute formado por una punta muy fina que guarda una
estrecha distancia (nanomeacutetrica) con la superficie que va a recorrer La punta
se encuentra acoplada a un cantilever un soporte de un material
(generalmente) piezoeleacutectrico de una longitud del orden de microacutemetros Este
instrumento funciona como un muelle que se flexiona en funcioacuten de las fuerzas
de interaccioacuten entre la punta y la muestra [136] [137]
La imagen de la muestra se obtiene cuando la punta recorre su superficie de
manera que se establecen fuerzas de interaccioacuten entre la punta y eacutesta [136]
Estas fuerzas provocan la flexioacuten del cantilever que recorre la muestra
realizando un escaneo en un sistema de coordenadas tridimensional (x y z)
como se trata de un material piezoeleacutectrico presenta la capacidad de alargarse
o acortarse en funcioacuten del voltaje que reciba El movimiento del cantilever es
registrado por un haz laacuteser rojo que incide sobre eacuteste de manera que sus
desviaciones son refractadas sobre el cantilever hacia un fotodetector y la
informacioacuten es interpretada por un software proporcionando una imagen de la
muestra estudiada [136] [138]
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica presenta la gran ventaja de ser capaz de
obtener informacioacuten de la muestra sin la necesidad de que intervengan
meacutetodos eleacutectricos esto hace que se puedan utilizar una gran variedad de
muestras tanto conductoras como no conductoras Por ello la naturaleza de
la muestra es diversa pudiendo ser un soacutelido polvo muestras bioloacutegicas e
incluso se pueden emplear liacutequidos [138] Ademaacutes no requiere trabajar a vaciacuteo
como otras teacutecnicas de anaacutelisis instrumental y el tratamiento previo de la
muestra es miacutenimo o ninguno lo que hace que el AFM sea un instrumento muy
empleado en el anaacutelisis de nanomateriales [138]
A continuacioacuten en la figura 12 se muestra una imagen simplificada del
funcionamiento del AFM [138]
Figura 12 Esquema de funcionamiento de un Microscopio de fuerza atoacutemica
58
El modo de operar del AFM se basa en los siguientes modos de contacto entre
el cantilever y la muestra
bull Meacutetodo de contacto
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica por contacto directo es el mecanismo de
funcionamiento maacutes simple del microscopio En este meacutetodo la punta se
encuentra en contacto constante (muy suave) con la superficie de la muestra
de manera que las fuerzas que se dan por la interaccioacuten entre la punta y la
muestra son suficientes para alargar o comprimir el cantilever En este punto
pueden actuar tres tipos de fuerzas las fuerzas de Van der Waals son las
resultantes de la interaccioacuten entre la punta y la muestra Las fuerzas de
capilaridad (en el medio todos los materiales presentan una ligera peliacutecula de
agua) y por uacuteltimo las fuerza ejercida por el propio movimiento del cantilever
sobre la muestra [136] [139]
A pesar de que se trata de un meacutetodo sencillo presenta varias desventajas
como el ruido debido al contacto interferencias en los resultados por la
aparicioacuten de fuerzas no deseadas y el desgaste o posible destruccioacuten de la
punta [136]
bull Contacto intermitente (ldquotapping moderdquo)
La principal diferencia con respecto al anterior modo de funcionamiento es que
en este meacutetodo en lugar de arrastrar la punta se ejerce un contacto
intermitente que se puede controlar con tres paraacutemetros tiacutepicos de la oscilacioacuten
de una onda frecuencia amplitud y fase de la onda [136] El cantilever se hace
oscilar a una frecuencia fija y la amplitud se mantiene variable siendo el orden
de variacioacuten de decenas de nm Cuando la punta se acerca a la superficie se
ejercen fuerzas de interaccioacuten entre ambas cambiando los paraacutemetros de
oscilacioacuten del cantilever [136] La amplitud (relativamente amplia) que se le da
al sensor permite llevar a cabo este mecanismo de contacto intermitente por
este motivo recibe el nombre de AM-AFM (modulacioacuten de amplitud) [136]
Con este meacutetodo se reducen los efectos de friccioacuten en la punta se obtienen
medidas muy estables y ademaacutes permite obtener imaacutegenes de alta resolucioacuten
con una exactitud nanomeacutetrica [136] Por estas razones este modo de operar
constituye el meacutetodo maacutes utilizado y sobre el que se han implantado
59
importantes innovaciones tecnoloacutegicas En este contexto se ha incorporado al
microscopio un segundo laacuteser denominado ldquoblue driverdquo cuya actuacioacuten se
complementa con el laacuteser rojo inicial En este caso el movimiento del soporte
en el que se encuentra el cantilever no se debe a fenoacutemenos piezoeleacutectricos
sino que se produce por un calentamiento del cantilever a este fenoacutemeno se
le denomina excitacioacuten fototeacutermica El calentamiento provoca el movimiento
mecaacutenico del cantilever cuya frecuencia y amplitud de oscilacioacuten pueden ser
regulados con la potencia del laacuteser [140]
El blue drive proporciona imaacutegenes mucho maacutes raacutepidas precisas estables y
de mayor resolucioacuten de todo tipos de muestras tanto en medios soacutelidos como
en liacutequidos estas extraordinarias caracteriacutesticas le convierten en un
instrumento predilecto en el campo de la nanotecnologiacutea [140]
En el presente trabajo de investigacioacuten se contoacute con un AFM de estas
caracteriacutesticas gracias al cual se pudo llevar a cabo un estudio de la
morfologiacutea de los AgNWs
bull Meacutetodo de no contacto
En el meacutetodo de no contacto la punta no se arrastra sobre la muestra en
cambio se hace vibrar al cantilever en su frecuencia de resonancia fijaacutendole
una amplitud entre 1Aring hasta nanoacutemetros respecto de la muestra por ello
tambieacuten se denomina FM-AFM (modulacioacuten de frecuencia) [136] La distancia
nanomeacutetrica que mantiene separados la punta y la muestra es suficiente como
para que se establezcan fuerzas de repulsioacuten [136]
Otra de las ventajas que presenta la microscopiacutea de fuerza atoacutemica en el
anaacutelisis de materiales es que ademaacutes de obtener imaacutegenes proporciona
informacioacuten acerca de las caracteriacutesticas de fuerza de la muestra Las medidas
de fuerza se obtienen cuando la punta con la que se rastrea la muestra se
mantiene fija (meacutetodo de contacto) de manera que se puede extraer
informacioacuten uacutetil de las propiedades mecaacutenicas del material [141]
La informacioacuten se consigue mediante la representacioacuten graacutefica de la fuerza en
funcioacuten de la distancia a la muestra donde se tienen en cuenta las fuerzas de
repulsioacuten las cuales son debidas a una distancia muy proacutexima ente la punta y
la muestra y las fuerzas de atraccioacuten que tiene lugar cuando la punta se aleja
de la muestra [141] El resultado final es una graacutefica en forma de curva a partir
de la cual se obtiene informacioacuten de la dureza de un material [141]
60
25222 Teacutecnicas espectroscoacutepicas UV-VIS y DRX
La espectroscopiacutea es una teacutecnica de anaacutelisis instrumental que mide la
interaccioacuten de la materia con la radiacioacuten electromagneacutetica [142]
La radiacioacuten electromagneacutetica se puede explicar mediante dos teoriacuteas la teoriacutea
ondulatoria que establece que la luz se transmite describiendo ondas en el
espacio y la teoriacutea corpuscular la cual explica que la luz estaacute formada por
fotones La energiacutea de la radiacioacuten viene dada por la ecuacioacuten de Planck [143]
119864 = ℎ ∙ 119907 = ℎ ∙ 119888 ∙ 1120582
(5)
Ecuacioacuten 5 Ley de Planck
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull h es la constante de Planck (kg m2s)
bull v es la frecuencia (m-1)
bull 120582 es longitud de onda (m)
bull 119888 es la velocidad de la luz (ms)
La radiacioacuten comprende un espectro de diferentes longitudes de onda desde
frecuencias altas (ondas de radio) hasta frecuencias muy bajas (rayos gamma)
Cuando esta energiacutea incide sobre la materia la radiacioacuten sufre diferentes
procesos absorcioacuten transmisioacuten reflexioacuten refraccioacuten y dispersioacuten [144]
Existen diferentes teacutecnicas en funcioacuten de los procesos que sufre la luz como
son la espectroscopiacutea de absorcioacuten (radiacioacuten absorbida por la muestra) la
espectroscopiacutea de emisioacuten (radiacioacuten que emite una muestra al ser excitada) o
los meacutetodos de fluorescencia (radiacioacuten que emite la muestra cuando ha sido
excitada por radiacioacuten electromagneacutetica) [145]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten se basa en las leyes de la transmitancia y
absorbancia La transmitancia (T) es un paraacutemetro fiacutesico que indica la parte de
la energiacutea que ha sido transmitida y que es detectada por el detector una vez
61
la radiacioacuten haya atravesado la disolucioacuten La absorbancia (A) indica la
cantidad de luz absorbida por la muestra [146]
La transmitancia de una sustancia se obtiene a partir de la Ley de la
transmitancia expresada como [146]
119879 = 119868119879 119868119874
( 6)
Ecuacioacuten 6 Ley de la Transmitancia
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull IT es la cantidad de energiacutea transmitida al receptor una vez ha
atravesado la muestra
bull I0 es la cantidad de energiacutea que incide sobre la muestra
La absorbancia (A) de una sustancia se calcula a traveacutes de la transmitancia
mediante la siguiente expresioacuten [146]
119860 = 119897119900119892 (1
119879)
(7)
Ecuacioacuten 7 Caacutelculo de la absorbancia
-Espectroscopiacutea Ultravioleta-Visible (UV-VIS)
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS es una de las teacutecnicas de anaacutelisis maacutes
empleadas debido a que sus mediciones espectroscoacutepicas son muy sensibles
y no destructivas ademaacutes requiere de pequentildeas cantidades de muestra para
llevar a cabo un anaacutelisis quiacutemico [142]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS se basa en la absorcioacuten de la radiacioacuten
ultravioleta visible cuando un haz de luz atraviesa la solucioacuten en la que se
encuentra el analito La regioacuten espectral de la radiacioacuten ultravioleta visible
comprende una pequentildea regioacuten de todo el espectro electromagneacutetico donde
la luz visible alcanza las longitudes de onda entre 400 nm y 780 nm y el
ultravioleta la regioacuten entre 195 nm - 400 nm [143] [144]
62
Figura 13 Espectro electromagneacutetico correspondiente a las longitudes de onda de la regioacuten UV-VIS
La regioacuten visible es aquella parte de la radiacioacuten electromagneacutetica que puede
ser percibida por el ojo humano y gracias a ella se puede apreciar el color que
presenta una disolucioacuten [146] [147]
La regioacuten ultravioleta es una regioacuten de energiacutea muy alta y se corresponde con
una parte del espectro muy importante en el estudio y cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos Debido a que los compuestos quiacutemicos con enlaces
dobles triples enlaces peptiacutedicos compuestos aromaacuteticos y heteroaacutetomos
(aacutetomos que no son ni carbono ni hidroacutegeno) presentan sus maacuteximos de
absorbancia en dicha regioacuten [147]
El espectro de la regioacuten ultravioleta comprende las siguientes regiones
ultravioleta cercano o UV-A (es la regioacuten maacutes proacutexima a la regioacuten del espectro
visible su energiacutea de radiacioacuten fluctuacutea entre 315 nm y 400 nm) UV lejano o
UV-B (presenta un rango de radiacioacuten entre 280 nm y 315 nm) UV extremo o
UV-C (presenta un rango de radiacioacuten entre 100 nm y 280 nm) y finalmente el
UV de vaciacuteo ( es la regioacuten del espectro UV que presenta un intervalo de longitud
de onda menor comprendido entre 200 nm y 10 119899119898) [148]
El meacutetodo de absorcioacuten UV-VIS se basa en la incidencia de la radiacioacuten
electromagneacutetica con una determinada longitud de onda sobre la muestra
parte de la energiacutea es absorbida lo que provoca transiciones electroacutenicas entre
diferentes niveles energeacuteticos Debido a ello el aacutetomo que absorbe la radiacioacuten
pasa de su estado fundamental a un estado excitado de mayor energiacutea y
transcurrido un tiempo retorna a su estado energeacutetico basal (estado de menor
energiacutea) emitiendo radiacioacuten [144]
En la figura 14 se muestran las transiciones electroacutenicas que tienen lugar en la
regioacuten del espectro UV-VIS Estas transiciones se producen desde la banda de
valencia donde se encuentran los electrones hasta una nivel de energiacutea
superior [149]
63
Figura 14 Orbital molecular de la banda de valencia y transiciones electroacutenicas
Las transiciones electroacutenicas que pueden tener lugar son
bull σ rarr σ la transicioacuten del orbital sigma al orbital sigma antienlazante la
presentan la gran mayoriacutea de compuestos orgaacutenicos e implica una gran
cantidad de energiacutea e intensidad Estas transiciones se producen en la
regioacuten del UV de vaciacuteo y la regioacuten del UV lejano [149]
bull n rarrσ la transicioacuten electroacutenica del orbital molecular n al orbital σ se
da en compuestos que tienen heteroaacutetomos (los maacutes comunes son O
N S y haloacutegenos) a una longitud de onda de 200 nm Los compuestos
con azufre y yodo dan maacuteximos de absorbancia en la regioacuten UV-cercano
[149]
bull 120645 rarr 120645 lowast estos orbitales moleculares se encuentran en moleacuteculas que
presentan enlaces muacuteltiples como alquenos alquinos o compuestos
aromaacuteticos La transicioacuten electroacutenica del orbital 120645 al orbital 120645 lowast se puede
apreciar en la regioacuten del UV-lejano Tambieacuten hay compuestos que
pueden dar bandas de absorcioacuten en el UV-cercano si el compuesto
orgaacutenico presenta una insaturacioacuten conjugada (compuestos como el
fenol o furano) [149]
bull 119951 rarr 120645 lowast las transiciones electroacutenicas del orbital n al orbital 120645 lowast tienen
lugar en compuestos insaturados con heteroaacutetomos y se producen en
sustancias que dan bandas de absorcioacuten en la regioacuten del UV cercano
[149]
64
Cuando se lleva a cabo el anaacutelisis de la muestra por espectroscopiacutea de
absorcioacuten UV-VIS hay que tener en cuenta el tipo de celda en la que se introduce
la muestra Generalmente se utilizan cubetas de base cuadrada siendo dos de
sus paredes transparentes a la radiacioacuten en el rango de longitudes de onda en
el que se trabaje (ya que la luz atravesaraacute estas paredes) por ello el material
empleado en espectroscopiacutea UV suele ser el cuarzo [150]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS generalmente se lleva a cabo con la
especie quiacutemica disuelta en un disolvente Calculando la cantidad de energiacutea
absorbida o transmitida por la muestra se puede obtener la concentracioacuten de
analito presente en la solucioacuten a traveacutes de la ley de Lambert-Beer (ecuacioacuten 8)
Dicha ley relaciona la cantidad de energiacutea que ha sido absorbida con la
concentracioacuten de analito que hay en la muestra [146]
119860 = 휀 ∙ 119888 ∙ 119897
(8)
Ecuacioacuten 8 Ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [145]
bull A es la absorbancia y es un paraacutemetro adimensional
bull 휀 es el coeficiente de extincioacuten molar o absortividad Es caracteriacutestico
de cada sustancia y se corresponde con la cantidad de energiacutea que
absorbe una sustancia a una longitud de onda determinada por unidad
de concentracioacuten (119872minus1 ∙ 119888119898minus1)
bull 119888 es la concentracioacuten molar del analito en la muestra (M)
bull l es el camino oacuteptico anchura de la ceacutelula que contiene a la disolucioacuten
(cm)
A traveacutes de la ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer se deduce que la absorbancia
depende del nuacutemero de moleacuteculas que hay en la muestra por lo que cuanto
mayor es su concentracioacuten mayor es la interaccioacuten de la luz con eacutestas Del
camino oacuteptico cuanto mayor es la distancia que recorre la luz a traveacutes de la
muestra mayor es la interaccioacuten con eacutesta De la naturaleza quiacutemica de la
muestra y finalmente tambieacuten depende de la intensidad y de la longitud de
onda de la radiacioacuten electromagneacutetica que incida sobre la muestra [143]
[146]
65
La ley de Lambert-Beer se cumple uacutenicamente para disoluciones diluidas a
concentraciones elevadas la disolucioacuten deja de comportarse de manera ideal
Esto supone que el coeficiente de extincioacuten molar (ε) variacutee con la concentracioacuten
debido a fenoacutemenos asociados con la dispersioacuten de la luz agregaciones de
sustancia etc En consecuencia la relacioacuten entre la absorbancia y la
concentracioacuten deja de tener un comportamiento lineal tal y como se muestra
en la figura 15 [146] [151]
Figura 15 A Recta de la ecuacioacuten de la Ley de Lambert-Beer y B representacioacuten de las desviaciones de la ley de Lambert- Bee
La espectroscopiacutea UV-VIS ha sido muy utilizada en el anaacutelisis cualitativo y
cuantitativo por su sencillez y utilidad En el anaacutelisis cualitativo se usa para la
determinacioacuten y caracterizacioacuten de biomoleacuteculas ya que la longitud de onda a
la que una sustancia puede absorber es una propiedad caracteriacutestica de cada
grupo funcional En el anaacutelisis cuantitativo se usa en la cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos e inorgaacutenicos ya que proporciona una alta sensibilidad
y buena precisioacuten [152]
En el campo de la nanotecnologiacutea dicha teacutecnica constituye una herramienta
muy valiosa para identificar caracterizar y estudiar nanomateriales debido a
que las nanopartiacuteculas o nanohilos de ciertos metales presentan propiedades
oacutepticas sensibles a su tamantildeo y forma [153] Cuando un haz de luz incide sobre
ellos interactuacutean con la radiacioacuten emitiendo a una determinada longitud de
onda dando lugar a fenoacutemenos oacutepticos de intereacutes [153] Por ejemplo las
resonancias de plasmoacuten superficial son fenoacutemenos dependientes de la
geometriacutea de los nanomateriales y se producen en respuesta a una excitacioacuten
electromagneacutetica que incide sobre ellos [154]
Los AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso en la regioacuten UV-
VIS y debido a la repercusioacuten que tienen sus caracteriacutesticas morfoloacutegicas en
sus propiedades se han realizado estudios donde se ha comprobado que en
66
funcioacuten de la morfologiacutea de los AgNWs el plasmoacuten de resonancia variacutea [154]
Se ha demostrado que en AgNWs con una seccioacuten pentagonal se obtiene un
plasmoacuten de resonancia formado por dos bandas de absorcioacuten bien
diferenciadas en longitudes de onda proacuteximas a 361 nm (maacutes intenso) y 345
nm (menos intenso) En cambio en AgNWs con una seccioacuten circular el espectro
tiene una sola banda de absorcioacuten Finalmente en el anaacutelisis del espectro de
los AgNWs con una seccioacuten triangular se obtienen 3 bandas de absorcioacuten [154]
Por consiguiente el plasmoacuten de resonancia obtenido a partir de espectroscopiacutea
UV-VIS resulta de gran intereacutes en el estudio de ciertos nanomateriales como
los AgNWs ya que se puede relacionar con las caracteriacutesticas morfoloacutegicas de
los mismos
-Difraccioacuten de rayos-X (DRX)
La difraccioacuten de rayos-X es una de las teacutecnicas de anaacutelisis instrumental maacutes
empleadas para la caracterizacioacuten de materiales pues aporta informacioacuten
sobre sus caracteriacutesticas estructurales (estructura orientacioacuten de los cristales
grado de cristalinidad defectos en la estructura cristalina etc) y de su
composicioacuten quiacutemica Su mayor importancia en la nanotecnologiacutea radica en
que permite caracterizar de manera no destructiva los nanomateriales a
traveacutes de un estudio de la cristalinidad de su estructura [155] [156]
La teacutecnica DRX consiste en la emisioacuten de una radiacioacuten electromagneacutetica
filtrada de esta manera se consigue un haz de luz monocromaacutetico dirigido
hacia la muestra Los picos del espectro obtenidos son consecuencia de la
interaccioacuten producida entre los rayos-X que inciden y la muestra lo que da lugar
a la refraccioacuten de un haz de luz que uacutenicamente tiene lugar cuando se cumple
la ley de Bragg [155] [156]
La ley de Bragg (ecuacioacuten 9) relaciona la longitud de onda de los rayos-X con el
aacutengulo del haz refractado y el espacio interplanar de la muestra [155]
119899 ∙ 120582 = 2 ∙ 119889 ∙ 119904119890119899(120579)
(9)
Ecuacioacuten 9 Ley de Bragg
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [155]
67
bull n es un nuacutemero entero
bull 120582 es la longitud de onda de los rayos-X que inciden sobre la muestra
bull 119889 es el espacio comprendido entre las filas de aacutetomos
bull 120579 es el aacutengulo que los rayos-X forman con el plano de las filas de aacutetomos
El espectro de difraccioacuten que se obtiene es caracteriacutestico de cada compuesto
lo que permite el anaacutelisis cualitativo de sustancias quiacutemicas En este proceso
se compara el patroacuten obtenido del espectro con patrones conocidos de esta
manera se puede lograr la determinacioacuten estructural de muestras cuya
composicioacuten es desconocida [155] Por esta razoacuten la teacutecnica DRX es de gran
utilidad en el campo de la nanotecnologiacutea ya que puede ser empleada para
caracterizar la estructura de nanomateriales mediante su excitacioacuten por rayos-
X
Los AgNWs presentan un patroacuten de difraccioacuten de rayos-X muy caracteriacutestico que
es utilizado para estudiar su estructura y cristalinidad ya que a traveacutes de eacutel se
obtiene informacioacuten de la orientacioacuten cristalograacutefica de los cristales que
componen dichos nanomateriales Generalmente los AgNWs presentan
espectros de difraccioacuten en los planos cristalograacuteficos [111] [200] [220] [311]
y [222] donde la intensidad de cada uno de ellos dependeraacute de la orientacioacuten
de los cristales que los compongan [157]
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas
La electroquiacutemica es la rama de la quiacutemica y la fiacutesica que estudia la relacioacuten
entre las caracteriacutesticas eleacutectricas y los cambios quiacutemicos que se producen en
una solucioacuten Esta teacutecnica es empleada en una gran variedad de campos
dentro de los cuales destacan el diagnoacutestico cliacutenico el anaacutelisis ambiental y el
control de calidad en la industria alimentaria [158] Actualmente y por su
implicacioacuten en el presente trabajo cabe destacar la vinculacioacuten que se ha
establecido entre el campo de la electroquiacutemica y la nanotecnologiacutea estaacute
combinacioacuten ha contribuido al desarrollo de nuevos sensores electroquiacutemicos
como son los MIPs con propiedades conductoras [159]
Un proceso electroquiacutemico implica un intercambio de electrones entre el
electrodo y la especie que se encuentra en la solucioacuten consecuencia de los
procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda electroquiacutemica
68
(en una reaccioacuten de oxidacioacuten la especie pierde electrones mientras que en un
proceso de reduccioacuten gana electrones)
La celda electroquiacutemica se puede clasificar en dos tipos de celda en funcioacuten de
coacutemo tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten Si se produce una
reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea que genera un flujo de corriente eleacutectrica se
denomina celda galvaacutenica Por el contrario si se emplea una fuente externa
(por ejemplo un potenciostato) que proporciona electricidad para provocar la
reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten de una especie se denomina celda
electroliacutetica En ambas celdas la oxidacioacuten tiene lugar en el aacutenodo y la
reduccioacuten tiene lugar en el caacutetodo por lo que la reaccioacuten de oxidacioacuten-
reduccioacuten da lugar a una diferencia de potencial entre el sistema de electrodos
que puede ser medida obtenieacutendose asiacute informacioacuten uacutetil sobre los procesos
electroquiacutemicos [100] [160]
La ecuacioacuten de Nernst (ecuacioacuten 10) es la ecuacioacuten por excelencia para
estudiar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda
electroquiacutemica Relaciona el potencial (tambieacuten llamado fuerza electromotriz)
producido en la celda con el potencial normal tabulado y la actividad de las
especies quiacutemicas en la solucioacuten [100]
119864 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865∙ 119871119899 119896
(10)
Ecuacioacuten 10 Ecuacioacuten de Nerst
Donde los teacuterminos de la ecuacioacuten son [100]
bull E es el potencial que tiene lugar en la celda electroquiacutemica y es el
resultado de la suma de los potenciales entre el caacutetodo por la reaccioacuten
de reduccioacuten y el aacutenodo por la reaccioacuten de oxidacioacuten de las especies
quiacutemicas que participan en la actividad redox
119864 = 119864119888aacute119905119900119889119900 + 119864aacute119899119900119889119900
(11)
Ecuacioacuten 11 Ecuacioacuten del potencial resultante de una celda electroquiacutemica
bull E0 potencial estaacutendar de una reaccioacuten quiacutemica
bull R constante universal de los gases ideales (831 Jmol ordm K)
69
bull T temperatura (ordmK)
bull n moles de electrones que se transfieren en el proceso de oxidacioacuten-
reduccioacuten
bull F constante de Faraday (96500 Cmol de electrones)
bull K constante de equilibrio termodinaacutemica Se define como el cociente
de los productos de las sustancias que participan en la actividad de
oxidacioacuten-reduccioacuten elevados a sus coeficientes estequiomeacutetricos
Para una reaccioacuten quiacutemica geneacuterica
119886119860 + 119887119861 + harr 119888119862 + 119889119863+
(12)
Ecuacioacuten 12 Reaccioacuten quiacutemica general de un proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten
La constante K se calcula como
119870 = [119862]119888 ∙ [119863]119889
[119860]119886 ∙ [119861]119887
(13)
Ecuacioacuten 13 Ecuacioacuten de la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde los paraacutemetros de la reaccioacuten [A] [B] [C] y [D] son las
concentraciones molares de los reactivos y productos que intervienen
en el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten Los paraacutemetros a y b son los
coeficientes estequiomeacutetricos de los reactivos [A] y [B] respectivamente
c y d son los coeficientes estequiomeacutetricos de los productos [C] y [D]
respectivamente
El potencial de la celda se puede relacionar con la energiacutea libre de Gibbs
mediante la siguiente expresioacuten [100]
∆119866 = minus 119882 = minus119899 ∙ 119865 ∙ 119864
(14)
Ecuacioacuten 14 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs
70
La energiacutea libre de Gibbs (∆119866) indica la espontaneidad del proceso de
oxidacioacuten-reduccioacuten y se define como la maacutexima cantidad de trabajo (W) que
puede extraerse de un sistema Un proceso electroquiacutemico seraacute reversible si
∆119866 lt 0 por el contrario un proceso electroquiacutemico seraacute irreversible si ∆119866 gt 0
[100]
Ademaacutes la constante K se relaciona con el cambio de la energiacutea libre de Gibbs
mediante la expresioacuten de la ecuacioacuten 15
∆119866 = ∆1198660 + 119877 ∙ 119879 ∙ 119897119899 119870
(15)
Ecuacioacuten 15 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs relacionada con la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde ∆119866ordm se corresponde con el incremento de la energiacutea libre de
Gibbs medida en condiciones normales
Las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que se producen como consecuencia de
aplicar un potencial eleacutectrico o una corriente a traveacutes de un potenciostato en
una celda electroliacutetica tienen lugar entre un sistema de electrodos que puede
presentar diferentes configuraciones
Las celdas electroliacuteticas que presentan un sistema de dos electrodos (electrodo
de referencia y electrodo de trabajo) pueden medir la diferencia de potencial
existente entre ambos Sin embargo las celdas electroliacuteticas maacutes empleadas
utilizan una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de referencia electrodo
de trabajo y electrodo auxiliar) ya que por medio de esta configuracioacuten se puede
controlar la peacuterdida de carga que sufre el sistema El dispositivo que mide la
diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia
presenta una elevada impedancia por lo que la corriente que circula entre ellos
es muy baja [161] [162]
Los electrodos se encuentran sumergidos en la solucioacuten de la celda
electroliacutetica para que tenga lugar una circulacioacuten de corriente eleacutectrica desde
el electrodo de trabajo al electrodo auxiliar deben estar conectados por un hilo
conductor (por ejemplo un metal) a un potenciostato (figura 16) [162]
71
Figura 16 Esquema de una celda electroliacutetica conectada a un potenciostato que presenta un sistema de tres electrodos electrodo auxiliar electrodo de referencia y electrodo de trabajo
En la figura 16 se puede distinguir el electrodo de trabajo un contraelectrodo
y el electrodo de referencia cuyas funciones son
bull Electro de trabajo Electrodo donde se impone un potencial fijo o
variable que sirve para caracterizar las reacciones electroquiacutemicas Si
se impone un potencial positivo tendraacute lugar una reaccioacuten de oxidacioacuten
sobre el electrodo de trabajo si se impone un potencial negativo tendraacute
lugar una reaccioacuten de reduccioacuten sobre eacuteste [163]
bull Electrodo auxiliar o contraelectrodo Con este electrodo se cierra el
circuito ya que permite circular la corriente eleacutectrica a su traveacutes (de esta
manera la corriente no pasa por el electrodo de referencia) Este
electrodo puede ser de varios materiales (ej oro carbono etc) pero el
maacutes comuacuten es una placa de platino ya que es un material resistente a
la corrosioacuten y no afecta negativamente a los procesos que tienen lugar
en el electrodo de trabajo [164]
bull Electrodo de referencia Este electrodo debe tener un potencial
constante y conocido ya que se utiliza como potencial de referencia
para obtener los valores de los potenciales individuales Por esta razoacuten
el material empleado en su construccioacuten debe tener un potencial
estable ante las condiciones de anaacutelisis
A lo largo de los antildeos se han empleado una gran variedad de electrodos
de referencia siendo el electrodo de referencia universal el electrodo de
hidroacutegeno Sin embargo eacuteste no se utiliza por su difiacutecil preparacioacuten y la
72
necesidad de introducir hidroacutegeno [164] [165] En su lugar
actualmente se utiliza el electrodo de calomelanos saturado (SCE) y el
electrodo de plata (Ag) cloruro de plata (AgCl)
El electrodo SCE consiste en un tubo lleno de mercurio (Hg) en cuyo
interior hay un alambre de platino conectado a la salida del mismo y una
solucioacuten saturada de cloruro de mercurio (I) o calomelano Esta solucioacuten
estaacute en contacto con una solucioacuten de cloruro de potasio (KCl) que se
encuentra en el tubo exterior el final de este tubo presenta una
membrana porosa que permite el paso de iones a su traveacutes cerrando el
circuito eleacutectrico [166] La reaccioacuten quiacutemica que tiene lugar en este
electrodo es [166]
11986711989221198621198972(119904oacute119897119894119889119900) + 2119890minus harr 11986711989222+(119897iacute119902119906119894119889119900) + 2119862119897
minus
(16)
Ecuacioacuten 16 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo SCE
El electrodo Ag AgCl es el maacutes utilizado debido a su eficacia y facilidad
de siacutentesis Consta de un alambre de plata en contacto con una
disolucioacuten electroliacutetica de KCl que estaacute saturada con AgCl el final del
electrodo acaba con un diafragma de un material poroso que permite el
paso de iones a traveacutes de eacutel [164] [165] La reaccioacuten quiacutemica que tiene
lugar se muestra a continuacioacuten [167]
119860119892119862119897(119904oacute119897119894119889119900) + 119890minus harr 119860119892(119904oacute119897119894119889119900) + 119862119897minus
(17)
Ecuacioacuten 17 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo AgAgCl
Fundamentadas en los procesos electroquiacutemicos surgen las teacutecnicas
electroanaliacuteticas un conjunto de teacutecnicas utilizadas para el anaacutelisis tanto
cualitativo como cuantitativo de un analito a traveacutes de la medicioacuten de sus
caracteriacutesticas eleacutectricas y electroquiacutemicas como la corriente y el potencial
[158] Estas teacutecnicas destacan por su sensibilidad precisioacuten y selectividad
[100]
Las teacutecnicas electroanaliacuteticas se clasifican en funcioacuten de la respuesta eleacutectrica
que se genera al aplicar una perturbacioacuten eleacutectrica al sistema La perturbacioacuten
puede ser por la imposicioacuten de un potencial o una corriente eleacutectrica en funcioacuten
de ello la informacioacuten obtenida seraacute diferente [100] [168]
73
Entre las teacutecnicas electroanaliacuteticas maacutes empleadas se encuentran la
potenciometriacutea (obtiene informacioacuten del sistema mediante la medida del
potencial de la celda electroquiacutemica relacionando la actividad electroquiacutemica
con el potencial mediante la aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Nernst) [169]
conductimetriacutea (se basa en medir la conductividad de la disolucioacuten que es
funcioacuten de la concentracioacuten ioacutenica por lo que la produccioacuten de corriente
eleacutectrica depende de la circulacioacuten de iones) [169] electrogravimetriacutea (se basa
en el caacutelculo de la cantidad de analito que se ha transformado en producto
como consecuencia de una reaccioacuten quiacutemica) [169] culombimetriacutea (se basa
en determinar la cantidad de corriente que es necesaria aplicar a la celda para
que todo el analito se transforme en producto) [169] voltametriacutea (se basa en
relacionar el potencial aplicado en el electrodo de trabajo con la corriente
eleacutectrica generada mediante un voltamograma) [169]
En el siguiente apartado se describen en profundidad las teacutecnicas empleadas
en el desarrollo de este trabajo
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos
La voltametriacutea se basa en la obtencioacuten de informacioacuten del analito por medio de
la medida de la intensidad de corriente que fluye a traveacutes de la celda
electroliacutetica al aplicar un potencial eleacutectrico (sobre el electrodo de trabajo) que
variacutea con el tiempo El potencial eleacutectrico aplicado debe ser el suficiente para
que tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del compuesto quiacutemico
estudiado [170]
Existen una gran variedad de teacutecnicas de voltametriacutea en funcioacuten del tipo de
sentildeal aplicada sobre el electrodo de trabajo El barrido lineal consiste en llevar
a cabo un barrido de potencial de corriente continua esta sentildeal aumenta
linealmente con el tiempo Las sentildeales de excitacioacuten de impulsos consisten en
aplicar impulsos de manera que se mide la intensidad de corriente en los
diferentes lapsos de tiempo en que dure el impulso La onda de forma
triangular consiste en aplicar una diferencia de potencial sobre el electrodo de
trabajo En primer lugar el potencial aumenta linealmente con el tiempo hasta
que se alcanza un punto maacuteximo en este momento el valor del potencial
disminuye con la misma pendiente hasta alcanzar un miacutenimo (la amplitud de
la onda no se mantiene constante sino que forma un aacutengulo) Finalmente la
sentildeal de excitacioacuten de onda cuadrada consiste en aplicar un impulso al
comenzar un escaloacuten y durante la mitad de tiempo de su duracioacuten la amplitud
de cada escaloacuten se mantiene constante [170]
74
A continuacioacuten se explica la voltametriacutea ciacuteclica ya que es el meacutetodo utilizado
en el presente trabajo de investigacioacuten
2611 Voltametriacutea ciacuteclica
La voltametriacutea ciacuteclica es una de las teacutecnicas electroquiacutemicas maacutes utilizadas ya
que permite llevar a cabo un anaacutelisis de las muestras en un amplio rango de
potenciales en el que el analito debe ser electroactivo [171] Dicha teacutecnica
proporciona informacioacuten tanto cualitativa como cuantitativa sobre las
reacciones electroquiacutemicas actividad cataliacutetica de las especies quiacutemicas
reversibilidad del proceso etc [172]
La voltametriacutea ciacuteclica se lleva a cabo en una celda electroliacutetica generalmente
con una configuracioacuten de tres electrodos Durante el anaacutelisis se mide el
potencial del electrodo de trabajo respecto del potencial del electrodo de
referencia que se mantiene constante [173] [174] El proceso de medida del
potencial comienza aplicando una diferencia de potencial a un electrodo de
trabajo Primero se aplica un potencial inicial (Eo) que aumenta de forma lineal
hasta alcanzar un valor de potencial (E1) en este potencial se produce una
inversioacuten del sentido de barrido completando asiacute el ciclo [173] [174] La sentildeal
de excitacioacuten adquiere una forma triangular tal y como se observa en la figura
17
Figura 17 Voltametriacutea Ciacuteclica Sentildeal de excitacioacuten triangular
Al mismo tiempo que se aplica el potencial se produce la circulacioacuten de la
corriente eleacutectrica del electrodo de trabajo al electrodo auxiliar La variacioacuten de
75
la intensidad de corriente con el potencial se puede estudiar a traveacutes de la
representacioacuten de un voltamograma [174]
El voltamograma (figura 18) se obtiene de aplicar un barrido de potencial al
electrodo de trabajo en dos direcciones Generalmente se comienza en el
sentido anoacutedico es decir aplicando un potencial (Eλ1) se produce la reaccioacuten
de oxidacioacuten del analito En consecuencia la corriente generada (ipa) aumenta
hasta alcanzar un punto maacuteximo (Epa) a partir del cual la intensidad disminuye
debido al consumo del analito en la superficie del electrodo El barrido de
potencial en sentido inverso se basa en el mismo fundamento pero en este
caso se produce la reaccioacuten de reduccioacuten del analito [175]
Figura 18 Voltamograma ciacuteclico Intensidad frente a potencial del analito de intereacutes
En la figura 18 ipc es la intensidad de corriente catoacutedica Eλ2 es el valor de
potencial de corte anoacutedico donde el sentido del barrido de potencial se invierte
y Epc es el corte de pico catoacutedico a partir del cual la intensidad disminuye
Los paraacutemetros de un voltamperograma dan informacioacuten acerca del grado de
reversibilidad del proceso de la reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten Para que
tenga lugar un proceso reversible las concentraciones de las especies en el
seno de la disolucioacuten se tienen que mantener constantes [173]
En voltametriacutea afectan en gran medida los procesos de difusioacuten y de
transferencia electroacutenica de las especies electroactivas de la solucioacuten hasta la
superficie del electrodo En un proceso reversible se considera que la etapa
predominante del proceso electroquiacutemico (proceso maacutes lento) es la difusioacuten del
analito hasta la superficie del electrodo [100]
76
En el caso de un proceso reversible el potencial de pico anoacutedico y catoacutedico
dependen de igual forma del potencial formal y se calculan con la ecuacioacuten 19
y 18 respectivamente [176]
119864119901119888 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(18)
Ecuacioacuten 18 Caacutelculo del potencial de pico catoacutedico para un proceso reversible
119864119901119886 = 1198640 + 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(19)
Ecuacioacuten 19 Caacutelculo del potencial de pico anoacutedico para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de ambas ecuaciones son
bull 1198640 es el potencial formal (V)
bull 119864119901119888 es el potencial de pico catoacutedico (V)
bull 119864119901119886 es el potencial de pico anoacutedico (V)
bull 119877 119879 119899 119865 son paraacutemetros que se han descrito en la ecuacioacuten de Nerst
bull 119863119877 y 119863119874 son los coeficientes de difusioacuten correspondientes a la especie
reducida y a la especie oxidada respectivamente (cm2s)
En un proceso reversible el potencial formal se calcula a partir de los
potenciales de pico anoacutedico y catoacutedico con la ecuacioacuten 20 [177]
1198640 = 119864119901119888 + 119864119901119886
2
(20)
Ecuacioacuten 20 Caacutelculo del potencial de media onda para un proceso reversible
77
La corriente de pico se calcula a partir de la ecuacioacuten de Randles-SevciK Esta
ecuacioacuten relaciona la corriente de pico con la concentracioacuten del analito y la
velocidad de barrido A 25ordmC la corriente de pico se calcula con la ecuacioacuten 21
[173]
119894119901 = 269 ∙ 105 ∙ 11989932 ∙ 119860 ∙ 11986312 ∙ 119862lowast ∙ 11990712
(21)
Ecuacioacuten 21 Ley de Randles Seycik para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull ip es la corriente de pico (A)
bull n es el nuacutemero de electrones intercambiados
bull A es el aacuterea del electrodo (cm2)
bull D es el coeficiente de difusioacuten (cm2s)
bull C concentracioacuten en el seno de la disolucioacuten del analito (molcm3)
bull v es la velocidad de barrido (Vs)
La corriente de pico catoacutedico (119894119901119888) y anoacutedico (119894119901119886) coinciden por lo que su
relacioacuten es igual a la unidad
(119894119901119888
119894119901119886) = 1
(22)
Ecuacioacuten 22 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso reversible
A traveacutes de las ecuaciones se concluye que la corriente de pico es proporcional
a la velocidad de barrido mientras que el potencial de pico es independiente
de la velocidad de barrido con la que se realice la voltametriacutea ciacuteclica
Realmente es difiacutecil que el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten sea completamente
reversible por lo que a continuacioacuten se describiraacute un proceso irreversible
78
En un proceso totalmente irreversible la velocidad de transporte electroacutenica
presenta un valor muy bajo debido a ello la etapa limitante de la reaccioacuten es
la transferencia electroacutenica (en lugar de la difusioacuten) La ecuacioacuten de Randles-
Seycik para un proceso irreversible se corresponde con la ecuacioacuten 23 donde
la intensidad de pico a 25ordmC se calcula con la siguiente ecuacioacuten [178]
119894119901 = (299105) 119899 120572
12 119863
12 119907
12 119860 119862lowast
(23)
Ecuacioacuten 23 Ley de Randles-Sevcik para un proceso totalmente irreversible
119894119901119888 ne 119894119901119886 ne 1
(24)
Ecuacioacuten 24 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso irreversible
Donde la uacutenica variable nueva es 120572 que representa el coeficiente de
transferencia electroacutenica
El potencial de pico se puede relacionar con el potencial formal a partir de la
ecuacioacuten 25
119864119875 = 1198640 minus (119877119879
120572119899119865) [0780 + 119897119899 (
11986312
1198960) + 119897119899 (
120572119865 ∙ 119907
119877 ∙ 119879)12 ]
(25)
Ecuacioacuten 25 Potencial para un proceso totalmente irreversible
Donde k0 es la conste estaacutendar cineacutetica de la reaccioacuten electroquiacutemica
Con las ecuaciones que describen un proceso irreversible se puede concluir
que la velocidad de barrido siacute afecta al valor del potencial de pico Por otro lado
al igual que en el proceso reversible la corriente de pico tambieacuten estaacute afectada
por la raiacutez cuadrada de la velocidad de barrido con la que se lleve a cabo la
voltametriacutea ciacuteclica [173]
En el caso de que el proceso electroquiacutemico sea cuasi-reversible dependeraacute
tanto de la transferencia electroacutenica como de los procesos de difusioacuten Para
79
obtener una idea de la irreversibilidad se calcula la separacioacuten del pico anoacutedico
y catoacutedico a partir de la ecuacioacuten 20 [176]
2612 Cronoamperometriacutea
La cronoamperometriacutea es un meacutetodo electroquiacutemico en el que se aplica un
potencial fijo sobre el electro de trabajo [179] Dicha teacutecnica normalmente se
realiza en una celda electroliacutetica que presenta una configuracioacuten de tres
electrodos El proceso de medida del potencial en la celda parte de un potencial
en el que no se producen reacciones electroquiacutemicas Posteriormente
aplicando un potencial constante en el que el compuesto de intereacutes es
electroactivo tienen lugar las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten del mismo
[180]
Como consecuencia de los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del analito que
tienen lugar en la celda se produce una circulacioacuten de corriente eleacutectrica
representada en un cronoamperograma El valor de la corriente alcanzada
dependeraacute de las capas difusivas del analito en el electrodo de trabajo (una
capa difusiva (δ) se corresponde con la regioacuten de un electrodo en la que la
concentracioacuten del analito difiere con la concentracioacuten del mismo en la
disolucioacuten electroliacutetica) [181] El proceso electroquiacutemico genera una diferencia
de concentraciones entre la solucioacuten y la concentracioacuten de la especie en la zona
cercana a la superficie del electrodo (δ) lo que da lugar a un transporte de
especies (difusioacuten) que tiende a compensar la diferencia de concentraciones
entre ambas regiones [182]
El fenoacutemeno de difusioacuten viene descrito por la ley de Fick [183]
119869 = minusD ∙120597119862
120597119883
(26)
Ecuacioacuten 26 Ley de difusioacuten de Fick
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull J es el flujo de difusioacuten (molcm ∙ 119904)
bull D es el coeficiente de difusioacuten
80
bull 120597119862120597119883 es el gradiente de concentracioacuten
El transporte de las especies de la solucioacuten hasta la superficie del electrodo
puede tener lugar de distintas formas por su intereacutes con el presente trabajo
caben mencionar
La difusioacuten de reacutegimen transitorio es el fenoacutemeno de transporte resultante de
un gradiente de concentraciones que tiene lugar al aplicar un potencial
(catoacutedico o anoacutedico) en consecuencia el analito se consume debido a las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten La difusioacuten del analito desde la solucioacuten
(donde la concentracioacuten es mayor) hasta la superficie del electrodo (donde la
concentracioacuten es menor) se produce uacutenicamente por la difusioacuten natural donde
el perfil de concentraciones obtenido (figura 19) es funcioacuten del tiempo y de la
distancia al electrodo [181] [182] Inicialmente la concentracioacuten de la especie
electroactiva en la superficie del electrodo es 0 mientras que en la solucioacuten se
mantiene la concentracioacuten original Por ello las especies maacutes cercanas al
electrodo comienzan a difundirse hasta eacutel con el paso del tiempo el espesor
de la capa liacutemite aumenta (la pendiente del perfil de concentraciones
disminuye) Debido a ello la difusioacuten de las especies hasta la superficie del
electrodo tendraacute lugar con una mayor dificultad con el paso del tiempo [184]
Figura 19 Difusioacuten de reacutegimen transitorio
La densidad de corriente en reacutegimen transitorio viene definida por la ecuacioacuten
de Cottrel la cual muestra la caiacuteda de corriente faraacutedica debido a la
transferencia electroacutenica entre la solucioacuten y el electrodo en cada pulso de
potencial [180]
81
119894(119905) = 11989911986511986011986312119862119878119900119897119906119888119894oacute119899
12058712 11990512
(27)
Ecuacioacuten 27 Ecuacioacuten de Cottrell
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull n es el nuacutemero de electrones transferidos en los procesos de
oxidacioacuten-reduccioacuten
bull F constante de Faraday (Cmol)
bull A aacuterea del electrodo (cm2)
bull CSolucioacuten es la concentracioacuten del analito en la disolucioacuten (molcm3)
bull t tiempo transcurrido desde la aplicacioacuten del pulso de potencial (s)
La difusioacuten de reacutegimen estacionario en el transporte de las especies desde la
solucioacuten hasta la superficie del electrodo interviene el fenoacutemeno de
conveccioacuten dicho suceso es la causa de que se lleve a cabo agitacioacuten mecaacutenica
(generalmente) de la solucioacuten que contiene al analito [182] Como resultado de
la agitacioacuten la concentracioacuten de las moleacuteculas en la cercaniacutea del electrodo se
mantiene uniforme en todo momento por lo que δ presenta un espesor
constante independientemente del tiempo [182] Tal y como se muestra en la
figura 20 lejos del electrodo el perfil de concentraciones se mantiene
horizontal gracias a la conveccioacuten que es capaz de mantener constante la
concentracioacuten del analito en el seno de la solucioacuten
La densidad de corriente en reacutegimen estacionario viene dada por la ecuacioacuten
de Levich [182]
119894 = 119899 ∙ 119865 ∙ 119863
120575 (119862119878119900119897119906119888119894oacute119899 minus 119862119864119897119890119888119905119903119900119889119900)
(28)
Ecuacioacuten 28 Ecuacioacuten de Levich
Donde el uacutenico paraacutemetro nuevo es la concentracioacuten del analito en el
electrodo (CElectrodo)
82
Figura 20 Difusioacuten de reacutegimen estacionario
La cronoamperometriacutea se utiliza generalmente para el estudio de mecanismos
de reaccioacuten la obtencioacuten de paraacutemetros cineacuteticos coeficientes de difusioacuten del
analito procesos de electropolimerizacioacuten etc [179] [185]
La electropolimerizacioacuten llevada a cabo por cronoamperometriacutea es uno de los
meacutetodos maacutes empleados en la modificacioacuten de electrodos de trabajo se trata
del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de sensores basados en MIPs
[85] En este proceso la solucioacuten contiene un poliacutemero donde al aplicar un
potencial fijo (catoacutedico o anoacutedico) se consigue la polimerizacioacuten electroquiacutemica
sobre el electrodo de trabajo [185] Este fenoacutemeno se puede ver afectado por
los procesos de difusioacuten de las especies electroactivas de manera que la
corriente alcanzada en el proceso de electropolimerizacioacuten es menor cuanto
maacutes se dificulte el paso de difusioacuten de las especies a traveacutes del poliacutemero [186]
La difusioacuten es un paraacutemetro de gran importancia en los procesos de
electropolimerizacioacuten sobre el electrodo de trabajo y determina la forma del
codo de curvatura que se muestre en el cronoamperograma obtenido de la
representacioacuten de la corriente frente al tiempo (figura 21) [183] En las curvas
cronoamperomeacutetricas que se obtienen por polimerizacioacuten generalmente se
distinguen tres zonas en las que se pueden observar la nucleacioacuten la
formacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica y su crecimiento con el tiempo [187]
bull Zona I la corriente aumenta raacutepidamente debido a los procesos
electroquiacutemicos que tienen lugar en la celda electroliacutetica al aplicar un
potencial (se produce la oxidacioacuten-reduccioacuten de las sustancias que se
encuentran en la disolucioacuten)
bull Zona II la intensidad de la corriente aumenta en esta parte de la curva
se puede distinguir la nucleacioacuten proceso por el cual se depositan los
primeros nuacutecleos cristalinos sobre la superficie del electrodo de trabajo
83
y depende principalmente del potencial aplicado Por tanto durante
esta etapa el poliacutemero se adhiere sobre la superficie del electrodo de
trabajo [188]
bull Zona III se observa la estabilizacioacuten y crecimiento de la peliacutecula sobre
el electrodo a un valor constante de potencial
Figura 21 Cronoamperograma obtenido de la electropolimerizacioacuten de un poliacutemero
El espesor de la peliacutecula que se ha formado sobre el electrodo de trabajo se
puede calcular a partir de la derivada de la primera ley de Faraday [187]
119889 = 119876 ∙ 119872
2 ∙ 119865 ∙ 120588
(29)
Ecuacioacuten 29 Caacutelculo del espesor de una peliacutecula polimeacuterica a partir de la 1ordf Ley de Faraday
Donde
bull Q es la carga especiacutefica por unidad de aacuterea polimerizada
bull M es la masa molecular del poliacutemero
84
bull F es la constante de Faraday
bull 120588 es la densidad del poliacutemero
El espesor de la peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo depende del
tiempo de electropolimerizacioacuten durante el cual se lleve a cabo la
cronoamperometriacutea cuanto mayor es el tiempo mayor es el grosor de la
peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo [189]
La importancia de la cronoamperometriacutea en el presente trabajo radica en que
ha sido utilizada para la obtencioacuten de sensores MIP tal y como se ha indicado
en anteriores apartados Esta teacutecnica puede estar afectada por factores como
el tiempo de electropolimerizacioacuten el voltaje aplicado la presencia de agitacioacuten
o no de la solucioacuten que contiene al poliacutemero entre otros paraacutemetros
El tiempo de electropolimerizacioacuten es un paraacutemetro importante en la
fabricacioacuten de los sensores basados en MIP ya que trabajando con espesores
de peliacutecula elevados la transferencia electroacutenica a traveacutes del poliacutemero se
dificulta con el aumento del espesor Debido a la importancia que esto supone
se debe trabajar con espesores de poliacutemeros conductores sintetizados con el
tiempo oacuteptimo para que no afecten negativamente al rendimiento
electroquiacutemico del sensor [189] El potencial aplicado durante la
cronoamperometriacutea tambieacuten es un paraacutemetro de gran importancia ya que se
debe aplicar el potencial suficiente para que tenga lugar la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla [179] Finalmente el proceso de
agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea es una caracteriacutestica de gran intereacutes
ya que da lugar a un transporte de las especies en el que interviene la
conveccioacuten fenoacutemeno que da lugar a un proceso de difusioacuten en reacutegimen
estacionario [182]
27 Chitosaacuten o quitosano
El chitosaacuten o quitosano (figura 22) es un amino-polisacaacuterido que se obtiene por
desacetilacioacuten de la quitina poliacutemero natural muy abundante en la naturaleza
La quitina se encuentra formando parte del exoesqueleto de artroacutepodos y
tambieacuten de la pared celular de algunos vegetales como los hongos en su
estructura quiacutemica presenta unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-β-D-
glucopiranosa [190] El chitosaacuten presenta una estructura lineal no ramificada
compuesta principalmente por unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi- β-D-
85
glucopiranosa y en menor proporcioacuten por moleacuteculas de 2-acetilamina-2-desoxi-
β-D-glucopiranosa que se encuentran unidas por enlaces β (14) [191] [192]
Figura 22 Estructura quiacutemica del chitosaacuten ldquoxrdquo Unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa y Unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa
El chitosaacuten se caracteriza fundamentalmente mediante la definicioacuten de los
siguientes paraacutemetros
-Masa molecular (MW) Caracteriacutestica que depende fundamentalmente de la
procedencia de la quitina (animal o vegetal) [193]
-Grado de desacetilacioacuten (DDA) Indica el grado en que los grupos acetilo han
sido sustituidos por grupos amino El DDA del chitosaacuten comercial oscila entre
un 70 y un 90 este paraacutemetro depende de las condiciones en las que se
haya llevado a cabo la obtencioacuten del chitosaacuten [191] Cuanto mayor es el grado
de DDA del chitosaacuten maacutes cristalino es el biopoliacutemero lo cual se debe a la
disminucioacuten de los grupos acetilo presentes es su estructura quiacutemica [190]
El chitosaacuten presenta propiedades que le convierten en un biopoliacutemero
interesante en la industria alimentaria biomedicina biotecnologiacutea y en el
desarrollo de sensores las cuales se describen a continuacioacuten
bull Biocompatible El chitosaacuten es un poliacutemero no toacutexico compatible con el
organismo [191]
bull Biodegradable Su degradacioacuten se lleva a cabo por las reacciones
quiacutemicas resultantes de la actuacioacuten de microorganismos dando lugar
a productos no toacutexicos [191]
86
bull Bioactivo El chitosaacuten es considerado bioactivo por presentar poder
antimicrobiano (actuacutea sobre microorganismos inhibiendo su
crecimiento o incluso provocando su muerte [191][194]) propiedades
antioxidantes (el chitosaacuten actuacutea como eliminador de radicales libres
impidiendo la reacciones de oxidacioacuten) [191] [195] y es un compuesto
antitumoral (ayuda a la formacioacuten de ceacutelulas contra el caacutencer) [194]
bull Estructura quiacutemica faacutecilmente modificable Su estructura quiacutemica
presenta varios grupos reactivos por lo que se obtienen faacutecilmente
compuestos derivados [190]
bull Agente quelante El chitosaacuten forma faacutecilmente enlaces con iones de
metales pesados Esta propiedad es fundamental ya que le permite
formar enlaces estables con la plata [128] [196]
La solubilidad del chitosaacuten depende del pH del medio por debajo de un valor
de pH 63 el chitosaacuten se vuelve insoluble y precipita En estado soacutelido tal y
como se muestra en la figura 23 se forman puentes de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilo y amino de su estructura quiacutemica Cuando se introduce en un
aacutecido este enlace se disocia convirtieacutendolo en un polielectrolito catioacutenico
soluble para su disolucioacuten se pueden utilizar diferentes aacutecidos diluidos entre
los maacutes empleados se encuentran el aacutecido aceacutetico el aacutecido foacutermico y el aacutecido
niacutetrico [191] En ciertas aplicaciones o anaacutelisis electroquiacutemicos su baja
solubilidad a pH baacutesico puede ser un inconveniente que se puede solucionar
modificando su estructura quiacutemica ya que es un poliacutemero faacutecilmente alterable
por la presencia de distintos grupos reactivos En su estructura quiacutemica hay
grupos amino (-NH2) hidroxilo (-OH) primario y secundario y finalmente el grupo
n-acetilo (NH-CO-CH3) por lo que se pueden obtener derivados que mejoren su
solubilidad [193]
Figura 23 Estructura quiacutemica del chitosaacuten donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno entre los grupos acetilo e hidroxilo y el grupo amino e hidroxilo
87
En los uacuteltimos antildeos este poliacutemero se ha utilizado en el desarrollo de sensores
electroquiacutemicos debido a sus buenas caracteriacutesticas siendo de especial
intereacutes su biocompatibilidad facilidad de formar peliacuteculas (debido a sus
condiciones de solubilidad) y reactividad [36] Estas cualidades le convierten
en un biopoliacutemero muy adecuado para el desarrollo de sensores basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular [67]
El procedimiento empleado para su electrodeposicioacuten sobre un electrodo de
trabajo se conoce como mecanismo de neutralizacioacuten Al circular una corriente
eleacutectrica debido a los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la
celda electroliacutetica se produce la liberacioacuten de los grupos OH de la solucioacuten de
manera que pueden desprotonar las aminas catioacutenicas (NH3+) responsables de
la solubilidad del chitosaacuten [198] Como consecuencia de la neutralizacioacuten en
la interfaz de la superficie del electrodo se produce un cambio en la constante
de acidez del grupo amino (pKagt63) Debido a ello el chitosaacuten se convierte en
un poliacutemero insoluble depositaacutendose asiacute sobre el electrodo [198] [199]
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados
El mayor inconveniente del chitosaacuten en el anaacutelisis electroquiacutemico es su alto
grado de cristalinidad lo que le hace ser un mal conductor de la corriente
eleacutectrica este hecho dificulta la transferencia electroacutenica a su traveacutes Este
problema se puede solucionar mediante la incorporacioacuten de nanoestructuras
basadas en metales conductores [64] [120]
La combinacioacuten de poliacutemeros con nanoestructuras de propiedades
electroactivas como nanopartiacuteculas de oro o nanohilos metaacutelicos es una de las
teacutecnicas maacutes interesantes para el desarrollo de sensores electroquiacutemicos [64]
[120] Entre los nanomateriales nombrados los AgNWs son de las sustancias
de mayor intereacutes debido a que son capaces de incrementar la conductividad
del poliacutemero recubrieacutendolo y transformaacutendolo en un poliacutemero conductor [64]
[120]
La capacidad quelante del chitosaacuten le confiere facilidad para enlazarse
covalentemente con los aacutetomos de plata [128] [196] [200] Sin embargo
como la adhesioacuten de los AgNWs en el chitosaacuten es poco resistente [122] [201]
es necesario llevar a cabo diferentes procesos de unioacuten para solventarlo
Actualmente destacan el empleo de agentes reticulantes o las modificaciones
sobre la superficie del chitosaacuten
88
Chitosaacuten reticulado Se ha comprobado que la utilizacioacuten de agentes
reticulantes mejoran la estabilidad de la plata en la peliacutecula polimeacuterica
del chitosaacuten [93] El glutaraldehiacutedo es el agente de reticulacioacuten
empleado por excelencia debido a su efectividad la reaccioacuten con el
chitosaacuten provoca cambios en su morfologiacutea y estructura lo que modifica
algunas de sus propiedades como su capacidad de adsorber los iones
metaacutelicos [202] Por ejemplo se han utilizado iones metaacutelicos (Au Ag)
que se encuentran en su forma anioacutenica en medios aacutecidos (ej HCl )
dando lugar a una fuerte atraccioacuten electroestaacutetica entre dichos iones de
carga negativa y los grupos imina con carga positiva resultantes del
entrecruzamiento entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo Este fenoacutemeno
favorece la adsorcioacuten de los ioacutenes metaacutelicos en el chitosan reticulado
[202]
Obtencioacuten de derivados del chitosaacuten Se ha demostrado que la
modificacioacuten de la estructura quiacutemica del chitosaacuten con grupos reactivos
da lugar a enlaces de mayor fortaleza entre los AgNWs y el chitosaacuten Por
ejemplo el chitosaacuten tiolado (derivado del chitosaacuten obtenido de incluir
un grupo tiol en el grupo amino del 2ordm carbono del chitosaacuten) permite que
se forme un enlace covalente de gran resistencia y estabilidad entre la
plata y los grupos tiol [201]
Modificaciones sobre la superficie del chitosaacuten Se ha demostrado que
la modificacioacuten de la de la superficie del chitosaacuten con compuestos
orgaacutenicos proporciona una unioacuten maacutes resistente entre los AgNWs y este
poliacutemero Por ejemplo se ha empleado el aacutecido 11-aminodecanoiacuteco
para formar un enlace covalente entre los grupos carboxilo de un
extremo del aacutecido y el grupo amino del chitosaacuten y puentes de hidroacutegeno
entre el grupo amino del aacutecido y el PVP que recubre los AgNWs De esta
manera se consigue fortalecer la adhesioacuten de los AgNWs a la peliacutecula
de chitosaacuten [122] [203]
89
Capiacutetulo III
Reactivos materiales y equipos
90
91
3 Reactivos materiales y equipos
31 Reactivos
Los reactivos empleados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Aacutecido sulfuacuterico (H2SO4 pureza 95-97 CAS Number 7664-93-9)
bull Aacutecido aceacutetico glaciar (CH3COOH pureza miacutenima 997 Panreac CAS
Number 613-90-4)
bull Acetona (C3H6O pureza miacutenima 99 Quality Chemicals CAS
Number67-64-1)
bull Agua desionizada Milli-Q de conductividad 182 MΩcm
bull Alpha-D (+)-Glucosa (C6H12O6 pureza gt99 Sigma-Aldrich)
bull Chitosaacuten o Quitosano CHI (C56H12O6 purezagt99 Amresco)
bull Cloruro de cobre (II) (CuCl2 2 H2O Panreac Coacutedigo 141264)
bull D (+) Galactosa (C6H12O6 purezagt99 Sigma-Aldrich)
bull Dihidrogenofosfato soacutedico (Na2H2PO4 pureza miacutenima 99 Sigma-
Aldrich CAS Number 7558-79-4)
bull Etanol (C2H6O pureza miacutenimagt 998 Sigma-Aldrich CAS Number 64-
15-5)
bull Etilenglicol (C2H6O2 anhidro al 998 Sigma-Aldrich CAS Number 107-
21-1)
bull Glutaraldehiacutedo (C5H8O2 solucioacuten acuosa al 50 Alta Aesar CAS
Number 111-30-8)
bull Hidrogenofosfato soacutedico (Na2HPO4 pureza miacutenima 99 Sigma-Aldrich
CAS number 7558-80-7)
92
bull Lactosa (C12 H22 O11 Sigma - Aldrich)
bull Nitrato de plata (AgNO3 Sigma- Aldrich CAS Number 7761-88-8)
bull Peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2 33 pv Nordm CE 231-765-0)
bull Polivinipirrolidona PVP (C6H9NO)n Sigma-Aldrich CAS Number 9003-39-8)
32 Materiales
Todos los materiales empleados en el presente trabajo se nombran a
continuacioacuten
bull Bomba peristaacuteltica (Perimax)
bull Celda electroquiacutemica de 5 mL
bull Placa de platino (2 cm times 1 cm)
bull Cubeta de cuarzo (10 mm times 10 mm)
bull Electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Electrodo de referencia (AgAgCl 3M Nesslab)
bull Matraz de fondo redondo con dos bocas
bull Placa calefactora (RSLAb-11C)
bull Placa calefactora (Arex Digital)
bull Sistema de reflujo
33 Equipos
Todos los equipos utilizados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Microscopio de Fuerza Atoacutemica Molecular (Cypher asylum Research
AFM)
93
bull Centrifuga modelo Sorvall Centrifuge ST 8 (Thermo Scientific USA)
bull Espectrofotoacutemetro Ultravioleta-Visible modelo UV-2600 (Shimadzu
Corporation Japoacuten)
bull Equipo de Difraccioacuten de Rayos X (DRX Bruker Discover D8)
bull Potenciostato Galvanostato modelo PARSTAT 2273 (Princeton Applied
Research)
bull Ultrasonidos Vortex 3 (IKA USA)
94
Capiacutetulo IV
Metodologiacutea y Desarrollo
experimental
95
96
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados
La elaboracioacuten de sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
dedicados a la deteccioacuten de azuacutecares actualmente representa una liacutenea de
investigacioacuten relativamente nueva por lo que el estudio experimental del
presente trabajo se ha modificado conforme se han ido obteniendo resultados
El desarrollo de trabajo de fin de grado aquiacute presentado se puede dividir en dos
etapas la primera etapa consiste en la preparacioacuten de las disoluciones para
sintetizar los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular MIP y NIP
asiacute como la siacutentesis y la caracterizacioacuten de los AgNWs que forman parte de la
peliacutecula polimeacuterica La segunda etapa de la fabricacioacuten del sensor consiste en
depositar las disoluciones sobre la superficie de los electrodos BDD mediante
la aplicacioacuten de teacutecnicas electroquiacutemicas
411 Preparacioacuten de las disoluciones
- Limpieza de los electrodos BDD
bull Disolucioacuten pirantildea
En un vaso de precipitados se antildeaden 3 mL de aacutecido sulfuacuterico de pureza
miacutenima del 95 y 1 mL de peroacutexido de hidroacutegeno
-Fabricacioacuten de los sensores MIP y NIP
bull Aacutecido Aceacutetico 3 VV (CH3COOH)
Se preparoacute una disolucioacuten de aacutecido aceacutetico con una concentracioacuten de
porcentaje en volumen al 3 Para obtener la concentracioacuten deseada en una
matraz aforado de 50 mL se antildeadieron 15 mL de aacutecido aceacutetico puro y se
enrasoacute con agua desionizada Milli-Q
bull Chitosaacuten o Quitosano
97
Se preparoacute una disolucioacuten de chitosaacuten con una concentracioacuten de 15 mgmL
en un matraz aforado de 25 mL Para ello se antildeadieron 00375 g de chitosaacuten
al matraz y se enrasoacute con la disolucioacuten de aacutecido aceacutetico al 3 VV
bull Disolucioacuten de AgNWs
Se preparoacute una disolucioacuten madre de AgNWs con una concentracioacuten de 10
mgmL en etanol A partir de esta disolucioacuten se prepararon las disoluciones hija
de una concentracioacuten de un 1 mgmL y 5 mgmL
bull Glutaraldehiacutedo
Se han empleado vapores de glutaraldehiacutedo al 25 ww en buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M
-Deteccioacuten de los analitos por voltametriacutea ciacuteclica
bull Disolucioacuten buffer fosfato de pH 74
Se preparoacute una disolucioacuten de pH 74 y concentracioacuten 001 M de buffer fosfato
(PBP) en un matraz aforado de 500 mL Para ello se pesaron 02697 g de
fosfato disoacutedico (Na2HPO4) y 03659 g de fosfato monosoacutedico (NaH2PO4)
Finalmente se llevaron a un matraz aforado de 500 mL enrasando con agua
desionizada Milli-Q
Con la ecuacioacuten de Henderson-Hasselbalch se calcula el pH conocido el pKa de
la solucioacuten
119901119867 = 119901119870119886 + [1198731198862HP1198744]
[Na1198672P1198744]
(30)
Ecuacioacuten 30 Ecuacioacuten de Henderson-Hasselbach
bull Lactosa
98
Para obtener una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10-4 M en buffer
fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M se preparoacute previamente una
disolucioacuten madre de concentracioacuten 10-3 M Para ello se pesaron 85575 mg de
lactosa y se llevaron a un matraz aforado de 25 mL el cual se enrasoacute con la
solucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La solucioacuten de lactosa 10-4 M se obtuvo tomando 25 mL de la solucioacuten madre
preparada finalmente se enrasoacute con la misma disolucioacuten buffer en un matraz
aforado de 25 mL
bull Glucosa
Se preparoacute previamente una disolucioacuten madre de glucosa con una
concentracioacuten 10minus3 119872 Para obtener la concentracioacuten deseada se pesaron
45 mg de glucosa y se antildeadieron a un matraz aforado de 25 mL el cual se
enrasoacute con la disolucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M se preparoacute tomando 25 mL
de la disolucioacuten madre preparada finalmente se enrasoacute con la misma
disolucioacuten buffer en un matraz aforado de 25 mL
bull Galactosa
Se preparoacute una disolucioacuten madre de galactosa 10-3 M en buffer fosfato de pH
74 y concentracioacuten 001 M para obtener una disolucioacuten hija de concentracioacuten
10-4 M Para ello se siguieron los mismos pasos que en la preparacioacuten de la
disolucioacuten de glucosa
bull Disolucioacuten de cloruro de potasio (KCl)
Se preparoacute una disolucioacuten de cloruro de potasio de 25 mL con una
concentracioacuten 01 M Para ello se pesaron 01863 g de KCl y se antildeadieron a
un matraz de 25 mL enrasando con agua desionizada Milli-Q
-Disoluciones empleadas para la siacutentesis de AgNWs
bull Cloruro de cobre (CuCl2)
99
Se preparoacute una disolucioacuten de CuCl2 de una concentracioacuten 1510-4 M para ello
se pesaron 00001 g de CuCl2 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con etilenglicol puro (EG)
bull Nitrato de plata (AgNO3)
Se preparoacute una disolucioacuten de AgNO3 de una concentracioacuten 012 M Para ello
se pesaron 0102 g de AgNO3 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con EG
bull Polivinilpirrolidona (PVP)
Se preparoacute una disolucioacuten de concentracioacuten 3610-4 M para ello se pesaron
0099 g de PVP y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL enrasando con
EG
412 Procedimiento experimental
4121 preparacioacuten de los AgNWs
La preparacioacuten de AgNWs se ha llevado a cabo seguacuten el meacutetodo poliol descrito
en el fundamento teoacuterico (capiacutetulo II)
Se comienza calentando 5 mL de EG en un matraz redondo de dos bocas
situado sobre un bantildeo de aceite a 160 ordmC tal y como se muestra en la figura
24 Este proceso se lleva a cabo bajo reflujo conectando una de las boquillas
del matraz a la red de bombeo y cerrando la otra boquilla del matraz con un
tapoacuten Posteriormente se antildeade con una micropipeta 05 mL de la disolucioacuten
de CuCl2 directamente al matraz y se deja calentando durante 5 min
Pasado el tiempo con ayuda de una bomba peristaacuteltica de jeringas se antildeaden
simultaacuteneamente y gota a gota 25 mL de la disolucioacuten de AgNO3 y 5 mL de la
disolucioacuten de PVP Durante todo este proceso se aplica una velocidad de
agitacioacuten de 400 rpm una vez ha finalizado se tapa el matraz con el tapoacuten y se
dejan reaccionar durante 1 h bajo agitacioacuten
La disolucioacuten obtenida se deja enfriar a temperatura ambiente en ella hay una
mezcla de nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) y AgNWs por lo que para purificar
los AgNWs se lavan con etanol y se centrifuga a 2000 rpm durante 20 min
100
utilizando la centriacutefuga que se muestra en la figura 24 Posteriormente se
elimina el sobrenadante y el producto de reaccioacuten se lava una segunda vez con
etanol la mezcla se vuelve a centrifugar durante 10 min a 5000 rpm Para el
tercer lavado el precipitado se antildeade a un eppendorf al que se le antildeade etanol
y se centrifuga durante 10 min a 5000 rpm Finalmente se elimina el
sobrenadante del eppendorf y se deja evaporar el etanol
Figura 24 Equipo empleado en la siacutentesis de AgNWs
En la figura 25 se muestra la obtencioacuten y las etapas de centrifugacioacuten para la
siacutentesis de AgNWs
101
Figura 25 En la parte superior de la figura y leyendo de izquierda a derecha se muestran las etapas del proceso final de obtencioacuten de AgNWs 1) y 2) Disolucioacuten obtenida tras un tiempo de reaccioacuten de 1h en la que hay una mezcla de AgNPs y AgNWs 3) Disolucioacuten obtenida diluida con etanol 4) primera centrifugacioacuten donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 5) 2ordf centrifugacioacuten de AgNWs diluidos en etanol donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 6) AgNWs diluidos en etanol antes de llevar a cabo la uacuteltima etapa de la centrifugacioacuten 7) AgNWs obtenidos de la uacuteltima etapa de centrifugacioacuten donde el sobrenadante ha sido eliminado
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro
(BDD)
Para la elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP en primer lugar se deben
acondicionar los electrodos BDD (figura 26) Para ello se comienza limpiando
la superficie de los electrodos introducieacutendolos en acetona pura y
sometieacutendolos a ultrasonidos durante 10 min finalizado este tiempo se
introducen en agua desionizada Milli Q Posteriormente se lleva a cabo su
inmersioacuten en una solucioacuten pirantildea durante un tiempo de 3 min Transcurrido el
tiempo se llevan a cabo lavados sucesivos en agua desionizada Milli Q y en
etanol dejaacutendolos reposar en ambos disolventes durante 1 min Una vez
102
finalizado el proceso de lavado de su superficie los electrodos se dejan secar
al aire
El proceso descrito se ha llevado a cabo con cada uno de los electrodos que se
han empleado para la deteccioacuten de los azuacutecares Lo que permite su
reutilizacioacuten para cada experimento realizado
Figura 26 Electrodos de diamante dopado con boro (BDD)
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP
Para la denominacioacuten de las configuraciones correspondientes a los sensores
se ha utilizado la simbologiacutea entre corchetes ldquo[]rdquo donde se encuentra la
secuencia de materiales divididos por un ldquo-ldquo que han sido utilizados para la
fabricacioacuten de los sensores MIP o NIP Finalmente al final de cada
configuracioacuten hay una ldquordquo tras la que se encuentra el nombre BDD lo que indica
que los sensores han sido fabricados en un electrodo BDD (ej [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD)
Las abreviaturas empleadas para cada material son las siguientes
CHI para el chitosaacuten
AgNWs para los nanohilos de plata
Para desarrollar los sensores MIP y NIP frente la deteccioacuten de lactosa se
emplearon diferentes configuraciones y paraacutemetros de medida con el objetivo
103
de seleccionar la que presentase la mejor respuesta frente a la deteccioacuten de
este analito
Los sensores NIP se obtuvieron siguiendo el mismo protocolo que el aplicado
para la obtencioacuten del MIP de la configuracioacuten deseada sin la presencia de la
moleacutecula plantilla durante la polimerizacioacuten
Las configuraciones empleadas son
-MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con 3 concentraciones de AgNWs distintas 1
mgmL 5 mgmL y 10 mgmL
-MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo para llevar a cabo un cross-linking
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo
Los paraacutemetros de medida que se han modificado para la configuracioacuten del
sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD son
- Electropolimerizacioacuten mediante voltametriacutea ciacuteclica y cronoamperometriacutea
- Concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (1 mgmL 5 mgmL y 10
mgmL)
- Electropolimerizacioacuten sobre el electrodo BDD con agitacioacuten y sin agitacioacuten
- Seleccioacuten del eluyente
bull MIP [CHI-AgNWsndashLactosa] BDD
Sensores con una concentracioacuten de 1 mgmL en AgNWs
104
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo mediante la
polimerizacioacuten sobre el electrodo BDD de una solucioacuten con una mezcla de
chitosaacuten de concentracioacuten 15 mgmL y AgNWs con una concentracioacuten de 1
mgmL que conteniacutea la moleacutecula plantilla de lactosa en una concentracioacuten
001 M
La polimerizacioacuten de la mezcla sobre el electrodo BDD se llevoacute a cabo sin
agitacioacuten por medio de cronoamperometriacutea Posteriormente los electrodos se
extrajeron de la celda electroliacutetica y se dejaron secar a temperatura ambiente
durante toda la noche
La moleacutecula plantilla de lactosa fue eliminada de la matriz polimeacuterica de
chitosaacuten empleando como eluyente una solucioacuten de KCl de concentracioacuten 01
M Para llevar a cabo la elucioacuten los electrodos se sumergieron en esta solucioacuten
durante un periodo de 20 min con agitacioacuten Finalizado el tiempo los
electrodos se lavaron con agua desionizada Milli Q para eliminar los residuos
de la solucioacuten de KCl
Sensores con una concentracioacuten de 5 mgmL en AgNWs
Con esta concentracioacuten (5 mgmL) se obtuvieron dos sensores llevando a cabo
polimerizacioacuten con agitacioacuten y sin agitacioacuten en la fabricacioacuten del sensor
obtenido sin agitacioacuten se siguioacute el mismo procedimiento que el descrito para la
misma configuracioacuten del sensor de lactosa con una concentracioacuten de AgNWs
de 1 mgmL
El procedimiento de siacutentesis seguido para la obtencioacuten del sensor a traveacutes de
polimerizacioacuten con agitacioacuten fue el mismo que en el anterior sensor pero en
este caso se introdujo agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea y el proceso de
elucioacuten se realizoacute utilizando de manera independiente dos eluyentes distintos
el KCl de concentracioacuten 01 M y el agua desionizada Milli Q
Sensores con una concentracioacuten de 10 mgmL en AgNWs
Estos sensores se han obtenido siguiendo el mismo procedimiento que el
descrito en los anteriores sensores en concentracioacuten 5 mgmL (obtenidos por
cronoamperometriacutea con agitacioacuten) y llevando a cabo la elucioacuten con agua
desionizada Milli Q en lugar de con KCl
105
bull MIP [CHI-AgNWs-Glutaraldehiacutedo-Lactosa] BDD
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo siguiendo el protocolo
anteriormente descrito en concentracioacuten 10 mgmL Finalizada la
polimerizacioacuten los electrodos se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
durante 10 min sin secar
El proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla es exactamente el mismo que se
ha seguido para la anterior configuracioacuten en ausencia de reaccioacuten con
glutaraldehiacutedo a una concentracioacuten de 10 mgmL de AgNWs
bull MIP [CHI-AgNWsndashGlucosa] BDD y MIP [CHI-AgNWsndashGalactosa] BDD
Se obtuvieron sensores MIP para la deteccioacuten de glucosa y galactosa La
elaboracioacuten del sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD se realizoacute bajo el mismo
protocolo de siacutentesis que se siguioacute para el sensor de lactosa con una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten empleando en
este caso glucosa como moleacutecula plantilla (001 M) La elaboracioacuten del sensor
MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento
utilizando como moleacutecula plantilla galactosa (01 M)
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs
La caracterizacioacuten de los AgNWs se ha realizado mediante tres teacutecnicas
espectroscopiacutea UV-VIS AFM y DRX
bull Espectroscopiacutea ultravioleta ndash visible (UVndashVIS)
Las propiedades oacutepticas de los AgNWs se estudiaron mediante la teacutecnica
espectroscoacutepica ultravioleta-visible (UV-VIS)
El proceso se llevoacute a cabo con el software UV-Probe introduciendo la solucioacuten
de estudio en un porta-muestras de cuarzo (10 mm times 10 mm)
Para llevar a cabo la caracterizacioacuten en primer lugar se programoacute el rango de
longitudes de onda entre 200 nm y 800 nm Posteriormente se realizoacute una
liacutenea base la cual constituye el blanco del espectro ultravioleta y despueacutes se
106
llevoacute a cabo la medida con un espectrofotoacutemetro como el mostrado en la figura
27
El estudio se comenzoacute con la obtencioacuten del espectro de la solucioacuten inicial de
AgNWs sin purificar posteriormente tras el proceso de centrifugacioacuten se obtuvo
el espectro de absorcioacuten correspondiente tanto de los AgNWs como del
sobrenadante
Figura 27 Espectrofotoacutemetro empleado para caracterizar los AgNWs
bull Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica se llevoacute a cabo para estudiar la morfologiacutea y
dimensioacuten de los AgNWs para ello se utilizoacute el equipo AFM mostrado en la
figura 28
Para obtener la muestra se depositaron 25 μL de la solucioacuten de AgNWs en
etanol sobre el electrodo BDD y se dejoacute secar al aire para evaporar el etanol
107
Figura 28 Equipo de Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico
La elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP y el estudio de su comportamiento
electroquiacutemico se ha llevado a cabo mediante teacutecnicas electroquiacutemicas de
anaacutelisis
La deposicioacuten de la peliacutecula polimeacuterica sobre la superficie del electrodo se ha
realizado a traveacutes de dos teacutecnicas electroquiacutemicas cronoamperometriacutea y
voltametriacutea ciacuteclica La respuesta del sensor frente a los analitos de intereacutes se
ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica Los analitos estudiados han sido
lactosa glucosa y galactosa cuyo comportamiento electroquiacutemico se ha
determinado a traveacutes de los procesos de oxidacioacuten de los AgNWs que se
encuentran depositados en la peliacutecula de chitosaacuten
El equipo empleado para llevar a cabo ambos procesos fue un
potenciostatogalvanostato como el que se muestra en la figura 29
Figura 29 Potenciostato utilizado para el estudio electroquiacutemico de los sensores MIP y NIP
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP
108
La deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se realizoacute en
una celda electroliacutetica que presentaba una configuracioacuten de tres electrodos
como electrodo de trabajo se empleoacute un electrodo BDD como electrodo de
referencia Ag AgCl en KCl y un contraelectrodo de platino
El proceso de deposicioacuten se comenzoacute vertiendo la disolucioacuten preparada en
ausencia de la moleacutecula plantilla (NIP) o en presencia de la misma (MIP) en una
celda electroliacutetica de 5 mL de capacidad La polimerizacioacuten se llevoacute a cabo en
un primer momento sin agitacioacuten pero finalmente se comproboacute que se
obteniacutean mejores resultados depositando las soluciones con agitacioacuten
estableciendo una velocidad de agitacioacuten de 190 rpm
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por
cronoamperometriacutea son
bull Tiempo de electrodeposicioacuten 90 s
bull Potencial aplicado -11 v
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por voltametriacutea ciacuteclica
son
bull Nordm de ciclos 15
bull Potencial maacuteximo (V) 04
bull Potencial miacutenimo (V) -11
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
A continuacioacuten se muestra el montaje de la celda para llevar a cabo la
electropolimerizacioacuten
109
Figura 30 Esquema de trabajo para llevar a cabo cronoamperometriacutea incluyendo el sistema de agitacioacuten
4122 voltametriacutea ciacuteclica
El funcionamiento de los sensores MIP y NIP se estudioacute mediante voltametriacutea
ciacuteclica y la medicioacuten se realizoacute en las mismas condiciones que la deposicioacuten
Los paraacutemetros de trabajo para llevar a cabo las mediciones mediante
voltametriacutea ciacuteclica son
bull Nordm de ciclos 5
bull Potencial maacuteximo (V) 1
bull Potencial miacutenimo (V) -1
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
Establecidos los paraacutemetros de operacioacuten se continuoacute con el montaje de la
celda cuyo esquema se muestra en las figuras 31 y 32 seguacuten el analito
empleado
110
Para la deteccioacuten de glucosa y lactosa la celda electroquiacutemica empleada
presenta 5 mL de capacidad y es la que se muestra en la figura 31 Cuyo
protocolo de medicioacuten se explica a continuacioacuten
Como se ha mencionado anteriormente las medidas electroquiacutemicas
empleadas para el anaacutelisis electroquiacutemico de los sensores desarrollados
durante este trabajo se han determinado mediante voltametriacutea ciacuteclica Para
ello los sensores MIP se sumergen en una solucioacuten de buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M y de pH 74 con objeto de conseguir una respuesta
voltameacutetrica que sirva como sentildeal de referencia para el resto de las
mediciones Seguidamente el electrodo de trabajo se deja en un vaso de
precipitados con el eluyente correspondiente y en presencia de agitacioacuten para
disolver la moleacutecula plantilla (azuacutecar correspondiente en cada caso) de la
peliacutecula de chitosaacuten Finalizado el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
el electrodo de trabajo se lava con agua destilada Posteriormente se introduce
en la celda la disolucioacuten de intereacutes (glucosa o lactosa) y en la concentracioacuten
deseada A continuacioacuten se conecta el potenciostato y se comprueba que la
celda presenta el correcto montaje En este momento para mantener una
buena reproducibilidad es de gran importancia que la superficie sumergida del
contraelectrodo y electrodo de trabajo sea la misma
Figura 31 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de lactosa y glucosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
La deteccioacuten del monosacaacuterido galactosa se ha llevado a cabo en la celda que
se muestra en la figura 32 de una capacidad de 5 mL Los pasos que se han
seguido para la deteccioacuten de galactosa son los mismos que se han descrito
111
anteriormente pero en este caso durante el proceso de elucioacuten el electrodo de
trabajo se mantiene en la celda no siendo necesaria su extraccioacuten
Figura 32 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de galactosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
A continuacioacuten se muestra un esquema de funcionamiento de un sensor MIP
[CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD en el proceso de deteccioacuten del azuacutecar deseado
Figura 33 Esquema de funcionamiento de un MIP [CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD frente a la deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
112
El procedimiento de trabajo que se llevoacute a cabo para el sensor NIP es el mismo
que el seguido para el sensor MIP sin embargo en este caso en el sensor no
se llevoacute a cabo la etapa de elucioacuten ya que el chitosaacuten no contiene a la moleacutecula
plantilla
113
Capiacutetulo V
Resultados experimentales y
discusioacuten de resultados
114
115
5 Resultados experimentales y discusioacuten de
resultados
Los resultados experimentales se dividen en dos bloques En el primer bloque
se realizoacute la siacutentesis de los sensores MIP y NIP para ello se llevoacute a cabo la
preparacioacuten de las disoluciones deseadas las cuales se depositaron a traveacutes
de teacutecnicas electroquiacutemicas sobre la superficie de los electrodos BDD En los
sensores la presencia de AgNWs es de gran importancia ya que la deteccioacuten
es posible al uso de los mismos por ello se ha comenzado el trabajo
optimizando su siacutentesis y caracterizacioacuten
A lo largo de la investigacioacuten se han sintetizado dos reacuteplicas de MIP para cada
azuacutecar de intereacutes lactosa glucosa y galactosa En primer lugar se optimizoacute la
configuracioacuten del sensor MIP frente a lactosa en el que se probaron distintos
paraacutemetros de fabricacioacuten y de medida meacutetodo de electrodeposicioacuten agitacioacuten
durante la cronoamperometriacutea uso de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
y empleo de distintos eluyentes de la moleacutecula plantilla En segundo lugar se
obtuvo un sensor MIP para el azuacutecar de glucosa sin agitacioacuten En tercer lugar
se desarrolloacute el sensor MIP de galactosa fabricado sin agitacioacuten en este sensor
se comproboacute el efecto de un aumento en la concentracioacuten de la moleacutecula
plantilla presente en el mismo
En el segundo bloque se estudiaron por voltametriacutea ciacuteclica los sensores MIP y
NIP en los tres tipos de analitos lactosa glucosa y galactosa Su
comportamiento electroquiacutemico fue evaluado mediante el empleo de AgNWs y
chitosaacuten en diferentes concentraciones
51 Caracterizacioacuten de AgNWs
Debido a la importancia de la presencia de AgNWs en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor es necesario la caracterizacioacuten previa de los mismos
mediante el uso de distintas teacutecnicas espectroscoacutepicas espectroscopiacutea UV-VIS
AFM y DRX
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-
VIS)
116
La espectroscopiacutea UV-VIS se ha empleado para estudiar las propiedades
oacutepticas de los AgNWs Se comenzoacute obteniendo el espectro ultravioleta de los
AgNWs sintetizados con el meacutetodo poliol descrito en el apartado teoacuterico
(capitulo 2521) Posteriormente se lavaron con etanol y tras centrifugar y
eliminar el sobrenadante (residuo que se obtiene con cada lavado) se volvioacute a
realizar el espectro En la figura 34 se muestran los espectros
correspondientes
En el espectro de absorcioacuten obtenido de los AgNWs sin purificar se pueden
observar las bandas correspondientes a la presencia de nanopartiacuteculas de
plata (AgNPs) y AgNWs Las dos primeras bandas se atribuyen a la presencia
del plasmoacuten de resonancia caracteriacutestico de los AgNWs que tienen lugar a una
longitud de onda de 355 nm y 385 nm [120] En el espectro obtenido tras la
purificacioacuten uacutenicamente se aprecia el plasmoacuten de resonancia de los AgNWs
por lo que la ausencia de la banda correspondiente a las AgNPs a 434 nm es
un indicador de la pureza de eacutestos [120] La primera banda de absorcioacuten de
este espectro representa la absorcioacuten longitudinal de los AgNWs (355 nm) y la
segunda a una longitud de onda de 402 nm se atribuye a la absorcioacuten
transversal de los mismos [113] [130]
Finalmente en el espectro correspondiente al sobrenadante se aprecia una
banda de absorcioacuten a 438 nm que se atribuye a la presencia exclusiva de las
AgNPs lo que indica que el meacutetodo empleado para lavar los AgNWs es
adecuado [120]
Figura 34 Espectroscopiacutea UV-VIS del producto obtenido de la siacutentesis de AgNWs sin lavar (rojo) AgNWs purificados (azul) y sobrenadante (negro)
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM)
117
Existen una gran variedad de factores durante el proceso de fabricacioacuten de los
AgNWs que pueden afectar a su morfologiacutea como son la temperatura el tiempo
de reaccioacuten la adiccioacuten de reactivos etc [120] [121] Por ello la microscopiacutea
de fuerza atoacutemica se ha utilizado para controlar la homogeneidad de los AgNWs
obtenidos ya que proporciona imaacutegenes de tamantildeo nanomeacutetrico (figura 35)
Las imaacutegenes de la muestra que se obtuvieron demuestran que los AgNWs
presentaban un tamantildeo homogeacuteneo con un diaacutemetro cercano a 350 nm y
longitudes entorno a los 10 μm
Figura 35 Fotografiacutea obtenida mediante microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) de una muestra de AgNWs depositada sobre un electrodo BDD
513 Difraccioacuten de rayos-X
La difraccioacuten de rayos-X se ha utilizado para caracterizar la estructura de los
AgNWs el patroacuten de difraccioacuten obtenido muestra que los AgNWs son
nanomateriales compuestos por nanocristales orientados en diferentes planos
cristalograacuteficos [204]
De acuerdo con el patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs se muestran 5 picos de
difraccioacuten (figura 36) correspondientes a los planos [111] [200] [220] [311]
y [222] respectivamente [205] Donde se puede apreciar una gran diferencia
en la intensidad alcanzada entre ellos El pico correspondiente al plano
cristalograacutefico [111] que tiene lugar a 2120579= 382ordm es el pico de mayor intensidad
lo que indica que los cristales que forman los AgNWs estaacuten orientados
preferentemente en esta direccioacuten cristalograacutefica [205] [206] El pico de
difraccioacuten que tiene lugar a 2120579= 443ordm se corresponde con el plano [200] [206]
En cuanto al pico que se encuentra en 2120579= 645ordm se corresponde con el plano
[220] [207] Finalmente los picos de difraccioacuten que tienen lugar a 2120579=768 ordm y
2120579= 815ordm representan los planos [311] y [222] respectivamente [207]
118
El patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs que se ha descrito se corresponde con
una estructura cuacutebica centrada en las caras (FCC) [207] La ausencia de picos
adicionales es debida a la pureza de los AgNWs obtenidos [206]
Figura 36 Patroacuten de difraccioacuten de rayos-X de los AgNWs
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD
Se ha llevado a cabo la fabricacioacuten de sensores electroquiacutemicos basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa Dicho
sensor se ha preparado mediante la electropolimerizacioacuten de chitosaacuten
modificado con AgNWs en presencia de una moleacutecula plantilla de lactosa Las
funciones de cada uno de los constituyente que forman el sensor MIP son
Chitosaacuten biopoliacutemero que se deposita sobre el electrodo BDD su
funcioacuten es contener a los huecos de la moleacutecula que se quiera
detectar ademaacutes sirve de soporte de unioacuten para los AgNWs
AgNWs son nanoestructuras metaacutelicas que actuacutean recubriendo la
matriz de chitosaacuten sus reacciones de oxidacioacuten sirven para
determinar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a la
deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
119
Lactosa es la moleacutecula plantilla su funcioacuten es imprimir en la matriz
de chitosaacuten las cavidades de reconocimiento con el propoacutesito de
proporcionar al sensor MIP una mayor especificidad hacia la
deteccioacuten de la misma
En todos los sensores (MIP) se ha trabajado con una concentracioacuten de lactosa
en la solucioacuten [CHI-AgNWs] de 001 M y una concentracioacuten de la solucioacuten de
chitosaacuten de 15 mgmL Fijados estos paraacutemetros con el propoacutesito de obtener
el sensor MIP que proporcione las mejores prestaciones frente a la deteccioacuten
de lactosa se emplearon distintas variables de trabajo y de medida el meacutetodo
de electrodeposicioacuten la presencia de agitacioacuten o no durante la
cronoamperometriacutea la concentracioacuten de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
empleo de un agente reticulante y el uso de distintos eluyentes
A lo largo del desarrollo de la investigacioacuten es de gran importancia comprobar
el funcionamiento del MIP por ello este sensor se ha comparado con un sensor
obtenido bajo las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula de
lactosa NIP
bull Meacutetodo de electrodeposicioacuten de las disoluciones para elaborar los
sensores MIP o NIP
El primer experimento se llevoacute a cabo depositando la solucioacuten que contiene la
mezcla para la obtencioacuten del sensor MIP y NIP sobre la superficie del electrodo
BDD a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica paraacutemetros de trabajo citados en el
capiacutetulo 4
En los voltamogramas obtenidos de los sensores MIP (figura 37 a) y NIP (figura
37 b) no se aprecia ninguacuten indicio que indique la electrodeposicioacuten de la
solucioacuten sobre la superficie del electrodo BDD Por ejemplo en un estudio
llevado a cabo por Zhang Q et al se llevoacute a cabo la electrodeposicioacuten de un MIP
por medio de voltametriacutea ciacuteclica en cada ciclo se obtuvo una disminucioacuten en la
intensidad de corriente de los picos de oxidacioacuten de los AgNWs a medida que
el poliacutemero de impresioacuten molecular se depositaba sobre el electrodo BDD
[208] Este fenoacutemeno no se puede apreciar en ninguna de los voltamogramas
ante este resultado en el resto del trabajo se optoacute por llevar a cabo la
electrodeposicioacuten mediante cronoamperometriacutea en lugar de por voltametriacutea
ciacuteclica para los sucesivos experimentos
120
Figura 37 Electrodeposicioacuten por voltametriacutea ciacuteclica a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD
bull Cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
El estudio se ha continuado con la siacutentesis de sensores MIP y NIP cuyas
configuraciones son MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD
Ambos tienen una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL en la peliacutecula de
chitosaacuten los paraacutemetros de fabricacioacuten de ambos sensores se han indicado en
el capiacutetulo 4
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se
sintetizaron dos sensores de cada tipo Para obtener la reproducibilidad de los
cronoamperogramas del MIP y NIP se calculoacute el coeficiente de variacioacuten (CV)
tomando el valor maacuteximo de la corriente alcanzada por cada sensor
El CV o tambieacuten llamado desviacioacuten estaacutendar relativa (RSD) proporciona
informacioacuten sobre la dispersioacuten de las series de datos obtenidas y se calcula a
partir de la siguiente expresioacuten
119862119881 = 120590
∙ 100
120590 = radicsum (119909119894 minus 119909 119873
119894 )2
119873
(31)
Ecuacioacuten 31 Caacutelculo del coeficiente de variacioacuten (CV) o (RSD)
Donde 120590 es desviacioacuten estaacutendar x es la variable N es el nuacutemero de resultados
xi es el valor nuacutemero i de la variable x es la media de los datos obtenidos
121
Figura 38 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
El CV obtenido para los cronoamperogramas del sensor MIP y NIP es del
2577 y del 1687 respectivamente Ambos coeficientes indican falta de
homogeneidad durante la fabricacioacuten de los sensores lo que supone que las
condiciones de trabajo durante la fabricacioacuten de los mismos no fueron buenas
Entre los motivos principales se encuentran inmersioacuten de los electrodos de
trabajo y contraelectrodo de manera inadecuada asiacute como la ausencia de
agitacioacuten durante el desarrollo de los sensores
En el cronoamperograma del MIP (figura 38 a) y NIP (figura 38 b) se pueden
distinguir cada una de las fases correspondientes a la formacioacuten de la peliacutecula
de chitosaacuten con el tiempo sobre el electrodo BDD En un primer momento tiene
lugar un aumento de la intensidad de corriente debido a los procesos
electroquiacutemicos que se producen en la celda (fase I) El codo de curvatura
representa la fase II cuando se produce la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre la
superficie del electrodo BDD para ello se aplica un potencial de -11 V A este
potencial el chitosaacuten se vuelve insoluble debido a los cambios de pH que
tienen lugar en la proximidad de la superficie del electrodo estos cambios son
provocados por la desprotonacioacuten de los grupos NH3+ de la estructura quiacutemica
del chitosaacuten por los grupos OH- que hay en la solucioacuten [198] [209] En la
cronoamperometriacutea de ambos sensores se puede apreciar un proceso de
nucleacioacuten costoso debido posiblemente a la falta de agitacioacuten durante la
electrodeposicioacuten que da lugar a un proceso de difusioacuten en estado transitorio
Debido a la ausencia de agitacioacuten la concentracioacuten de las especies no se
mantiene constante en la solucioacuten por lo que la capa difusiva (δ) va adquiriendo
un mayor grosor Este hecho dificulta la difusioacuten de las especies hasta la
superficie del electrodo con el transcurso del tiempo [182] En la fase III se
muestra el crecimiento de la peliacutecula polimeacuterica sobre el electrodo BDD al
finalizar este proceso se distingue una caiacuteda en la intensidad de corriente
122
desde un valor de 65 μA en el NIP hasta un valor de 54 μA en el MIP La
disminucioacuten de la intensidad se debe a la presencia del azuacutecar durante la
polimerizacioacuten del chitosaacuten el cual dificulta la difusioacuten de las especies a su
traveacutes [186]
Para estudiar el efecto selectivo de la plantilla polimeacuterica en el MIP y el
comportamiento de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten se obtuvieron las
respuestas voltameacutetricas correspondientes a un electrodo BDD en blanco y a
los sensores MIP y NIP El blanco se elaboroacute mediante voltametriacutea ciacuteclica a
traveacutes de su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa 10-4 M en buffer fosfato
(PBP) de concentracioacuten 001 M y pH 74 aplicando un potencial de -1 V a 1 V
con una velocidad de barrido de 100 mVs El resultado obtenido se muestra
en la figura 39 a donde no se observa ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten
debido a que la lactosa no presenta actividad electroliacutetica La respuesta
electroquiacutemica de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvo mediante su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa
10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros
de medida y siguiendo el proceso de deteccioacuten explicados en el capiacutetulo 4
En el resultado obtenido de la voltametriacutea ciacuteclica figura 39 b se puede apreciar
como el MIP proporciona una mayor intensidad de sentildeal respecto del NIP y el
electrodo BDD blanco Este hecho se atribuye a la creacioacuten de cavidades
especiacuteficas en la matriz de chitosaacuten con una forma y tamantildeo que son
complementarios a las moleacuteculas de lactosa gracias a esta plantilla se
consigue una gran especificidad durante la deteccioacuten ya que las moleacuteculas se
enlazan faacutecilmente a los huecos creados [64] Como resultado de la siacutentesis de
la plantilla polimeacuterica se consigue un sensor que ofrece un mejor
comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de lactosa y por ende es
capaz de proporcionar una mayor intensidad de sentildeal en comparacioacuten al
sensor NIP
Por otro lado en este experimento no se pudieron distinguir los picos anoacutedicos
de las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs el resultado desfavorable puede
deberse a las siguientes razones
La ausencia de agitacioacuten durante la electropolimerizacioacuten sobre el
electrodo BDD podriacutea suponer que la cantidad de AgNWs depositados
en el sensor es inferior a la deseada
123
La concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten es
insuficiente
Figura 39 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH
74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El estudio de la reproducibilidad se llevoacute a cabo mediante la fabricacioacuten de dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs mediante la
inmersioacuten de los sensores en una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten
10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M El criterio empleado para su
obtencioacuten fue el caacutelculo del CV
La reproducibilidad obtenida tanto para el MIP como para el NIP es muy baja
siendo eacutesta de un 1873 y de un 3782 respectivamente La razoacuten de la
mala reproducibilidad en el MIP podriacutea atribuirse a la falta de homogeneidad
durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el electrodo BDD puesto
que es un fenoacutemeno que puede afectar a los sensores basados en la tecnologiacutea
de impresioacuten molecular [210] Sin embargo la baja reproducibilidad del NIP
indica que las condiciones en las que se llevaron a cabo la fabricacioacuten o la
medicioacuten de los sensores no fueron las adecuadas siendo una posible razoacuten
la falta de agitacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten de ambos
A pesar del buen funcionamiento del MIP no se pudieron apreciar los picos
correspondientes a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs presentes en la
peliacutecula de chitosaacuten por lo que la investigacioacuten se continuoacute incrementando la
concentracioacuten de eacutestos en un valor de 5 mgmL
124
La fabricacioacuten de sensores MIP y NIP con una concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten de 5 mgmL se realizoacute por cronoamperometriacutea
estableciendo los paraacutemetros de trabajo indicados en el capiacutetulo 4 Tal y como
se muestra en la figura 40 a y b donde se representan los cronoamperogramas
de los sensores MIP y NIP respectivamente En ellos se pueden distinguir las 3
fases correspondientes al proceso de electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo De nuevo en el MIP se observa un proceso de nucleacioacuten maacutes
costoso en comparacioacuten al NIP asiacute como una caiacuteda de la corriente desde un
valor de 150 μA alcanzado por el NIP hasta una intensidad de 80 μA en el MIP
La razoacuten de ambos fenoacutemenos se atribuye a una mayor dificultad en el proceso
de difusioacuten tal y como se explicaba para la misma configuracioacuten del sensor
pero con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
Figura 40 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-
AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgml
Como en el anterior sensor para estudiar la reproducibilidad del MIP y NIP se
han sintetizado dos sensores de cada tipo el CV obtenido para ambos
cronoamperogramas es del 26 y del 956 respectivamente Los CV
obtenidos son bajos las razones por las que esto podiacutea ocurrir se indicaron en
la anterior configuracioacuten del sensor de una concentracioacuten de AgNWs de 1
mgmL
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado a traveacutes de
voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten
001 M y pH 74 Su respuesta voltameacutetrica se ha comparado con la obtenida
por un sensor NIP y un electrodo BDD blanco siguiendo el mismo
procedimiento que el descrito para la anterior configuracioacuten del sensor en
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL En el voltamograma figura 41 a se
puede comprobar que el MIP presenta una mayor intensidad que el NIP en la
deteccioacuten frente a lactosa lo cual indica la formacioacuten de las cavidades de
125
reconocimiento en la matriz de chitosaacuten que aportan especificidad al sensor
MIP frente a la deteccioacuten de este azuacutecar [211] tal y como se ha explicado
anteriormente
Por otro lado los resultados obtenidos demuestran que a una concentracioacuten
de AgNWs de 5 mgmL es posible distinguir los procesos correspondientes a
las reacciones de oxidacioacuten de los mismos El primer pico anoacutedico (51528 mV)
se corresponde con el proceso de oxidacioacuten de la plata (Ag) al estado de
oxidacioacuten +1 (Ag+1) y el segundo pico anoacutedico (67886 mV) se corresponde con
la oxidacioacuten de la plata de su estado elemental (Ag0) al estado de oxidacioacuten +2
(Ag2+) El estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ es menos comuacuten sin embargo
cuando se alcanzan potenciales superiores a 040 V se puede apreciar [212]
Figura 41 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para calcular la reproducibilidad se siguieron los mismos pasos que se han
empleado para el sensor que presenta la misma configuracioacuten a una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL De la misma forma el criterio empleado
fue el caacutelculo del CV tomando como referencia el pico anoacutedico de mayor
intensidad (1198601198922+) en estas condiciones se obtuvieron valores de
reproducibilidad del 2861 y del 1665 para el MIP y NIP respectivamente
126
A pesar del buen funcionamiento del MIP en las configuraciones descritas se
aprecia una falta de reproducibilidad importante cuyo valor se encuentra por
encima del 5 Con el propoacutesito de mejorar la reproducibilidad de ambos
sensores se modificoacute un nuevo paraacutemetro durante el proceso de fabricacioacuten
del sensor Por lo que en los experimentos siguientes se sintetizaron sensores
MIP y NIP en presencia de agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
bull Cronoamperometriacutea con agitacioacuten
Los experimentos relativos al desarrollo de sensores frente a la deteccioacuten
oacuteptima de lactosa se continuaron mediante la elaboracioacuten de sensores MIP y
NIP con la siguiente configuracioacuten MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD ambos con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL en la
peliacutecula de chitosaacuten Su siacutentesis se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten fijando los paraacutemetros de trabajo indicados en el
capiacutetulo 4
Tal y como sucediacutea en los anteriores sensores en el MIP (figura 42 a) se aprecia
un proceso de nucleacioacuten maacutes costoso en comparacioacuten al NIP (figura 42 b) asiacute
como una caiacuteda en la intensidad de corriente hasta a un valor de 80 μA
respecto a la intensidad de 150 μA alcanzada por el NIP
A pesar de ello se encuentran importantes diferencias entre los
cronoamperogramas de los sensores MIP (figura 40 a) y NIP (figura 40 b)
obtenidos por cronoamperometriacutea sin agitacioacuten a la misma concentracioacuten de
AgNWs que se han descrito en el anterior punto
En la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten la nucleacioacuten del chitosaacuten se produciacutea
con una mayor dificultad siendo el proceso maacutes lento en este caso lo cual es
un indicador de que el factor de agitacioacuten facilita la electrodeposicioacuten del
chitosaacuten modificado con AgNWs sobre la superficie del electrodo BDD Como
se ha indicado anteriormente (capiacutetulo 2612) la cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten da lugar a un fenoacutemeno de conveccioacuten de las moleacuteculas
que se encuentran en la solucioacuten lo que hace que el espesor de la capa
difusiva se mantenga constante en todo el tiempo en que dura el pulso de
potencial aplicado sobre el electrodo de trabajo Al contrario de lo que sucede
en la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten donde el espesor de la capa difusiva
aumenta con el paso del tiempo [182]
127
Figura 42 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y un b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se obtuvieron
dos sensores MIP y NIP de cada tipo cuyos cronoamperogramas presentaron
un CV (calculado con el mismo criterio que en los anteriores sensores descritos)
del 111 y del 687 respectivamente En este caso los valores del CV
indican que las condiciones de trabajo con las que se fabricaron ambos
sensores contribuyeron a mejorar la reproducibilidad de los
cronoamperogramas
El estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP frente a la
deteccioacuten de lactosa se ha realizado mediante voltametriacutea ciacuteclica
estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el mecanismo de deteccioacuten
indicados en el capiacutetulo 4 Para ello se ha comparado la respuesta voltameacutetrica
del MIP con la del NIP y un electrodo BDD blanco cuya voltametriacutea se ha
realizado siguiendo el mismo procedimiento que se ha explicado para las
anteriores configuraciones del sensor de lactosa En el voltamograma obtenido
figura 43 a se puede observar que el sensor MIP proporciona una intensidad
de corriente superior al NIP lo que es un indicador de la correcta formacioacuten de
la plantilla polimeacuterica de lactosa en la matriz de chitosaacuten siendo eacutesta la
responsable de que el MIP tenga una mayor especificidad frente a la deteccioacuten
de dicho analito Por otro lado se pueden distinguir los picos de las reacciones
de oxidacioacuten de los AgNWs el primer pico se corresponde con el estado de
oxidacioacuten de la plata Ag+1 producido a un potencial de 39899 mV y el segundo
pico que tiene lugar a un potencial de 51015 mV se corresponde con el estado
de oxidacioacuten de la plata Ag2+ [212]
128
Figura 43 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes obtenidos en presencia de agitacioacuten
Para comprobar el efecto de la agitacioacuten en la respuesta voltameacutetrica se ha
comparado el sensor MIP descrito en este apartado con el sensor MIP que
presenta la misma concentracioacuten de AgNWs (5 mgmL) fabricado sin agitacioacuten
cuyo funcionamiento se explicoacute en el apartado cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten En la tabla 1 donde se comparan los valores de los potenciales
obtenidos entre ambos sensores se puede observar que el potencial necesario
para que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs son inferiores
en el sensor sintetizado bajo cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten
Esta disminucioacuten en el potencial indica una mejora en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor MIP ya que es necesario un menor potencial para
que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs En la tabla 2 se
muestran los valores de la intensidad de corriente alcanzados por ambos
sensores donde se distingue un aumento en la intensidad de corriente en el
sensor MIP obtenido por cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten lo que
indica una mejora en la actividad electroquiacutemica del mismo Con estos
resultados se puede concluir que la introduccioacuten de agitacioacuten afecta
positivamente al funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP
129
Tabla 1 Potencial (mV) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico Paraacutemetros fabricacioacuten
Potencial con agitacioacuten
Potencial sin agitacioacuten
(Ag+) 39899 51528
(Ag2+) 51015 67886
Tabla 2 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico
Paraacutemetros de obtencioacuten
Intensidad de corriente con agitacioacuten
Intensidad de corriente sin agitacioacuten
(Ag+) 34 2110
(Ag2+) 3327 307
Finalmente se realizoacute un estudio de la reproducibilidad sintetizando dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten
de lactosa 10minus4119872 siguiendo el mismo procedimiento que se ha indicado en las
anteriores configuraciones Para ello se utilizoacute el caacutelculo del CV tomando como
referencia la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico 1198601198922+ Se
obtuvo una reproducibilidad de un 141 para el NIP y un 1275 para el MIP
como se aprecia el NIP presentoacute una reproducibilidad significativamente
superior El motivo de esta diferencia puede estar asociado a la falta de
homogeneidad durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el
electrodo BDD como se ha indicado anteriormente dicho fenoacutemeno es posible
que afecte a los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
[210]
En la tabla 3 se han comparado los valores de reproducibilidad de los sensores
obtenidos con y sin agitacioacuten donde se aprecia una reproducibilidad
notablemente superior en los sensores MIP y NIP sintetizados por
cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten En vista a estos resultados se
puede concluir que la presencia de agitacioacuten durante la obtencioacuten de los
sensores contribuye a obtener una respuesta maacutes reproducible
130
Tabla 3 CV () de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs] con 5 mgmL de AgNWs 0btenidos con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
Electrodeposicioacuten Sensores
CV con agitacioacuten CV sin agitacioacuten
MIP 1275 2861
NIP 141 1665
Con el propoacutesito de conseguir un aumento en el valor de la intensidad de
corriente alcanzado por el sensor MIP frente a la deteccioacuten de lactosa la
investigacioacuten se continuoacute incrementando la concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten a una concentracioacuten de 10 mgmL La fabricacioacuten de este
sensor se llevoacute a cabo mediante cronoamperometriacutea fijando los paraacutemetros de
trabajo indicados en el capiacutetulo 4
Figura 44 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Como en el resto de las configuraciones se han sintetizado dos sensores de
cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV del 1178 y del 455
para el MIP (figura 44 a) y NIP (figura 44 b) respectivamente Estos valores
indican una menor homogeneidad en la fabricacioacuten del sensor MIP atribuible a
una mayor dificultad durante el proceso de fabricacioacuten del mismo
Tal y como se observa la polimerizacioacuten del chitosaacuten en presencia de los
AgNWs y de la moleacutecula plantilla de lactosa (figura 44 a) tiene lugar con una
mayor dificultad en comparacioacuten al NIP (figura 44 b) Ademaacutes en el MIP se
alcanza una intensidad de corriente de 50 μA y en el NIP un valor igual a 75
μA Ambos fenoacutemenos se han producido y explicado en el resto de las
configuraciones desarrolladas en el presente trabajo
131
El comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha evaluado comparando
su respuesta voltameacutetrica con la obtenida por el NIP y un electrodo BDD blanco
(figura 45 a) El protocolo seguido para la obtencioacuten de los voltamogramas del
MIP NIP y el blanco es el mismo que el que se ha descrito para el resto de las
configuraciones
La respuesta voltameacutetrica proporcionada por el MIP no fue la adecuada e indicoacute
un mal funcionamiento por parte de este sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
(figura 45 b) Es decir la intensidad de corriente de este sensor es inferior a la
proporcionada por el NIP lo cual no deberiacutea suceder ya que el MIP debe ofrecer
una mayor intensidad de sentildeal Este resultado indicoacute que la plantilla de lactosa
no se sintetizoacute correctamente en la matriz de chitosaacuten La razoacuten del mal
funcionamiento del sensor MIP puede estar asociada a la elevada
concentracioacuten de AgNWs que se utilizoacute durante la electrodeposicioacuten lo que
provocoacute que el chitosaacuten no polimerizase bien sobre la superficie del electrodo
en consecuencia la plantilla de lactosa no se formoacute adecuadamente en la
matriz polimeacuterica
Por otro lado ademaacutes de apreciar los picos anoacutedicos correspondientes a los
estados de oxidacioacuten de los AgNWs a esta concentracioacuten tambieacuten es posible
apreciar los picos catoacutedicos que se corresponden con la reacciones de
reduccioacuten reversibles de la plata (del estado de oxidacioacuten Ag2+ al estado
elemental Ag0) producidas a un potencial de 4047 mV y 1813 mV [212] (figura
45 a)
132
Figura 45 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para estudiar el efecto en el aumento de concentracioacuten de los AgNWs en la
matriz de chitosaacuten en la tabla 4 se muestra una comparativa con el sensor
que tiene la misma configuracioacuten en una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
y que se ha descrito en este mismo punto Los valores indican un aumento en
la intensidad de corriente del pico anoacutedico Ag2+ en el MIP y NIP de un valor del
131 y del 211 respectivamente Estos resultados demuestran que la
intensidad proporcionada por los AgNWs aumenta con su concentracioacuten en la
peliacutecula de chitosaacuten tal y como se observa en la figura 46
Cabe mencionar que la comparacioacuten entre concentraciones (1mgmL y 5
mgmL) en el anterior punto no se realizoacute puesto que careciacutea de intereacutes al no
poderse apreciar los picos anoacutedicos de los AgNWs en el sensor que presentaba
una concentracioacuten de eacutestos en 1mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
133
Tabla 4 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos con una concentracioacuten de AgNWs 5 y 10 mgmL
MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
NIP [CHI-AgNWs]BDD
Pico anoacutedico Concentracioacuten
de AgNWs
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad de
corriente
(10 mgmL)
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad
de corriente
(10 mgmL)
(Ag2+) 3327 4361 2898 6128
Figura 46 Intensidad del pico anoacutedico Ag2+ de los sensores MIP (negro) NIP (rojo) inmersos en una solucioacuten de lactosa en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 Se representa un aumento de la concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (0 5 10 mgmL)
En cuanto al estudio de la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de
cada tipo MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD NIP [CHI-AgNWs]BDD el criterio
empleado para su caacutelculo se realizoacute bajo las mismas condiciones que se han
descrito para el resto de los sensores El CV obtenido para el MIP y NIP fue del
23 y del 184 respectivamente El empeoramiento de la reproducibilidad
(respecto de la anterior configuracioacuten que presentaba una concentracioacuten de
AgNWs de 5 mgmL) indica que las condiciones en las que se fabricaron los
sensores no fueron las adecuadas siendo una posible causa la elevada
concentracioacuten de AgNWs (10 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten que se empleoacute
para la construccioacuten del sensor
134
bull Agente reticulante glutaraldehiacutedo
La utilizacioacuten de agentes reticulantes en la siacutentesis de poliacutemeros de impresioacuten
molecular es muy frecuente ya que estos influyen directamente en la
morfologiacutea de los MIP en su estabilidad y en la fijacioacuten de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico [69] Por estas razones en el presente trabajo se ha
comprobado su efecto en los sensores MIP y NIP sometieacutendolos a vapores de
glutaraldehiacutedo a traveacutes del anaacutelisis de su respuesta voltameacutetrica y de un
estudio de la reproducibilidad de los mismos
Se ha utilizado la siguiente denotacioacuten para los sensores desarrollados MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-lactosa]BDD y NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs]BDD
Los sensores fueron fabricados con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
mediante cronoamperometriacutea seguacuten los paraacutemetros de medida que se
establecieron en el capiacutetulo 4 los cronoamperogramas obtenidos no se
muestran en el presente trabajo dado que coinciden con los
cronoamperogramas del sensor que presenta la misma concentracioacuten de
AgNWs en ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo (figura 44 a y b) Tras la
cronoamperometriacutea los sensores MIP y NIP se introdujeron en vapores de
glutaraldehiacutedo seguacuten el procedimiento indicado en el mismo capiacutetulo
El efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP frente
a la deteccioacuten de lactosa se ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica
mediante la inmersioacuten del sensor en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP
de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el
protocolo de medida indicados en el capiacutetulo 4 En el voltamograma obtenido
figura 47 a se compara la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP con el NIP y
un electrodo BDD blanco
Tal y como se observa la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico
de mayor intensidad (Ag 2+) es de 11327 μA para el NIP mientras que para el
MIP es inferior e igual a 5031 μA Los valores de corriente indican un mal
funcionamiento del MIP al proporcionar el otro sensor una mayor intensidad de
sentildeal (este fenoacutemeno se ha repetido para el sensor que presentaba la misma
concentracioacuten de AgNWs sin agente reticulante glutaraldehiacutedo) Como se ha
explicado anteriormente el mal funcionamiento del MIP se asocia a una posible
saturacioacuten del sensor debido a la elevada concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten que impide la correcta formacioacuten de la plantilla polimeacuterica
No obstante a pesar del mal funcionamiento del sensor frente a la deteccioacuten
de lactosa se consiguioacute incrementar notablemente la intensidad de la sentildeal
135
Figura 47 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
En la tabla 5 se muestran los valores de corriente alcanzados por los sensores
MIP y NIP en presencia y ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo en los que se
puede apreciar un incremento de la intensidad de corriente en un coeficiente
del 115 y del 185 respectivamente Estos resultados indican que la
fabricacioacuten del sensor en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo mejora la
respuesta cataliacutetica del mismo lo cual puede estar asociado a diversas
razones
El chitosaacuten reticulado ayuda a mantener la rigidez de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico contribuyendo a mantener su forma y
tamantildeo [69]
Aumento de la estabilidad mecaacutenica el nuacutemero de entrecruzamientos
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo evitan la peacuterdida de las cavidades
de reconocimiento especiacutefico [69]
Por estas razones el chitosaacuten se convierte en un soporte maacutes estable para los
AgNWs lo cual se produce gracias a la unioacuten entre los grupos -COOH de los
extremos de la moleacutecula del glutaraldehiacutedo con los grupos -NH2 del chitosaacuten
dando lugar a un enlace imina muy resistente (minusC=NH-) [93]
136
Tabla 5 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Configuracioacuten
Pico anoacutedico
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de corriente
MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]
BDD
Intensidad de corriente
NIP
[CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD
Intensidad de
corriente
(Ag2+) 4361 5031 6128 11327
Finalmente se ha llevado a cabo un estudio del sometimiento de los sensores
a vapores de glutaraldehiacutedo Para ello se sintetizaron dos sensores MIP [CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNws-lactosa]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD de
cada tipo siguiendo el mismo procedimiento que en los anteriores sensores
descritos El CV se ha calculado bajo el mismo criterio obteniendo un valor para
el MIP del 837 y del NIP de 1364 respectivamente Mientras que las
mismas configuraciones del sensor pero sin sometimiento a vapores de
glutaraldehiacutedo muestran una reproducibilidad muy mala con un CV del 23 y
del 184 respectivamente
Los resultados indican que bajo los paraacutemetros en los que fueron fabricados
ambos sensores los vapores de glutaraldehiacutedo mejoran significativamente su
reproducibilidad lo cual estaacute asociado a una mayor estabilidad mecaacutenica de la
plantilla polimeacuterica de chitosaacuten asiacute como de los AgNWs que lo recubren [69]
bull Seleccioacuten del agente eluyente
El eluyente empleado para eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten no debe afectar a su rigidez y estabilidad [69] Por ello con objeto de
seleccionar el disolvente que proporcionase los mejores resultados se ha
estudio la respuesta voltameacutetrica del MIP frente a dos eluyentes distintos KCl
01 M y agua desionizada Milli Q Para la seleccioacuten de ambos se ha tenido en
cuenta la solubilidad del chitosaacuten y de la lactosa en ambos eluyentes
El chitosaacuten es un poliacutemero catioacutenico soluble en aacutecidos diluidos (aacutecido aceacutetico
aacutecido niacutetrico aacutecido clorhiacutedrico entre otros) sin embargo es insoluble en medios
con pH superiores a 65 (agua disoluciones baacutesicas o en disolventes
137
orgaacutenicos) por lo que el empleo de agua desionizada Milli Q o KCl no deberiacutea
de afectar a la solubilidad de la peliacutecula de chitosaacuten en ambos eluyentes [191]
La lactosa es un azuacutecar soluble en disolucioacuten acuosa debido a la formacioacuten de
puentes de hidroacutegeno entre los grupos hidroxilo del azuacutecar y el hidroacutegeno del
agua por lo que es soluble en ambos tipos de disolventes [213]
El protocolo de medicioacuten empleado para la deteccioacuten de lactosa es el descrito
en el capiacutetulo 4 Tras el proceso de elucioacuten llevado a cabo con KCl (figura 48 a)
y agua desionizada Milli Q (figura 48 b) se observa que ambos sensores MIP
proporcionan una disminucioacuten en la intensidad de corriente en el mismo grado
Tras estos resultados se concluye que no hay cambios al utilizar un eluyente u
otro puesto que ambos afectan de la misma manera a la respuesta
voltameacutetrica del sensor
Figura 48 a) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con KCl (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP (001M pH 74) b) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con agua desionizada Milli Q (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP (001M pH 74)
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
El sensor seleccionado para estudiar su comportamiento electroquiacutemico frente
a la deteccioacuten de lactosa fue el MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD con una
concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL Las siguientes razones fueron
determinantes para elegir este sensor desarrollado por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten
138
En el estudio llevado a cabo por voltametriacutea ciacuteclica el MIP demostroacute un
mejor comportamiento con respecto al NIP (figura 43 a) Este resultado
fue de gran importancia ya que indicoacute la formacioacuten de una plantilla
polimeacuterica en la matriz de chitosaacuten que aportaba una mayor
especificidad al sensor MIP frente a la deteccioacuten lactosa
Con esta configuracioacuten se apreciaron los picos anoacutedicos de los AgNWs
lo que permitiraacute determinar el comportamiento electroquiacutemico del
sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
Representa el sensor MIP que cumpliendo con las dos condiciones
descritas tiene una mayor reproducibilidad
La fabricacioacuten del sensor se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea tal y como se
explicoacute en el capiacutetulo 4 el cronoamperograma de ambos sensores MIP (figura
42 a) y NIP (figura 42 b) ya se indicoacute dentro de este mismo capiacutetulo en la
fabricacioacuten de sensores por cronoamperometriacutea con agitacioacuten
El proceso de deteccioacuten llevado a cabo frente a lactosa ha sido descrito en el
capiacutetulo 4 figura 49 a Tras eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten con KCl (01 M) se forman las cavidades de reconocimiento especiacutefico
cuya estructura es complementaria a las moleacuteculas de lactosa Una vez
obtenido el sensor se lleva a cabo la deteccioacuten en la disolucioacuten de lactosa
(10 minus4 119872) durante este proceso tiene lugar la especificidad entre la plantilla
polimeacuterica y las moleacuteculas de lactosa presentes en la solucioacuten Con la
disminucioacuten de la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs es posible
estudiar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a lactosa dado
que es un fenoacutemeno que se puede utilizar como un indicador de la presencia
del azuacutecar en la solucioacuten
La disminucioacuten en la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs puede
estar asociado a dos razones en primer lugar la lactosa presente en la
solucioacuten dificulta la transferencia de electrones hasta la superficie del
electrodo [84] En segundo lugar la disminucioacuten de la corriente puede ser
provocada por el efecto denominado ldquogate effectrdquo Este fenoacutemeno es tiacutepico en
los sensores MIP y contribuye a un decremento en la intensidad de la sentildeal
causado por un cambio en la morfologiacutea de la peliacutecula de chitosaacuten al enlazarse
la moleacutecula plantilla a los sitios de unioacuten de eacuteste A causa de este suceso la
capacidad de difusioacuten de los electrones a traveacutes de la peliacutecula polimeacuterica se
produce con una mayor dificultad [91]
139
Figura 49 a) respuesta voltameacutetrica de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M despueacutes de la elucioacuten (rojo) en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M (azul) Respuesta voltameacutetrica de un electrodo BDD blanco en lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (rosa) a1) Detalle de los picos anoacutedicos
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a
lactosa
Para estudiar la sensibilidad del sensor frente a las moleacuteculas de lactosa se
llevaron a cabo detecciones en una solucioacuten de lactosa con una concentracioacuten
10-4 M y 10-3 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M Aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs
En la figura 50 a y b se muestran los voltamogramas obtenidos con los
sensores MIP y NIP respectivamente donde se puede observar que la
intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs disminuye al aumentar la
concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten Como ya se ha indicado dicho
fenoacutemeno tiene lugar en los sensores MIP que utilizan sustancias
electroactivas para el reconocimiento de azuacutecares La presencia del azuacutecar en
la solucioacuten provoca el empeoramiento de la transferencia electroacutenica a traveacutes
de la matriz de chitosaacuten por lo que la intensidad de la sentildeal proporcionada por
el sensor disminuye [41] [84] [212]
140
Figura 50 Estudio de la sensibilidad de un sensor a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) posteriormente en un disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10minus4 119872 (rojo) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M y finalmente en una disolucioacuten de lactosa de
concentracioacuten 10minus3M (azul) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
De la representacioacuten de la intensidad del pico anoacutedico (figura 51)
correspondiente al estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ se obtienen dos rectas
para cada uno de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD La ecuacioacuten correspondiente al sensor MIP para el tramo de (0
mM - 01 mM) es 119910 = 2456119909 + 4175 y para el 2ordm tramo (01 mM ndash 1mM)
119910 = minus116119909 + 1835 Donde ldquoxrdquo es la concentracioacuten de lactosa (mM) e ldquoyrdquo es
la intensidad de sentildeal del pico anoacutedico (μA)
De la misma forma para el sensor NIP la ecuacioacuten para el tramo de (0 mM-
01Mm) es 119910 = minus1043119909 + 2218 y para el segundo tramo (01 ndash 1mM) es la
siguiente 119910 = minus58556119909 + 12336
En esta representacioacuten se demuestra que a mayor concentracioacuten del azuacutecar
menor es la intensidad de la sentildeal proporcionada por ambos sensores (MIP y
NIP) Ademaacutes la intensidad de corriente alcanzada por el sensor MIP y NIP ante
la deteccioacuten de lactosa entre las concentraciones 0 mM ndash 01 mM presenta un
gran salto de deteccioacuten Por otro lado cuando la deteccioacuten se lleva a cabo con
una concentracioacuten de lactosa entre los valores de 01 mM - 1 mM el salto de
deteccioacuten es menos brusco es decir la caiacuteda de corriente tanto del MIP como
del NIP es maacutes baja Por otro lado se aprecia que a una concentracioacuten de
10minus3 119872 de lactosa en la solucioacuten el sensor MIP parece que se llega a saturar
puesto que la diferencia en la intensidad de corriente alcanzada entre los
sensores MIP y NIP es praacutecticamente despreciable Por estas razones se
deberiacutea comprobar el funcionamiento de los sensores llevando a cabo
detecciones frente a concentraciones inferiores de lactosa en la solucioacuten
(10minus5 119872 10minus6 119872 etc)
141
Figura 51 Rectas de la intensidad del pico anoacutedico (Ag2+) de los sensores MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD (negro) y NIP [ CHI-AgNWs]BDD (rojo) en PBP (001 M y pH 74) para un incremento de la concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten (0 01 y 1 mM)
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa
La reproducibilidad del MIP (1275) figura 52 a es inferior a la del NIP
(141) figura 52 b la diferencia de reproducibilidad entre el MIP y el NIP se
debe a que los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
pueden estar afectados por una mala reproducibilidad asociada al proceso de
fabricacioacuten del MIP durante la electrodeposicioacuten electroquiacutemica [210] Aunque
como ya se ha indicado en el anterior apartado el empleo de agentes
reticulantes como el glutaraldehiacutedo contribuyen a la mejora de la
reproducibilidad
142
Figura 52 Reproducibilidad mediante voltametriacutea ciacuteclica en lactosa 10-4M en PBP 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa
El estudio de la repetitividad del sensor (tabla 6) se ha llevado a cabo utilizando
voltametriacutea ciacuteclica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M mediante 5 ciclos consecutivos potencial de -1 V a 1 V
y una velocidad de barrido de 100 mVs El criterio empleado para calcular la
repetitividad del sensor es el CV obtenido del valor de intensidad del pico
anoacutedico Ag2+ de los 4 uacuteltimos ciclos
La repetitividad del MIP (figura 53 a) calculada es del 1251 y la del NIP (figura
53 b) es del 1878 estos resultados demuestran una mala repetitividad que
puede estar asociada a dos factores la peacuterdida de AgNWs en la superficie del
chitosaacuten con cada ciclo y al deterioramiento de la peliacutecula de chitosaacuten lo que
implicariacutea la peacuterdida en la intensidad de la sentildeal
Figura 53 Repetitividad mediante voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
143
Tabla 6 Estudio de la repetitividad a traveacutes de la intensidad de corriente (μA) de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgmL
Ciclo Configuracioacuten
MIP
[CHI-AgNWs- Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]BDD
Intensidad de corriente
2 5038 4457
3 4257 3733
4 37 33
5 3327 2898
CV () 1251 1878
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-
Glucosa]BDD
Se ha sintetizado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD utilizando la
glucosa como moleacutecula plantilla en una concentracioacuten 001 M El
funcionamiento de dicho sensor se ha comparado con un NIP [CHI-
AgNWs]BDD
El sensor se ha sintetizado con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
llevando a cabo la polimerizacioacuten del chitosaacuten por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten cuyos paraacutemetros de medida fueron establecidos en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se muestra el cronoamperograma de la electrodeposicioacuten
llevada a cabo para la fabricacioacuten de los sensores MIP (figura 54 a) y NIP (figura
54 b) Tal y como se ha explicado en el sensor de lactosa en ambos
cronoamperogramas se distinguen cada una de las fases que se corresponden
con la deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten sobre el electrodo BDD con el
tiempo Primero se produce un aumento en la intensidad de corriente debido
a los procesos electroquiacutemicos que ocurren en la celda En la segunda fase
tiene lugar la nucleacioacuten del chitosaacuten en ambos sensores el codo de curvatura
es muy pronunciado lo cual indica que la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo se produce con dificultad Este resultado se podriacutea asociar a la falta
de agitacioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la siacutentesis de los
sensores tal y como se ha indicado en los sensores de lactosa fabricados en
las mismas condiciones Finalmente la peliacutecula de chitosaacuten crece sobre el
electrodo BDD
144
Como en los sensores de lactosa la presencia de glucosa en la disolucioacuten
dificulta la difusioacuten de las especies a traveacutes de la peliacutecula de chitosaacuten Este
resultado se refleja en la intensidad de la corriente final alcanzada en los
cronoamperogramas respectivos donde el MIP alcanza una intensidad 45 μA
y el NIP de 60 μA
Figura 54 Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Se fabricaron dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas
presentaron un CV (calculado siguiendo el mismo criterio que para el sensor de
lactosa) para el MIP del 20 y para el NIP del 1795 La razoacuten de la baja
reproducibilidad se asocia a que las condiciones en las que se realizoacute la
fabricacioacuten o medicioacuten de ambos sensores no fueron las adecuadas siendo un
posible motivo la ausencia de agitacioacuten o una inmersioacuten inadecuada del
electrodo de trabajo y contraelectrodo
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado comparando
la respuesta obtenida por voltametriacutea ciacuteclica de un electrodo BDD blanco con
la respuesta electroquiacutemica proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 55
b) en una disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001M La voltametriacutea ciacuteclica se ha realizado siguiendo el mismo
procedimiento y estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que se han
explicado para el sensor de lactosa
En la figura 55 a se muestra la respuesta voltameacutetrica del blanco donde no es
posible apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten dado que la glucosa no es
un compuesto con actividad electroliacutetica
145
Figura 55 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de glucosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de glucosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL sensor NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
La respuesta voltameacutetrica obtenida de los sensores (MIP y NIP) asiacute como la del
blanco indica que los resultados no son buenos por varias razones En el MIP
no hay nada que sugiera que se haya formado una plantilla polimeacuterica puesto
que la intensidad de corriente alcanzada es muy baja e inferior a la lograda por
el blanco En segundo lugar en el sensor no se aprecia un buen funcionamiento
de los AgNWs puesto que la intensidad de corriente proporcionada por eacutestos
es inferior a la respuesta voltameacutetrica del blanco En adiccioacuten tampoco es
posible apreciar los picos de oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el
estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a glucosa
Teniendo en cuenta estos resultados se puede concluir que los paraacutemetros de
fabricacioacuten utilizados para la elaboracioacuten del sensor MIP no fueron los
adecuados las posibles razones son
En la electrodeposicioacuten del MIP no se llevoacute a cabo agitacioacuten lo que
implica que la cantidad de AgNWs depositados en el electrodo es
insuficiente para apreciar los picos de oxidacioacuten de los mismos
La concentracioacuten de AgNWs en el sensor (1mgmL) es demasiado
pequentildea lo que afectoacute directamente a la respuesta electroquiacutemica del
mismo
Con objeto de estudiar la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de cada
tipo MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute
146
a cabo por medio de voltametriacutea ciacuteclica siguiendo el mismo procedimiento que
en los sensores de lactosa
Para ello se calculoacute el CV del MIP y NIP obteniendo valores de reproducibilidad
del 30 (MIP) y del 12 (NIP) La mala reproducibilidad de los sensores se
puede deber a que las condiciones en las que se llevaron a cabo los
experimentos no fueron las adecuadas siendo una posible causa la falta de
agitacioacuten durante la electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla
para la siacutentesis del MIP o NIP
Finalmente es necesario aclarar que el procedimiento seguido para la
optimizacioacuten del sensor de lactosa con los distintos paraacutemetros de fabricacioacuten
y de medida indicados a lo largo de este trabajo (fabricacioacuten del sensor con
agitacioacuten concentracioacuten de AgNWs uso de agente reticulante glutaraldehiacutedo
etc) se deberiacutean de repetir para el sensor de glucosa descrito en este mismo
punto
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-
Galactosa]BDD
Se ha elaborado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD para la deteccioacuten
de galactosa para ello se utiliza dicho analito como moleacutecula plantilla El
funcionamiento del MIP se ha comparado con un sensor NIP fabricado de la
misma forma pero en ausencia de la moleacutecula de galactosa
A diferencia del resto de las configuraciones explicadas en el presente trabajo
en este caso el sensor se obtuvo por cronoamperometriacutea en presencia de una
moleacutecula plantilla que se encontraba en la solucioacuten en una concentracioacuten 01 M
(el resto de los sensores MIP de glucosa y galactosa se sintetizaron con una
concentracioacuten 001 M de las moleacuteculas plantilla respectivas) Este cambio se
realizoacute con objeto de comprobar coacutemo afectariacutea al sensor un aumento de la
concentracioacuten del azuacutecar en la formacioacuten de la plantilla de chitosaacuten La
polimerizacioacuten se llevoacute a cabo sin agitacioacuten bajo las condiciones indicadas en
el capiacutetulo 4
En la figura 56 a y b se muestra el cronoamperograma obtenido para el MIP y
NIP respectivamente donde se pueden observar las tres fases
correspondientes a la electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el electrodo BDD y
que ya se han explicado en apartados anteriores En ambos sensores se puede
apreciar un proceso de nucleacioacuten muy costoso asiacute como una caiacuteda en la
intensidad de corriente del NIP (60 μA) en comparacioacuten al MIP (50 μA) Tal y
147
como ocurriacutea en el resto de las configuraciones obtenidas mediante
cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
Figura 56 a) Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se fabricaron
dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV
(calculado siguiendo los mismos pasos que para el sensor de lactosa) para el
MIP del 18 y para el NIP del 1725 De nuevo la reproducibilidad es baja las
posibles causas de ello se han indicado para los sensores de lactosa y glucosa
obtenidos bajo las mismas condiciones de fabricacioacuten
Para llevar a cabo un estudio del funcionamiento del MIP se ha comparado la
respuesta de un electrodo BDD blanco con la respuesta electroquiacutemica
proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 57 b) en una solucioacuten de
galactosa 10-4 en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M La respuesta
voltameacutetrica de los sensores MIP y NIP frente a galactosa se obtuvo seguacuten los
paraacutemetros de medida y el protocolo de deteccioacuten establecidos en el capiacutetulo
4 En este caso para llevar a cabo la medicioacuten frente a galactosa se empleoacute
una celda electroquiacutemica distinta con el fin de comprobar el funcionamiento
electroquiacutemico de los sensores en la misma Esta celda presentaba la ventaja
de mantener siempre el mismo aacuterea de contacto de los sensores MIP en el
proceso de deteccioacuten frente al azuacutecar de intereacutes
La respuesta voltameacutetrica del electrodo BDD blanco figura 57 a se obtuvo
estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que fueron indicados en los
sensores de lactosa y glucosa En el voltamograma obtenido no es posible
148
apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten ya que la galactosa no presenta
actividad electroliacutetica
Figura 57 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de galactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de galactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El resultado de la voltametriacutea ciacuteclica figura 57 b demuestra un mal
funcionamiento del sensor MIP ya que la intensidad obtenida por el NIP es
mayor a la intensidad proporcionada por el sensor MIP frente a galactosa
Ademaacutes no es posible apreciar los picos correspondientes a las reacciones de
oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el estudio del comportamiento
electroquiacutemico del sensor frente a galactosa
El mal funcionamiento del MIP se puede asociar a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Ademaacutes en este caso se debe tener en
cuenta que con una concentracioacuten de galactosa 01 M en la solucioacuten que
contiene la mezcla para sintetizar el sensor seguramente se produzca la
saturacioacuten de la misma lo cual impide la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica en
la matriz de chitosaacuten
Finalmente en la figura 57 b se puede observar que la intensidad de corriente
alcanzada por los sensores es muy inferior (lt 5 μA) a la que se obtuvo con el
resto de las configuraciones descritas que presentaban la misma
concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten La razoacuten de la
baja intensidad de la sentildeal se podriacutea atribuir a un menor aacuterea de contacto entre
el electrodo de trabajo y la solucioacuten en la celda empleada en este experimento
en comparacioacuten al aacuterea de contacto que se conseguiacutea con la celda electroliacutetica
utilizada en el resto de los experimentos descritos en este trabajo
149
Para obtener la reproducibilidad se fabricaron dos sensores de cada tipo
MIP[CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP[CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute a
cabo con voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de galactosa 10-4 M siguiendo el
mismo procedimiento que para el sensor de glucosa y lactosa De la misma
forma el criterio empleado para su obtencioacuten fue el caacutelculo del CV obteniendo
un valor para el sensor MIP del 1095 y para el NIP del 756 Ambos
sensores tienen falta de reproducibilidad lo que sugiere que las condiciones
en las que se obtuvieron los sensores no fueron las adecuadas A pesar de ello
el MIP presenta una mayor reproducibilidad que el resto de los sensores
obtenidos a la misma concentracioacuten de AgNWs por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten Lo cual se puede deber al empleo de la celda descrita en el capiacutetulo
4 que mantuvo el mismo aacuterea de contacto del electrodo de trabajo en todo el
proceso de deteccioacuten frente a galactosa
Como se ha indicado en el sensor de glucosa el protocolo de optimizacioacuten
mediante el empleo de diferentes concentraciones de AgNWs fabricacioacuten por
cronoamperometriacutea bajo agitacioacuten concentracioacuten de la moleacutecula plantilla etc
Se deberiacutea realizar para llevar a cabo la optimizacioacuten de un sensor MIP frente
a galactosa que proporcione las mejores prestaciones frente a dicho analito
150
Capiacutetulo VI
Conclusiones y trabajo futuro
151
152
6 Conclusiones y trabajo futuro
61 Conclusiones
En el presente trabajo de fin de grado se han elaborado sensores
nanoestructurados con AgNWs basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Sensor nanoestructurado de lactosa
De los experimentos realizados para la configuracioacuten de este sensor se pueden
extraer las siguientes conclusiones
bull La voltametriacutea ciacuteclica para llevar a cabo la polimerizacioacuten de chitosaacuten no
es un meacutetodo adecuado puesto que no se consigue la polimerizacioacuten
del MIP sobre el electrodo BDD
bull Se ha demostrado que fabricando los sensores sin agitacioacuten MIP [CHI-
AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD y con una concentracioacuten
de AgNWs de 1 mgmL no es posible apreciar los picos de oxidacioacuten de
los AgNWs
bull Se ha comprobado que en la electrodeposicioacuten llevada a cabo con el
MIP frente al NIP se alcanzan valores en la intensidad de corriente
inferiores lo que supone que la presencia del azuacutecar dificulta la
polimerizacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica
bull Se ha demostrado que el paraacutemetro de agitacioacuten durante el proceso de
electrodeposicioacuten facilita el mecanismo de nucleacioacuten del chitosaacuten por
medio de un proceso de difusioacuten de las especies en estado estacionario
Por otro lado la agitacioacuten tiene una gran influencia en el
comportamiento electroquiacutemico del sensor ya que con eacutel se consigue
una mejora del rendimiento y de la reproducibilidad
bull Se ha demostrado la importancia de los AgNWs en el sensor ya que a
traveacutes de ellos se puede llevar a cabo la deteccioacuten de azuacutecares lo que
resulta de gran intereacutes para la deteccioacuten de una gran cantidad de
analitos
bull Se han desarrollado sensores con concentraciones crecientes de
AgNWs comprobaacutendose que la intensidad de corriente es directamente
proporcional a la concentracioacuten de eacutestos Con ello tambieacuten se ha
153
comprobado que a una concentracioacuten de AgNWs en el sensor de 10
mgmL el MIP no funciona bien lo que podriacutea suponer que a
concentraciones tan elevadas se produce la saturacioacuten del sensor
bull Se obtuvieron sensores que se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD en los que se demostroacute
que su uso favoreciacutea la respuesta voltameacutetrica del sensor En los
sensores con ausencia de glutaraldehiacutedo se obtuvo una
reproducibilidad del 23 y 184 para el MIP y NIP respectivamente
Mientras que para el sensor sometido a glutaraldehiacutedo se obtuvo para
el MIP y NIP una reproducibilidad del 837 y 1364 respectivamente
Estos resultados demuestran que la obtencioacuten de sensores en
presencia de un agente reticulante contribuye a obtener una respuesta
maacutes reproducible
bull Para el sensor seleccionado que presenta la configuracioacuten oacuteptima frente
a lactosa se ha llevado a cabo un estudio de la reproducibilidad
repetitividad y sensibilidad Se ha comprobado que la reproducibilidad
de los MIP (1275) es inferior a la de los NIP (141) este resultado
negativo se atribuye a la falta de homogeneidad durante la fabricacioacuten
del sensor Por otro lado tampoco se obtuvieron buenos resultados en
la repetitividad pudiendo ser debido a la peacuterdida de AgNWs o al
deterioramiento de la peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten Finalmente en el
estudio de sensibilidad se comproboacute que el aumento del azuacutecar a una
concentracioacuten de 10-3M en la solucioacuten puede causar la saturacioacuten del
sensor MIP
Sensores de glucosa y galactosa
bull En el sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvieron malos resultados dado que la intensidad
de la sentildeal obtenida entre ambos sensores era inferior a la intensidad
proporcionada por el blanco Lo que demostroacute que las condiciones en
las que se fabricaron los dos tipos de sensores no fueron las adecuadas
El mal funcionamiento se atribuye a la polimerizacioacuten del chitosaacuten en
presencia de AgNWs en ausencia de agitacioacuten y a una concentracioacuten de
AgNWs de 1 mgmL insuficiente
bull En el sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD tambieacuten se obtuvieron malos resultados obteniendo una
peor intensidad en el sensor MIP en comparacioacuten al NIP El mal
funcionamiento del sensor se asocia a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Adicionalmente se comproboacute que
el azuacutecar en una concentracioacuten 01 M en la solucioacuten causoacute la saturacioacuten
del mismo
154
A pesar de que los experimentos realizados son insuficientes como para
predecir su comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de glucosa y
galactosa a priori y en comparacioacuten con los resultados obtenidos en el sensor
frente a lactosa ambos sensores funcionan peor Debido a ello todaviacutea es
necesario llevar a cabo la optimizacioacuten de los mismos para poder predecir su
comportamiento electroquiacutemico frente a los azuacutecares de intereacutes
Trabajo pendiente
Finalmente es necesario aclarar que el trabajo concerniente al desarrollo
experimental no pudo ser concluido debido a la covid-19 los resultados
presentados en esta investigacioacuten se corresponden con un trabajo de
permanencia en el laboratorio de 1 mes y medio
En lo referente al sensor MIP de lactosa se deberiacutea de continuar con la siguiente
investigacioacuten en el laboratorio
bull Terminar de optimizar el sensor con una concentracioacuten de 5 mgmL de
AgNWs dado que es con esta concentracioacuten donde el MIP demostroacute un
mejor comportamiento frente a la deteccioacuten de lactosa Para ello se
propone comprobar el efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta
voltameacutetrica de este sensor y llevar a cabo un estudio de la sensibilidad
a traveacutes de la voltametriacutea ciacuteclica con concentraciones inferiores de
lactosa
bull Una vez optimizado por completo se deberiacutea de estudiar mediante
voltametriacutea ciacuteclica el comportamiento del sensor frente la deteccioacuten de
lactosa variando la proporcioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
(50 60 70 etc)
bull Se debe calcular el liacutemite de deteccioacuten del sensor definido este como
ldquola concentracioacuten maacutes baja a la que se puede detectar el analitordquo El
liacutemite de deteccioacuten generalmente se calcula mediante
cronoamperometriacutea a traveacutes de la siguiente expresioacuten
119871119863 = 3120590
119898
(32)
Ecuacioacuten 32 Caacutelculo del liacutemite de deteccioacuten
155
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son 120590 es la desviacioacuten estaacutendar
de las medidas del blanco entendido este como una muestra sin el
analito y m es la pendiente de la curva de calibracioacuten obtenida de
representar la concentracioacuten de analito con la intensidad de corriente
alcanzada con cada concentracioacuten de analito antildeadida [214] [215]
bull Caracterizar la estructura del sensor MIP y NIP a traveacutes de teacutecnicas
como la espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X y AFM
En lo referente a los sensores MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y MIP [CHI-
AgNWs-Glucosa]BDD se deberiacutea de completar la investigacioacuten llevando a cabo
el mismo estudio que el que se ha efectuado para el sensor de lactosa
62 Trabajo futuro
En relacioacuten con el trabajo futuro relativo al desarrollo de sensores basados en
la tecnologiacutea de impresioacuten molecular se podriacutean llevar a cabo las siguientes
investigaciones
bull En lo referente al estudio de la morfologiacutea de los sensores se propone
llevar a cabo un estudio basado en AFM con el fin de caracterizar la
plantilla polimeacuterica formada
bull Mejorar el proceso de elaboracioacuten de la moleacutecula plantilla depositada
sobre la superficie del electrodo con el fin de mejorar la reproducibilidad
del sensor MIP
bull Llevar a cabo nuevas teacutecnicas de inmovilizacioacuten de los nanohilos de
plata en la peliacutecula de chitosaacuten para conseguir una mejor
reproducibilidad y repetitividad de los sensores nanoestructurados
bull Realizar un estudio del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
frente a otras moleacuteculas interferentes para comprobar la selectividad de
los sensores basados en la impresioacuten molecular
bull Llevar a cabo la construccioacuten de una lengua electroacutenica que consista en
un sistema multisensor basado en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
para la identificacioacuten simultanea de diferentes tipos de azuacutecares Con
156
la lengua electroacutenica se pueden llevar a cabo anaacutelisis en medios
complejos como en la leche zumos yogures batidos etc Lo que resulta
de especial intereacutes en la industria laacutectea
157
Capiacutetulo VII
Bibliografiacutea
158
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Abstract
In this piece of work electrochemical sensors based on molecular imprinted
polymers (MIP) have been developed for the detection of lactose glucose and
galactose All of these were synthesized through the electropolymerization of a
coating composed of a biopolymer of interest chitosan modified with silver
nanowires (AgNWs) on a boron-doped diamond electrode (BDD) in the
presence of the template molecule Using cyclic voltametry (CV) its
performance was compared to other sensors NIP obtained under the same
conditions without the template molecule
Firstly AgNWs of homogeneous size were synthesized through the polyol
method In addition AgNWs were characterized by spectroscopy UV-VIS XRD
and AFM
Secondly the optimal configuration of the sensor was analyzed against lactose
For which it was studied its repeatability reproducibility and sensitivity where
a possible sensor saturation was checked at concentration of lactose in
solution 10 -3 M
Finally sensors were synthesized for the detection of glucose and galactose by
CV but as they did not show a good performance further optimization is
needed
Keywords
Electrochemical sensors MIP AgNWs chitosan milk
Iacutendice
1 Introduccioacuten y objetivos 3
11 Introduccioacuten 3
12 Objetivos 4
2 Fundamento teoacuterico 8
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y Nanotecnologiacutea 8
211 La nanociencia en la industria alimentaria Nanosensores 8
22 La industria laacutectea Materia prima leche 10
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche 12
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche 12
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas 13
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche 16
23 Sensores utilizados 29
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores 29
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular (MIP) 32
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 36
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 38
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo 42
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico 44
241 Electrodos BDD 45
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD 46
25 Sensores basados en nanomateriales 47
251 Los nanohilos de plata (AgNWs) 48
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs 49
2521 Siacutentesis de AgNWs 51
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs 56
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas 67
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos 73
2611 Voltametriacutea ciacuteclica 74
2612 Cronoamperometriacutea 79
27 Chitosaacuten o quitosano 84
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados 87
3 Reactivos materiales y equipos 91
31 Reactivos 91
32 Materiales 92
33 Equipos 92
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental 96
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados 96
411 Preparacioacuten de las disoluciones 96
412 Procedimiento experimental 99
4121 preparacioacuten de los AgNWs 99
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro (BDD) 101
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP 102
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs 105
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico 107
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP 107
4122 voltametriacutea ciacuteclica 109
5 Resultados experimentales y discusioacuten de resultados 115
51 Caracterizacioacuten de AgNWs 115
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-VIS) 115
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM) 116
513 Difraccioacuten de rayos-X 117
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD 118
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa 137
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a lactosa 139
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa 141
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa 142
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs- Glucosa]BDD 143
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD 146
6 Conclusiones y trabajo futuro 152
61 Conclusiones 152
62 Trabajo futuro 155
7 Bibliografiacutea 159
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 REACCIOacuteN ENZIMAacuteTICA DE LA LACTOSA PARA FORMAR GLUCOSA Y GALACTOSA 20
FIGURA 2 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DE LA CASEIacuteNA 25
FIGURA 3 ESTRUCTURA DE UN SENSOR 30
FIGURA 4 MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS (ROJO) MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE
TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS EMPLEADOS EN LA DETECCIOacuteN DE AZUacuteCARES (ROSA) PUBLICACIONES
CORRESPONDIENTES AL PERIODO 1999-2019 OBTENIDAS DE LA BASE DE DATOS SCOPUS (ELSEVIER) 37
FIGURA 5 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-MOLEacuteCULA PLANTILLA]BDD EN UNA CELDA
ELECTROLIacuteTICA CON UNA CONFIGURACIOacuteN DE TRES ELECTRODOS (ELECTRODO DE TRABAJO CONTRAELECTRODO Y
ELECTRODO DE REFERENCIA) DONDE SE REPRESENTA LA DEPOSICIOacuteN DE LA SOLUCIOacuteN A TRAVEacuteS DE
ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN POR CRONOAMPEROMETRIacuteA SOBRE UN ELECTRODO DE DIAMANTE DOPADO CON BORO
(BDD) 40
FIGURA 6 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP DONDE SE MUESTRA EL PROCESO DE POLIMERIZACIOacuteN Y A
CONTINUACIOacuteN UN SENSOR MIP DONDE SE HA LLEVADO A CABO EL PROCESO DE ELUCIOacuteN DE LA MOLEacuteCULA
PLANTILLA 42
FIGURA 7 REACCIOacuteN SIMPLIFICADA DEL PROCESO DE ENTRECRUZAMIENTO DEL CHITOSAacuteN CON GLUTARALDEHIacuteDO 43
FIGURA 8 ESTRUCTURA GENEacuteRICAS DE UNA BASE DE SHIFFacuteS CON TRES RADICALES R1 R2 Y R3 43
FIGURA 9 DIAMANTE DOPADO CON BORO SE REPRESENTAN LOS HUECOS INTRODUCIDOS POR EL BORO 45
FIGURA 10 PROCESO DE CRECIMIENTO DE LOS AGNWS 53
FIGURA 11 REPRESENTACIOacuteN DE LOS PLANOS CRISTALOGRAacuteFICOS [111] Y [100] DE UNA ldquoNANOBARRArdquo 53
FIGURA 12 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MICROSCOPIO DE FUERZA ATOacuteMICA 57
FIGURA 13 ESPECTRO ELECTROMAGNEacuteTICO CORRESPONDIENTE A LAS LONGITUDES DE ONDA DE LA REGIOacuteN UV-VIS
62
FIGURA 14 ORBITAL MOLECULAR DE LA BANDA DE VALENCIA Y TRANSICIONES ELECTROacuteNICAS 63
FIGURA 15 A RECTA DE LA ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER Y B REPRESENTACIOacuteN DE LAS DESVIACIONES DE LA
LEY DE LAMBERT- BEE 65
FIGURA 16 ESQUEMA DE UNA CELDA ELECTROLIacuteTICA CONECTADA A UN POTENCIOSTATO QUE PRESENTA UN SISTEMA
DE TRES ELECTRODOS ELECTRODO AUXILIAR ELECTRODO DE REFERENCIA Y ELECTRODO DE TRABAJO 71
FIGURA 17 VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA SENtildeAL DE EXCITACIOacuteN TRIANGULAR 74
FIGURA 18 VOLTAMOGRAMA CIacuteCLICO INTENSIDAD FRENTE A POTENCIAL DEL ANALITO DE INTEREacuteS 75
FIGURA 19 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN TRANSITORIO 80
FIGURA 20 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN ESTACIONARIO 82
FIGURA 21 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO DE LA ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN DE UN POLIacuteMERO 83
FIGURA 22 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN ldquoXrdquo UNIDADES REPETIDAS DE 2-AMINO-2-DESOXI-BETA-D-
GLUCOPIRANOSA Y UNIDADES REPETIDAS DE 2-ACETILAMINA-2-DESOXI-BETA-D-GLUCOPIRANOSA 85
FIGURA 23 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN DONDE SE MUESTRAN LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO ENTRE LOS
GRUPOS ACETILO E HIDROXILO Y EL GRUPO AMINO E HIDROXILO 86
FIGURA 24 EQUIPO EMPLEADO EN LA SIacuteNTESIS DE AGNWS 100
FIGURA 25 EN LA PARTE SUPERIOR DE LA FIGURA Y LEYENDO DE IZQUIERDA A DERECHA SE MUESTRAN LAS ETAPAS DEL
PROCESO FINAL DE OBTENCIOacuteN DE AGNWS 1) Y 2) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA TRAS UN TIEMPO DE REACCIOacuteN DE
1H EN LA QUE HAY UNA MEZCLA DE AGNPS Y AGNWS 3) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA DILUIDA CON ETANOL 4)
PRIMERA CENTRIFUGACIOacuteN DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE Y LOS AGNWS 5) 2ordf
CENTRIFUGACIOacuteN DE AGNWS DILUIDOS EN ETANOL DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE
Y LOS AGNWS 6) AGNWS DILUIDOS EN ETANOL ANTES DE LLEVAR A CABO LA UacuteLTIMA ETAPA DE LA
CENTRIFUGACIOacuteN 7) AGNWS OBTENIDOS DE LA UacuteLTIMA ETAPA DE CENTRIFUGACIOacuteN DONDE EL SOBRENADANTE
HA SIDO ELIMINADO 101
FIGURA 26 ELECTRODOS DE DIAMANTE DOPADO CON BORO (BDD) 102
FIGURA 27 ESPECTROFOTOacuteMETRO EMPLEADO PARA CARACTERIZAR LOS AGNWS 106
FIGURA 28 EQUIPO DE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA MOLECULAR 107
FIGURA 29 POTENCIOSTATO UTILIZADO PARA EL ESTUDIO ELECTROQUIacuteMICO DE LOS SENSORES MIP Y NIP 107
FIGURA 30 ESQUEMA DE TRABAJO PARA LLEVAR A CABO CRONOAMPEROMETRIacuteA INCLUYENDO EL SISTEMA DE
AGITACIOacuteN 109
FIGURA 31 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE LACTOSA Y GLUCOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 110
FIGURA 32 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE GALACTOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 111
FIGURA 33 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MIP [CHI-AGNWS-AZUacuteCAR]BDD FRENTE A LA DETECCIOacuteN DEL
AZUacuteCAR DE INTEREacuteS 111
FIGURA 34 ESPECTROSCOPIacuteA UV-VIS DEL PRODUCTO OBTENIDO DE LA SIacuteNTESIS DE AGNWS SIN LAVAR (ROJO)
AGNWS PURIFICADOS (AZUL) Y SOBRENADANTE (NEGRO) 116
FIGURA 35 FOTOGRAFIacuteA OBTENIDA MEDIANTE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA (AFM) DE UNA MUESTRA DE
AGNWS DEPOSITADA SOBRE UN ELECTRODO BDD 117
FIGURA 36 PATROacuteN DE DIFRACCIOacuteN DE RAYOS-X DE LOS AGNWS 118
FIGURA 37 ELECTRODEPOSICIOacuteN POR VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD 120
FIGURA 38 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 121
FIGURA 39 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP
DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M
EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 123
FIGURA 40 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML 124
FIGURA 41 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 125
FIGURA 42 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y UN B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 5 MGML 127
FIGURA 43 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES OBTENIDOS EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN 128
FIGURA 44 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE
10 MGML 130
FIGURA 45 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 132
FIGURA 46 INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO AG2+ DE LOS SENSORES MIP (NEGRO) NIP (ROJO) INMERSOS EN UNA
SOLUCIOacuteN DE LACTOSA EN PBP DE CONCENTRACIOacuteN 001 M Y PH 74 SE REPRESENTA UN AUMENTO DE LA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS EN LA PELIacuteCULA DE CHITOSAacuteN (0 5 10 MGML) 133
FIGURA 47 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 10 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 10
MGML Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES
MIP NIP CORRESPONDIENTES 135
FIGURA 48 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74)
(NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA CON KCL (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE
LACTOSA 10-4 M EN PBP (001M PH 74) B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74) (NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA
CON AGUA DESIONIZADA MILLI Q (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP (001M PH 74)
137
FIGURA 49 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DESPUEacuteS DE LA ELUCIOacuteN
(ROJO) EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10 minus 4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M (AZUL)
RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN ELECTRODO BDD BLANCO EN LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (ROSA) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS 139
FIGURA 50 ESTUDIO DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) POSTERIORMENTE EN UN DISOLUCIOacuteN
DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 4 119872 (ROJO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M Y
FINALMENTE EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 3M (AZUL) EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M A1) Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
RESPECTIVAMENTE 140
FIGURA 51 RECTAS DE LA INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO (AG2+) DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD (NEGRO) Y NIP [ CHI-AGNWS]BDD (ROJO) EN PBP (001 M Y PH 74) PARA UN
INCREMENTO DE LA CONCENTRACIOacuteN DE LACTOSA EN LA SOLUCIOacuteN (0 01 Y 1 MM) 141
FIGURA 52 REPRODUCIBILIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN LACTOSA 10-4M EN PBP 74 Y CONCENTRACIOacuteN
001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1) Y B1) DETALLES DE LOS
PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 53 REPETITIVIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH
74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1)
Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 54 CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD
AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 144
FIGURA 55 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML SENSOR NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON
UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 145
FIGURA 56 A) CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 147
FIGURA 57 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 148
Iacutendice de tablas
TABLA 1 POTENCIAL (MV) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN SENSOR MIP
[CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN
DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 2 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN
AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 3 CV () DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS] CON 5 MGML DE
AGNWS 0BTENIDOS CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 130
TABLA 4 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS CON UNA CONCENTRACIOacuteN
DE AGNWS 5 Y 10 MGML 133
TABLA 5 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD MIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP
[CHI-AGNWS]BDD NIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 10 MGML 136
TABLA 6 ESTUDIO DE LA REPETITIVIDAD A TRAVEacuteS DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) DE UN SENSOR MIP [CHI-
AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML
143
Iacutendice de ecuaciones
ECUACIOacuteN 1 CAacuteLCULO DE LA DENSIDAD 14
ECUACIOacuteN 2 LEY DE SNELL 16
ECUACIOacuteN 3 CAacuteLCULO DEL CONTENIDO DE SOacuteLIDOS () A PARTIR DEL PESO DE LA LECHE ANTES Y DESPUEacuteS DE LA
DESECACIOacuteN 17
ECUACIOacuteN 4 ECUACIOacuteN DE RICHMOND 17
ECUACIOacuteN 5 LEY DE PLANCK 60
ECUACIOacuteN 6 LEY DE LA TRANSMITANCIA 61
ECUACIOacuteN 7 CAacuteLCULO DE LA ABSORBANCIA 61
ECUACIOacuteN 8 ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER 64
ECUACIOacuteN 9 LEY DE BRAGG 66
ECUACIOacuteN 10 ECUACIOacuteN DE NERST 68
ECUACIOacuteN 11 ECUACIOacuteN DEL POTENCIAL RESULTANTE DE UNA CELDA ELECTROQUIacuteMICA 68
ECUACIOacuteN 12 REACCIOacuteN QUIacuteMICA GENERAL DE UN PROCESO DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN 69
ECUACIOacuteN 13 ECUACIOacuteN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO TERMODINAacuteMICA 69
ECUACIOacuteN 14 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS 69
ECUACIOacuteN 15 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS RELACIONADA CON LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
TERMODINAacuteMICA 70
ECUACIOacuteN 16 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO SCE 72
ECUACIOacuteN 17 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO AGAGCL 72
ECUACIOacuteN 18 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 19 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO ANOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 20 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE MEDIA ONDA PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 21 LEY DE RANDLES SEYCIK PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 22 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 23 LEY DE RANDLES-SEVCIK PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 24 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 25 POTENCIAL PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 26 LEY DE DIFUSIOacuteN DE FICK 79
ECUACIOacuteN 27 ECUACIOacuteN DE COTTRELL 81
ECUACIOacuteN 28 ECUACIOacuteN DE LEVICH 81
ECUACIOacuteN 29 CAacuteLCULO DEL ESPESOR DE UNA PELIacuteCULA POLIMEacuteRICA A PARTIR DE LA 1ordf LEY DE FARADAY 83
ECUACIOacuteN 30 ECUACIOacuteN DE HENDERSON-HASSELBACH 97
ECUACIOacuteN 31 CAacuteLCULO DEL COEFICIENTE DE VARIACIOacuteN (CV) O (RSD) 120
ECUACIOacuteN 32 CAacuteLCULO DEL LIacuteMITE DE DETECCIOacuteN 154
1
Capiacutetulo I
Introduccioacuten y objetivos
2
3
1 Introduccioacuten y objetivos
11 Introduccioacuten
La industria de la alimentacioacuten forma parte del sector de produccioacuten industrial
cuyo principal objetivo es transformar conservar y proporcionar productos
destinados al consumo humano Los procesos de transformacioacuten y elaboracioacuten
de alimentos tienen como objeto cumplir con los haacutebitos de alimentacioacuten de
las personas asiacute como alargar la vida uacutetil del producto conservando sus
propiedades organoleacutepticas [1]
De acuerdo con los datos publicados por el Ministerio de Agricultura Pesca y
Alimentacioacuten la industria de la alimentacioacuten da empleo a cerca de 5 millones
de personas dentro de la UE generando un total de 110900 Meuro Espantildea
ocupa el 4ordm puesto en la generacioacuten de negocios (87 ) quedando por detraacutes
de Francia (162) Alemania (154) e Italia (12) [2]
En Espantildea este sector constituye un importante motor dentro de la economiacutea
ya que representa el 16 del total de la industria del paiacutes Hay 29196
empresas que dan empleo a cerca de 450000 miles de personas lo que
supone el 202 del empleo industrial dentro del paiacutes [2]
Castilla y Leoacuten es la 3ordf Comunidad Autoacutenoma por detraacutes de Cataluntildea y
Andaluciacutea que genera maacutes produccioacuten dentro del sector con una cifra de
10133 Meuro [2] Valladolid Burgos y Leoacuten representan el 60 de las
exportaciones dentro del sector agroalimentario destacando subsectores
como la industria laacutectea la industria caacuternica industria de vinos y bebidas
azuacutecar y derivados pan y galletas [3]
En cuanto al sector laacutecteo seguacuten los datos proporcionados por el ministerio de
agricultura pesca y alimentacioacuten la comunidad de Castilla y Leoacuten alcanzoacute en
el antildeo 2017 una produccioacuten de 1169 millones de litros de leche ademaacutes es
la primera regioacuten productora de la leche de oveja en Espantildea [4][5]
La industria alimentaria estaacute en constante crecimiento y desarrollo con el fin
de adaptarse a sus cambios e innovaciones se hace necesaria la introduccioacuten
de recursos tecnoloacutegicos es por ello por lo que actualmente se encuentra en
la denominada 4ordf revolucioacuten industrial industria inteligente o industria 40 La
industria 40 es capaz de mejorar la calidad eficiencia y competitividad entre
diferentes sectores Dentro de la industria alimentaria el sector
agroalimentario es el maacutes involucrado puesto que busca la automatizacioacuten y
4
digitalizacioacuten de los procesos industriales para mejorar su eficiencia y
productividad y asiacute cumplir con la demanda del mercado [6] Ademaacutes la
industria alimentaria debe garantizar el suministro de productos seguros que
no comprometan la salud de las personas debido a ello se adoptan medidas
que aseguren el buen estado de los alimentos por ello como en el resto de
sectores el sector laacutecteo se encuentra sometido a una normativa estricta [7]
La industria 40 posibilita llevar a cabo un control y automatizacioacuten de todo el
proceso productivo para alcanzarlo cuenta con unos pilares fundamentales
entre los que cabe destacar el empleo de la nanotecnologiacutea Adaptaacutendose a los
cambios que posibilita esta revolucioacuten industrial y con objeto de aplicar la
industria 40 mediante la introduccioacuten de sensores basados en nanomateriales
surgen equipos de investigacioacuten relacionados con este campo
En Valladolid se encuentra el grupo UvaSens dirigido por la catedraacutetica Mariacutea
Luz Rodriacuteguez Meacutendez del departamento de Quiacutemica Fiacutesica y Quiacutemica
inorgaacutenica UvaSens nacioacute en 1962 y actualmente se encuentra asentado en
la escuela de Ingenieriacuteas Industriales de la Universidad de Valladolid Estaacute
integrado por un grupo multidisciplinar con quiacutemicos fiacutesicos e ingenieros El
grupo surge con el objeto de elaborar sensores y redes de sensores que sean
fiables reproducibles y que faciliten las tareas de control de calidad en
alimentacioacuten y bebidas Actualmente el grupo trabaja en dos liacuteneas de
investigacioacuten [8][9]
La primera estaacute dirigida al desarrollo de sensores y biosensores
nanoestructurados utilizando teacutecnicas como Layer by layer Langmuir-Blodgett
spin coating o teacutecnicas electroquiacutemicas [8] En cuanto a la segunda liacutenea de
investigacioacuten el equipo se dedica a la elaboracioacuten de sistemas multisensor
denominados lenguas electroacutenicas y narices electroacutenicas cuyo fundamento es
imitar el sentido del gusto y del olfato respectivamente [10][11] Los sensores
y biosensores desarrollados por el grupo UvaSens son de especial intereacutes en la
industria alimentaria ya que se dedican principalmente al estudio del vino [12]
la cerveza [13] y la leche [14]
Este trabajo se centra en el desarrollo de sensores electroquiacutemicos en los que
se incorporan nanoestructuras metaacutelicas para detectar azuacutecares de intereacutes en
la industria alimentaria que pueden encontrarse en bebidas como la leche
zumos batidos etc
12 Objetivos
5
El objetivo principal del presente trabajo ha sido desarrollar sensores
voltameacutetricos basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular MIPs para la
deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa utilizando nanohilos de plata
(AgNWs) Para conseguirlo se han persigo una serie de objetivos secundarios
como son
1 La optimizacioacuten de la siacutentesis de AgNWs a traveacutes del meacutetodo poliol y su
caracterizacioacuten mediante espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X
(DRX) y microscopiacutea de fuerza atoacutemica molecular (AFM)
2 La obtencioacuten de MIPs a traveacutes de meacutetodos electroquiacutemicos mediante la
deposicioacuten de una peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten modificada con
AgNWs en presencia de la moleacutecula plantilla de intereacutes
3 El estudio de la especificidad introducida por la plantilla polimeacuterica en
los sensores MIPs llevando a cabo su comparacioacuten con sensores
preparados en las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula
plantilla denominados NIPs
4 La determinacioacuten del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
MIPs por medio de teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea ciacuteclica
para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
5 La optimizacioacuten de los sensores MIPs frente a la deteccioacuten de lactosa
para ello se ha realizado la modificacioacuten de distintos paraacutemetros en el
desarrollo del sensor y de medida como son el meacutetodo de
electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la
obtencioacuten de los sensores MIP o NIP desarrollo de los sensores en
presencia de agitacioacuten o sin ella concentracioacuten de AgNWs el uso de
glutaraldehiacutedo como agente reticulante y el empleo de distintos
eluyentes de la moleacutecula plantilla
6
Capiacutetulo II
Desarrollo del TFG
7
8
2 Fundamento teoacuterico
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y
Nanotecnologiacutea
La nanociencia es una rama de la ciencia en la que convergen conocimientos
de la fiacutesica quiacutemica ingenieriacutea biologiacutea entre otros Se define como la
tecnologiacutea encargada del disentildeo y manejo de la materia a nivel de aacutetomos o
moleacuteculas para la fabricacioacuten de productos a nano-escala [10]
La nanotecnologiacutea implica controlar y comprender la materia a escala
nanomeacutetrica por lo que se basa en el estudio de nanomateriales de tamantildeo
entre 1 y 100 nanoacutemetros Su intereacutes radica en que las sustancias a esta
escala presentan propiedades fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas diferentes a las
que tienen los materiales a escala macroscoacutepica Una de sus caracteriacutesticas
maacutes interesantes es que su tamantildeo y aacuterea de superficie de tamantildeo
nanomeacutetrico les confieren una mayor estabilidad reactividad quiacutemica y
bioloacutegica haciendo posible el desarrollo de nuevos materiales con muacuteltiples
aplicaciones en diferentes sectores como en la fabricacioacuten de sensores [10]
El teacutermino ldquonanotecnologiacuteardquo fue utilizado por primera vez en 1974 por Norio
Tanigushi pero no fue hasta la deacutecada de 1980 con el desarrollo del
microscopio de Tuacutenel de Barrido (STM) cuando la nanotecnologiacutea comenzoacute a
abrirse camino entre los investigadores hasta la actualidad A lo largo del SXX
han tenido lugar acontecimientos que han marcado el mundo de la
nanotecnologiacutea como el descubrimiento de los fullerenos (1985) o de los
nanotubos de carbono (1991) [15] La nanotecnologiacutea ha seguido
evolucionando a lo largo del SXXI donde se han desarrollado nanomateriales
interesantes como los AgNWs que resultan de especial intereacutes en la
elaboracioacuten de sensores por sus excelentes propiedades oacutepticas y eleacutectricas
los primeros estudios acerca de estos nanomateriales datan en el antildeo 2006
[16] [17]
En la actualidad la nanotecnologiacutea encabeza una revolucioacuten tecnoloacutegica que
forma parte de muacuteltiples sectores Actualmente se trabaja en diversos campos
como el anaacutelisis sensorial electroacutenica comunicacioacuten produccioacuten de energiacutea
medicina e industria de los alimentos [18]
211 La nanociencia en la industria alimentaria
Nanosensores
9
En la industria alimentaria la nanotecnologiacutea se abre camino asegurando la
inocuidad y calidad de los alimentos aunque su incorporacioacuten en este sector
resulta algo tardiacutea debido al rechazo por parte de la poblacioacuten a la inclusioacuten de
nanomateriales por miedo a que provoquen efectos adversos en el organismo
[18]
A pesar de ello la nanotecnologiacutea representa un claro sector con un enorme
potencial en la industria alimentaria donde se encuentra en pleno desarrollo
Las cuatro vertientes en los que se divide son [18]
bull La necesidad de mejorar y simplificar la produccioacuten primaria y el
procesado de alimentos
Desarrollo de sensores inteligentes
Incorporacioacuten de nuevos pesticidas
Refuerzo de la alimentacioacuten animal
Produccioacuten de antiaglomerantes y nanoencapsulacioacuten de
sabores
bull Garantizar la inocuidad Seguridad alimentaria
Diagnoacutestico y deteccioacuten de la presencia de contaminantes
bull Embalaje de los alimentos
Antimicrobiales
bull Nutricioacuten
Fabricacioacuten de nanoemulsiones que mejoran la distribucioacuten de
los ingredientes farmaceacuteuticos activos [19]
Adicionalmente con el fin de proporcionar alimentos y bebidas que no
comprometan la salud del consumidor se debe asegurar la deteccioacuten de
sustancias en concentraciones extremadamente pequentildeas Por ello es
interesante la implementacioacuten de la nanotecnologiacutea en este aacutembito ya que
posibilita llevar a cabo detecciones maacutes precisas mediante el empleo de
nanosensores y la incorporacioacuten de nanocompuestos Con estas innovaciones
se consigue incrementar la sensibilidad selectividad y la relacioacuten
10
aacutereavolumen de los sensores permitiendo realizar anaacutelisis maacutes precisos y
exactos [18]
22 La industria laacutectea Materia prima leche
La industria laacutectea es un sector cuya materia prima principal es la leche este
sector produce anualmente cerca de 76 millones de toneladas de productos
laacutecteos La mayoriacutea de leche que se produce en Espantildea es de origen vacuno
(88) quedando por detraacutes la leche de oveja cabra y de otros animales
productores de leche [20] La comercializacioacuten de la leche puede llevarse a
cabo en diferentes formas leche liacutequida leche evaporada o concentrada leche
condensada y leche en polvo [21]
La leche se considera un producto baacutesico en la alimentacioacuten desde la
antiguumledad ya que se obtiene de manera natural y constituye un alimento
completo rico en proteiacutenas vitaminas grasas minerales entre otros
componentes Se define como un ldquoproducto iacutentegro y fresco de la ordentildea de
vacas sanas bien alimentadas y en reposo exenta de calostro y que cumple
con las caracteriacutesticas fiacutesicas y microbioloacutegicas establecidasrdquo [22] [23]
La leche es un producto muy complejo susceptible a que en eacutel se produzcan
importantes cambios que afecten a su calidad Por ello se establecen una serie
de factores que determinan su variabilidad alterabilidad y complejidad [22]
bull Variabilidad
La leche es un producto natural de origen bioloacutegico por lo que su composicioacuten
y propiedades fiacutesico - quiacutemicas vendraacuten determinados por
Raza y especie la leche entre diferentes especies (vaca oveja
cabra etc) presenta importantes diferencias respecto al contenido
de extracto seco materia grasa carbohidratos etc [22]
Por otro lado dentro de la misma raza tambieacuten surgen importantes
diferencias debidas al contenido proteico y tamantildeo de los gloacutebulos
lipiacutedicos [23]
Factores fisioloacutegicos el momento de extraccioacuten y el nuacutemero de
lactaciones afectan enormemente a la composicioacuten quiacutemica de la
leche teniendo en cuenta que los primeros diacuteas de lactancia se
11
obtiene calostro de composicioacuten quiacutemica muy distinta a la leche [22]
[23]
Alimentacioacuten la calidad de los productos utilizados en la
alimentacioacuten del animal puede afectar a su valor nutritivo [22]
Patologiacuteas los animales pueden presentar enfermedades como la
mastitis que alteran el sabor de la leche haciendo que eacutesta
adquiera un gusto salado [24]
Tratamientos el calentamiento es uno de los tratamientos teacutermicos
maacutes importantes que se llevan a cabo en la leche ya que para
garantizar su calidad higieacutenica es necesario eliminar el agua Sin
embargo estos tratamientos pueden producir efectos negativos
sobre la composicioacuten y propiedades de la leche Por ejemplo un
excesivo calor provoca la precipitacioacuten de proteiacutenas solubles de la
caseiacutena aumento de la acidez reduccioacuten de calcio etc [22]
bull Alterabilidad
La leche es un producto faacutecilmente alterable ya que en eacutel se pueden producir
importantes cambios que afecten a sus buenas propiedades o a su calidad Los
principales cambios que pueden tener lugar en la leche se describen a
continuacioacuten
Durante el ordentildeo del animal se pueden provocar cambios fiacutesicos estos tienen
lugar si se lleva a cabo un ordentildeo inadecuado haciendo que entre en la ubre
aire lo cual ocasiona la incorporacioacuten de oxiacutegeno y nitroacutegeno Otros cambios
fiacutesicos importantes que se pueden producir se deben al efecto de la
temperatura Por ejemplo temperaturas demasiado bajas provocan la
cristalizacioacuten de la materia grasa dando lugar a cambios en la textura de la
leche [22]
Debido a su riqueza nutricional la leche es un producto susceptible a que se
desarrollen microorganismos despueacutes de los procesos de tratamiento los
cambios microbioloacutegicos maacutes frecuentes se deben al desarrollo de bacterias
laacutecticas que llevan a cabo los procesos de fermentacioacuten de la lactosa Con la
fermentacioacuten la lactosa se transforma en aacutecido laacutectico lo que provoca un
aumento de la acidez en la leche ademaacutes se producen compuestos volaacutetiles
aportando olores desagradables [22]
En cuanto a los cambios quiacutemicos la luz puede ejercer un efecto catalizador
dando lugar a reacciones de oxidacioacuten indeseables un ejemplo es la oxidacioacuten
12
del α-tocoferol o de la vitamina E (un antioxidante natural de la grasa) y de los
carotenos [22] [26] Los cambios quiacutemicos tambieacuten pueden ser debidos a la
accioacuten de enzimas [22]
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche
Los productores de leche deben asegurar una entrega de producto con
ausencia de alteraciones defectos o posibles contaminantes Para ello se
realizan una serie de pruebas tanto de control de calidad como sanitario y asiacute
asegurar el suministro de leche que no afecte negativamente a la salud del
consumidor [27]
El control de calidad generalmente se lleva a cabo mediante la evaluacioacuten de
las propiedades fiacutesico - quiacutemicas microbioloacutegicas y sensoriales de las muestras
de leche con pruebas y controles como son
bull Pruebas realizadas en planta control de temperatura caracteres
organoleacutepticos lactofiltracioacuten (informa sobre la presencia de
contaminantes a causa de la falta de limpieza durante la produccioacuten de
la leche) y control de peso especiacutefico (el peso especiacutefico variacutea con la
composicioacuten quiacutemica de la leche por lo que se emplea para detectar
posibles casos de adulteracioacuten) [27]
bull Pruebas realizadas en el laboratorio prueba de acidez pH reduccioacuten
de colorantes etc [27]
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche
Fiacutesicamente la leche se define como un compuesto liacutequido opaco de color
blanco y con el doble de viscosidad que el agua [23]
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche contribuyen a ofrecer una
primera percepcioacuten de la calidad del producto y son aquellas caracteriacutesticas
que se pueden distinguir a traveacutes de nuestros sentidos Un color inusual
advierte sobre la presencia de microorganismos un aroma desagradable
podriacutea indicar la presencia de bacterias debido a que la leche ha estado en
contacto con utensilios sucios o a que se ha almacenado inadecuadamente
[27] Otro factor fundamental que determina la calidad de la leche es la
alimentacioacuten del animal ademaacutes el tipo de terreno pienso y pasto determinan
los nutrientes de la leche y por tanto tambieacuten su calidad [23]
13
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche son [27]
bull Textura la viscosidad es un factor que determina la textura de la leche
la leche liacutequida tiene una viscosidad de aproximadamente 2 ∙ 10minus3119875119886 ∙
119904 su valor depende de la presencia de microorganismos capaces de
producir polisacaacuteridos y de su contenido en materia grasa y proteiacutenas
[27] [28]
bull Color el color natural de la leche es el blanco este color es el resultado
del fenoacutemeno oacuteptico de refraccioacuten que se produce cuando un haz de luz
incide sobre las partiacuteculas coloidales que hay en ella [22]
Los coloides estaacuten presentes en la materia grasa cuando la leche es
semidesnatada presenta un color azulado y cuando es rica en grasa el
color es gris amarillento La percepcioacuten de otras tonalidades (rosado
amarillo o azul) se debe a la contaminacioacuten o al crecimiento de
microorganismos en la leche [27]
bull Sabor la leche en buen estado presenta un sabor ligeramente dulce por
la presencia de azuacutecares como la lactosa Otros sabores informan sobre
el mal estado del producto Por ejemplo el sabor aacutecido se produce por
la presencia del aacutecido laacutectico el sabor salado se debe a la presencia de
cloruros procedentes del uacuteltimo periodo de lactancia del animal [27]
bull Aroma la leche presenta un olor caracteriacutestico debido a la presencia de
compuestos orgaacutenicos volaacutetiles de bajo peso molecular como
aldehiacutedos cetonas aacutecidos entre otros [27]
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas
La leche tiene una estructura fiacutesica compleja ya que en ella se encuentran tres
estados de agregacioacuten de la materia [23]
bull Emulsioacuten en la leche se encuentra la materia grasa en forma de
gloacutebulos los cuales se encuentran en emulsioacuten en el seno de un liacutequido
acuoso a este conjunto se le denomina suero
bull Dispersioacuten coloidal una dispersioacuten coloidal estaacute formada por partiacuteculas
soacutelidas no disueltas en una fase dispersante (el agua) En esta fase
principalmente se encuentran las micelas de caseiacutena
14
Cuando las partiacuteculas soacutelidas presentan gran afinidad por el agua se
forma una disolucioacuten coloidal dentro de esta fase se encuentran las
proteiacutenas del suero
bull Disolucioacuten verdadera formada principalmente por lactosa y minerales
A continuacioacuten se describen las propiedades fiacutesicas de la leche
bull Densidad la densidad de la leche depende del contenido total de
algunos de sus componentes como agua proteiacutenas minerales lactosa
y soacutelidos no grasos a una determinada temperatura A 15ordmC la densidad
de la leche variacutea entre un valor de 1027 gmL y 1040 gmL [23]
La densidad se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten [22]
[28]
1
120588= (
119898119909
120588119909 )
(1)
Ecuacioacuten 1 Caacutelculo de la densidad
Donde 120588119909 es la densidad de cada componente 119898119909 es la masa de cada
componente y 120588 es la densidad total
La densidad es un buen indicador de posibles alteraciones que haya
podido sufrir la leche ya que disminuye al antildeadir agua grasa y con el
aumento de la temperatura [28]
bull Acidez la acidez de la leche es funcioacuten de la acidez actual (pH) y de la
titulable La acidez actual depende de la concentracioacuten de iones
hidroacutegeno libres H+ y la acidez titulable se corresponde con la acidez de
los componentes que por medio de la titulacioacuten liberan iones H+ al
medio [29]
La acidez total de la leche de vaca variacutea entre un 014-018 y depende
principalmente de la acidez de la caseiacutena sales minerales aacutecidos
orgaacutenicos reacciones secundarias debidas a los grupos fosfatos y de la
presencia de aacutecido laacutectico liberado por la actividad microbiana [29]
15
bull pH el pH de la leche representa la acidez actual y se mide con la
concentracioacuten de iones H+ libres [29] La leche generalmente presenta
un valor de pH ligeramente aacutecido entre 65 y 69 valores inferiores o
superiores no son normales e indicariacutean un posible caso de adulteracioacuten
[29] Ademaacutes el pH es un factor que se ve muy afectado por la
temperatura disminuyendo su valor con el aumento de eacutesta debido a la
insolubilidad del fosfato [29]
bull Viscosidad se refiere a la resistencia de un liacutequido a fluir en la leche
depende del contenido total en materia grasa de las proteiacutenas de la
temperatura y en menor grado del estado fiacutesico de las sustancias
disueltas en ella A temperatura ambiente la leche presenta una
viscosidad entre un valor de 15 10-3 Pa∙s y 2 ∙ 10minus3 Pa∙s [24]
La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura es decir
con el aumento de la temperatura la viscosidad disminuye Ademaacutes
tambieacuten depende de la composicioacuten quiacutemica de la leche siendo la leche
entera maacutes viscosa que la leche desnatada [22]
bull Calor especiacutefico se define como las caloriacuteas necesarias para elevar en
un grado centiacutegrado un gramo de leche El valor tiacutepico del calor
especiacutefico de la leche entera es de 093 cal gordm∙C [22][23]
bull Punto de congelacioacuten se define como la temperatura a la que se
produce la solidificacioacuten de un liacutequido Es una propiedad fiacutesica
importante pues permite detectar adulteraciones en la leche El punto
de congelacioacuten de la leche se encuentra en un valor de temperatura
comprendido entre 0513 ordmC y 0565 ordmC [22]
bull Punto de ebullicioacuten se define como el punto en el que un liacutequido hierve
al aumentar la temperatura El punto de ebullicioacuten de la leche es de
10017ordmC [22]
bull Iacutendice de refraccioacuten (n) el iacutendice de refraccioacuten mide el cambio de la
direccioacuten que sufre la luz cuando la radiacioacuten atraviesa un medio con
un iacutendice de refraccioacuten distinto del que proviene [28] En el caso de la
leche el iacutendice de refraccioacuten mide la variacioacuten de la direccioacuten que
experimenta un haz de luz al pasar del aire a leche El valor del iacutendice
de refraccioacuten ldquonrdquo se calcula con la ley de Snell mediante la siguiente
expresioacuten [28]
16
1198991 ∙ 1199041198901198991205791 = 1198992 ∙ 1199041198901198991205792
(2)
Ecuacioacuten 2 Ley de Snell
Donde n1 y n2 son el valor de los iacutendices de refraccioacuten de cada medio
1205791 es el aacutengulo con el que incide el haz de luz y 1205792 es el aacutengulo de
refraccioacuten de la luz
La refraccioacuten de la luz es una propiedad aditiva es decir que la
refraccioacuten total es el resultado de la suma de los iacutendices de refraccioacuten
de cada uno de los componentes de la leche [28] Se trata de un factor
relevante ya que permite detectar posibles casos de adulteracioacuten en la
leche por ejemplo si estaacute aguada el iacutendice seraacute proacuteximo al del agua lo
que puede indicar un fraude [28] Por otro lado se ha demostrado que
el valor de n disminuye con la edad del animal y aumenta con la acidez
del medio por lo que la reflectometriacutea aplicada en muestras de leche es
una herramienta muy uacutetil para determinar dichas caracteriacutesticas [28]
bull Potencial de oxidacioacuten-reduccioacuten (Eh) el potencial redox se refiere a la
capacidad de oxidacioacuten (peacuterdida de electrones) o reduccioacuten (ganancia
de electrones) que tiene una solucioacuten [30]
El potencial redox de la leche a 25ordmC generalmente variacutea entre 250 mV
- 350 mV este potencial se debe a la presencia del oxiacutegeno disuelto y a
la existencia de sustancias reductoras naturales Esta propiedad es
importante ya que informa sobre la calidad de las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche por ejemplo el proceso de fermentacioacuten de
las bacterias de la lactosa a aacutecido laacutectico supone una caiacuteda del potencial
por el consumo del oxiacutegeno [30] Ademaacutes el poder reductor de ciertas
especias que se encuentran naturalmente en la leche las cuales se
mencionaraacuten maacutes adelante impiden que se desarrollen sabores
desagradables en ella [23]
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche
La leche se considera un alimento completo por su importante carga nutritiva
El componente mayoritario de la leche es el agua que representa entre el 86 y
el 88 del total de sus constituyentes el agua estaacute en equilibrio con los
17
nutrientes que se encuentran en diferentes fases disolucioacuten dispersioacuten
coloidal y emulsioacuten [31]
A continuacioacuten se presenta la composicioacuten quiacutemica de la leche
bull El agua es la fase continua de la leche y se puede encontrar en forma
de agua ligada y agua libre El agua libre se encuentra en mayor
proporcioacuten y en ella estaacuten la lactosa y las sales El agua ligada o de
enlace se encuentra en la superficie de los compuestos no solubles
formando enlaces con los componentes y es maacutes complicada de extraer
[22]
bull Extracto seco de la leche el extracto seco lo forman las sustancias de
la leche (a excepcioacuten del agua) que se obtienen por desecacioacuten o
evaporacioacuten del agua [22] El contenido de materia o extracto seco de
la leche es del 12 - 125 de solidos totales [22] Para determinarlo
se puede utilizar el peso (Kg) de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten o a traveacutes de la densidad y del contenido en materia grasa
de la leche Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones [22] [31]
119904oacute119897119894119889119900119904 () = (119875prime
119875) ∙ 100
(3)
Ecuacioacuten 3 Caacutelculo del contenido de soacutelidos () a partir del peso de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten
bull Donde Prsquo es el peso en g de la leche despueacutes de la
desecacioacuten y P es el peso de la leche antes de la
desecacioacuten
119878 119879 = (025 times 119863) + (121 times 119866) + 066
(4)
Ecuacioacuten 4 Ecuacioacuten de Richmond
bull Donde D es el valor de la densidad de la leche en gmL y
G es el contenido en materia grasa de la leche
18
bull Gluacutecidos
La cantidad total de gluacutecidos que hay en la leche de vaca oscila entre un 48
y un 52 siendo algo superior la carga en la leche humana [22]
Los carbohidratos o gluacutecidos se definen como polihidroxialdehiacutedos (todos los
aacutetomos de carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta
enlazado a un grupo aldehiacutedo -CHO) o polihidroxicetonas (todos los aacutetomos de
carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta enlazado
a un grupo cetona C=O) y sus derivados tambieacuten se incluyen aquellas
sustancias que por hidroacutelisis dan lugar a este tipo de compuestos En general
estaacuten formados por carbono hidrogeno y oxiacutegeno por lo que su foacutermula
molecular presenta la forma CnH2nOn [32]
Los gluacutecidos se pueden clasificar en funcioacuten del nuacutemero de subunidades de
monosacaacuteridos en [32]
- Monosacaacuteridos o azuacutecares simples estaacuten formados por una unidad
de un polihidroxialdehiacutedo o una polihidroxicetona que se conocen
como aldosas o cetosas respectivamente Dentro de este grupo se
encuentran los azuacutecares que no pueden descomponerse en otros
azuacutecares maacutes simples
- Oligosacaacuteridos estaacuten formados por dos a diez unidades de
monosacaacuteridos por lo que se pueden transformar en unidades maacutes
simples mediante hidroacutelisis A su vez dentro de este grupo los
carbohidratos se clasifican seguacuten el nuacutemero de unidades en
monosacaacuteridos disacaacuteridos etc
- Polisacaacuteridos consisten en largas moleacuteculas formadas por la unioacuten
de unidades de monosacaacuteridos
En la designacioacuten de los azuacutecares ademaacutes se incluye un signo que puede ser
(+) o (-) seguido de la letra D o L esta designacioacuten estaacute relacionada con la
actividad oacuteptica del compuesto La actividad oacuteptica se refiere a la rotacioacuten del
plano de luz polarizada en un azuacutecar este efecto es el resultado producido por
la actuacioacuten conjunta de todos sus aacutetomos de carbono asimeacutetricos (aacutetomo de
C enlazado a cuatro constituyentes diferentes) Los azuacutecares con el signo (+)
se denominan dextroacutegiros y los azuacutecares con el signo (-) se denominan
levoacutegiros La asignacioacuten de las letras D y L depende de la distribucioacuten de los
19
grupos funcionales del carboacuten asimeacutetrico que se encuentra representado en
cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fisher Si el grupo funcional se
encuentra a la derecha se denomina D y si se encuentra a la izquierda se
denomina L [32] [33]
Finalmente en la designacioacuten tambieacuten se incluyen los siacutembolos griegos α y β
esto es debido a la ciclacioacuten de los monosacaacuteridos en solucioacuten acuosa Esta
estructura es funcioacuten de la orientacioacuten espacial del grupo hidroxilo del carboacuten
C1 de la estructura del anillo (α si el grupo -OH estaacute orientado hacia abajo y β
si el grupo -OH estaacute orientado hacia arriba) [32] [33] Se denomina anillo pirano
cuando es un ciclo de 6 aacutetomos de carbono y furano cuando es un anillo de 5
aacutetomos de carbono [32] [33]
Los carbohidratos constituyen una parte importante de la dieta de los hombres
pues estaacuten presentes en un 65 de los alimentos que consumimos (leche
arroz pan etc) [32] El carbohidrato principal que forma la leche es la lactosa
disacaacuterido constituido por glucosa y galactosa a continuacioacuten se presenta una
descripcioacuten detallada de cada uno de estos azuacutecares
Lactosa
La lactosa o β-D-Galactopiranosil-(1rarr4)-D-glucopiranosa es un disacaacuterido
compuesto por unidades de monosacaacuteridos de glucosa y galactosa unidos
mediante un enlace β (14) glucosiacutedico En dicho enlace el grupo funcional -OH
del carbono C1 en posicioacuten beta de la galactosa estaacute unido al grupo -OH del
carbono C4 de la glucosa [34][35][36]
La lactosa constituye el principal azuacutecar de la leche bioloacutegicamente se produce
en las glaacutendulas mamarias de los mamiacuteferos Dieteacuteticamente es considerada
un azuacutecar extriacutenseco dado que no forma parte de la estructura celular del
alimento sino que se encuentra de forma libre en la leche y en sus derivados
laacutecticos [34] [35] [36]
La determinacioacuten de lactosa en la industria alimentaria ha cobrado una gran
importancia en los uacuteltimos antildeos debido a la intolerancia que presenta gran
parte de la poblacioacuten a este azuacutecar La lactosa puede ser digerida por el cuerpo
humano gracias a la presencia de una enzima la lactasa que degrada la
lactosa en sus dos monosacaacuteridos (glucosa y galactosa) Cuando la enzima no
funciona o no presenta la actividad suficiente se produce la intolerancia [22]
La descomposicioacuten de la lactosa en glucosa y galactosa (figura 1) es importante
puesto que permite su deteccioacuten mediante el empleo de teacutecnicas tradicionales
de anaacutelisis como son la cromatografiacutea de liacutequidos de alta resolucioacuten
20
cromatografiacutea de gases polarimetriacutea gravimetriacutea entre otras Sin embargo
debido al elevado coste y a los elevados tiempos de anaacutelisis que supone el
empleo de estas teacutecnicas en los uacuteltimos antildeos se han desarrollado sensores
que ofrecen una deteccioacuten maacutes raacutepida menos costosa y maacutes precisa [14]
Figura 1 Reaccioacuten enzimaacutetica de la lactosa para formar glucosa y galactosa
En disolucioacuten a temperatura ambiente la lactosa se puede encontrar en dos
configuraciones α-lactosa y β-lactosa con una proporcioacuten del 40 de la
configuracioacuten α y el 60 de la configuracioacuten β Siendo ambas configuraciones
consecuencia de la mutarrotacioacuten (el carboacuten hemiacetal estaacute en equilibrio con
el grupo aldehiacutedo de la cadena abierta y forma los isoacutemeros α y β) [37]
La lactosa es considerado un azuacutecar reductor ya que en su estructura quiacutemica
tiene un grupo carbonilo intacto a traveacutes del cual puede reaccionar con otras
moleacuteculas por lo que es un azuacutecar sensible a sufrir las reacciones de Maillard
[34] [38] Las reacciones de Maillard son un conjunto de reacciones en
cadena no enzimaacuteticas que pueden tener lugar en la leche como
consecuencia de la reaccioacuten entre el grupo carbonilo del azuacutecar y el grupo
amino de las proteiacutenas o aminoaacutecidos que se encuentran presentes en la leche
Estas reacciones son indeseables dado que suponen una peacuterdida en el valor
nutricional (disminucioacuten de aminoaacutecidos esenciales) y en la calidad
(pardeamiento del producto aparicioacuten de aromas desagradables generacioacuten
de subproductos toacutexicos etc) de la leche [39] Para que tengan lugar se deben
dar unas condiciones determinadas de temperatura pH tiempo entre otros
factores [34] [38] [39]
La lactosa a temperatura ambiente es un soacutelido en forma de polvo cristalino
blanco con un punto de fusioacuten de 252ordmC una solubilidad en agua buena (50 g
por 100 g de agua) una densidad de 152 gcm3 tiene una masa molecular
de 3423 gmol y un poder endulzante muy inferior en comparacioacuten con otros
azuacutecares como la glucosa [34] [35] [36]
21
Glucosa
La glucosa o D-glucopiranosa es un monosacaacuterido de foacutermula molecular
C6H12O6 con un grupo aldehiacutedo en su estructura quiacutemica constituye el
monosacaacuterido de mayor abundancia dentro de la naturaleza (se encuentra
presente en poliacutemeros como el chitosaacuten) y es utilizado por las ceacutelulas del
organismo para obtener energiacutea [32] [33]
Su uso abusivo en la industria alimentaria en productos de consumo diario
(productos laacutecteos carne bebidas etc) estaacute asociado al padecimiento de
ciertas enfermedades como la diabetes ademaacutes se encuentra presente en la
leche formando parte de la lactosa Debido a la importancia que presenta la
glucosa en el sector de la alimentacioacuten cada vez son maacutes las investigaciones
centradas en el desarrollo de sensores que permitan la identificacioacuten de este
azuacutecar [40] [41]
La glucosa en solucioacuten presenta dos formas cristalinas α-Glucosa y β-Glucosa
cuando la α-glucosa se disuelve en agua la actividad oacuteptica variacutea debido al
fenoacutemeno de mutarrotacioacuten y una parte de las moleacuteculas se convierten en la
forma β Pasado un tiempo se alcanza el equilibrio donde la mayor parte de la
solucioacuten lo forma el anoacutemero beta y una pequentildea parte de la solucioacuten (13
aproximadamente) lo forma el anoacutemero alfa [32] [33]
La glucosa es un azuacutecar con un fuerte caraacutecter reductor (mayor que el de la
lactosa) debido a la presencia del grupo aldehiacutedo en su estructura abierta por
lo que tambieacuten es sensible a sufrir las reacciones de Maillard [33]
La glucosa a temperatura ambiente es un soacutelido inodoro en forma de polvo
cristalino de color blanco temperatura de fusioacuten de 146ordmC solubilidad en agua
alta (91g por 100 mL de agua) densidad 156 gcm3 tiene una masa
molecular de 18016 gmol y un poder endulzante (743) notablemente
superior al que presentan la galactosa y la lactosa [32] [42] [43]
Galactosa
La galactosa aldehiacutedo D-galactosa o D-(+)-galactosa es un monosacaacuterido de
foacutermula molecular C6H12O6 La galactosa es muy similar a la glucosa por lo que
son considerados epiacutemeros se diferencian en su estructura quiacutemica en la
posicioacuten que ocupa el grupo minusOH del carbono C4 [36]
Nutricionalmente su mayor importancia radica en que es uno de los azuacutecares
que forman parte de la lactosa de la leche Como se ha indicado anteriormente
22
debido al creciente nuacutemero de casos en personas con intolerancia a la lactosa
se han desarrollado sensores dirigidos a la evaluacioacuten del contenido en lactosa
por medio de la deteccioacuten de galactosa (obtenida de la hidroacutelisis de la lactosa
al antildeadir la enzima galactosa oxidasa) [14]
En solucioacuten su estructura abierta adquiere forma de anillo y puede dar lugar a
dos configuraciones diferentes α-D-galactosa y β-D-galactosa siendo la
segunda forma el isoacutemero predominante [44] [45] Como el resto de los
azuacutecares descritos es un azuacutecar reductor ya que presenta un grupo aldehiacutedo
libre en la forma de cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fischer [44] [45]
La galactosa es un soacutelido inodoro en forma de polvo de color blanco punto de
fusioacuten 168-170ordmC solubilidad en agua buena (4725 g por 100g de agua)
densidad de 15 gcm3 su peso molecular es de 18016 gmol y presenta un
grado de dulzura maacutes elevado que el de la lactosa y menor que la glucosa [46]
bull Materia grasa [22] [23] [47] [48]
La materia grasa es un importante componente de la leche ya que ademaacutes de
ser una rica fuente de energiacutea para las personas es el vehiacuteculo de vitaminas
liposolubles (A D E y K) El nivel de materia grasa que contiene la leche puede
variar desde el 3 hasta el 6
La materia grasa de la leche son liacutepidos en forma globular que se encuentran
dispersos en ella y se pueden clasificar en
Liacutepidos saponificables es la fraccioacuten lipiacutedica que se encuentra en mayor
proporcioacuten ya que forma entre el 99 y el 995 de los liacutepidos totales
que hay en la leche Dentro de los liacutepidos saponificables se encuentran
los liacutepidos apolares y polares
Liacutepidos apolares son liacutepidos insolubles en la fraccioacuten acuosa de
la leche dentro de los cuales caben destacar los trigliceacuteridos ya
que son los que se encuentran en mayor proporcioacuten (96 - 98)
Otros como los digliceacuteridos y monogliceacuteridos se encuentran en
cantidades muy pequentildeas
Liacutepidos polares son fosfoliacutepidos que representan entre el 020
y el 1 de los liacutepidos saponificables que contiene la leche se
encuentran formando parte de la membrana de los gloacutebulos
grasos En la leche su importancia radica en su poder
23
emulsionante y a su actuacioacuten como solventes de sustancias no
polares presentes en ella como el colesterol
Liacutepidos insaponificables es la fraccioacuten lipiacutedica de menor proporcioacuten
formada por carotenoides (son los responsables de aportar una
coloracioacuten amarilla en la grasa) y vitaminas liposolubles
La materia grasa estaacute presente en la leche formando gloacutebulos grasos alrededor
de ellos hay una estructura denominada membrana de los gloacutebulos grasos
Esta membrana tiene una gran importancia dado a su funcioacuten protectora que
protege a los liacutepidos de sufrir reacciones enzimaacuteticas A pesar de ello una de
las reacciones enzimaacuteticas que maacutes afecta a la materia grasa es la lipoacutelisis
La lipoacutelisis es una reaccioacuten quiacutemica llevada a cabo por la accioacuten de las enzimas
lipasas que catalizan la hidroacutelisis de los gliceacuteridos en la interfase aire-agua A
causa de la lipoacutelisis se forman aacutecidos grasos libres y glicerol los cuales son los
responsables de algunos de los sabores indeseables que se producen en la
leche Por ejemplo durante esta reaccioacuten se libera aacutecido butiacuterico que da lugar
a un sabor y aroma ldquoa ranciordquo otra de las reacciones enzimaacuteticas que causan
ademaacutes de olores desagradables una peacuterdida del valor nutricional es el
enranciamiento oxidativo llevado a cabo por la enzima xantino oxidasa Esta
enzima cataliza la reaccioacuten de oxidacioacuten de los aacutecidos grasos insaturados
presentes en la leche
Finalmente una caracteriacutestica importante de la materia grasa es la diferencia
de densidad que hay entre la materia grasa que se encuentra emulsionada en
el suero y el suero lo que permite una raacutepida separacioacuten entre ambos
componentes La separacioacuten se logra mediante la aplicacioacuten de meacutetodos
centriacutefugos que dan lugar a dos fases distintas por un lado se obtiene la leche
desnatada y por otro lado una crema rica en gloacutebulos grasos Esta
caracteriacutestica es interesante en la industria alimentaria ya que permite obtener
derivados laacutecteos como la nata
bull Proteiacutenas
Las proteiacutenas son compuestos quiacutemicos formados a partir de aminoaacutecidos de
hecho la mayor parte del nitroacutegeno que contiene la leche (alrededor del 95)
se encuentra formando parte de ellas Las proteiacutenas representan una fraccioacuten
compleja de la composicioacuten quiacutemica de la leche su intereacutes en ella radica en
24
que son esenciales para todos los seres vivos representando un importante
valor en la dieta nutricional de las personas La concentracioacuten de las proteiacutenas
en la leche comprende valores entre el 3 y el 4 [22] [47] [48]
Como se ha indicado anteriormente la leche es un producto faacutecilmente
alterable por lo que parte de sus cambios en sus caracteriacutesticas fiacutesico -
quiacutemicas se deben a cambios causados en las proteiacutenas Cuando se lleva a
cabo un proceso teacutermico severo (pasteurizacioacuten a altas temperaturas o
esterilizacioacuten) puede tener lugar la desnaturalizacioacuten de las mismas liberando
sabores indeseables Ademaacutes las proteiacutenas tambieacuten pueden ser atacadas por
enzimas dando lugar a su proteoacutelisis (degradacioacuten de las proteiacutenas) las
principales responsables de esta reaccioacuten son las enzimas proteasas
provenientes de la actividad bacteriana que puede desarrollarse en la leche
[22]
Las proteiacutenas que forman la leche se pueden clasificar en dos grupos caseiacutena
( ~80 ) y las proteiacutenas del suero (~20 ) [48]
La caseiacutena
La caseiacutena es la fraccioacuten maacutes caracteriacutestica de las proteiacutenas que forman la
leche es un producto uacutenico producido en las glaacutendulas mamarias [23] Se
encuentra en la leche formando agregados y micelas la micela de las caseiacutenas
se compone de un 94 de proteiacutenas y un 6 de minerales [23] [47] Son
bastante resistentes y estables por lo que soportan bien los procesos
industriales sin embargo cuando la leche es sometida a tratamientos teacutermicos
agresivos (temperaturas superiores a 120ordmC) precipitan [23] [47]
Una propiedad de intereacutes de la caseiacutena es que afecta a las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche disimulando el dulzor de la lactosa lo cual permite
el consumo diario de la leche sin que presente un efecto negativo para el
organismo por ser demasiado dulce [23]
Finalmente otra caracteriacutesticas importante de la caseiacutena en el sector laacutecteo
(entre otros sectores) es que puede determinarse faacutecilmente Cuando se aplica
un pH isoeleacutectrico en la leche las proteiacutenas del suero se mantienen solubles
mientras que la caseiacutena precipita la separacioacuten de las proteiacutenas a traveacutes del
pH isoeleacutectrico se conoce industrialmente como electroforesis (este meacutetodo
consiste en aplicar un campo eleacutectrico en una muestra de leche como las
proteiacutenas presentan grupos ionizables COO- y NH+3 se pueden cargar
positivamente negativamente o bien permanecer neutras La carga neta de
25
las proteiacutenas depende del pH del medio en el que se encuentre en el punto
isoeleacutectrico la carga neta es cero) [49]
En la figura 2 se muestra la composicioacuten quiacutemica de la caseiacutena
Figura 2 Estructura quiacutemica de la caseiacutena
Las proteiacutenas del suero
Las proteiacutenas que forman el suero laacutectico representan el 20 del total de
proteiacutenas que forman la leche y constituyen la parte de las proteiacutenas no
caseicas [47] Son grupos proteicos con una estructura globular organizados
en proteiacutenas con una estructura secundaria y terciaria Se pueden clasificar en
β-lactoglobulina α-lactoglobulina inmunoglobulina y seroalbuacutemina [47]
-La β-lactoglobulina es la proteiacutena maacutes abundante en la leche de la
mayoriacutea de los mamiacuteferos sin embargo no estaacute presente en la leche
humana [23]
-La α-lactoglobulina es la 2ordf maacutes abundante en este caso se encuentra
particularmente en la leche humana se trata de la moleacutecula con menor
peso molecular de las proteiacutenas que forman el suero e interviene en la
siacutentesis de la lactosa en las glaacutendulas mamarias [23] [47]
-Las inmunoglobulinas estaacuten presentes en todas las leches de cualquier
procedencia animal y son el grupo de estructuras proteicas maacutes largas
y heterogeacuteneas [23] [47]
26
-La seroalbuacutemina es la proteiacutena de mayor peso molecular de las
proteiacutenas que forman el suero laacutectico [47]
bull Vitaminas
La leche presenta importantes valores nutricionales ya que en ella se
encuentran todas las vitaminas necesarias para el organismo [22] [23] El
mayor inconveniente que presentan los grupos vitamiacutenicos es que son
compuestos faacuteciles de destruir ya sea por una exposicioacuten prolongada a la luz
por accioacuten enzimaacutetica o por tratamientos de calor demasiado agresivos [22]
Las vitaminas que se encuentran en la leche se pueden clasificar en dos
grupos las vitaminas liposolubles que se encuentran en forma de emulsioacuten
junto con la grasa y las vitaminas hidrosolubles que son solubles en el agua
Las vitaminas liposolubles
-Vitamina A En la leche de vaca se puede encontrar como retinol
eacutesteres del retinol y carotenoides en una concentracioacuten de 100-500
mgL esta vitamina se produce a partir de la hidroacutelisis de los β-
carotenos [26] [47]
-Vitamina D Tambieacuten es conocida con el nombre de calciferol se
encuentra en la leche en una concentracioacuten de 1 mgL [26] [47]
-Vitamina E Tambieacuten recibe el nombre de α-Tocoferol esta vitamina se
encuentran en la leche en una concentracioacuten de 500-1000 mgL [26]
Esta vitamina es un antioxidante natural por lo que protege de las
reacciones de oxidacioacuten a las grasas y a los carotenos que se
encuentran en la leche [23]
-Vitamina K Esta vitamina se encuentra en cantidades de trazas (35 y
18 μgL) en la leche por lo que no ejerce un valor importante a nivel
nutricional para el organismo [47]
Las vitaminas hidrosolubles
27
-Vitaminas C B1 B2 B12 Entre estas vitaminas cabe destacar la
vitamina C o aacutecido ascoacuterbico presente en la leche en una concentracioacuten
de 20 mgL por su poder reductor Es decir su bajo potencial redox
protege de la oxidacioacuten a la materia grasa de la leche impidiendo que
se oxide y se desarrolle el sabor a oacutexido [47] [50] El resto de vitaminas
del grupo B se encuentran en concentraciones inferiores y se
caracterizan por ser fuertemente inestables ante la exposicioacuten a la
radiacioacuten y al calor [47]
bull Enzimas
Las enzimas son complejos de naturaleza proteica que se encuentran en la
leche en cantidades iacutenfimas sin embargo su presencia es fundamental dado
que catalizan reacciones importantes determinando las propiedades y
composicioacuten quiacutemica de la leche
La importancia de las enzimas en la industria laacutectea radica en que se emplean
como indicadores de calidad ya que pueden proporcionar informacioacuten sobre el
grado de tratamiento teacutermico que se debe aplicar pureza y frescura de la leche
[51] Por ejemplo la presencia de la enzima catalasa es un indicador de que la
vaca tiene mastitis (la catalasa produce un aumento en el nuacutemero de leucocitos
cuando el animal padece esta enfermedad) La presencia de la enzima
fosfatasa alcalina se utiliza para determinar el grado de tratamiento teacutermico al
que debe someterse la leche puesto que la muerte de esta enzima tiene lugar
a una temperatura similar a la que mueren microrganismos patoacutegenos que
puedan encontrarse en la leche Otras enzimas se utilizan para controlar la
presencia de microorganismos contaminantes debido a su actividad
antimicrobiana [52]
Otra consecuencia de la alterabilidad de la leche ademaacutes de las explicadas
anteriormente son los cambios enzimaacuteticos que causan el deterioro de las
caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche [47] Por esta razoacuten es importante
llevar a cabo un buen control de su composicioacuten quiacutemica durante todo su
proceso de fabricacioacuten la actividad enzimaacutetica es un factor que se monitoriza
en la industria laacutectea mediante la estimacioacuten de enzimas presentes en la leche
[47]
El origen de las enzimas que se encuentran en la leche de origen animal puede
ser por motivos naturales habiendo sido sintetizadas por las ceacutelulas somaacuteticas
del organismo (ceacutelulas que forman tejidos u oacuterganos) estas enzimas se
encuentran asociadas a la membrana de los gloacutebulos grasos caseiacutena y
proteiacutenas del suero El segundo origen de las enzimas que pueden estar
28
presentes en la leche es debido a su liberacioacuten por microorganismos a causa
de la contaminacioacuten microbioloacutegica indeseada [47]
Las enzimas que hay en la leche se pueden clasificar en los siguientes grupos
[22]
Las enzimas hidrolasas son aquellas que catalizan reacciones de
hidroacutelisis en la leche catalizan la hidroacutelisis de la lactosa Dentro de este
grupo cabe destacar la enzima lipasa fosfatasa amilasa y lactasa Su
importancia en la leche se debe a que afectan a sus caracteriacutesticas
organoleacutepticas
Las enzimas oxidorreductasas son enzimas que catalizan las
reacciones de oxidacioacuten - reduccioacuten que se llevan a cabo en la leche
Entre ellas destacan las siguientes enzimas catalasa lactoperoxidasa
y xantino - oxidasa La importancia de estas enzimas se debe a que
influyen en el sabor (xantino-oxidasa) ademaacutes algunas de ellas
presentan actividad antimicrobiana La enzima lactoperoxidasa cataliza
la reaccioacuten del tiocianato en presencia de H2O2 liberando compuestos
con actividad antibacteriana y fungicida [47] [52]
Las enzimas transferasas son enzimas que transfieren grupos activos
que han sido liberados por la ruptura de alguna moleacutecula a otra
sustancia que actuacutea como receptor Por su abundancia en la leche de
vaca cabe destacar la enzima ribonucleasa que se encuentra en una
concentracioacuten de 25 mgL (en la leche materna se encuentra en menor
cantidad) Esta enzima produce la hidroacutelisis de aacutecidos ribonucleicos y
estaacute asociada a las proteiacutenas del suero de la leche [23] [53]
bull Minerales
Los minerales junto con las enzimas forman los constituyentes de la leche que
estaacuten en menor proporcioacuten Se pueden encontrar formando sales solubles o
como una dispersioacuten coloidal insoluble (son los minerales asociados a las
micelas de la caseiacutena) [22] [23]
El grupo de sales solubles lo forman minerales que se encuentran en forma de
cloruros citrato y bicarbonato de compuestos como son el calcio magnesio
potasio y sodio Los cloruros en forma de cloruro de sodio son los que se
encuentran en mayor cantidad en una proporcioacuten del 020 El anaacutelisis de
cloruros en la leche se utiliza para detectar posibles alteraciones si el
29
contenido en estas sales es superior al normal puede indicar que la leche
procede de una vaca con patologiacutea [22] [23]
Las sales coloidales representan el otro grupo en una proporcioacuten proacutexima al
033 [22] Principalmente se refieren al contenido en calcio y fosfato dado a
la presencia predominante de ambos componentes [47] El calcio es una de
las sales de mayor valor nutricional ya que contribuye al mantenimiento de los
huesos [48]
23 Sensores utilizados
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores
El constante crecimiento y desarrollo de la industria alimentaria hace necesario
la aplicacioacuten de teacutecnicas de anaacutelisis que sean capaces de adaptarse a los
cambios del proceso industrial permitiendo llevar a cabo controles raacutepidos y
precisos con el fin de satisfacer la demanda de los consumidores Ademaacutes el
estigma de la industria alimentaria debe ser garantizar la calidad e inocuidad
de los alimentos y bebidas suministrados a las personas En este contexto
surge el anaacutelisis por medio de sensores definido como la praacutectica fundamental
en el control de calidad para garantizar la seguridad e inocuidad de los
alimentos y bebidas
Un sensor es un dispositivo capaz de convertir un estiacutemulo externo en una
sentildeal generalmente eleacutectrica que se pueda medir para obtener informacioacuten
uacutetil tanto cuantitativa como cualitativa [54] La idealidad de un sensor se
evaluacutea mediante el anaacutelisis de paraacutemetros como la sensibilidad (habilidad de
detectar cantidades pequentildeas) selectividad (capacidad de detectar el analito
de intereacutes ante otros que actuacutean como interferencia) reproducibilidad
(concordancia entre resultados independientes obtenidos con el mismo
meacutetodo y a partir de la misma muestra en distintas condiciones
experimentales) y repetitividad (concordancia entre resultados independientes
obtenidos con el mismo meacutetodo y a partir de la misma muestra bajo las mismas
condiciones experimentales) [54] [55] Ademaacutes de estos paraacutemetros es
importante tener en cuenta que en la industria se valoran otros aspectos del
sensor como su coste de fabricacioacuten tiempo de vida tiempo de respuesta etc
[54] [55]
Los sensores presentan tres partes bien diferenciadas en su entructura la zona
de reconocimiento la zona de transducioacuten y el amplificador [55]
30
bull Zona de reconocimiento en esta zona se encuentra el receptor es el
dispositivo que interaciona directamente con la sustancia que se va a
detectar La interacioacuten entre el receptor y la sustancia genera una sentildeal
primaria (oacuteptica maacutesica teacutermica o eleacutectrica) que seraacute interpretada por
un transductor [55] [56] [57]
bull Zona de transduccioacuten en esta zona se encuentra integrado el
transductor Este dispositivo recibe la sentildeal primaria que le llega del
receptor de manera que es transformada en una sentildeal eleacutectrica
medible [58]
bull Amplificador la mayoriacutea de las sentildeales eleacutectricas generadas necesitan
ser amplificadas para poder interpretar la informacioacuten por lo que este
dispositivo incrementa la intensidad de la sentildeal eleacutectrica de salida que
recibe del transductor Finalmente esta sentildeal es enviada a un sistema
de procesamiento donde se registran los datos y se presenta la
informacioacuten obtenida [58] [59]
En la figura 3 se muestra el funcionamiento de un sensor
Figura 3 Estructura de un sensor
Los sensores se pueden clasificar en funcioacuten de la naturaleza de la sentildeal
primaria generada por la interaccioacuten entre el receptor y la sustancia a medir
[57]
Fiacutesicos la zona receptora recibe una informacioacuten de tipo fiacutesico
Dentro de este grupo se encuentran los sensores que miden
propiedades fiacutesicas como la absorbancia temperatura cambio
de masa presioacuten entre otras
31
Quiacutemicos La interaccioacuten del receptor con el analito da lugar a
una reaccioacuten quiacutemica
Dentro de los sensores nombrados los de mayor intereacutes son los sensores
quiacutemicos su importancia en el anaacutelisis sensorial radica en que se presentan
como una nueva herramienta para el control y monitoreo del proceso
productivo debiendo dar una respuesta raacutepida y selectiva [54] [55] Un sensor
quiacutemico es un dispositivo que transforma una sentildeal quiacutemica en una sentildeal
analiacuteticamente uacutetil siendo capaz de proporcionar informacioacuten acerca de la
concentracioacuten de uno o maacutes analitos presentes en la muestra [60]
Los sensores quiacutemicos se pueden clasificar en funcioacuten de las propiedades que
mida el transductor en
bull Electroquiacutemicos estos sensores miden una propiedad eleacutectrica
generada por un sistema de electrodos La sentildeal producida (potencial o
intensidad) es consecuencia de la interaccioacuten electroquiacutemica que tiene
lugar entre el analito y el sensor [55] [58]
bull Piezoeleacutectricos son dispositivos cuya respuesta se emite en forma de
un cambio en la frecuencia de resonancia de un cristal piezoeleacutectrico
El cambio en la frecuencia depende de la cantidad de analito en masa
depositado sobre la superficie del receptor [55] [58]
bull Oacutepticos son dispositivos que responden a la interaccioacuten de la radiacioacuten
electromagneacutetica de la luz (generalmente de la regioacuten del infrarrojo) con
el analito se basan en la medida del cambio en las propiedades oacutepticas
del analito [55]
bull Teacutermicos son dispositivos que registran el calor de reaccioacuten generado
por el analito a causa de su oxidacioacuten o por reaccioacuten con una sustancia
del medio [55]
bull Multiarreglo son dispositivos sensibles a distintos analitos cuyas
respuestas son analizadas de manera simultaacutenea para caracterizar a un
sistema en concreto [55]
Los sensores electroquiacutemicos son los sensores maacutes destacados entre los que
se han nombrado ya que son los sensores maacutes versaacutetiles y los que maacutes se han
investigado a lo largo de los antildeos [55] En funcioacuten de la propiedad eleacutectrica que
32
miden los sensores electroquiacutemicos se pueden clasificar en tres grupos Los
sensores potenciomeacutetricos son dispositivos que miden el voltaje debido a una
reaccioacuten quiacutemica generan una respuesta estableciendo una relacioacuten entre la
diferencia de potencial entre un sistema de dos electrodos (electrodo de
referencia y electrodo de trabajo) y la concentracioacuten del analito (liacutequido o vapor)
[55] [58] En los sensores voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos se aplica un
potencial variable con el tiempo de esta manera se obtiene informacioacuten del
cambio del potencial con la intensidad de la corriente eleacutectrica [58] [61] Los
sensores amperomeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
fijo obteniendo informacioacuten de la variacioacuten de la intensidad de la corriente con
el tiempo [58] [61] Finalmente los sensores electroquiacutemicos se clasifican en
sensores conductimeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
de corriente alterna y se mide el aumento de la conductividad eleacutectrica
provocado por la presencia de iones en una solucioacuten [58] [62]
Dentro de los sensores electroquiacutemicos los sensores basados en meacutetodos de
transduccioacuten voltameacutetricos son los maacutes indicados para el estudio de los
procesos de oxidacioacuten - reduccioacuten de los compuestos mediante el anaacutelisis de
voltamogramas Debido a que presentan importantes ventajas como su
elevada sensibilidad y selectividad [63]
En el desarrollo de este trabajo de investigacioacuten se presenta un innovador
sensor electroquiacutemico de tipo voltameacutetrico basado en la tecnologiacutea de
impresioacuten molecular denominado MIP (ldquomolecular imprinted polymerrdquo) esta
nueva tecnologiacutea promete mejoras en la estabilidad y reproducibilidad de los
anaacutelisis quiacutemicos
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular
(MIP)
Los MIP son materiales que han sido sintetizados para el reconocimiento de
moleacuteculas especiacuteficas Esta tecnologiacutea consiste fundamentalmente en la
formacioacuten de una peliacutecula polimeacuterica en la que una moleacutecula actuacutea como una
plantilla posteriormente la moleacutecula se extrae y deja cavidades de
reconocimiento especiacutefico sobre el poliacutemero [64]
Los paraacutemetros principales que intervienen en la formacioacuten de poliacutemeros de
impresioacuten molecular son el poliacutemero la moleacutecula plantilla y un agente
reticulante
bull Seleccioacuten del poliacutemero
33
Existen una gran variedad de poliacutemeros que se puedan utilizar en la impresioacuten
molecular pero deben cumplir unas caracteriacutesticas estrictas
-El poliacutemero tiene que ser quiacutemicamente compatible con la moleacutecula
plantilla ademaacutes debe ser capaz de unirse a eacutesta para crear las
cavidades de reconocimiento [65]
-El poliacutemero tiene que poder contener los sitios de reconocimiento
complementarios a la moleacutecula original
Entre los poliacutemeros empleados cabe destacar el chitosaacuten debido a sus
caracteriacutesticas de biocompatibilidad y afinidad por diferentes tipos de
moleacuteculas [65] Otros poliacutemeros de impresioacuten molecular estaacuten compuestos por
aacutecido metacriacutelico [66] o-fenilendiamina [67] pirrol [68] etc
bull Seleccioacuten de la moleacutecula plantilla
Una de las mayores ventajas de los MIPs es la utilizacioacuten de praacutecticamente
cualquier tipo de analito como azuacutecares aminoaacutecidos fenoles entre otras
sustancias Generalmente los compuestos empleados presentan grupos
polares (-COOH-OH) por lo que el complejo plantilla-poliacutemero que se forma es
bastante estable Otro tipo de compuestos utilizados son ioacutenes metaacutelicos
macromoleacuteculas etc [69]
bull Agente reticulante o cross-linker
Un agente reticulante (Cross-linker) es un compuesto que facilita la unioacuten entre
moleacuteculas para dar lugar a una red mucho maacutes estable y resistente Por ello la
reticulacioacuten (o el cross-linking) se puede emplear para mejorar la estabilidad
mecaacutenica de ciertas sustancias quiacutemicas como los poliacutemeros Consiste en una
reaccioacuten quiacutemica entre cadenas polimeacutericas que se mantienen unidas por
medio de enlaces covalentes u otro tipo de enlaces como las fuerzas de Van
der Waals [70]
El empleo de cross-linkers en los procesos de siacutentesis de poliacutemeros de
impresioacuten molecular es muy utilizado ya que estos influyen en tres aspectos
importantes intervienen en la morfologiacutea de los MIP fijan las cavidades de
34
reconocimiento especiacutefico e Intervienen en la estabilidad mecaacutenica del MIP
[69] Si el nuacutemero de entrecruzamientos es insuficiente se puede producir la
peacuterdida de las cavidades especiacuteficas formadas en el poliacutemero ya que estas no
se pueden mantener por no ser lo suficientemente estables Como resultado
de este fenoacutemeno el MIP pierde en cierto grado su capacidad de
reconocimiento [69]
El proceso de fabricacioacuten de un MIP se pueden clasificar en las siguientes
etapas [69]
bull 1ordm Interaccioacuten entre la moleacutecula y el poliacutemero
Los tipos de interaccioacuten que se pueden dar son [71] [72]
Impresioacuten covalente se establece un enlace covalente entre un
poliacutemero y la moleacutecula plantilla es un meacutetodo complejo ya que este
enlace se debe romper previamente para que la moleacutecula se pueda
eluir de la matriz polimeacuterica
Impresioacuten no covalante la interaccioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero se lleva a cabo mediante interacciones deacutebiles no
covalentes Se trata del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de
MIP debido a su simplicidad y facilidad de eliminar la moleacutecula
plantilla de la matriz del poliacutemero
Impresioacuten ioacutenica como plantilla se utilizan diferentes tipos de iones
metaacutelicos (Cu2+ Zn2+ Cd2+etc) se trata de una teacutecnica desarrollada
recientemente
En el presente trabajo de investigacioacuten se utilizoacute como matriz polimeacuterica
chitosaacuten y como moleacutecula plantilla un azuacutecar (lactosa glucosa o galactosa) La
unioacuten se llevoacute a cabo mediante el meacutetodo no-covalente como se ha explicado
en este meacutetodo el enlace entre el poliacutemero y la moleacutecula plantilla tiene lugar
mediante fuerzas de interaccioacuten deacutebiles de tipo fuerzas de Vaan der Waals o
puentes de hidroacutegeno [73] [74]
35
bull 2ordf Polimerizacioacuten
La polimerizacioacuten del poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla se realiza
para obtener una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula de intereacutes En la
elaboracioacuten de MIPs existen una gran variedad de procesos de polimerizacioacuten
en concreto en la elaboracioacuten de sensores destacan los sensores de impresioacuten
superficial sobre el electrodo de trabajo cuyos principales meacutetodos de
polimerizacioacuten se describen a continuacioacuten [69]
Electropolimerizacioacuten Es un proceso de deposicioacuten realizado en
presencia de la moleacutecula plantillla en el que se forma una peliacutecula
poliacutemerica sobre un electrodo de trabajo Se puede llevar a cabo a
traveacutes de diferentes teacutecnicas electroquiacutemicas tales como meacutetodos
voltameacutetricos ( el proceso empleado suele ser mediante voltametriacutea
ciacuteclica aplicando un intervalo de potencial) meacutetodos potenciomeacutetricos
(se aplica un potencial constante) y meacutetodos galvanostaacuteticos (se aplica
una corriente constante) [68]
Fotopolimerizacioacuten in situ Es una teacutecnica de deposicioacuten in situ que al
igual que la anterior permite depositar la plantilla polimeacuterica
directamente sobre el electrodo de trabajo El proceso se lleva a cabo
por polimerizacioacuten radicalaria la mezcla de preparacioacuten MIP contiente
un iniciador sensible a la luz de manera que al incidir la radiacioacuten sobre
eacutel absorbe la enegiacutea lumiacutenica y proporciona radicales libres De esta
manera se inicia el proceso de polimerizacioacuten del poliacutemero [75]
Sandwich Esta teacutecnica consiste en depositar unas gotas de la solucioacuten
MIP sobre un electrodo para ello la solucioacuten se coloca en una superficie
metaacutelica o sobre dos laacuteminas metaacutelicas Despueacutes de llevarse a cabo la
polimerizacioacuten se separan las laacuteminas logrando obtener peliacuteculas muy
finas [76]
El principal problema de esta teacutecnica es la falta de reproducibilidad que
se produce al aplicar fuerzas de compresioacuten durante la polimerizacioacuten
por lo que se emplea con menor frecuencia que la anteriores descritas
[76]
bull 3ordm Elucioacuten de la moleacutecula plantilla
36
La moleacutecula plantilla se elimina de la matriz polimeacuterica utilizando un disolvente
adecuado de esta manera se forma una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula
empleada Es por ello por lo que los MIP presentan la capacidad de reconocer
moleacuteculas con una alta selectividad dado que tras la elucioacuten las cavidades
creadas en el poliacutemero presentan muacuteltiples sitios de unioacuten con una
configuracioacuten espacial que es complementaria al analito [69]
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
En 1949 Dickey fue el primero en investigar el concepto de impresioacuten
molecular el cual fue inspirado por los experimentos llevados a cabo por Linus
Pauling quien defendiacutea la formacioacuten de anticuerpos usando el antiacutegeno como
una moleacutecula plantilla [71] Dickey es el responsable de la creacioacuten de la
teacutecnica de impresioacuten molecular de gel de siacutelice (MISC) y basoacute sus
investigaciones en la precipitacioacuten de silicagel en presencia de tintes orgaacutenicos
descubriendo que la impresioacuten de siacutelice proporcionaba una gran selectividad
hacia el tinte [71] Desde entonces se han llevado a cabo varios estudios
basados en la impresioacuten molecular a base de siacutelice por ejemplo en 2013 se
estudioacute la deteccioacuten del aacutecido saliciacutelico mediante esta teacutecnica [77]
En 1972 Wulff y Klotz dos liacutederes de grupos de investigacioacuten independientes
llevaron a cabo los primeros mecanismos de impresioacuten molecular [78] El
primero desarrolloacute un complejo basado en la impresioacuten molecular de tipo
covalente que incluiacutea un monoacutemero y la moleacutecula plantilla para la deteccioacuten
de azuacutecares [79] Al mismo tiempo Klotz sintetizoacute poliacutemeros de impresioacuten
molecular utilizando poliacutemeros y uniones de tipo covalente entre la moleacutecula y
la plantilla Antildeos despueacutes Mosback llevoacute a cabo la siacutentesis de impresioacuten
molecular utilizando otros meacutetodos de unioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero en concretoacute enlaces de tipo no covalentes [71]
Debido a sus excelentes propiedades los MIP han cobrado una mayor
importancia en estos uacuteltimos antildeos habiendo sido utilizados en multitud de
aplicaciones Se han elaborado MIP para la separacioacuten de compuestos quirales
y de proteiacutenas los cuales son muy utilizados en la industria farmaceacuteutica [80]
En el anaacutelisis ambiental para la purificacioacuten de aguas y eliminacioacuten de metales
pesados [80] En el desarrollo de sensores basados en diferentes meacutetodos de
transduccioacuten (electroquiacutemicos [64] oacutepticos [81] etc) En medicina para la
liberacioacuten de faacutermacos [80] y como catalizadores imitando las funciones de las
enzimas pero con una mayor estabilidad [82]
Los primeros sensores que emplearon la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
fueron elaborados entorno a los antildeos 2000 En 1996 se publicoacute el primer
37
artiacuteculo elaborado por Franz L Dicker referido a sensores MIP basados en
meacutetodos de transduccioacuten piezoeleacutectricos En el experimento se crearon
plantillas polimeacutericas con varios tipos de disolventes orgaacutenicos volaacutetiles una
vez creada la plantilla se calculoacute la masa de analito depositada midiendo el
cambio en la frecuencia de resonancia de una microbalanza de cuarzo Con los
resultados de la investigacioacuten se concluyoacute que estos sensores presentariacutean un
futuro prometedor puesto que fueron capaces de reconocer selectivamente
disolventes orgaacutenicos seguacuten su tamantildeo y forma [83]
Recientemente se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en la
impresioacuten molecular para el reconocimiento de azuacutecares principalmente para
la glucosa por su impacto en enfermedades como la diabetes W Zhen et al
desarrollaron un sensor basado en poliacutemeros de impresioacuten molecular para el
reconocimiento de glucosa [84] A Diouf et al sintetizaron un sensor
electroquiacutemico para la cuantificacioacuten de glucosa presente en la saliva [41]
Tambieacuten se han desarrollado sensores MIP para el reconocimiento de
disacaacuteridos por ejemplo H Shekarchizadeh et al fabricaron un sensor MIP
electroquiacutemico para la deteccioacuten de sacarosa en el zumo de remolacha [83]
Tal y como se muestra en la figura 4 el desarrollo de sensores MIP ha ido
creciendo con el paso del tiempo siendo su empleo en el anaacutelisis
electroquiacutemico cada vez maacutes pronunciado Su aplicacioacuten para la identificacioacuten
de azuacutecares se encuentra todaviacutea en sus primeros indicios encontraacutendose las
mayores referencias entre los antildeos 2018 y 2019 Debido al intereacutes que
presentan los MIP es interesante llevar a cabo nuevas investigaciones que
contribuyan al estudio iniciado en estos uacuteltimos antildeos dirigido a la deteccioacuten de
azuacutecares
Figura 4 MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos (rojo) MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos empleados en la deteccioacuten de azuacutecares (rosa) Publicaciones correspondientes al periodo 1999-2019 obtenidas de la base de datos SCOPUS (Elsevier)
38
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Los sensores MIP son una buena alternativa frente a los meacutetodos tradicionales
de anaacutelisis (cromatografiacutea de gases cromatografiacutea de liacutequidos de alta
resolucioacuten etc) debido a sus excelentes propiedades como estabilidad bajo
coste y especificidad [85] Estos sensores son capaces de detectar una gran
variedad de analitos como proteiacutenas [86] virus [87] azuacutecares [84] fenoles
[12] etc Por ello presentan un gran potencial en diferentes campos industria
alimentaria anaacutelisis ambiental anaacutelisis cliacutenico o anaacutelisis quiacutemico entre otros
[88]
Para un mayor entendimiento del presente trabajo es necesario especificar en
que consite un sensor NIP (ldquono molecularly imprinted polymerrdquo) Dicho sensor
es anaacutelogo al MIP sin embargo eacuteste se obtiene en aunsencia de la moleacutecula
plantilla por lo que no cuenta con las cavidades de reconocimiento especiacutefico
Para obtener un buen funcionamiento un sensor MIP debe tener las siguientes
propiedades [69]
bull Rigidez Las cavidades de reconocimiento deben mantener su forma y
tamantildeo despueacutes de que la moleacutecula sea eliminada de la matriz
polimeacuterica
bull Flexibilidad Se debe optimizar el proceso de reconocimiento
consiguiendo un equilibrio entre las cavidades creadas y la
concentracioacuten de analito
bull Estabilidad mecaacutenica El sensor debe mantenerse estable con cada
medida
Al igual que los sensores tradicionales los sensores basados en MIPs se
pueden clasificar en funcioacuten de su principio de funcionamiento en los
siguientes sensores
bull Sensores de afinidad (ldquoAffinity sensorsrdquo) son sensores capaces de
detectar moleacuteculas con caracteriacutesticas medibles Dentro de este tipo se
encuentran los sensores basados en meacutetodos de transduccioacuten
piezoeleacutectricos (se basan en el empleo de un cristal piezoeleacutectrico que
39
vibra al aplicarse un potencial la frecuencia de oscilacioacuten del cristal
variacutea en funcioacuten de la masa de analito depositada en el sensor MIP)
[76] [89] sensores MIP electroquiacutemicos [76] (se basan en diferentes
teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea amperometriacutea y
potenciometriacutea) y sensores MIP oacutepticos en los que el sensor detecta un
cambio en alguna propiedad oacuteptica durante el enlace entre los grupos
funcionales del poliacutemero y la moleacutecula plantilla [90]
bull Receptores Estos sensores se basan en la deteccioacuten directa del analito
aprovechan el momento de unioacuten entre la moleacutecula y la plantilla cuando
tiene lugar un cambio en alguna caracteriacutestica del MIP (conductividad
eleacutectrica potencial superficial o permeabilidad) Dentro de este grupo
hay sensores MIP electroquiacutemicos y oacutepticos [76] Por ejemplo se han
desarrollado sensores MIP electroquiacutemicos para la deteccioacuten de glucosa
basados en el efecto denominado ldquogate effectrdquo El enlace entre la
glucosa y los sitios de unioacuten de la plantilla produce un cambio en la
configuracioacuten del poliacutemero modificaacutendose la permeabilidad de la
peliacutecula polimeacuterica dificultando por tanto el proceso de difusioacuten de las
moleacuteculas a su traveacutes Asiacute la deteccioacuten en este experimento se llevoacute a
cabo registrando la disminucioacuten de la intensidad de la sentildeal en
presencia de glucosa [91]
bull Sensores MIP Cataliacuteticos Constituyen la uacuteltima generacioacuten de sensores
MIP en este grupo se fabrican sensores que imitan la actividad
cataliacutetica de las enzimas Actualmente son pocos los sensores
desarrrollados seguacuten este principio un ejemplo ha sido la fabricacioacuten
de un sensor MIP que imita el funcionamiento de la enzima tirosinasa
El sensor consiste en utilizar un complejo como moleacutecula plantilla
similar a la enzima para catalizar las reacciones de oxidacioacuten del
catecol (anaacutelito de intereacutes en el estudio de la calidad del vino) [79]
Entre los sensores que se han nombrado los sensores MIP electroquiacutemicos son
los que representan el mayor intereacutes en el anaacutelisis quiacutemico debido a su bajo
coste y facilidad de obtencioacuten [85]
La fabricacioacuten de sensores MIP electroquiacutemicos se puede clasificar en dos
etapas
bull Electrodo modificado mediante la teacutecnica de impresioacuten molecular
40
El meacutetodo de integracioacuten maacutes utilizado para la deposicioacuten del MIP en el
electrodo de trabajo es la electropolimerizacioacuten por ser raacutepido y eficaz [85] La
principal ventaja de esta teacutecnica es que los paraacutemetros controlables como el
tiempo de deposicioacuten y el potencial aplicado permiten controlar aspectos
importantes como el grosor de la peliacutecula polimeacuterica [79]
En el presente trabajo de investigacioacuten el sensor MIP fue elaborado mediante
teacutecnicas de electropolimerizacioacuten a traveacutes de cronoamperometriacutea El proceso
consistioacute en aplicar un potencial constante para producir la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla sobre la superficie del
electrodo A continuacioacuten se muestra una imagen esquemaacutetica de este
proceso
Figura 5 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-moleacutecula plantilla]BDD en una celda electroliacutetica con una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de trabajo contraelectrodo y electrodo de referencia) donde se representa la deposicioacuten de la solucioacuten a traveacutes de electropolimerizacioacuten por cronoamperometriacutea sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Elucioacuten y reconocimiento del analito
La elucioacuten consiste en eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz del poliacutemero
de esta manera se crean cavidades de reconocimiento con una estructura
tridimensional que coincide en tamantildeo y forma con el analito de intereacutes es
decir se forma un plantilla polimeacuterica Esta plantilla aporta especificidad al
sensor lo que le permite llevar a cabo la deteccioacuten selectiva de la moleacutecula
plantilla [69] Dado a la importancia que esto supone se deben tener en cuenta
las condiciones en la que se realice el anaacutelisis puesto que el uso de ciertos
41
disolventes orgaacutenicos las altas temperaturas o el empleo de solventes donde
el poliacutemero sea soluble podriacutean dantildear la plantilla sintetizada en el MIP [65] A
pesar de ello no se trata de una etapa costosa y en ella se pueden emplear
distintos tipos de eluyentes Por ejemplo se ha utilizado agua caliente
presurizada para la elucioacuten de moleacuteculas de clorofila de una matriz polimeacuterica
elaborada a partir de aacutecido metacriacutelico y metacrilato de etilenglicol [65]
Tambieacuten se ha empleado cloruro de potasio (KCl) para eliminar catecol de una
matriz polimeacuterica de chitosaacuten [12] Otros disolventes como el HCl se han
utilizado para la elucioacuten de glucosa de una matriz polimeacuterica compuesta por
aacutecido 3-aminobencenoboroacutenico (APBA) [84] En conclusioacuten la eleccioacuten del
eluyente dependeraacute principalmente de las caracteriacutesticas de la moleacutecula
plantilla y del poliacutemero debiendo seleccionar en todo momento un solvente
que no dantildee a la peliacutecula polimeacuterica y en el que la moleacutecula plantilla sea
soluble
Una vez eliminada la moleacutecula plantilla se lleva a cabo la deteccioacuten de eacutesta
durante este momento tiene lugar la selectividad entre la moleacutecula y la plantilla
polimeacuterica Este proceso se corresponde con la uacuteltima etapa del anaacutelisis
electroquiacutemico y puede verse afectado por distintos factores [69]
Presencia de compuestos inhibidores Puede haber grupos inhibidores
que impidan que la moleacutecula se adapte perfectamente en las cavidades
ocupando sus sitios de unioacuten
Cambios en la orientacioacuten espacial de los grupos funcionales del
poliacutemero Factores como los cambios de temperatura o los disolventes
empleados pueden causas cambios en la configuracioacuten espacial de los
grupos funcionales en consecuencia no se produce el enlazamiento
entre el analito y las cavidades del poliacutemero
Fenoacutemenos de repulsioacuten Puede haber grupos funcionales en las
cadenas del poliacutemero que impidan que la moleacutecula y los sitios de unioacuten
reaccionen
Seleccioacuten del disolvente Como se ha explicado anteriormente el
disolvente puede dantildear al poliacutemero debido a ello es importante utilizar
un solvente en el que el poliacutemero no sea soluble
A continuacioacuten se muestra un esquema del proceso de las etapas descritas
42
Figura 6 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP donde se muestra el proceso de polimerizacioacuten y a continuacioacuten un sensor MIP donde se ha llevado a cabo el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
23221 Ventajas de la impresioacuten molecular
La elaboracioacuten de sensores electroquiacutemicos a partir de MIP es una tecnologiacutea
relativamente reciente desarrollada para reconocer bajas concentraciones del
analito La impresioacuten molecular es una de las pocas tecnologiacuteas que permite la
fabricacioacuten de receptores sinteacuteticos ademaacutes presenta importantes ventajas
sobre otros compuestos utilizados para el reconocimiento especiacutefico como las
enzimas Entre las ventajas maacutes destacadas de los sensores basados en esta
tecnologiacutea se encuentran [80]
bull Estabilidad los MIP son estables en un amplio rango de pH
temperaturas y presioacuten por estas razones son buenos sustitutos de
agentes bioloacutegicos [80]
bull Bajo coste Los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular
resultan maacutes baratos comparados con el empleo de receptores
bioloacutegicos como las enzimas [80]
bull Preparacioacuten del sensor MIP sencilla [80]
bull Los poliacutemeros pueden forman plantillas para una gran cantidad de
analitos [80]
bull Reconocimiento especiacutefico y selectivo en disolventes orgaacutenicos por lo
que no estaacuten limitados a detecciones en medios acuosos [80]
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo
En la elaboracioacuten de MIP se suele utilizar un agente reticulante para obtener
una plantilla del poliacutemero maacutes estable y por ende un mejor comportamiento
43
del sensor [69] En este trabajo uno de los experimentos para fabrizar el MIP
se llevoacute a cabo en presencia de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
El glutaraldehiacutedo es un compuesto quiacutemico perteneciente a la familia de los
aldehiacutedos a temperatura ambiente es un liacutequido oleaginoso incoloro o con una
leve coloracioacuten amarilla su foacutermula molecular es OHC-(CH2)3-CHO [92]
El glutaraldehido se ha empleado porque es considerado un buen agente
reticulante para el desarrollado de MIPs basados en chitosaacuten dado a que este
poliacutemero presenta grupos amino reactivos (-NH2) que reaccionan con los
grupos aldehiacutedo (-CHO) del glutaraldehiacutedo [93] Esta reaccioacuten es selectiva por
lo que los grupos hidroxilo -OH del chitosaacuten no intervienen en la reaccioacuten con el
glutaraldehiacutedo [94]
El proceso simplificado de entrecruzamiento del chitosaacuten con el glutaraldehiacutedo
se puede ver en la figura 7
Figura 7 Reaccioacuten simplificada del proceso de entrecruzamiento del chitosaacuten con glutaraldehiacutedo
El producto de reaccioacuten entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo da lugar a una
base de Schiffrsquos [95] una base de schiffrsquos es un enlace imina constituido por
un cabono y un nitroacutegeno unidos atraveacutes de un doble enlace (N=C) su
estructura tiacutepica se muestra en la figura 8 tal y como se observa esta
compuesta por tres radicales R1R2 y R3 que pueden ser grupos alquilo o arilo
[96]
Figura 8 Estructura geneacutericas de una base de Shiffacutes con tres radicales R1 R2 y R3
44
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis
electroquiacutemico
El tipo de electrodos de trabajo empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico variacutea
en funcioacuten de las teacutecnicas electroquiacutemicas de anaacutelisis en voltametriacutea los
electrodos de metales nobles son los maacutes empleados entre ellos destacan los
electrodos de plata [97] los electrodos de oro [98] y los electrodos de platino
[99] Estos electrodos destacan por sus buenas caracteriacutesticas de
conductividad y por ser materiales inertes por lo que no intervienen en las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la celda electroliacutetica Sin
embargo presentan problemas de reproducibilidad por la formacioacuten de oacutexidos
en su superficie [99] [100]
Debido a ello los electrodos metaacutelicos se han ido remplazando en los uacuteltimos
antildeos por los electrodos de carbono cuya principal ventaja es su amplia ventana
de potencial y su facilidad de limpieza (las impurezas de la superficie de los
electrodos de carbono se eliminan faacutecilmente) [99]
Dentro de los electrodos de carbono existen varios tipos pues es un compuesto
con diferentes formas alotroacutepicas En concreto el diamante es la segunda
forma maacutes estable del carbono despueacutes del grafito ademaacutes tiene una de las
estructuras moleculares maacutes destacables por sus propiedades extraordinarias
como son su extremada dureza y alta conductividad teacutermica [101] A pesar de
estas caracteriacutesticas el diamante (sin dopar) no se emplea como electrodo
dado a su alta resistividad eleacutectrica (1020 Ωcm ) que le hace funcionar como
un soacutelido aislante lo que es debido a su ancho de banda prohibida (seguacuten el
modelo de la teoriacutea de bandas en un soacutelido aislante la banda de valencia (BV)
y la banda de conductividad (BC) se encuentran separadas por una banda
prohibida de una energiacutea muy alta por lo que no es posible el salto del electroacuten
de la BV a la BC [102]) Por esta razoacuten los electrodos de diamante se dopan
con otros elementos con el fin de mejorar su conductividad eleacutectrica
Los electrodos de diamante dopados con boro (BDD) constituyen un material
semiconductor de ldquotipo prdquo (un material deldquo tipo prdquo se obtiene al introducir
huecos libres en la estructura quiacutemica del elemento figura 9) ya que el boro
presenta tres electrones en su banda de valencia y el carbono 4 por lo que se
genera un hueco libre en su estructura quiacutemica de esta manera se consigue
reducir su resistividad a la deacutecima parte 102 Ωcm [102] [103]
Otros electrodos de carbono destacables son los electrodos de carboacuten viacutetreo
que son muy utilizados en electroquiacutemica por ser electrodos inertes duros y
por presentar una resistencia eleacutectrica muy baja [104] [105]
45
Figura 9 Diamante dopado con boro Se representan los huecos introducidos por el boro
Dentro de los electrodos que se han explicado los BDDs son los materiales
maacutes destacables en el anaacutelisis electroquiacutemico debido a que algunas de sus
propiedades como su baja resistividad eleacutectrica y amplia ventana de potencial
los convierten en materiales de especial intereacutes en este campo
Cuando se utilizan estos materiales como electrodos de trabajo para obtener
una buena reproducibilidad del anaacutelisis se deben tener en cuenta los aspectos
descritos a continuacioacuten [106]
Cuando se utilizan finas peliacuteculas de BDD depositados en sustratos
conductores la limpieza de su superficie se tiene que realizar mediante
meacutetodos quiacutemicos y no mediante meacutetodos fiacutesicos (pulido mecaacutenico)
para no dantildear a la misma [106]
Antes de usarles en el anaacutelisis quiacutemico se lleva a cabo un pretratamiento
o limpieza de su superficie que contribuye a la mejora de sus
caracteriacutesticas quiacutemicas y fiacutesicas Por ejemplo puede llevarse a cabo
mediante meacutetodos electroquiacutemicos aplicando un potencial o corriente
eleacutectrica [106]
Los tratamientos demasiado fuertes (ej aplicar potencial o una
corriente elevada) pueden dantildear el material del electrodo afectando
negativamente a la reproducibilidad o al rendimiento del mismo
(aumento de la corriente de fondo) [106]
241 Electrodos BDD
Los electrodos BDD se caracterizan por ser materiales semiconductores con
importantes ventajas respecto a otros electrodos semiconductores por su
amplia ventana de potencial baja corriente de fondo alta estabilidad
electroquiacutemica por ser quiacutemicamente inertes y no toacutexicos [107] [102]
46
A continuacioacuten se describen de una manera maacutes precisa las caracteriacutesticas
nombradas
bull Amplia ventana de potencial La ventana de potencial constituye el
intervalo donde se llevan a cabo las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten
de las especies quiacutemicas por lo que los analitos deben ser
electroactivos dentro de este intervalo [108]
La ventana de potencial que ofrece el diamante permite distinguir
reacciones a potenciales altos y bajos [109] Por ejemplo la reaccioacuten
del oxiacutegeno a 225 V y del hidroacutegeno a -11V se puede distinguir en los
electrodos BDD mientras que en otros electrodos como el grafito el
carboacuten viacutetreo el oro o el platino no se puede apreciar [110]
bull Estabilidad electroquiacutemica El diamante se forma por hibridacioacuten sp3
mediante un enlace sigma que une a los aacutetomos de carbono La
fortaleza de este enlace le confiere al diamante una gran estabilidad
electroquiacutemica [102]
bull Baja corriente de fondo En electroquiacutemica la corriente de fondo se
refiere a las reacciones de electroacutelisis debidas a las impurezas
presentes en la solucioacuten electroacutelisis del analito electroacutelisis del material
del electrodo y la corriente capacitiva Las tres primeras son corrientes
faraacutedicas debidas a la reacciones quiacutemicas que tienen lugar en el
electrodo mientras que la corriente capacitiva se debe al
comportamiento de la celda electroquiacutemica como un condensador
(interfaz entre el electrodo y la solucioacuten) [111] [112]
La corriente de fondo generalmente es indeseable excepto la referida a
la corriente generada por el analito Los electrodos BDD presentan una
corriente de fondo pequentildea esta propiedad es de gran intereacutes en
electroquiacutemica ya que permite llevar a cabo un anaacutelisis maacutes sensible
ademaacutes de conseguir liacutemites de deteccioacuten maacutes bajos [111] [112]
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD
Dado a la repercusioacuten que tiene el meacutetodo de fabricacioacuten de los electrodos BDD
en el anaacutelisis electroquiacutemico se han investigado varios meacutetodos para su
obtencioacuten
47
El meacutetodo maacutes empleados para la siacutentesis de BDDs es el proceso de deposicioacuten
quiacutemica de vapor (CVD) Este meacutetodo permite controlar la presencia de
impurezas de grafito que pudiese haber en el electrodo y que pudieran
repercutir negativamente en el anaacutelisis electroquiacutemico causando un aumento
de la corriente de fondo y una disminucioacuten de la ventana de potencial del
electrodo BDD Dentro de este meacutetodo se emplean distintos sustratos para la
deposicioacuten de los BDDs entre los maacutes empleados destacan los sustratos
metaacutelicos (Ti Mo y W) y los sustratos de materiales ceraacutemicos como el silicio
[106] [107] [110]
La deposicioacuten quiacutemica de vapor a altas temperaturas y presiones (HTHP)
constituye otra de las formas para obtener polvo de diamante dopado con boro
compacto A pesar de que este proceso permite obtener BDDs con
caracteriacutesticas similares a la deposicioacuten quiacutemica de vapor es un proceso que
se lleva a cabo en condiciones de presioacuten y temperatura maacutes restrictivas por lo
que es una teacutecnica menos utilizada para la obtencioacuten de este tipo de electrodos
[107]
25 Sensores basados en nanomateriales
Con el desarrollo de la nanotecnologiacutea en el campo del anaacutelisis sensorial se
han podido introducir nanomateriales que mejoran en gran medida el
comportamiento de los sensores electroquiacutemicos Debido a la importancia que
esto supone la modificacioacuten de sensores con superficies nanoestructuradas
ha representado el epicentro de estudio de un gran nuacutemero de grupos de
investigacioacuten
En los uacuteltimos antildeos se han modificado sensores electroquiacutemicos con
nanotubos de carbono por sus caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica y
propiedades fiacutesicas y quiacutemicas [64] Se han sintetizado sensores MIP
modificados con nanopartiacuteculas de oro con objeto de mejorar la intensidad de
corriente alcanzada por el sensor [85] Tambieacuten se han empleado nanohilos
metaacutelicos para mejorar el rendimiento del sensor incrementando su aacuterea
efectiva [98]
La plata por si sola representa uno de los metales con mejores caracteriacutesticas
de conductividad eleacutectrica y teacutermica [113] Por esta razoacuten los nanomateriales
basados en dicho metal son de gran intereacutes en la industria de la
nanotecnologiacutea En concreto los nanohilos de plata (AgNWs) constituyen uno
de los nanomateriales maacutes interesantes ya que presentan excelentes
propiedades que les convierten en materiales muy adecuados para el
desarrollo de los sensores electroquiacutemicos [114] [115] [116] [117]
48
Wagner se considera uno de los primeros desarrolladores de los electrodos
semiconductores basados en nanohilos de diferentes materiales En 1964
sintetizoacute microhilos de silicio utilizando el oro como catalizador del proceso
mediante meacutetodos de vapor-liacutequido-soacutelido (VLS) a traveacutes de los cuales
consiguioacute sintetizar nanoestructuras por deposicioacuten quiacutemica de vapor En 2001
se lograron sintetizar los primeros AgNWs a traveacutes del mismo proceso [118]
Desde este momento en la primera deacutecada de SXXI se han realizado nuacutemeros
estudios dedicados a la obtencioacuten de AgNWs teniendo en cuenta que su
tamantildeo forma y estructura son paraacutemetros que determinan sus propiedades
[113] [119] [120]
251 Los nanohilos de plata (AgNWs)
Los AgNWs son nanoestruras consideradas de una dimensioacuten (1D) que cuentan
con una largura mucho mayor a su diaacutemetro generalmente el diaacutemetro variacutea
entre 10 - 200 nm y su longitud puede variar entre 5 - 100 μm [113] [120]
Gracias a su configuracioacuten exhiben propiedades extraordinarias como son
[121]
bull Transparencia oacuteptica y conductividad eleacutectrica El empleo de AgNWs
como conductores transparentes representa un futuro prometedor su
importancia en este campo radica en su propiedades como son su
elevada conductividad sus propiedades oacutepticas y su sencillez de
obtencioacuten junto con el bajo coste de preparacioacuten [121] [122] [123]
bull Flexibilidad los AgNWs presentan una estructura cuacutebica centrada en las
caras (FCC) que les proporciona una alta flexibilidad y resistencia a la
traccioacuten [124] La fabricacioacuten de dispositivos electroacutenicos flexibles
constituye uno de los campos en los que maacutes se ha investigado en los
uacuteltimos antildeos siendo la flexibilidad de los AgNWs (entre otras
propiedades) lo que hace que puedan ser empleados en dispositivos
electroacutenicos que pueden ser curvados Por ello se han incorporado en
ceacutelulas solares y TCF (peliacuteculas teacutermicas conductoras transparentes)
[121]
bull Aacuterea efectiva los AgNWs presentan un relacioacuten LongitudDiaacutemetro
elevada lo que hace que tengan una gran superficie en comparacioacuten al
volumen que ocupan [125] Esta caracteriacutestica es importante porque
influye en las propiedades conductoras y oacutepticas de eacutestos Se ha
49
demostrado que en los AgNWs de diaacutemetros superiores a 50 nm
cuanto mayor es su diaacutemetro mayor es su conductividad Por el
contrario en AgNWs cuyos diaacutemetros son inferiores a 20 nm cuaacutento
menor es el diaacutemetro mejores son sus propiedades conductoras y
oacutepticas [126]
bull Confinamiento cuaacutentico el confinamiento cuaacutentico tiene lugar cuando
el tamantildeo del nanocristal es muy pequentildeo en comparacioacuten con la
longitud de onda de un electroacuten por lo que se dice que los electrones
se encuentran encerrados en un espacio cuaacutentico ocupando diferentes
niveles de energiacutea a los que ocupariacutean en el mismo material de tamantildeo
macromolecular Este fenoacutemeno hace que las propiedades oacutepticas y
eleacutectricas sean diferentes en comparacioacuten a las que tendriacutea el material
a una escala superior [127]
bull Efecto cataliacutetico se ha demostrado que el empleo de nanoestructuras
como AgNWs mejoran la transferencia electroacutenica de poliacutemeros de
mala conductividad eleacutectrica Tambieacuten actuacutean como mediadores
electroacutenicos mejorando la transferencia de electrones de la solucioacuten al
electrodo [64] [128]
bull Resonancia de plasmoacuten superficial es el fenoacutemeno que tiene lugar
cuando los electrones que estaacuten situados en la capa superficial de un
metal son excitados por los fotones de un haz de luz y despueacutes se
propagan paralelamente a lo largo de la superficie del metal [129] Los
AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso que se puede
apreciar en la banda de absorcioacuten UV- VIS lo que permite estudiar las
propiedades oacutepticas de dichos materiales [130]
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs
Los AgNWs constituyen nanomateriales de gran importancia en la siacutentesis de
sensores nanoestructurados En concreto su utilizacioacuten en sensores
electroquiacutemicos representa uno de sus principales campos de aplicacioacuten
debido a que ciertas de sus propiedades (conductividad aacuterea efectiva entre
otras) les convierten en materiales predilectos para el desarrollo de los mismos
[131] Por ello son varios los estudios dedicados a la integracioacuten de estas
nanoestructuras para la deteccioacuten de compuestos de intereacutes
50
El equipo de investigacioacuten de X Gao et al llevaron a cabo el desarrollo de un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) en la
leche de vaca La deteccioacuten de dicho producto es muy importante dentro de la
industria alimentaria y en concreto en el sector laacutecteo Su presencia se debe a
que es una sustancia muy empleada para el control del desarrollo bacteriano
en productos laacutecteos sin embargo a elevadas concentraciones puede causar
dantildeos en el organismo El sistema de medida desarrollado por el equipo de
investigacioacuten contaba con un electrodo de trabajo de carboacuten vitreo que se
modificoacute depositando AgNWs a traveacutes de ldquodrop coatingrdquo sobre la superficie del
electrodo finalmente mediante la misma teacutecnica depositaron una solucioacuten de
chitosaacuten utilizada como soporte para los AgNWs El comportamiento del sensor
frente a la deteccioacuten del H2O2 fue evaluado a traveacutes de teacutecnicas
electroquiacutemicas como la amperometriacutea en muestras de leche donde se
demostroacute una gran sensibilidad del sensor debido principalmente a la
capacidad electroliacutetica aacuterea efectiva y conductividad eleacutectrica que
proporcionaron los AgNWs [114]
J Turan et al llevaron a cabo el desarrollo de un biosensor modificado con
AgNWs para la deteccioacuten de plaguicidas como el paraoxoacuten que pueden estar
presente en la leche (muchos plaguicidas acaban en productos de consumo
diario debido a que forman parte de la cadena alimentaria de los animales) El
sistema de medida basado en meacutetodos de transduccioacuten amperomeacutetricos
contaba con un electrodo de trabajo de grafito modificado con AgNWs la
enzima que cataliza los procesos redox del compuesto de intereacutes
(butirilcolinesterasa) y un poliacutemero conductor que sirve de soporte para dicha
enzima El comportamiento del sensor fue evaluado mediante amperometriacutea a
traveacutes de la inmersioacuten del electrodo en muestras de leche con paraoxoacuten El
equipo concluyoacute que la presencia de los AgNWs a una concentracioacuten especiacutefica
junto con el poliacutemero conductor contribuiacutea a mejorar la sensibilidad
selectividad y estabilidad de la enzima en el electrodo [115]
Por su repercusioacuten en el presente trabajo tambieacuten es de intereacutes sentildealar el
desarrollo de electrodos que han sido modificados con AgNWs y que se han
empleado para la deteccioacuten de azuacutecares V H Luan et al desarrollaron un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de glucosa analito de gran intereacutes en
la industria alimentaria y en medicina El sistema sensor contaba con un
electrodo de trabajo de carboacuten viacutetreo modificado con AgNWs y grafeno La
sensibilidad del sensor fue evaluada a traveacutes de amperometriacutea en este estudio
se concluyoacute que los AgNWs combinados con el grafeno mejoraban
significativamente la sensibilidad del mismo debido a su actividad
electrocataliacutetica [116]
Finalmente un biosensor elaborado para la monitorizacioacuten de glucosa fue
fabricado por X Jang et al El equipo de investigacioacuten obtuvo un sensor para la
51
monitorizacioacuten de glucosa a traveacutes de la deteccioacuten de H2O2 (la enzima glucosa
oxidasa con oxiacutegeno genera peroacutexidos) cuyo funcionamiento se evaluoacute
mediante voltametriacutea ciacuteclica El sistema sensor contaba con un electrodo de
trabajo de carboacuten vitreo modificado con AgNWs los cuales funcionaron como
agentes electrocataliacuteticos de los procesos de reduccioacuten del H2O2 que teniacutean
lugar en la celda electroliacutetica Los AgNWs mejoraron la transferencia electroacutenica
de los electrones de la solucioacuten al electrodo y demostraron una mejora en la
intensidad de los picos catoacutedico mostrados en el voltamograma
correspondiente a los procesos de reduccioacuten del H2O2 [117]
2521 Siacutentesis de AgNWs
Existen una gran variedad de meacutetodos de obtencioacuten de AgNWs que se han ido
perfeccionando a lo largo de estos uacuteltimos antildeos ya que el meacutetodo de
fabricacioacuten influye en su organizacioacuten estructural y en su dimensioacuten Los
procesos de fabricacioacuten de AgNWs se pueden clasificar en meacutetodos fiacutesicos y
meacutetodos quiacutemicos
Los meacutetodos fiacutesicos se fundamentan en procesos de pulverizacioacuten mecaacutenica
los AgNWs obtenidos mediante este tipo de teacutecnicas no son uniformes y
presentan impurezas por lo que estos meacutetodos actualmente ya no se emplean
[121]
Los meacutetodos quiacutemicos se caracterizan por ser procesos relativamente sencillos
y aplicables a gran escala entre los maacutes destacados estaacuten el empleo de
plantillas el meacutetodo poliol o la fotorreduccioacuten por radiacioacuten ultravioleta entre
otros procesos [121]
Entre los meacutetodos descritos el meacutetodo poliol destaca por ser un meacutetodo
sencillo de bajo coste y muy eficiente Por estas razones esta teacutecnica
constituye uno de los procesos maacutes utilizados para la siacutentesis de AgNWs [121]
bull Meacutetodo poliol
Un poliol es un compuesto orgaacutenico que presenta varios grupos hidroxilo el
poliol empleado por excelencia en la siacutentesis de AgNWs es el etilenglicol (EG)
El meacutetodo poliol consiste en llevar a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten de una sal
metaacutelica mediante la aplicacioacuten de calor en presencia de un poliol [120]
52
En este proceso se utiliza un agente reductor un solvente un agente precursor
y una sal El EG presenta una funcioacuten doble por un lado actuacutea como reductor
y por otro lado actuacutea como disolvente La polivinilpirrolidona (PVP) se utiliza
como agente de recubrimiento para controlar el crecimiento anisoacutetropo de los
aacutetomos de plata y ademaacutes evita que se formen agregados de nanopartiacuteculas
(NPs) Por uacuteltimo el nitrato de plata (AgNO3) es el agente precursor encargado
de proporcionar los iones de plata (Ag+) para la siacutentesis de AgNWs [121] [120]
En mayor detalle el meacutetodo poliol comienza con la reaccioacuten de reduccioacuten de
una sal metaacutelica (CuCl2) en presencia de glicolaldehiacutedo (GA) este compuesto
es un agente reductor obtenido de la reaccioacuten de oxidacioacuten del EG cuando se
alcanza una temperatura de reaccioacuten proacutexima a 160ordmC [121] A continuacioacuten
se antildeaden simultaacuteneamente la sal de AgNO3 y el PVP durante este momento
manteniendo la temperatura de reaccioacuten constante la velocidad de agitacioacuten
y la relacioacuten molar [PVP AgNO3] antildeadida se puede controlar un mecanismo de
formacioacuten homogeacuteneo de los AgNWs [121]
El proceso de siacutentesis de AgNWs se puede seguir a simple vista debido a los
cambios de coloracioacuten que toma la disolucioacuten a medida que los AgNWs crecen
este fenoacutemeno es debido a que las nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) presentes
en la solucioacuten absorben la radiacioacuten electromagneacutetica de una longitud de onda
cercana a 400 nm haciendo que eacutesta adquiere un color amarillento [132]
El proceso de crecimiento de los AgNWs comienza a partir del mecanismo de
nucleacioacuten de los aacutetomos de plata (Ag0) presentes en la solucioacuten los cuales
proceden de la reaccioacuten de reduccioacuten de los iones Ag+ en presencia de EG
[113] Los Ag0 comienzan a nuclearse dando lugar a AgNPs de distintos
tamantildeos y morfologiacuteas Durante este momento la actuacioacuten del PVP es vital
para evitar que se formen agregados de las mismas [113] [120] [133]
A medida que evoluciona la reaccioacuten con los paraacutemetros de temperatura y
velocidad de agitacioacuten fijados como las AgNPs maacutes pequentildeas no son estables
(necesitan una energiacutea superficial mayor) comienzan a disolverse favoreciendo
el crecimiento de las AgNPs maacutes grandes siguiendo el proceso denominado
ldquomaduracioacuten de Ostwaldrdquo [113] Posteriormente gracias a la adsorcioacuten del PVP
sobre la superficie de los cristales que forman las AgNPs se promueve el
crecimiento anisotroacutepico de los mismos de manera que se produce la evolucioacuten
de las AgNPs maacutes grandes a nanobarras o ldquonanorodsrdquo (son otras estructuras
1D distintas de los AgNWs) Finalmente el crecimiento de las nanobarras da
lugar a la formacioacuten de los AgNWs durante esta etapa el PVP evita que los
AgNWs se agreguen [113] [120]
El resultado final es una disolucioacuten que contiene los AgNWs y una dispersioacuten
de las AgNPs maacutes grandes [97] Para la obtencioacuten pura de los AgNWs las NPs
53
se eliminan al finalizar el proceso de siacutentesis por medio de teacutecnicas de
centrifugacioacuten
Figura 10 Proceso de crecimiento de los AgNWs
En la figura 10 se muestran las 4 etapas que se corresponden con el
crecimiento de los cristales que forman los AgNWs En primer lugar la solucioacuten
estaacute formada por aacutetomos de plata Ag0 procedentes de la reaccioacuten de reduccioacuten
de los iones Ag+ en presencia de EG posteriormente se forman cristales de
geometriacutea pentagonal (nuacutecleos) que crecen en forma de nanobarras Este
fenoacutemeno es debido a que las moleacuteculas de PVP son adsorbidas y pasivan el
plano del cristal [100] de las AgNPs por lo que la fortaleza del enlace entre el
PVP y el plano cristalograacutefico [100] prioriza el crecimiento del cristal a lo largo
de la direccioacuten [111] formando nanobarras de una seccioacuten pentagonal
Finalmente tiene lugar el crecimiento de los AgNWs a lo largo de la direccioacuten
longitudinal [120] [134]
Figura 11 Representacioacuten de los planos cristalograacuteficos [111] y [100] de una ldquonanobarrardquo
El meacutetodo poliol puede presentar distintas variantes en funcioacuten de las
condiciones de siacutentesis empleadas es decir la utilizacioacuten de distintas sales
las concentraciones que se empleen la temperatura la velocidad de agitacioacuten
etc Dichas caracteriacutesticas afectan significativamente al proceso de obtencioacuten
54
de los AgNWs [120] [121] a continuacioacuten se describen los paraacutemetros maacutes
representativos que afectan a la formacioacuten y crecimiento de los AgNWs
Temperatura y tiempo de reaccioacuten
El poder de reduccioacuten del etilenglicol aumenta con la temperatura es decir la
reaccioacuten de oxidacioacuten del EG para dar lugar al GA se ve favorecida por las altas
temperaturas [113] [120] [121] Por esta razoacuten la temperatura del
mecanismo de reaccioacuten de la siacutentesis de los AgNWs generalmente se lleva a
cabo a 160ordmC durante 1h asiacute se consiguen obtener AgNWs de eleva longitud
[120] [121] Se ha comprobado que llevando a cabo el proceso de reaccioacuten a
temperaturas inferiores (100 ordmC) la longitud de los AgNWs disminuye y no llegan
a alcanzar el tamantildeo adecuado debido a que no se proporciona la energiacutea
suficiente para su crecimiento Por consiguiente sus propiedades se veriacutean
afectadas como por ejemplo se obtendriacutea un menor aacuterea efectiva o
disminuiriacutea la capacidad conductora de los AgNWs lo cual es indeseable [120]
Por otro lado cuando se alcanzan temperaturas maacutes elevadas (185ordmC) en la
reaccioacuten de oxidacioacuten para dar lugar a GA el producto de siacutentesis final del
meacutetodo polio seriacutean nanobarras en lugar de los AgNWs [121]
El tiempo de obtencioacuten de los AgNWs tambieacuten depende de la temperatura
Cuanto menor es la temperatura mayor es el tiempo requerido para que tenga
lugar la formacioacuten de los AgNWs ya que la reaccioacuten para dar lugar a GA no se
ve favorecida a temperaturas bajas [120] [121] Por esta razoacuten se ha
comprobado que trabajando a una temperatura de 160 ordmC los AgNWs alcanzan
su tamantildeo oacuteptimo en 1h [121]
Influencia de la Polivinilpirrolidona (PVP) y del nitrato de plata
(AgNO3)
La PVP es el poliacutemero empleado por excelencia como agente de recubrimiento
por sus buenos resultados [113] [120] [121] Su efectividad se asocia a la
presencia de determinados aacutetomos en su cadena polimeacuterica el nitroacutegeno y
oxiacutegeno que hacen que pueda ser adsorbido selectivamente sobre la superficie
de las AgNPs de esta manera ralentiza la tasa de crecimiento de las AgNPs y
favorece la formacioacuten de AgNWs [120][121] El AgNO3 es el agente que
proporciona los iones Ag+ por lo que la concentracioacuten que se antildeada tambieacuten
determinaraacute la forma de crecimiento de los AgNWs [121]
55
La concentracioacuten empleada de PVP es un factor vital que afecta directamente
a la morfologiacutea de los AgNWs ademaacutes no es un factor tratado de manera
independiente puesto que generalmente va ligado con la concentracioacuten del
AgNO3 empleada Es decir se busca un ratio molar [PVPAgNO3] que
proporcione los AgNWs con las caracteriacutesticas deseadas [121] Cuanto mayor
sea la concentracioacuten de PVP (mayor ratio manteniendo la concentracioacuten de
AgNO3 constante) se obtendraacuten AgNWs maacutes largos y de menor diaacutemetro [121]
Por otro lado cuanto mayor sea la concentracioacuten del AgNO3 se formaraacuten AgNWs
maacutes cortos y gruesos lo cual es indeseable por la obtencioacuten de AgNWs de
menor aacuterea efectiva [121]
El grado de polimerizacioacuten del PVP tambieacuten afecta significativamente a la
formacioacuten de AgNWs Largas cadenas del poliacutemero proporcionan AgNWs con
una relacioacuten LongitudDiaacutemetro mayor [120]
Influencia de la Sal metaacutelica empleada
La adiccioacuten de una sal metaacutelica es importante ya que su presencia afecta en la
morfologiacutea y al rendimiento de siacutentesis de los AgNWs En este paraacutemetro
difieren la mayoriacutea de los procesos de formacioacuten de AgNWs basados en el
meacutetodo poliol puesto que las sales que se pueden emplear son varias como el
NaCl KBr y CuCl CuCl2 [121]
Las sales que proporcionan los iones cloruro presentan importancia en la
morfologiacutea y formacioacuten de AgNWs Su intereacutes se debe a que son sustancias que
se coordinan con los nuacutecleos de plata evitando que se formen agregados de
Nps Dicho suceso es importante ya que constituye el mecanismo primario para
el crecimiento de las AgNPs [120]
El meacutetodo de adiccioacuten de los reactivos
El modo de adiccioacuten de los reactivos es un factor importante ya que afecta a la
formacioacuten de los AgNWs generalmente se puede llevar a cabo de dos maneras
diferentes La primera forma consiste en antildeadir los reactivos con una bomba
peristaacuteltica cuando se alcanza la temperatura de reaccioacuten deseada de esta
manera se controla el tamantildeo de los AgNWs mediante el ajuste de la velocidad
de la bomba La segunda forma consiste en mezclar todos los reactivos a
temperatura ambiente sin esperar a que el sistema alcance la temperatura de
reaccioacuten [120] Este uacuteltimo meacutetodo es el menos utilizado debido a que se
56
pueden formar agregados de los aacutetomos de plata lo cual es indeseable para la
formacioacuten de los AgNWs [120]
Agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten
La velocidad de agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten es un factor
importante ya que afecta a la morfologiacutea de los AgNWs Para comprobar su
efecto se han llevado a cabo estudios donde se variacutea la velocidad de agitacioacuten
para obtener un valor oacuteptimo Se ha comprobado que utilizando una velocidad
de agitacioacuten demasiado alta (500-700 rpm) el producto final obtenido son
nanobarras lo cual es indeseable ya que no se obtienen AgNWs Con
velocidades de agitacioacuten inferiores se obtienen AgNWs con una relacioacuten
LongitudDiaacutemetro elevada [133]
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs
El proceso de siacutentesis de los AgNWs afecta significativamente a su forma y
tamantildeo repercutiendo estos directamente en sus propiedades Debido a la
importancia que esto genera son varias las teacutecnicas empleadas para su
caracterizacioacuten entre ellas destacan la espectroscopiacutea de rayos-X de energiacutea
dispersiva o ldquoEnergy-Dispersive X-ray Spectroscopyrdquo (EDX) difraccioacuten de rayos-
X o ldquoX-ray Diffractionrdquo (DRX) microscopiacutea electroacutenica de barrido o ldquoScanning
Electron Microscopyrdquo (SEM) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten o ldquo
transmission electron miscroscoperdquo (TEM) microscopiacutea de fuerza atoacutemica o
ldquoAtomic force spectroscopyrdquo (AFM) y la espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta
visible o ldquo UV-VIS absorption spectrometryrdquo (UV-VIS) entre otras [135] [130]
En el presente trabajo de investigacioacuten se ha llevado a cabo un estudio de las
caracteriacutesticas morfoloacutegicas dimensionales y oacutepticas de los AgNWs
sintetizados Con el empleo del AFM se obtuvo informacioacuten de las
caracteriacutesticas dimensionales de los AgNWs por otro lado se emplearon
teacutecnicas oacutepticas de espectroscopiacutea UV-VIS para obtener informacioacuten sobre el
plasmoacuten de resonancia de los AgNWs Finalmente se utilizoacute la DRX para
realizar un anaacutelisis estructural de los AgNWs
En los apartados siguientes se lleva a cabo una descripcioacuten detallada de cada
una de las teacutecnicas empleadas
25221 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
57
El microscopio de fuerza atoacutemica es un instrumento donde se combina la
mecaacutenica y la oacuteptica estaacute formado por una punta muy fina que guarda una
estrecha distancia (nanomeacutetrica) con la superficie que va a recorrer La punta
se encuentra acoplada a un cantilever un soporte de un material
(generalmente) piezoeleacutectrico de una longitud del orden de microacutemetros Este
instrumento funciona como un muelle que se flexiona en funcioacuten de las fuerzas
de interaccioacuten entre la punta y la muestra [136] [137]
La imagen de la muestra se obtiene cuando la punta recorre su superficie de
manera que se establecen fuerzas de interaccioacuten entre la punta y eacutesta [136]
Estas fuerzas provocan la flexioacuten del cantilever que recorre la muestra
realizando un escaneo en un sistema de coordenadas tridimensional (x y z)
como se trata de un material piezoeleacutectrico presenta la capacidad de alargarse
o acortarse en funcioacuten del voltaje que reciba El movimiento del cantilever es
registrado por un haz laacuteser rojo que incide sobre eacuteste de manera que sus
desviaciones son refractadas sobre el cantilever hacia un fotodetector y la
informacioacuten es interpretada por un software proporcionando una imagen de la
muestra estudiada [136] [138]
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica presenta la gran ventaja de ser capaz de
obtener informacioacuten de la muestra sin la necesidad de que intervengan
meacutetodos eleacutectricos esto hace que se puedan utilizar una gran variedad de
muestras tanto conductoras como no conductoras Por ello la naturaleza de
la muestra es diversa pudiendo ser un soacutelido polvo muestras bioloacutegicas e
incluso se pueden emplear liacutequidos [138] Ademaacutes no requiere trabajar a vaciacuteo
como otras teacutecnicas de anaacutelisis instrumental y el tratamiento previo de la
muestra es miacutenimo o ninguno lo que hace que el AFM sea un instrumento muy
empleado en el anaacutelisis de nanomateriales [138]
A continuacioacuten en la figura 12 se muestra una imagen simplificada del
funcionamiento del AFM [138]
Figura 12 Esquema de funcionamiento de un Microscopio de fuerza atoacutemica
58
El modo de operar del AFM se basa en los siguientes modos de contacto entre
el cantilever y la muestra
bull Meacutetodo de contacto
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica por contacto directo es el mecanismo de
funcionamiento maacutes simple del microscopio En este meacutetodo la punta se
encuentra en contacto constante (muy suave) con la superficie de la muestra
de manera que las fuerzas que se dan por la interaccioacuten entre la punta y la
muestra son suficientes para alargar o comprimir el cantilever En este punto
pueden actuar tres tipos de fuerzas las fuerzas de Van der Waals son las
resultantes de la interaccioacuten entre la punta y la muestra Las fuerzas de
capilaridad (en el medio todos los materiales presentan una ligera peliacutecula de
agua) y por uacuteltimo las fuerza ejercida por el propio movimiento del cantilever
sobre la muestra [136] [139]
A pesar de que se trata de un meacutetodo sencillo presenta varias desventajas
como el ruido debido al contacto interferencias en los resultados por la
aparicioacuten de fuerzas no deseadas y el desgaste o posible destruccioacuten de la
punta [136]
bull Contacto intermitente (ldquotapping moderdquo)
La principal diferencia con respecto al anterior modo de funcionamiento es que
en este meacutetodo en lugar de arrastrar la punta se ejerce un contacto
intermitente que se puede controlar con tres paraacutemetros tiacutepicos de la oscilacioacuten
de una onda frecuencia amplitud y fase de la onda [136] El cantilever se hace
oscilar a una frecuencia fija y la amplitud se mantiene variable siendo el orden
de variacioacuten de decenas de nm Cuando la punta se acerca a la superficie se
ejercen fuerzas de interaccioacuten entre ambas cambiando los paraacutemetros de
oscilacioacuten del cantilever [136] La amplitud (relativamente amplia) que se le da
al sensor permite llevar a cabo este mecanismo de contacto intermitente por
este motivo recibe el nombre de AM-AFM (modulacioacuten de amplitud) [136]
Con este meacutetodo se reducen los efectos de friccioacuten en la punta se obtienen
medidas muy estables y ademaacutes permite obtener imaacutegenes de alta resolucioacuten
con una exactitud nanomeacutetrica [136] Por estas razones este modo de operar
constituye el meacutetodo maacutes utilizado y sobre el que se han implantado
59
importantes innovaciones tecnoloacutegicas En este contexto se ha incorporado al
microscopio un segundo laacuteser denominado ldquoblue driverdquo cuya actuacioacuten se
complementa con el laacuteser rojo inicial En este caso el movimiento del soporte
en el que se encuentra el cantilever no se debe a fenoacutemenos piezoeleacutectricos
sino que se produce por un calentamiento del cantilever a este fenoacutemeno se
le denomina excitacioacuten fototeacutermica El calentamiento provoca el movimiento
mecaacutenico del cantilever cuya frecuencia y amplitud de oscilacioacuten pueden ser
regulados con la potencia del laacuteser [140]
El blue drive proporciona imaacutegenes mucho maacutes raacutepidas precisas estables y
de mayor resolucioacuten de todo tipos de muestras tanto en medios soacutelidos como
en liacutequidos estas extraordinarias caracteriacutesticas le convierten en un
instrumento predilecto en el campo de la nanotecnologiacutea [140]
En el presente trabajo de investigacioacuten se contoacute con un AFM de estas
caracteriacutesticas gracias al cual se pudo llevar a cabo un estudio de la
morfologiacutea de los AgNWs
bull Meacutetodo de no contacto
En el meacutetodo de no contacto la punta no se arrastra sobre la muestra en
cambio se hace vibrar al cantilever en su frecuencia de resonancia fijaacutendole
una amplitud entre 1Aring hasta nanoacutemetros respecto de la muestra por ello
tambieacuten se denomina FM-AFM (modulacioacuten de frecuencia) [136] La distancia
nanomeacutetrica que mantiene separados la punta y la muestra es suficiente como
para que se establezcan fuerzas de repulsioacuten [136]
Otra de las ventajas que presenta la microscopiacutea de fuerza atoacutemica en el
anaacutelisis de materiales es que ademaacutes de obtener imaacutegenes proporciona
informacioacuten acerca de las caracteriacutesticas de fuerza de la muestra Las medidas
de fuerza se obtienen cuando la punta con la que se rastrea la muestra se
mantiene fija (meacutetodo de contacto) de manera que se puede extraer
informacioacuten uacutetil de las propiedades mecaacutenicas del material [141]
La informacioacuten se consigue mediante la representacioacuten graacutefica de la fuerza en
funcioacuten de la distancia a la muestra donde se tienen en cuenta las fuerzas de
repulsioacuten las cuales son debidas a una distancia muy proacutexima ente la punta y
la muestra y las fuerzas de atraccioacuten que tiene lugar cuando la punta se aleja
de la muestra [141] El resultado final es una graacutefica en forma de curva a partir
de la cual se obtiene informacioacuten de la dureza de un material [141]
60
25222 Teacutecnicas espectroscoacutepicas UV-VIS y DRX
La espectroscopiacutea es una teacutecnica de anaacutelisis instrumental que mide la
interaccioacuten de la materia con la radiacioacuten electromagneacutetica [142]
La radiacioacuten electromagneacutetica se puede explicar mediante dos teoriacuteas la teoriacutea
ondulatoria que establece que la luz se transmite describiendo ondas en el
espacio y la teoriacutea corpuscular la cual explica que la luz estaacute formada por
fotones La energiacutea de la radiacioacuten viene dada por la ecuacioacuten de Planck [143]
119864 = ℎ ∙ 119907 = ℎ ∙ 119888 ∙ 1120582
(5)
Ecuacioacuten 5 Ley de Planck
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull h es la constante de Planck (kg m2s)
bull v es la frecuencia (m-1)
bull 120582 es longitud de onda (m)
bull 119888 es la velocidad de la luz (ms)
La radiacioacuten comprende un espectro de diferentes longitudes de onda desde
frecuencias altas (ondas de radio) hasta frecuencias muy bajas (rayos gamma)
Cuando esta energiacutea incide sobre la materia la radiacioacuten sufre diferentes
procesos absorcioacuten transmisioacuten reflexioacuten refraccioacuten y dispersioacuten [144]
Existen diferentes teacutecnicas en funcioacuten de los procesos que sufre la luz como
son la espectroscopiacutea de absorcioacuten (radiacioacuten absorbida por la muestra) la
espectroscopiacutea de emisioacuten (radiacioacuten que emite una muestra al ser excitada) o
los meacutetodos de fluorescencia (radiacioacuten que emite la muestra cuando ha sido
excitada por radiacioacuten electromagneacutetica) [145]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten se basa en las leyes de la transmitancia y
absorbancia La transmitancia (T) es un paraacutemetro fiacutesico que indica la parte de
la energiacutea que ha sido transmitida y que es detectada por el detector una vez
61
la radiacioacuten haya atravesado la disolucioacuten La absorbancia (A) indica la
cantidad de luz absorbida por la muestra [146]
La transmitancia de una sustancia se obtiene a partir de la Ley de la
transmitancia expresada como [146]
119879 = 119868119879 119868119874
( 6)
Ecuacioacuten 6 Ley de la Transmitancia
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull IT es la cantidad de energiacutea transmitida al receptor una vez ha
atravesado la muestra
bull I0 es la cantidad de energiacutea que incide sobre la muestra
La absorbancia (A) de una sustancia se calcula a traveacutes de la transmitancia
mediante la siguiente expresioacuten [146]
119860 = 119897119900119892 (1
119879)
(7)
Ecuacioacuten 7 Caacutelculo de la absorbancia
-Espectroscopiacutea Ultravioleta-Visible (UV-VIS)
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS es una de las teacutecnicas de anaacutelisis maacutes
empleadas debido a que sus mediciones espectroscoacutepicas son muy sensibles
y no destructivas ademaacutes requiere de pequentildeas cantidades de muestra para
llevar a cabo un anaacutelisis quiacutemico [142]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS se basa en la absorcioacuten de la radiacioacuten
ultravioleta visible cuando un haz de luz atraviesa la solucioacuten en la que se
encuentra el analito La regioacuten espectral de la radiacioacuten ultravioleta visible
comprende una pequentildea regioacuten de todo el espectro electromagneacutetico donde
la luz visible alcanza las longitudes de onda entre 400 nm y 780 nm y el
ultravioleta la regioacuten entre 195 nm - 400 nm [143] [144]
62
Figura 13 Espectro electromagneacutetico correspondiente a las longitudes de onda de la regioacuten UV-VIS
La regioacuten visible es aquella parte de la radiacioacuten electromagneacutetica que puede
ser percibida por el ojo humano y gracias a ella se puede apreciar el color que
presenta una disolucioacuten [146] [147]
La regioacuten ultravioleta es una regioacuten de energiacutea muy alta y se corresponde con
una parte del espectro muy importante en el estudio y cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos Debido a que los compuestos quiacutemicos con enlaces
dobles triples enlaces peptiacutedicos compuestos aromaacuteticos y heteroaacutetomos
(aacutetomos que no son ni carbono ni hidroacutegeno) presentan sus maacuteximos de
absorbancia en dicha regioacuten [147]
El espectro de la regioacuten ultravioleta comprende las siguientes regiones
ultravioleta cercano o UV-A (es la regioacuten maacutes proacutexima a la regioacuten del espectro
visible su energiacutea de radiacioacuten fluctuacutea entre 315 nm y 400 nm) UV lejano o
UV-B (presenta un rango de radiacioacuten entre 280 nm y 315 nm) UV extremo o
UV-C (presenta un rango de radiacioacuten entre 100 nm y 280 nm) y finalmente el
UV de vaciacuteo ( es la regioacuten del espectro UV que presenta un intervalo de longitud
de onda menor comprendido entre 200 nm y 10 119899119898) [148]
El meacutetodo de absorcioacuten UV-VIS se basa en la incidencia de la radiacioacuten
electromagneacutetica con una determinada longitud de onda sobre la muestra
parte de la energiacutea es absorbida lo que provoca transiciones electroacutenicas entre
diferentes niveles energeacuteticos Debido a ello el aacutetomo que absorbe la radiacioacuten
pasa de su estado fundamental a un estado excitado de mayor energiacutea y
transcurrido un tiempo retorna a su estado energeacutetico basal (estado de menor
energiacutea) emitiendo radiacioacuten [144]
En la figura 14 se muestran las transiciones electroacutenicas que tienen lugar en la
regioacuten del espectro UV-VIS Estas transiciones se producen desde la banda de
valencia donde se encuentran los electrones hasta una nivel de energiacutea
superior [149]
63
Figura 14 Orbital molecular de la banda de valencia y transiciones electroacutenicas
Las transiciones electroacutenicas que pueden tener lugar son
bull σ rarr σ la transicioacuten del orbital sigma al orbital sigma antienlazante la
presentan la gran mayoriacutea de compuestos orgaacutenicos e implica una gran
cantidad de energiacutea e intensidad Estas transiciones se producen en la
regioacuten del UV de vaciacuteo y la regioacuten del UV lejano [149]
bull n rarrσ la transicioacuten electroacutenica del orbital molecular n al orbital σ se
da en compuestos que tienen heteroaacutetomos (los maacutes comunes son O
N S y haloacutegenos) a una longitud de onda de 200 nm Los compuestos
con azufre y yodo dan maacuteximos de absorbancia en la regioacuten UV-cercano
[149]
bull 120645 rarr 120645 lowast estos orbitales moleculares se encuentran en moleacuteculas que
presentan enlaces muacuteltiples como alquenos alquinos o compuestos
aromaacuteticos La transicioacuten electroacutenica del orbital 120645 al orbital 120645 lowast se puede
apreciar en la regioacuten del UV-lejano Tambieacuten hay compuestos que
pueden dar bandas de absorcioacuten en el UV-cercano si el compuesto
orgaacutenico presenta una insaturacioacuten conjugada (compuestos como el
fenol o furano) [149]
bull 119951 rarr 120645 lowast las transiciones electroacutenicas del orbital n al orbital 120645 lowast tienen
lugar en compuestos insaturados con heteroaacutetomos y se producen en
sustancias que dan bandas de absorcioacuten en la regioacuten del UV cercano
[149]
64
Cuando se lleva a cabo el anaacutelisis de la muestra por espectroscopiacutea de
absorcioacuten UV-VIS hay que tener en cuenta el tipo de celda en la que se introduce
la muestra Generalmente se utilizan cubetas de base cuadrada siendo dos de
sus paredes transparentes a la radiacioacuten en el rango de longitudes de onda en
el que se trabaje (ya que la luz atravesaraacute estas paredes) por ello el material
empleado en espectroscopiacutea UV suele ser el cuarzo [150]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS generalmente se lleva a cabo con la
especie quiacutemica disuelta en un disolvente Calculando la cantidad de energiacutea
absorbida o transmitida por la muestra se puede obtener la concentracioacuten de
analito presente en la solucioacuten a traveacutes de la ley de Lambert-Beer (ecuacioacuten 8)
Dicha ley relaciona la cantidad de energiacutea que ha sido absorbida con la
concentracioacuten de analito que hay en la muestra [146]
119860 = 휀 ∙ 119888 ∙ 119897
(8)
Ecuacioacuten 8 Ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [145]
bull A es la absorbancia y es un paraacutemetro adimensional
bull 휀 es el coeficiente de extincioacuten molar o absortividad Es caracteriacutestico
de cada sustancia y se corresponde con la cantidad de energiacutea que
absorbe una sustancia a una longitud de onda determinada por unidad
de concentracioacuten (119872minus1 ∙ 119888119898minus1)
bull 119888 es la concentracioacuten molar del analito en la muestra (M)
bull l es el camino oacuteptico anchura de la ceacutelula que contiene a la disolucioacuten
(cm)
A traveacutes de la ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer se deduce que la absorbancia
depende del nuacutemero de moleacuteculas que hay en la muestra por lo que cuanto
mayor es su concentracioacuten mayor es la interaccioacuten de la luz con eacutestas Del
camino oacuteptico cuanto mayor es la distancia que recorre la luz a traveacutes de la
muestra mayor es la interaccioacuten con eacutesta De la naturaleza quiacutemica de la
muestra y finalmente tambieacuten depende de la intensidad y de la longitud de
onda de la radiacioacuten electromagneacutetica que incida sobre la muestra [143]
[146]
65
La ley de Lambert-Beer se cumple uacutenicamente para disoluciones diluidas a
concentraciones elevadas la disolucioacuten deja de comportarse de manera ideal
Esto supone que el coeficiente de extincioacuten molar (ε) variacutee con la concentracioacuten
debido a fenoacutemenos asociados con la dispersioacuten de la luz agregaciones de
sustancia etc En consecuencia la relacioacuten entre la absorbancia y la
concentracioacuten deja de tener un comportamiento lineal tal y como se muestra
en la figura 15 [146] [151]
Figura 15 A Recta de la ecuacioacuten de la Ley de Lambert-Beer y B representacioacuten de las desviaciones de la ley de Lambert- Bee
La espectroscopiacutea UV-VIS ha sido muy utilizada en el anaacutelisis cualitativo y
cuantitativo por su sencillez y utilidad En el anaacutelisis cualitativo se usa para la
determinacioacuten y caracterizacioacuten de biomoleacuteculas ya que la longitud de onda a
la que una sustancia puede absorber es una propiedad caracteriacutestica de cada
grupo funcional En el anaacutelisis cuantitativo se usa en la cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos e inorgaacutenicos ya que proporciona una alta sensibilidad
y buena precisioacuten [152]
En el campo de la nanotecnologiacutea dicha teacutecnica constituye una herramienta
muy valiosa para identificar caracterizar y estudiar nanomateriales debido a
que las nanopartiacuteculas o nanohilos de ciertos metales presentan propiedades
oacutepticas sensibles a su tamantildeo y forma [153] Cuando un haz de luz incide sobre
ellos interactuacutean con la radiacioacuten emitiendo a una determinada longitud de
onda dando lugar a fenoacutemenos oacutepticos de intereacutes [153] Por ejemplo las
resonancias de plasmoacuten superficial son fenoacutemenos dependientes de la
geometriacutea de los nanomateriales y se producen en respuesta a una excitacioacuten
electromagneacutetica que incide sobre ellos [154]
Los AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso en la regioacuten UV-
VIS y debido a la repercusioacuten que tienen sus caracteriacutesticas morfoloacutegicas en
sus propiedades se han realizado estudios donde se ha comprobado que en
66
funcioacuten de la morfologiacutea de los AgNWs el plasmoacuten de resonancia variacutea [154]
Se ha demostrado que en AgNWs con una seccioacuten pentagonal se obtiene un
plasmoacuten de resonancia formado por dos bandas de absorcioacuten bien
diferenciadas en longitudes de onda proacuteximas a 361 nm (maacutes intenso) y 345
nm (menos intenso) En cambio en AgNWs con una seccioacuten circular el espectro
tiene una sola banda de absorcioacuten Finalmente en el anaacutelisis del espectro de
los AgNWs con una seccioacuten triangular se obtienen 3 bandas de absorcioacuten [154]
Por consiguiente el plasmoacuten de resonancia obtenido a partir de espectroscopiacutea
UV-VIS resulta de gran intereacutes en el estudio de ciertos nanomateriales como
los AgNWs ya que se puede relacionar con las caracteriacutesticas morfoloacutegicas de
los mismos
-Difraccioacuten de rayos-X (DRX)
La difraccioacuten de rayos-X es una de las teacutecnicas de anaacutelisis instrumental maacutes
empleadas para la caracterizacioacuten de materiales pues aporta informacioacuten
sobre sus caracteriacutesticas estructurales (estructura orientacioacuten de los cristales
grado de cristalinidad defectos en la estructura cristalina etc) y de su
composicioacuten quiacutemica Su mayor importancia en la nanotecnologiacutea radica en
que permite caracterizar de manera no destructiva los nanomateriales a
traveacutes de un estudio de la cristalinidad de su estructura [155] [156]
La teacutecnica DRX consiste en la emisioacuten de una radiacioacuten electromagneacutetica
filtrada de esta manera se consigue un haz de luz monocromaacutetico dirigido
hacia la muestra Los picos del espectro obtenidos son consecuencia de la
interaccioacuten producida entre los rayos-X que inciden y la muestra lo que da lugar
a la refraccioacuten de un haz de luz que uacutenicamente tiene lugar cuando se cumple
la ley de Bragg [155] [156]
La ley de Bragg (ecuacioacuten 9) relaciona la longitud de onda de los rayos-X con el
aacutengulo del haz refractado y el espacio interplanar de la muestra [155]
119899 ∙ 120582 = 2 ∙ 119889 ∙ 119904119890119899(120579)
(9)
Ecuacioacuten 9 Ley de Bragg
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [155]
67
bull n es un nuacutemero entero
bull 120582 es la longitud de onda de los rayos-X que inciden sobre la muestra
bull 119889 es el espacio comprendido entre las filas de aacutetomos
bull 120579 es el aacutengulo que los rayos-X forman con el plano de las filas de aacutetomos
El espectro de difraccioacuten que se obtiene es caracteriacutestico de cada compuesto
lo que permite el anaacutelisis cualitativo de sustancias quiacutemicas En este proceso
se compara el patroacuten obtenido del espectro con patrones conocidos de esta
manera se puede lograr la determinacioacuten estructural de muestras cuya
composicioacuten es desconocida [155] Por esta razoacuten la teacutecnica DRX es de gran
utilidad en el campo de la nanotecnologiacutea ya que puede ser empleada para
caracterizar la estructura de nanomateriales mediante su excitacioacuten por rayos-
X
Los AgNWs presentan un patroacuten de difraccioacuten de rayos-X muy caracteriacutestico que
es utilizado para estudiar su estructura y cristalinidad ya que a traveacutes de eacutel se
obtiene informacioacuten de la orientacioacuten cristalograacutefica de los cristales que
componen dichos nanomateriales Generalmente los AgNWs presentan
espectros de difraccioacuten en los planos cristalograacuteficos [111] [200] [220] [311]
y [222] donde la intensidad de cada uno de ellos dependeraacute de la orientacioacuten
de los cristales que los compongan [157]
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas
La electroquiacutemica es la rama de la quiacutemica y la fiacutesica que estudia la relacioacuten
entre las caracteriacutesticas eleacutectricas y los cambios quiacutemicos que se producen en
una solucioacuten Esta teacutecnica es empleada en una gran variedad de campos
dentro de los cuales destacan el diagnoacutestico cliacutenico el anaacutelisis ambiental y el
control de calidad en la industria alimentaria [158] Actualmente y por su
implicacioacuten en el presente trabajo cabe destacar la vinculacioacuten que se ha
establecido entre el campo de la electroquiacutemica y la nanotecnologiacutea estaacute
combinacioacuten ha contribuido al desarrollo de nuevos sensores electroquiacutemicos
como son los MIPs con propiedades conductoras [159]
Un proceso electroquiacutemico implica un intercambio de electrones entre el
electrodo y la especie que se encuentra en la solucioacuten consecuencia de los
procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda electroquiacutemica
68
(en una reaccioacuten de oxidacioacuten la especie pierde electrones mientras que en un
proceso de reduccioacuten gana electrones)
La celda electroquiacutemica se puede clasificar en dos tipos de celda en funcioacuten de
coacutemo tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten Si se produce una
reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea que genera un flujo de corriente eleacutectrica se
denomina celda galvaacutenica Por el contrario si se emplea una fuente externa
(por ejemplo un potenciostato) que proporciona electricidad para provocar la
reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten de una especie se denomina celda
electroliacutetica En ambas celdas la oxidacioacuten tiene lugar en el aacutenodo y la
reduccioacuten tiene lugar en el caacutetodo por lo que la reaccioacuten de oxidacioacuten-
reduccioacuten da lugar a una diferencia de potencial entre el sistema de electrodos
que puede ser medida obtenieacutendose asiacute informacioacuten uacutetil sobre los procesos
electroquiacutemicos [100] [160]
La ecuacioacuten de Nernst (ecuacioacuten 10) es la ecuacioacuten por excelencia para
estudiar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda
electroquiacutemica Relaciona el potencial (tambieacuten llamado fuerza electromotriz)
producido en la celda con el potencial normal tabulado y la actividad de las
especies quiacutemicas en la solucioacuten [100]
119864 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865∙ 119871119899 119896
(10)
Ecuacioacuten 10 Ecuacioacuten de Nerst
Donde los teacuterminos de la ecuacioacuten son [100]
bull E es el potencial que tiene lugar en la celda electroquiacutemica y es el
resultado de la suma de los potenciales entre el caacutetodo por la reaccioacuten
de reduccioacuten y el aacutenodo por la reaccioacuten de oxidacioacuten de las especies
quiacutemicas que participan en la actividad redox
119864 = 119864119888aacute119905119900119889119900 + 119864aacute119899119900119889119900
(11)
Ecuacioacuten 11 Ecuacioacuten del potencial resultante de una celda electroquiacutemica
bull E0 potencial estaacutendar de una reaccioacuten quiacutemica
bull R constante universal de los gases ideales (831 Jmol ordm K)
69
bull T temperatura (ordmK)
bull n moles de electrones que se transfieren en el proceso de oxidacioacuten-
reduccioacuten
bull F constante de Faraday (96500 Cmol de electrones)
bull K constante de equilibrio termodinaacutemica Se define como el cociente
de los productos de las sustancias que participan en la actividad de
oxidacioacuten-reduccioacuten elevados a sus coeficientes estequiomeacutetricos
Para una reaccioacuten quiacutemica geneacuterica
119886119860 + 119887119861 + harr 119888119862 + 119889119863+
(12)
Ecuacioacuten 12 Reaccioacuten quiacutemica general de un proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten
La constante K se calcula como
119870 = [119862]119888 ∙ [119863]119889
[119860]119886 ∙ [119861]119887
(13)
Ecuacioacuten 13 Ecuacioacuten de la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde los paraacutemetros de la reaccioacuten [A] [B] [C] y [D] son las
concentraciones molares de los reactivos y productos que intervienen
en el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten Los paraacutemetros a y b son los
coeficientes estequiomeacutetricos de los reactivos [A] y [B] respectivamente
c y d son los coeficientes estequiomeacutetricos de los productos [C] y [D]
respectivamente
El potencial de la celda se puede relacionar con la energiacutea libre de Gibbs
mediante la siguiente expresioacuten [100]
∆119866 = minus 119882 = minus119899 ∙ 119865 ∙ 119864
(14)
Ecuacioacuten 14 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs
70
La energiacutea libre de Gibbs (∆119866) indica la espontaneidad del proceso de
oxidacioacuten-reduccioacuten y se define como la maacutexima cantidad de trabajo (W) que
puede extraerse de un sistema Un proceso electroquiacutemico seraacute reversible si
∆119866 lt 0 por el contrario un proceso electroquiacutemico seraacute irreversible si ∆119866 gt 0
[100]
Ademaacutes la constante K se relaciona con el cambio de la energiacutea libre de Gibbs
mediante la expresioacuten de la ecuacioacuten 15
∆119866 = ∆1198660 + 119877 ∙ 119879 ∙ 119897119899 119870
(15)
Ecuacioacuten 15 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs relacionada con la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde ∆119866ordm se corresponde con el incremento de la energiacutea libre de
Gibbs medida en condiciones normales
Las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que se producen como consecuencia de
aplicar un potencial eleacutectrico o una corriente a traveacutes de un potenciostato en
una celda electroliacutetica tienen lugar entre un sistema de electrodos que puede
presentar diferentes configuraciones
Las celdas electroliacuteticas que presentan un sistema de dos electrodos (electrodo
de referencia y electrodo de trabajo) pueden medir la diferencia de potencial
existente entre ambos Sin embargo las celdas electroliacuteticas maacutes empleadas
utilizan una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de referencia electrodo
de trabajo y electrodo auxiliar) ya que por medio de esta configuracioacuten se puede
controlar la peacuterdida de carga que sufre el sistema El dispositivo que mide la
diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia
presenta una elevada impedancia por lo que la corriente que circula entre ellos
es muy baja [161] [162]
Los electrodos se encuentran sumergidos en la solucioacuten de la celda
electroliacutetica para que tenga lugar una circulacioacuten de corriente eleacutectrica desde
el electrodo de trabajo al electrodo auxiliar deben estar conectados por un hilo
conductor (por ejemplo un metal) a un potenciostato (figura 16) [162]
71
Figura 16 Esquema de una celda electroliacutetica conectada a un potenciostato que presenta un sistema de tres electrodos electrodo auxiliar electrodo de referencia y electrodo de trabajo
En la figura 16 se puede distinguir el electrodo de trabajo un contraelectrodo
y el electrodo de referencia cuyas funciones son
bull Electro de trabajo Electrodo donde se impone un potencial fijo o
variable que sirve para caracterizar las reacciones electroquiacutemicas Si
se impone un potencial positivo tendraacute lugar una reaccioacuten de oxidacioacuten
sobre el electrodo de trabajo si se impone un potencial negativo tendraacute
lugar una reaccioacuten de reduccioacuten sobre eacuteste [163]
bull Electrodo auxiliar o contraelectrodo Con este electrodo se cierra el
circuito ya que permite circular la corriente eleacutectrica a su traveacutes (de esta
manera la corriente no pasa por el electrodo de referencia) Este
electrodo puede ser de varios materiales (ej oro carbono etc) pero el
maacutes comuacuten es una placa de platino ya que es un material resistente a
la corrosioacuten y no afecta negativamente a los procesos que tienen lugar
en el electrodo de trabajo [164]
bull Electrodo de referencia Este electrodo debe tener un potencial
constante y conocido ya que se utiliza como potencial de referencia
para obtener los valores de los potenciales individuales Por esta razoacuten
el material empleado en su construccioacuten debe tener un potencial
estable ante las condiciones de anaacutelisis
A lo largo de los antildeos se han empleado una gran variedad de electrodos
de referencia siendo el electrodo de referencia universal el electrodo de
hidroacutegeno Sin embargo eacuteste no se utiliza por su difiacutecil preparacioacuten y la
72
necesidad de introducir hidroacutegeno [164] [165] En su lugar
actualmente se utiliza el electrodo de calomelanos saturado (SCE) y el
electrodo de plata (Ag) cloruro de plata (AgCl)
El electrodo SCE consiste en un tubo lleno de mercurio (Hg) en cuyo
interior hay un alambre de platino conectado a la salida del mismo y una
solucioacuten saturada de cloruro de mercurio (I) o calomelano Esta solucioacuten
estaacute en contacto con una solucioacuten de cloruro de potasio (KCl) que se
encuentra en el tubo exterior el final de este tubo presenta una
membrana porosa que permite el paso de iones a su traveacutes cerrando el
circuito eleacutectrico [166] La reaccioacuten quiacutemica que tiene lugar en este
electrodo es [166]
11986711989221198621198972(119904oacute119897119894119889119900) + 2119890minus harr 11986711989222+(119897iacute119902119906119894119889119900) + 2119862119897
minus
(16)
Ecuacioacuten 16 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo SCE
El electrodo Ag AgCl es el maacutes utilizado debido a su eficacia y facilidad
de siacutentesis Consta de un alambre de plata en contacto con una
disolucioacuten electroliacutetica de KCl que estaacute saturada con AgCl el final del
electrodo acaba con un diafragma de un material poroso que permite el
paso de iones a traveacutes de eacutel [164] [165] La reaccioacuten quiacutemica que tiene
lugar se muestra a continuacioacuten [167]
119860119892119862119897(119904oacute119897119894119889119900) + 119890minus harr 119860119892(119904oacute119897119894119889119900) + 119862119897minus
(17)
Ecuacioacuten 17 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo AgAgCl
Fundamentadas en los procesos electroquiacutemicos surgen las teacutecnicas
electroanaliacuteticas un conjunto de teacutecnicas utilizadas para el anaacutelisis tanto
cualitativo como cuantitativo de un analito a traveacutes de la medicioacuten de sus
caracteriacutesticas eleacutectricas y electroquiacutemicas como la corriente y el potencial
[158] Estas teacutecnicas destacan por su sensibilidad precisioacuten y selectividad
[100]
Las teacutecnicas electroanaliacuteticas se clasifican en funcioacuten de la respuesta eleacutectrica
que se genera al aplicar una perturbacioacuten eleacutectrica al sistema La perturbacioacuten
puede ser por la imposicioacuten de un potencial o una corriente eleacutectrica en funcioacuten
de ello la informacioacuten obtenida seraacute diferente [100] [168]
73
Entre las teacutecnicas electroanaliacuteticas maacutes empleadas se encuentran la
potenciometriacutea (obtiene informacioacuten del sistema mediante la medida del
potencial de la celda electroquiacutemica relacionando la actividad electroquiacutemica
con el potencial mediante la aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Nernst) [169]
conductimetriacutea (se basa en medir la conductividad de la disolucioacuten que es
funcioacuten de la concentracioacuten ioacutenica por lo que la produccioacuten de corriente
eleacutectrica depende de la circulacioacuten de iones) [169] electrogravimetriacutea (se basa
en el caacutelculo de la cantidad de analito que se ha transformado en producto
como consecuencia de una reaccioacuten quiacutemica) [169] culombimetriacutea (se basa
en determinar la cantidad de corriente que es necesaria aplicar a la celda para
que todo el analito se transforme en producto) [169] voltametriacutea (se basa en
relacionar el potencial aplicado en el electrodo de trabajo con la corriente
eleacutectrica generada mediante un voltamograma) [169]
En el siguiente apartado se describen en profundidad las teacutecnicas empleadas
en el desarrollo de este trabajo
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos
La voltametriacutea se basa en la obtencioacuten de informacioacuten del analito por medio de
la medida de la intensidad de corriente que fluye a traveacutes de la celda
electroliacutetica al aplicar un potencial eleacutectrico (sobre el electrodo de trabajo) que
variacutea con el tiempo El potencial eleacutectrico aplicado debe ser el suficiente para
que tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del compuesto quiacutemico
estudiado [170]
Existen una gran variedad de teacutecnicas de voltametriacutea en funcioacuten del tipo de
sentildeal aplicada sobre el electrodo de trabajo El barrido lineal consiste en llevar
a cabo un barrido de potencial de corriente continua esta sentildeal aumenta
linealmente con el tiempo Las sentildeales de excitacioacuten de impulsos consisten en
aplicar impulsos de manera que se mide la intensidad de corriente en los
diferentes lapsos de tiempo en que dure el impulso La onda de forma
triangular consiste en aplicar una diferencia de potencial sobre el electrodo de
trabajo En primer lugar el potencial aumenta linealmente con el tiempo hasta
que se alcanza un punto maacuteximo en este momento el valor del potencial
disminuye con la misma pendiente hasta alcanzar un miacutenimo (la amplitud de
la onda no se mantiene constante sino que forma un aacutengulo) Finalmente la
sentildeal de excitacioacuten de onda cuadrada consiste en aplicar un impulso al
comenzar un escaloacuten y durante la mitad de tiempo de su duracioacuten la amplitud
de cada escaloacuten se mantiene constante [170]
74
A continuacioacuten se explica la voltametriacutea ciacuteclica ya que es el meacutetodo utilizado
en el presente trabajo de investigacioacuten
2611 Voltametriacutea ciacuteclica
La voltametriacutea ciacuteclica es una de las teacutecnicas electroquiacutemicas maacutes utilizadas ya
que permite llevar a cabo un anaacutelisis de las muestras en un amplio rango de
potenciales en el que el analito debe ser electroactivo [171] Dicha teacutecnica
proporciona informacioacuten tanto cualitativa como cuantitativa sobre las
reacciones electroquiacutemicas actividad cataliacutetica de las especies quiacutemicas
reversibilidad del proceso etc [172]
La voltametriacutea ciacuteclica se lleva a cabo en una celda electroliacutetica generalmente
con una configuracioacuten de tres electrodos Durante el anaacutelisis se mide el
potencial del electrodo de trabajo respecto del potencial del electrodo de
referencia que se mantiene constante [173] [174] El proceso de medida del
potencial comienza aplicando una diferencia de potencial a un electrodo de
trabajo Primero se aplica un potencial inicial (Eo) que aumenta de forma lineal
hasta alcanzar un valor de potencial (E1) en este potencial se produce una
inversioacuten del sentido de barrido completando asiacute el ciclo [173] [174] La sentildeal
de excitacioacuten adquiere una forma triangular tal y como se observa en la figura
17
Figura 17 Voltametriacutea Ciacuteclica Sentildeal de excitacioacuten triangular
Al mismo tiempo que se aplica el potencial se produce la circulacioacuten de la
corriente eleacutectrica del electrodo de trabajo al electrodo auxiliar La variacioacuten de
75
la intensidad de corriente con el potencial se puede estudiar a traveacutes de la
representacioacuten de un voltamograma [174]
El voltamograma (figura 18) se obtiene de aplicar un barrido de potencial al
electrodo de trabajo en dos direcciones Generalmente se comienza en el
sentido anoacutedico es decir aplicando un potencial (Eλ1) se produce la reaccioacuten
de oxidacioacuten del analito En consecuencia la corriente generada (ipa) aumenta
hasta alcanzar un punto maacuteximo (Epa) a partir del cual la intensidad disminuye
debido al consumo del analito en la superficie del electrodo El barrido de
potencial en sentido inverso se basa en el mismo fundamento pero en este
caso se produce la reaccioacuten de reduccioacuten del analito [175]
Figura 18 Voltamograma ciacuteclico Intensidad frente a potencial del analito de intereacutes
En la figura 18 ipc es la intensidad de corriente catoacutedica Eλ2 es el valor de
potencial de corte anoacutedico donde el sentido del barrido de potencial se invierte
y Epc es el corte de pico catoacutedico a partir del cual la intensidad disminuye
Los paraacutemetros de un voltamperograma dan informacioacuten acerca del grado de
reversibilidad del proceso de la reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten Para que
tenga lugar un proceso reversible las concentraciones de las especies en el
seno de la disolucioacuten se tienen que mantener constantes [173]
En voltametriacutea afectan en gran medida los procesos de difusioacuten y de
transferencia electroacutenica de las especies electroactivas de la solucioacuten hasta la
superficie del electrodo En un proceso reversible se considera que la etapa
predominante del proceso electroquiacutemico (proceso maacutes lento) es la difusioacuten del
analito hasta la superficie del electrodo [100]
76
En el caso de un proceso reversible el potencial de pico anoacutedico y catoacutedico
dependen de igual forma del potencial formal y se calculan con la ecuacioacuten 19
y 18 respectivamente [176]
119864119901119888 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(18)
Ecuacioacuten 18 Caacutelculo del potencial de pico catoacutedico para un proceso reversible
119864119901119886 = 1198640 + 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(19)
Ecuacioacuten 19 Caacutelculo del potencial de pico anoacutedico para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de ambas ecuaciones son
bull 1198640 es el potencial formal (V)
bull 119864119901119888 es el potencial de pico catoacutedico (V)
bull 119864119901119886 es el potencial de pico anoacutedico (V)
bull 119877 119879 119899 119865 son paraacutemetros que se han descrito en la ecuacioacuten de Nerst
bull 119863119877 y 119863119874 son los coeficientes de difusioacuten correspondientes a la especie
reducida y a la especie oxidada respectivamente (cm2s)
En un proceso reversible el potencial formal se calcula a partir de los
potenciales de pico anoacutedico y catoacutedico con la ecuacioacuten 20 [177]
1198640 = 119864119901119888 + 119864119901119886
2
(20)
Ecuacioacuten 20 Caacutelculo del potencial de media onda para un proceso reversible
77
La corriente de pico se calcula a partir de la ecuacioacuten de Randles-SevciK Esta
ecuacioacuten relaciona la corriente de pico con la concentracioacuten del analito y la
velocidad de barrido A 25ordmC la corriente de pico se calcula con la ecuacioacuten 21
[173]
119894119901 = 269 ∙ 105 ∙ 11989932 ∙ 119860 ∙ 11986312 ∙ 119862lowast ∙ 11990712
(21)
Ecuacioacuten 21 Ley de Randles Seycik para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull ip es la corriente de pico (A)
bull n es el nuacutemero de electrones intercambiados
bull A es el aacuterea del electrodo (cm2)
bull D es el coeficiente de difusioacuten (cm2s)
bull C concentracioacuten en el seno de la disolucioacuten del analito (molcm3)
bull v es la velocidad de barrido (Vs)
La corriente de pico catoacutedico (119894119901119888) y anoacutedico (119894119901119886) coinciden por lo que su
relacioacuten es igual a la unidad
(119894119901119888
119894119901119886) = 1
(22)
Ecuacioacuten 22 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso reversible
A traveacutes de las ecuaciones se concluye que la corriente de pico es proporcional
a la velocidad de barrido mientras que el potencial de pico es independiente
de la velocidad de barrido con la que se realice la voltametriacutea ciacuteclica
Realmente es difiacutecil que el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten sea completamente
reversible por lo que a continuacioacuten se describiraacute un proceso irreversible
78
En un proceso totalmente irreversible la velocidad de transporte electroacutenica
presenta un valor muy bajo debido a ello la etapa limitante de la reaccioacuten es
la transferencia electroacutenica (en lugar de la difusioacuten) La ecuacioacuten de Randles-
Seycik para un proceso irreversible se corresponde con la ecuacioacuten 23 donde
la intensidad de pico a 25ordmC se calcula con la siguiente ecuacioacuten [178]
119894119901 = (299105) 119899 120572
12 119863
12 119907
12 119860 119862lowast
(23)
Ecuacioacuten 23 Ley de Randles-Sevcik para un proceso totalmente irreversible
119894119901119888 ne 119894119901119886 ne 1
(24)
Ecuacioacuten 24 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso irreversible
Donde la uacutenica variable nueva es 120572 que representa el coeficiente de
transferencia electroacutenica
El potencial de pico se puede relacionar con el potencial formal a partir de la
ecuacioacuten 25
119864119875 = 1198640 minus (119877119879
120572119899119865) [0780 + 119897119899 (
11986312
1198960) + 119897119899 (
120572119865 ∙ 119907
119877 ∙ 119879)12 ]
(25)
Ecuacioacuten 25 Potencial para un proceso totalmente irreversible
Donde k0 es la conste estaacutendar cineacutetica de la reaccioacuten electroquiacutemica
Con las ecuaciones que describen un proceso irreversible se puede concluir
que la velocidad de barrido siacute afecta al valor del potencial de pico Por otro lado
al igual que en el proceso reversible la corriente de pico tambieacuten estaacute afectada
por la raiacutez cuadrada de la velocidad de barrido con la que se lleve a cabo la
voltametriacutea ciacuteclica [173]
En el caso de que el proceso electroquiacutemico sea cuasi-reversible dependeraacute
tanto de la transferencia electroacutenica como de los procesos de difusioacuten Para
79
obtener una idea de la irreversibilidad se calcula la separacioacuten del pico anoacutedico
y catoacutedico a partir de la ecuacioacuten 20 [176]
2612 Cronoamperometriacutea
La cronoamperometriacutea es un meacutetodo electroquiacutemico en el que se aplica un
potencial fijo sobre el electro de trabajo [179] Dicha teacutecnica normalmente se
realiza en una celda electroliacutetica que presenta una configuracioacuten de tres
electrodos El proceso de medida del potencial en la celda parte de un potencial
en el que no se producen reacciones electroquiacutemicas Posteriormente
aplicando un potencial constante en el que el compuesto de intereacutes es
electroactivo tienen lugar las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten del mismo
[180]
Como consecuencia de los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del analito que
tienen lugar en la celda se produce una circulacioacuten de corriente eleacutectrica
representada en un cronoamperograma El valor de la corriente alcanzada
dependeraacute de las capas difusivas del analito en el electrodo de trabajo (una
capa difusiva (δ) se corresponde con la regioacuten de un electrodo en la que la
concentracioacuten del analito difiere con la concentracioacuten del mismo en la
disolucioacuten electroliacutetica) [181] El proceso electroquiacutemico genera una diferencia
de concentraciones entre la solucioacuten y la concentracioacuten de la especie en la zona
cercana a la superficie del electrodo (δ) lo que da lugar a un transporte de
especies (difusioacuten) que tiende a compensar la diferencia de concentraciones
entre ambas regiones [182]
El fenoacutemeno de difusioacuten viene descrito por la ley de Fick [183]
119869 = minusD ∙120597119862
120597119883
(26)
Ecuacioacuten 26 Ley de difusioacuten de Fick
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull J es el flujo de difusioacuten (molcm ∙ 119904)
bull D es el coeficiente de difusioacuten
80
bull 120597119862120597119883 es el gradiente de concentracioacuten
El transporte de las especies de la solucioacuten hasta la superficie del electrodo
puede tener lugar de distintas formas por su intereacutes con el presente trabajo
caben mencionar
La difusioacuten de reacutegimen transitorio es el fenoacutemeno de transporte resultante de
un gradiente de concentraciones que tiene lugar al aplicar un potencial
(catoacutedico o anoacutedico) en consecuencia el analito se consume debido a las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten La difusioacuten del analito desde la solucioacuten
(donde la concentracioacuten es mayor) hasta la superficie del electrodo (donde la
concentracioacuten es menor) se produce uacutenicamente por la difusioacuten natural donde
el perfil de concentraciones obtenido (figura 19) es funcioacuten del tiempo y de la
distancia al electrodo [181] [182] Inicialmente la concentracioacuten de la especie
electroactiva en la superficie del electrodo es 0 mientras que en la solucioacuten se
mantiene la concentracioacuten original Por ello las especies maacutes cercanas al
electrodo comienzan a difundirse hasta eacutel con el paso del tiempo el espesor
de la capa liacutemite aumenta (la pendiente del perfil de concentraciones
disminuye) Debido a ello la difusioacuten de las especies hasta la superficie del
electrodo tendraacute lugar con una mayor dificultad con el paso del tiempo [184]
Figura 19 Difusioacuten de reacutegimen transitorio
La densidad de corriente en reacutegimen transitorio viene definida por la ecuacioacuten
de Cottrel la cual muestra la caiacuteda de corriente faraacutedica debido a la
transferencia electroacutenica entre la solucioacuten y el electrodo en cada pulso de
potencial [180]
81
119894(119905) = 11989911986511986011986312119862119878119900119897119906119888119894oacute119899
12058712 11990512
(27)
Ecuacioacuten 27 Ecuacioacuten de Cottrell
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull n es el nuacutemero de electrones transferidos en los procesos de
oxidacioacuten-reduccioacuten
bull F constante de Faraday (Cmol)
bull A aacuterea del electrodo (cm2)
bull CSolucioacuten es la concentracioacuten del analito en la disolucioacuten (molcm3)
bull t tiempo transcurrido desde la aplicacioacuten del pulso de potencial (s)
La difusioacuten de reacutegimen estacionario en el transporte de las especies desde la
solucioacuten hasta la superficie del electrodo interviene el fenoacutemeno de
conveccioacuten dicho suceso es la causa de que se lleve a cabo agitacioacuten mecaacutenica
(generalmente) de la solucioacuten que contiene al analito [182] Como resultado de
la agitacioacuten la concentracioacuten de las moleacuteculas en la cercaniacutea del electrodo se
mantiene uniforme en todo momento por lo que δ presenta un espesor
constante independientemente del tiempo [182] Tal y como se muestra en la
figura 20 lejos del electrodo el perfil de concentraciones se mantiene
horizontal gracias a la conveccioacuten que es capaz de mantener constante la
concentracioacuten del analito en el seno de la solucioacuten
La densidad de corriente en reacutegimen estacionario viene dada por la ecuacioacuten
de Levich [182]
119894 = 119899 ∙ 119865 ∙ 119863
120575 (119862119878119900119897119906119888119894oacute119899 minus 119862119864119897119890119888119905119903119900119889119900)
(28)
Ecuacioacuten 28 Ecuacioacuten de Levich
Donde el uacutenico paraacutemetro nuevo es la concentracioacuten del analito en el
electrodo (CElectrodo)
82
Figura 20 Difusioacuten de reacutegimen estacionario
La cronoamperometriacutea se utiliza generalmente para el estudio de mecanismos
de reaccioacuten la obtencioacuten de paraacutemetros cineacuteticos coeficientes de difusioacuten del
analito procesos de electropolimerizacioacuten etc [179] [185]
La electropolimerizacioacuten llevada a cabo por cronoamperometriacutea es uno de los
meacutetodos maacutes empleados en la modificacioacuten de electrodos de trabajo se trata
del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de sensores basados en MIPs
[85] En este proceso la solucioacuten contiene un poliacutemero donde al aplicar un
potencial fijo (catoacutedico o anoacutedico) se consigue la polimerizacioacuten electroquiacutemica
sobre el electrodo de trabajo [185] Este fenoacutemeno se puede ver afectado por
los procesos de difusioacuten de las especies electroactivas de manera que la
corriente alcanzada en el proceso de electropolimerizacioacuten es menor cuanto
maacutes se dificulte el paso de difusioacuten de las especies a traveacutes del poliacutemero [186]
La difusioacuten es un paraacutemetro de gran importancia en los procesos de
electropolimerizacioacuten sobre el electrodo de trabajo y determina la forma del
codo de curvatura que se muestre en el cronoamperograma obtenido de la
representacioacuten de la corriente frente al tiempo (figura 21) [183] En las curvas
cronoamperomeacutetricas que se obtienen por polimerizacioacuten generalmente se
distinguen tres zonas en las que se pueden observar la nucleacioacuten la
formacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica y su crecimiento con el tiempo [187]
bull Zona I la corriente aumenta raacutepidamente debido a los procesos
electroquiacutemicos que tienen lugar en la celda electroliacutetica al aplicar un
potencial (se produce la oxidacioacuten-reduccioacuten de las sustancias que se
encuentran en la disolucioacuten)
bull Zona II la intensidad de la corriente aumenta en esta parte de la curva
se puede distinguir la nucleacioacuten proceso por el cual se depositan los
primeros nuacutecleos cristalinos sobre la superficie del electrodo de trabajo
83
y depende principalmente del potencial aplicado Por tanto durante
esta etapa el poliacutemero se adhiere sobre la superficie del electrodo de
trabajo [188]
bull Zona III se observa la estabilizacioacuten y crecimiento de la peliacutecula sobre
el electrodo a un valor constante de potencial
Figura 21 Cronoamperograma obtenido de la electropolimerizacioacuten de un poliacutemero
El espesor de la peliacutecula que se ha formado sobre el electrodo de trabajo se
puede calcular a partir de la derivada de la primera ley de Faraday [187]
119889 = 119876 ∙ 119872
2 ∙ 119865 ∙ 120588
(29)
Ecuacioacuten 29 Caacutelculo del espesor de una peliacutecula polimeacuterica a partir de la 1ordf Ley de Faraday
Donde
bull Q es la carga especiacutefica por unidad de aacuterea polimerizada
bull M es la masa molecular del poliacutemero
84
bull F es la constante de Faraday
bull 120588 es la densidad del poliacutemero
El espesor de la peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo depende del
tiempo de electropolimerizacioacuten durante el cual se lleve a cabo la
cronoamperometriacutea cuanto mayor es el tiempo mayor es el grosor de la
peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo [189]
La importancia de la cronoamperometriacutea en el presente trabajo radica en que
ha sido utilizada para la obtencioacuten de sensores MIP tal y como se ha indicado
en anteriores apartados Esta teacutecnica puede estar afectada por factores como
el tiempo de electropolimerizacioacuten el voltaje aplicado la presencia de agitacioacuten
o no de la solucioacuten que contiene al poliacutemero entre otros paraacutemetros
El tiempo de electropolimerizacioacuten es un paraacutemetro importante en la
fabricacioacuten de los sensores basados en MIP ya que trabajando con espesores
de peliacutecula elevados la transferencia electroacutenica a traveacutes del poliacutemero se
dificulta con el aumento del espesor Debido a la importancia que esto supone
se debe trabajar con espesores de poliacutemeros conductores sintetizados con el
tiempo oacuteptimo para que no afecten negativamente al rendimiento
electroquiacutemico del sensor [189] El potencial aplicado durante la
cronoamperometriacutea tambieacuten es un paraacutemetro de gran importancia ya que se
debe aplicar el potencial suficiente para que tenga lugar la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla [179] Finalmente el proceso de
agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea es una caracteriacutestica de gran intereacutes
ya que da lugar a un transporte de las especies en el que interviene la
conveccioacuten fenoacutemeno que da lugar a un proceso de difusioacuten en reacutegimen
estacionario [182]
27 Chitosaacuten o quitosano
El chitosaacuten o quitosano (figura 22) es un amino-polisacaacuterido que se obtiene por
desacetilacioacuten de la quitina poliacutemero natural muy abundante en la naturaleza
La quitina se encuentra formando parte del exoesqueleto de artroacutepodos y
tambieacuten de la pared celular de algunos vegetales como los hongos en su
estructura quiacutemica presenta unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-β-D-
glucopiranosa [190] El chitosaacuten presenta una estructura lineal no ramificada
compuesta principalmente por unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi- β-D-
85
glucopiranosa y en menor proporcioacuten por moleacuteculas de 2-acetilamina-2-desoxi-
β-D-glucopiranosa que se encuentran unidas por enlaces β (14) [191] [192]
Figura 22 Estructura quiacutemica del chitosaacuten ldquoxrdquo Unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa y Unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa
El chitosaacuten se caracteriza fundamentalmente mediante la definicioacuten de los
siguientes paraacutemetros
-Masa molecular (MW) Caracteriacutestica que depende fundamentalmente de la
procedencia de la quitina (animal o vegetal) [193]
-Grado de desacetilacioacuten (DDA) Indica el grado en que los grupos acetilo han
sido sustituidos por grupos amino El DDA del chitosaacuten comercial oscila entre
un 70 y un 90 este paraacutemetro depende de las condiciones en las que se
haya llevado a cabo la obtencioacuten del chitosaacuten [191] Cuanto mayor es el grado
de DDA del chitosaacuten maacutes cristalino es el biopoliacutemero lo cual se debe a la
disminucioacuten de los grupos acetilo presentes es su estructura quiacutemica [190]
El chitosaacuten presenta propiedades que le convierten en un biopoliacutemero
interesante en la industria alimentaria biomedicina biotecnologiacutea y en el
desarrollo de sensores las cuales se describen a continuacioacuten
bull Biocompatible El chitosaacuten es un poliacutemero no toacutexico compatible con el
organismo [191]
bull Biodegradable Su degradacioacuten se lleva a cabo por las reacciones
quiacutemicas resultantes de la actuacioacuten de microorganismos dando lugar
a productos no toacutexicos [191]
86
bull Bioactivo El chitosaacuten es considerado bioactivo por presentar poder
antimicrobiano (actuacutea sobre microorganismos inhibiendo su
crecimiento o incluso provocando su muerte [191][194]) propiedades
antioxidantes (el chitosaacuten actuacutea como eliminador de radicales libres
impidiendo la reacciones de oxidacioacuten) [191] [195] y es un compuesto
antitumoral (ayuda a la formacioacuten de ceacutelulas contra el caacutencer) [194]
bull Estructura quiacutemica faacutecilmente modificable Su estructura quiacutemica
presenta varios grupos reactivos por lo que se obtienen faacutecilmente
compuestos derivados [190]
bull Agente quelante El chitosaacuten forma faacutecilmente enlaces con iones de
metales pesados Esta propiedad es fundamental ya que le permite
formar enlaces estables con la plata [128] [196]
La solubilidad del chitosaacuten depende del pH del medio por debajo de un valor
de pH 63 el chitosaacuten se vuelve insoluble y precipita En estado soacutelido tal y
como se muestra en la figura 23 se forman puentes de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilo y amino de su estructura quiacutemica Cuando se introduce en un
aacutecido este enlace se disocia convirtieacutendolo en un polielectrolito catioacutenico
soluble para su disolucioacuten se pueden utilizar diferentes aacutecidos diluidos entre
los maacutes empleados se encuentran el aacutecido aceacutetico el aacutecido foacutermico y el aacutecido
niacutetrico [191] En ciertas aplicaciones o anaacutelisis electroquiacutemicos su baja
solubilidad a pH baacutesico puede ser un inconveniente que se puede solucionar
modificando su estructura quiacutemica ya que es un poliacutemero faacutecilmente alterable
por la presencia de distintos grupos reactivos En su estructura quiacutemica hay
grupos amino (-NH2) hidroxilo (-OH) primario y secundario y finalmente el grupo
n-acetilo (NH-CO-CH3) por lo que se pueden obtener derivados que mejoren su
solubilidad [193]
Figura 23 Estructura quiacutemica del chitosaacuten donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno entre los grupos acetilo e hidroxilo y el grupo amino e hidroxilo
87
En los uacuteltimos antildeos este poliacutemero se ha utilizado en el desarrollo de sensores
electroquiacutemicos debido a sus buenas caracteriacutesticas siendo de especial
intereacutes su biocompatibilidad facilidad de formar peliacuteculas (debido a sus
condiciones de solubilidad) y reactividad [36] Estas cualidades le convierten
en un biopoliacutemero muy adecuado para el desarrollo de sensores basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular [67]
El procedimiento empleado para su electrodeposicioacuten sobre un electrodo de
trabajo se conoce como mecanismo de neutralizacioacuten Al circular una corriente
eleacutectrica debido a los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la
celda electroliacutetica se produce la liberacioacuten de los grupos OH de la solucioacuten de
manera que pueden desprotonar las aminas catioacutenicas (NH3+) responsables de
la solubilidad del chitosaacuten [198] Como consecuencia de la neutralizacioacuten en
la interfaz de la superficie del electrodo se produce un cambio en la constante
de acidez del grupo amino (pKagt63) Debido a ello el chitosaacuten se convierte en
un poliacutemero insoluble depositaacutendose asiacute sobre el electrodo [198] [199]
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados
El mayor inconveniente del chitosaacuten en el anaacutelisis electroquiacutemico es su alto
grado de cristalinidad lo que le hace ser un mal conductor de la corriente
eleacutectrica este hecho dificulta la transferencia electroacutenica a su traveacutes Este
problema se puede solucionar mediante la incorporacioacuten de nanoestructuras
basadas en metales conductores [64] [120]
La combinacioacuten de poliacutemeros con nanoestructuras de propiedades
electroactivas como nanopartiacuteculas de oro o nanohilos metaacutelicos es una de las
teacutecnicas maacutes interesantes para el desarrollo de sensores electroquiacutemicos [64]
[120] Entre los nanomateriales nombrados los AgNWs son de las sustancias
de mayor intereacutes debido a que son capaces de incrementar la conductividad
del poliacutemero recubrieacutendolo y transformaacutendolo en un poliacutemero conductor [64]
[120]
La capacidad quelante del chitosaacuten le confiere facilidad para enlazarse
covalentemente con los aacutetomos de plata [128] [196] [200] Sin embargo
como la adhesioacuten de los AgNWs en el chitosaacuten es poco resistente [122] [201]
es necesario llevar a cabo diferentes procesos de unioacuten para solventarlo
Actualmente destacan el empleo de agentes reticulantes o las modificaciones
sobre la superficie del chitosaacuten
88
Chitosaacuten reticulado Se ha comprobado que la utilizacioacuten de agentes
reticulantes mejoran la estabilidad de la plata en la peliacutecula polimeacuterica
del chitosaacuten [93] El glutaraldehiacutedo es el agente de reticulacioacuten
empleado por excelencia debido a su efectividad la reaccioacuten con el
chitosaacuten provoca cambios en su morfologiacutea y estructura lo que modifica
algunas de sus propiedades como su capacidad de adsorber los iones
metaacutelicos [202] Por ejemplo se han utilizado iones metaacutelicos (Au Ag)
que se encuentran en su forma anioacutenica en medios aacutecidos (ej HCl )
dando lugar a una fuerte atraccioacuten electroestaacutetica entre dichos iones de
carga negativa y los grupos imina con carga positiva resultantes del
entrecruzamiento entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo Este fenoacutemeno
favorece la adsorcioacuten de los ioacutenes metaacutelicos en el chitosan reticulado
[202]
Obtencioacuten de derivados del chitosaacuten Se ha demostrado que la
modificacioacuten de la estructura quiacutemica del chitosaacuten con grupos reactivos
da lugar a enlaces de mayor fortaleza entre los AgNWs y el chitosaacuten Por
ejemplo el chitosaacuten tiolado (derivado del chitosaacuten obtenido de incluir
un grupo tiol en el grupo amino del 2ordm carbono del chitosaacuten) permite que
se forme un enlace covalente de gran resistencia y estabilidad entre la
plata y los grupos tiol [201]
Modificaciones sobre la superficie del chitosaacuten Se ha demostrado que
la modificacioacuten de la de la superficie del chitosaacuten con compuestos
orgaacutenicos proporciona una unioacuten maacutes resistente entre los AgNWs y este
poliacutemero Por ejemplo se ha empleado el aacutecido 11-aminodecanoiacuteco
para formar un enlace covalente entre los grupos carboxilo de un
extremo del aacutecido y el grupo amino del chitosaacuten y puentes de hidroacutegeno
entre el grupo amino del aacutecido y el PVP que recubre los AgNWs De esta
manera se consigue fortalecer la adhesioacuten de los AgNWs a la peliacutecula
de chitosaacuten [122] [203]
89
Capiacutetulo III
Reactivos materiales y equipos
90
91
3 Reactivos materiales y equipos
31 Reactivos
Los reactivos empleados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Aacutecido sulfuacuterico (H2SO4 pureza 95-97 CAS Number 7664-93-9)
bull Aacutecido aceacutetico glaciar (CH3COOH pureza miacutenima 997 Panreac CAS
Number 613-90-4)
bull Acetona (C3H6O pureza miacutenima 99 Quality Chemicals CAS
Number67-64-1)
bull Agua desionizada Milli-Q de conductividad 182 MΩcm
bull Alpha-D (+)-Glucosa (C6H12O6 pureza gt99 Sigma-Aldrich)
bull Chitosaacuten o Quitosano CHI (C56H12O6 purezagt99 Amresco)
bull Cloruro de cobre (II) (CuCl2 2 H2O Panreac Coacutedigo 141264)
bull D (+) Galactosa (C6H12O6 purezagt99 Sigma-Aldrich)
bull Dihidrogenofosfato soacutedico (Na2H2PO4 pureza miacutenima 99 Sigma-
Aldrich CAS Number 7558-79-4)
bull Etanol (C2H6O pureza miacutenimagt 998 Sigma-Aldrich CAS Number 64-
15-5)
bull Etilenglicol (C2H6O2 anhidro al 998 Sigma-Aldrich CAS Number 107-
21-1)
bull Glutaraldehiacutedo (C5H8O2 solucioacuten acuosa al 50 Alta Aesar CAS
Number 111-30-8)
bull Hidrogenofosfato soacutedico (Na2HPO4 pureza miacutenima 99 Sigma-Aldrich
CAS number 7558-80-7)
92
bull Lactosa (C12 H22 O11 Sigma - Aldrich)
bull Nitrato de plata (AgNO3 Sigma- Aldrich CAS Number 7761-88-8)
bull Peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2 33 pv Nordm CE 231-765-0)
bull Polivinipirrolidona PVP (C6H9NO)n Sigma-Aldrich CAS Number 9003-39-8)
32 Materiales
Todos los materiales empleados en el presente trabajo se nombran a
continuacioacuten
bull Bomba peristaacuteltica (Perimax)
bull Celda electroquiacutemica de 5 mL
bull Placa de platino (2 cm times 1 cm)
bull Cubeta de cuarzo (10 mm times 10 mm)
bull Electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Electrodo de referencia (AgAgCl 3M Nesslab)
bull Matraz de fondo redondo con dos bocas
bull Placa calefactora (RSLAb-11C)
bull Placa calefactora (Arex Digital)
bull Sistema de reflujo
33 Equipos
Todos los equipos utilizados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Microscopio de Fuerza Atoacutemica Molecular (Cypher asylum Research
AFM)
93
bull Centrifuga modelo Sorvall Centrifuge ST 8 (Thermo Scientific USA)
bull Espectrofotoacutemetro Ultravioleta-Visible modelo UV-2600 (Shimadzu
Corporation Japoacuten)
bull Equipo de Difraccioacuten de Rayos X (DRX Bruker Discover D8)
bull Potenciostato Galvanostato modelo PARSTAT 2273 (Princeton Applied
Research)
bull Ultrasonidos Vortex 3 (IKA USA)
94
Capiacutetulo IV
Metodologiacutea y Desarrollo
experimental
95
96
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados
La elaboracioacuten de sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
dedicados a la deteccioacuten de azuacutecares actualmente representa una liacutenea de
investigacioacuten relativamente nueva por lo que el estudio experimental del
presente trabajo se ha modificado conforme se han ido obteniendo resultados
El desarrollo de trabajo de fin de grado aquiacute presentado se puede dividir en dos
etapas la primera etapa consiste en la preparacioacuten de las disoluciones para
sintetizar los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular MIP y NIP
asiacute como la siacutentesis y la caracterizacioacuten de los AgNWs que forman parte de la
peliacutecula polimeacuterica La segunda etapa de la fabricacioacuten del sensor consiste en
depositar las disoluciones sobre la superficie de los electrodos BDD mediante
la aplicacioacuten de teacutecnicas electroquiacutemicas
411 Preparacioacuten de las disoluciones
- Limpieza de los electrodos BDD
bull Disolucioacuten pirantildea
En un vaso de precipitados se antildeaden 3 mL de aacutecido sulfuacuterico de pureza
miacutenima del 95 y 1 mL de peroacutexido de hidroacutegeno
-Fabricacioacuten de los sensores MIP y NIP
bull Aacutecido Aceacutetico 3 VV (CH3COOH)
Se preparoacute una disolucioacuten de aacutecido aceacutetico con una concentracioacuten de
porcentaje en volumen al 3 Para obtener la concentracioacuten deseada en una
matraz aforado de 50 mL se antildeadieron 15 mL de aacutecido aceacutetico puro y se
enrasoacute con agua desionizada Milli-Q
bull Chitosaacuten o Quitosano
97
Se preparoacute una disolucioacuten de chitosaacuten con una concentracioacuten de 15 mgmL
en un matraz aforado de 25 mL Para ello se antildeadieron 00375 g de chitosaacuten
al matraz y se enrasoacute con la disolucioacuten de aacutecido aceacutetico al 3 VV
bull Disolucioacuten de AgNWs
Se preparoacute una disolucioacuten madre de AgNWs con una concentracioacuten de 10
mgmL en etanol A partir de esta disolucioacuten se prepararon las disoluciones hija
de una concentracioacuten de un 1 mgmL y 5 mgmL
bull Glutaraldehiacutedo
Se han empleado vapores de glutaraldehiacutedo al 25 ww en buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M
-Deteccioacuten de los analitos por voltametriacutea ciacuteclica
bull Disolucioacuten buffer fosfato de pH 74
Se preparoacute una disolucioacuten de pH 74 y concentracioacuten 001 M de buffer fosfato
(PBP) en un matraz aforado de 500 mL Para ello se pesaron 02697 g de
fosfato disoacutedico (Na2HPO4) y 03659 g de fosfato monosoacutedico (NaH2PO4)
Finalmente se llevaron a un matraz aforado de 500 mL enrasando con agua
desionizada Milli-Q
Con la ecuacioacuten de Henderson-Hasselbalch se calcula el pH conocido el pKa de
la solucioacuten
119901119867 = 119901119870119886 + [1198731198862HP1198744]
[Na1198672P1198744]
(30)
Ecuacioacuten 30 Ecuacioacuten de Henderson-Hasselbach
bull Lactosa
98
Para obtener una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10-4 M en buffer
fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M se preparoacute previamente una
disolucioacuten madre de concentracioacuten 10-3 M Para ello se pesaron 85575 mg de
lactosa y se llevaron a un matraz aforado de 25 mL el cual se enrasoacute con la
solucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La solucioacuten de lactosa 10-4 M se obtuvo tomando 25 mL de la solucioacuten madre
preparada finalmente se enrasoacute con la misma disolucioacuten buffer en un matraz
aforado de 25 mL
bull Glucosa
Se preparoacute previamente una disolucioacuten madre de glucosa con una
concentracioacuten 10minus3 119872 Para obtener la concentracioacuten deseada se pesaron
45 mg de glucosa y se antildeadieron a un matraz aforado de 25 mL el cual se
enrasoacute con la disolucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M se preparoacute tomando 25 mL
de la disolucioacuten madre preparada finalmente se enrasoacute con la misma
disolucioacuten buffer en un matraz aforado de 25 mL
bull Galactosa
Se preparoacute una disolucioacuten madre de galactosa 10-3 M en buffer fosfato de pH
74 y concentracioacuten 001 M para obtener una disolucioacuten hija de concentracioacuten
10-4 M Para ello se siguieron los mismos pasos que en la preparacioacuten de la
disolucioacuten de glucosa
bull Disolucioacuten de cloruro de potasio (KCl)
Se preparoacute una disolucioacuten de cloruro de potasio de 25 mL con una
concentracioacuten 01 M Para ello se pesaron 01863 g de KCl y se antildeadieron a
un matraz de 25 mL enrasando con agua desionizada Milli-Q
-Disoluciones empleadas para la siacutentesis de AgNWs
bull Cloruro de cobre (CuCl2)
99
Se preparoacute una disolucioacuten de CuCl2 de una concentracioacuten 1510-4 M para ello
se pesaron 00001 g de CuCl2 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con etilenglicol puro (EG)
bull Nitrato de plata (AgNO3)
Se preparoacute una disolucioacuten de AgNO3 de una concentracioacuten 012 M Para ello
se pesaron 0102 g de AgNO3 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con EG
bull Polivinilpirrolidona (PVP)
Se preparoacute una disolucioacuten de concentracioacuten 3610-4 M para ello se pesaron
0099 g de PVP y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL enrasando con
EG
412 Procedimiento experimental
4121 preparacioacuten de los AgNWs
La preparacioacuten de AgNWs se ha llevado a cabo seguacuten el meacutetodo poliol descrito
en el fundamento teoacuterico (capiacutetulo II)
Se comienza calentando 5 mL de EG en un matraz redondo de dos bocas
situado sobre un bantildeo de aceite a 160 ordmC tal y como se muestra en la figura
24 Este proceso se lleva a cabo bajo reflujo conectando una de las boquillas
del matraz a la red de bombeo y cerrando la otra boquilla del matraz con un
tapoacuten Posteriormente se antildeade con una micropipeta 05 mL de la disolucioacuten
de CuCl2 directamente al matraz y se deja calentando durante 5 min
Pasado el tiempo con ayuda de una bomba peristaacuteltica de jeringas se antildeaden
simultaacuteneamente y gota a gota 25 mL de la disolucioacuten de AgNO3 y 5 mL de la
disolucioacuten de PVP Durante todo este proceso se aplica una velocidad de
agitacioacuten de 400 rpm una vez ha finalizado se tapa el matraz con el tapoacuten y se
dejan reaccionar durante 1 h bajo agitacioacuten
La disolucioacuten obtenida se deja enfriar a temperatura ambiente en ella hay una
mezcla de nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) y AgNWs por lo que para purificar
los AgNWs se lavan con etanol y se centrifuga a 2000 rpm durante 20 min
100
utilizando la centriacutefuga que se muestra en la figura 24 Posteriormente se
elimina el sobrenadante y el producto de reaccioacuten se lava una segunda vez con
etanol la mezcla se vuelve a centrifugar durante 10 min a 5000 rpm Para el
tercer lavado el precipitado se antildeade a un eppendorf al que se le antildeade etanol
y se centrifuga durante 10 min a 5000 rpm Finalmente se elimina el
sobrenadante del eppendorf y se deja evaporar el etanol
Figura 24 Equipo empleado en la siacutentesis de AgNWs
En la figura 25 se muestra la obtencioacuten y las etapas de centrifugacioacuten para la
siacutentesis de AgNWs
101
Figura 25 En la parte superior de la figura y leyendo de izquierda a derecha se muestran las etapas del proceso final de obtencioacuten de AgNWs 1) y 2) Disolucioacuten obtenida tras un tiempo de reaccioacuten de 1h en la que hay una mezcla de AgNPs y AgNWs 3) Disolucioacuten obtenida diluida con etanol 4) primera centrifugacioacuten donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 5) 2ordf centrifugacioacuten de AgNWs diluidos en etanol donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 6) AgNWs diluidos en etanol antes de llevar a cabo la uacuteltima etapa de la centrifugacioacuten 7) AgNWs obtenidos de la uacuteltima etapa de centrifugacioacuten donde el sobrenadante ha sido eliminado
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro
(BDD)
Para la elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP en primer lugar se deben
acondicionar los electrodos BDD (figura 26) Para ello se comienza limpiando
la superficie de los electrodos introducieacutendolos en acetona pura y
sometieacutendolos a ultrasonidos durante 10 min finalizado este tiempo se
introducen en agua desionizada Milli Q Posteriormente se lleva a cabo su
inmersioacuten en una solucioacuten pirantildea durante un tiempo de 3 min Transcurrido el
tiempo se llevan a cabo lavados sucesivos en agua desionizada Milli Q y en
etanol dejaacutendolos reposar en ambos disolventes durante 1 min Una vez
102
finalizado el proceso de lavado de su superficie los electrodos se dejan secar
al aire
El proceso descrito se ha llevado a cabo con cada uno de los electrodos que se
han empleado para la deteccioacuten de los azuacutecares Lo que permite su
reutilizacioacuten para cada experimento realizado
Figura 26 Electrodos de diamante dopado con boro (BDD)
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP
Para la denominacioacuten de las configuraciones correspondientes a los sensores
se ha utilizado la simbologiacutea entre corchetes ldquo[]rdquo donde se encuentra la
secuencia de materiales divididos por un ldquo-ldquo que han sido utilizados para la
fabricacioacuten de los sensores MIP o NIP Finalmente al final de cada
configuracioacuten hay una ldquordquo tras la que se encuentra el nombre BDD lo que indica
que los sensores han sido fabricados en un electrodo BDD (ej [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD)
Las abreviaturas empleadas para cada material son las siguientes
CHI para el chitosaacuten
AgNWs para los nanohilos de plata
Para desarrollar los sensores MIP y NIP frente la deteccioacuten de lactosa se
emplearon diferentes configuraciones y paraacutemetros de medida con el objetivo
103
de seleccionar la que presentase la mejor respuesta frente a la deteccioacuten de
este analito
Los sensores NIP se obtuvieron siguiendo el mismo protocolo que el aplicado
para la obtencioacuten del MIP de la configuracioacuten deseada sin la presencia de la
moleacutecula plantilla durante la polimerizacioacuten
Las configuraciones empleadas son
-MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con 3 concentraciones de AgNWs distintas 1
mgmL 5 mgmL y 10 mgmL
-MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo para llevar a cabo un cross-linking
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo
Los paraacutemetros de medida que se han modificado para la configuracioacuten del
sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD son
- Electropolimerizacioacuten mediante voltametriacutea ciacuteclica y cronoamperometriacutea
- Concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (1 mgmL 5 mgmL y 10
mgmL)
- Electropolimerizacioacuten sobre el electrodo BDD con agitacioacuten y sin agitacioacuten
- Seleccioacuten del eluyente
bull MIP [CHI-AgNWsndashLactosa] BDD
Sensores con una concentracioacuten de 1 mgmL en AgNWs
104
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo mediante la
polimerizacioacuten sobre el electrodo BDD de una solucioacuten con una mezcla de
chitosaacuten de concentracioacuten 15 mgmL y AgNWs con una concentracioacuten de 1
mgmL que conteniacutea la moleacutecula plantilla de lactosa en una concentracioacuten
001 M
La polimerizacioacuten de la mezcla sobre el electrodo BDD se llevoacute a cabo sin
agitacioacuten por medio de cronoamperometriacutea Posteriormente los electrodos se
extrajeron de la celda electroliacutetica y se dejaron secar a temperatura ambiente
durante toda la noche
La moleacutecula plantilla de lactosa fue eliminada de la matriz polimeacuterica de
chitosaacuten empleando como eluyente una solucioacuten de KCl de concentracioacuten 01
M Para llevar a cabo la elucioacuten los electrodos se sumergieron en esta solucioacuten
durante un periodo de 20 min con agitacioacuten Finalizado el tiempo los
electrodos se lavaron con agua desionizada Milli Q para eliminar los residuos
de la solucioacuten de KCl
Sensores con una concentracioacuten de 5 mgmL en AgNWs
Con esta concentracioacuten (5 mgmL) se obtuvieron dos sensores llevando a cabo
polimerizacioacuten con agitacioacuten y sin agitacioacuten en la fabricacioacuten del sensor
obtenido sin agitacioacuten se siguioacute el mismo procedimiento que el descrito para la
misma configuracioacuten del sensor de lactosa con una concentracioacuten de AgNWs
de 1 mgmL
El procedimiento de siacutentesis seguido para la obtencioacuten del sensor a traveacutes de
polimerizacioacuten con agitacioacuten fue el mismo que en el anterior sensor pero en
este caso se introdujo agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea y el proceso de
elucioacuten se realizoacute utilizando de manera independiente dos eluyentes distintos
el KCl de concentracioacuten 01 M y el agua desionizada Milli Q
Sensores con una concentracioacuten de 10 mgmL en AgNWs
Estos sensores se han obtenido siguiendo el mismo procedimiento que el
descrito en los anteriores sensores en concentracioacuten 5 mgmL (obtenidos por
cronoamperometriacutea con agitacioacuten) y llevando a cabo la elucioacuten con agua
desionizada Milli Q en lugar de con KCl
105
bull MIP [CHI-AgNWs-Glutaraldehiacutedo-Lactosa] BDD
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo siguiendo el protocolo
anteriormente descrito en concentracioacuten 10 mgmL Finalizada la
polimerizacioacuten los electrodos se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
durante 10 min sin secar
El proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla es exactamente el mismo que se
ha seguido para la anterior configuracioacuten en ausencia de reaccioacuten con
glutaraldehiacutedo a una concentracioacuten de 10 mgmL de AgNWs
bull MIP [CHI-AgNWsndashGlucosa] BDD y MIP [CHI-AgNWsndashGalactosa] BDD
Se obtuvieron sensores MIP para la deteccioacuten de glucosa y galactosa La
elaboracioacuten del sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD se realizoacute bajo el mismo
protocolo de siacutentesis que se siguioacute para el sensor de lactosa con una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten empleando en
este caso glucosa como moleacutecula plantilla (001 M) La elaboracioacuten del sensor
MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento
utilizando como moleacutecula plantilla galactosa (01 M)
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs
La caracterizacioacuten de los AgNWs se ha realizado mediante tres teacutecnicas
espectroscopiacutea UV-VIS AFM y DRX
bull Espectroscopiacutea ultravioleta ndash visible (UVndashVIS)
Las propiedades oacutepticas de los AgNWs se estudiaron mediante la teacutecnica
espectroscoacutepica ultravioleta-visible (UV-VIS)
El proceso se llevoacute a cabo con el software UV-Probe introduciendo la solucioacuten
de estudio en un porta-muestras de cuarzo (10 mm times 10 mm)
Para llevar a cabo la caracterizacioacuten en primer lugar se programoacute el rango de
longitudes de onda entre 200 nm y 800 nm Posteriormente se realizoacute una
liacutenea base la cual constituye el blanco del espectro ultravioleta y despueacutes se
106
llevoacute a cabo la medida con un espectrofotoacutemetro como el mostrado en la figura
27
El estudio se comenzoacute con la obtencioacuten del espectro de la solucioacuten inicial de
AgNWs sin purificar posteriormente tras el proceso de centrifugacioacuten se obtuvo
el espectro de absorcioacuten correspondiente tanto de los AgNWs como del
sobrenadante
Figura 27 Espectrofotoacutemetro empleado para caracterizar los AgNWs
bull Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica se llevoacute a cabo para estudiar la morfologiacutea y
dimensioacuten de los AgNWs para ello se utilizoacute el equipo AFM mostrado en la
figura 28
Para obtener la muestra se depositaron 25 μL de la solucioacuten de AgNWs en
etanol sobre el electrodo BDD y se dejoacute secar al aire para evaporar el etanol
107
Figura 28 Equipo de Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico
La elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP y el estudio de su comportamiento
electroquiacutemico se ha llevado a cabo mediante teacutecnicas electroquiacutemicas de
anaacutelisis
La deposicioacuten de la peliacutecula polimeacuterica sobre la superficie del electrodo se ha
realizado a traveacutes de dos teacutecnicas electroquiacutemicas cronoamperometriacutea y
voltametriacutea ciacuteclica La respuesta del sensor frente a los analitos de intereacutes se
ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica Los analitos estudiados han sido
lactosa glucosa y galactosa cuyo comportamiento electroquiacutemico se ha
determinado a traveacutes de los procesos de oxidacioacuten de los AgNWs que se
encuentran depositados en la peliacutecula de chitosaacuten
El equipo empleado para llevar a cabo ambos procesos fue un
potenciostatogalvanostato como el que se muestra en la figura 29
Figura 29 Potenciostato utilizado para el estudio electroquiacutemico de los sensores MIP y NIP
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP
108
La deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se realizoacute en
una celda electroliacutetica que presentaba una configuracioacuten de tres electrodos
como electrodo de trabajo se empleoacute un electrodo BDD como electrodo de
referencia Ag AgCl en KCl y un contraelectrodo de platino
El proceso de deposicioacuten se comenzoacute vertiendo la disolucioacuten preparada en
ausencia de la moleacutecula plantilla (NIP) o en presencia de la misma (MIP) en una
celda electroliacutetica de 5 mL de capacidad La polimerizacioacuten se llevoacute a cabo en
un primer momento sin agitacioacuten pero finalmente se comproboacute que se
obteniacutean mejores resultados depositando las soluciones con agitacioacuten
estableciendo una velocidad de agitacioacuten de 190 rpm
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por
cronoamperometriacutea son
bull Tiempo de electrodeposicioacuten 90 s
bull Potencial aplicado -11 v
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por voltametriacutea ciacuteclica
son
bull Nordm de ciclos 15
bull Potencial maacuteximo (V) 04
bull Potencial miacutenimo (V) -11
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
A continuacioacuten se muestra el montaje de la celda para llevar a cabo la
electropolimerizacioacuten
109
Figura 30 Esquema de trabajo para llevar a cabo cronoamperometriacutea incluyendo el sistema de agitacioacuten
4122 voltametriacutea ciacuteclica
El funcionamiento de los sensores MIP y NIP se estudioacute mediante voltametriacutea
ciacuteclica y la medicioacuten se realizoacute en las mismas condiciones que la deposicioacuten
Los paraacutemetros de trabajo para llevar a cabo las mediciones mediante
voltametriacutea ciacuteclica son
bull Nordm de ciclos 5
bull Potencial maacuteximo (V) 1
bull Potencial miacutenimo (V) -1
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
Establecidos los paraacutemetros de operacioacuten se continuoacute con el montaje de la
celda cuyo esquema se muestra en las figuras 31 y 32 seguacuten el analito
empleado
110
Para la deteccioacuten de glucosa y lactosa la celda electroquiacutemica empleada
presenta 5 mL de capacidad y es la que se muestra en la figura 31 Cuyo
protocolo de medicioacuten se explica a continuacioacuten
Como se ha mencionado anteriormente las medidas electroquiacutemicas
empleadas para el anaacutelisis electroquiacutemico de los sensores desarrollados
durante este trabajo se han determinado mediante voltametriacutea ciacuteclica Para
ello los sensores MIP se sumergen en una solucioacuten de buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M y de pH 74 con objeto de conseguir una respuesta
voltameacutetrica que sirva como sentildeal de referencia para el resto de las
mediciones Seguidamente el electrodo de trabajo se deja en un vaso de
precipitados con el eluyente correspondiente y en presencia de agitacioacuten para
disolver la moleacutecula plantilla (azuacutecar correspondiente en cada caso) de la
peliacutecula de chitosaacuten Finalizado el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
el electrodo de trabajo se lava con agua destilada Posteriormente se introduce
en la celda la disolucioacuten de intereacutes (glucosa o lactosa) y en la concentracioacuten
deseada A continuacioacuten se conecta el potenciostato y se comprueba que la
celda presenta el correcto montaje En este momento para mantener una
buena reproducibilidad es de gran importancia que la superficie sumergida del
contraelectrodo y electrodo de trabajo sea la misma
Figura 31 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de lactosa y glucosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
La deteccioacuten del monosacaacuterido galactosa se ha llevado a cabo en la celda que
se muestra en la figura 32 de una capacidad de 5 mL Los pasos que se han
seguido para la deteccioacuten de galactosa son los mismos que se han descrito
111
anteriormente pero en este caso durante el proceso de elucioacuten el electrodo de
trabajo se mantiene en la celda no siendo necesaria su extraccioacuten
Figura 32 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de galactosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
A continuacioacuten se muestra un esquema de funcionamiento de un sensor MIP
[CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD en el proceso de deteccioacuten del azuacutecar deseado
Figura 33 Esquema de funcionamiento de un MIP [CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD frente a la deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
112
El procedimiento de trabajo que se llevoacute a cabo para el sensor NIP es el mismo
que el seguido para el sensor MIP sin embargo en este caso en el sensor no
se llevoacute a cabo la etapa de elucioacuten ya que el chitosaacuten no contiene a la moleacutecula
plantilla
113
Capiacutetulo V
Resultados experimentales y
discusioacuten de resultados
114
115
5 Resultados experimentales y discusioacuten de
resultados
Los resultados experimentales se dividen en dos bloques En el primer bloque
se realizoacute la siacutentesis de los sensores MIP y NIP para ello se llevoacute a cabo la
preparacioacuten de las disoluciones deseadas las cuales se depositaron a traveacutes
de teacutecnicas electroquiacutemicas sobre la superficie de los electrodos BDD En los
sensores la presencia de AgNWs es de gran importancia ya que la deteccioacuten
es posible al uso de los mismos por ello se ha comenzado el trabajo
optimizando su siacutentesis y caracterizacioacuten
A lo largo de la investigacioacuten se han sintetizado dos reacuteplicas de MIP para cada
azuacutecar de intereacutes lactosa glucosa y galactosa En primer lugar se optimizoacute la
configuracioacuten del sensor MIP frente a lactosa en el que se probaron distintos
paraacutemetros de fabricacioacuten y de medida meacutetodo de electrodeposicioacuten agitacioacuten
durante la cronoamperometriacutea uso de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
y empleo de distintos eluyentes de la moleacutecula plantilla En segundo lugar se
obtuvo un sensor MIP para el azuacutecar de glucosa sin agitacioacuten En tercer lugar
se desarrolloacute el sensor MIP de galactosa fabricado sin agitacioacuten en este sensor
se comproboacute el efecto de un aumento en la concentracioacuten de la moleacutecula
plantilla presente en el mismo
En el segundo bloque se estudiaron por voltametriacutea ciacuteclica los sensores MIP y
NIP en los tres tipos de analitos lactosa glucosa y galactosa Su
comportamiento electroquiacutemico fue evaluado mediante el empleo de AgNWs y
chitosaacuten en diferentes concentraciones
51 Caracterizacioacuten de AgNWs
Debido a la importancia de la presencia de AgNWs en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor es necesario la caracterizacioacuten previa de los mismos
mediante el uso de distintas teacutecnicas espectroscoacutepicas espectroscopiacutea UV-VIS
AFM y DRX
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-
VIS)
116
La espectroscopiacutea UV-VIS se ha empleado para estudiar las propiedades
oacutepticas de los AgNWs Se comenzoacute obteniendo el espectro ultravioleta de los
AgNWs sintetizados con el meacutetodo poliol descrito en el apartado teoacuterico
(capitulo 2521) Posteriormente se lavaron con etanol y tras centrifugar y
eliminar el sobrenadante (residuo que se obtiene con cada lavado) se volvioacute a
realizar el espectro En la figura 34 se muestran los espectros
correspondientes
En el espectro de absorcioacuten obtenido de los AgNWs sin purificar se pueden
observar las bandas correspondientes a la presencia de nanopartiacuteculas de
plata (AgNPs) y AgNWs Las dos primeras bandas se atribuyen a la presencia
del plasmoacuten de resonancia caracteriacutestico de los AgNWs que tienen lugar a una
longitud de onda de 355 nm y 385 nm [120] En el espectro obtenido tras la
purificacioacuten uacutenicamente se aprecia el plasmoacuten de resonancia de los AgNWs
por lo que la ausencia de la banda correspondiente a las AgNPs a 434 nm es
un indicador de la pureza de eacutestos [120] La primera banda de absorcioacuten de
este espectro representa la absorcioacuten longitudinal de los AgNWs (355 nm) y la
segunda a una longitud de onda de 402 nm se atribuye a la absorcioacuten
transversal de los mismos [113] [130]
Finalmente en el espectro correspondiente al sobrenadante se aprecia una
banda de absorcioacuten a 438 nm que se atribuye a la presencia exclusiva de las
AgNPs lo que indica que el meacutetodo empleado para lavar los AgNWs es
adecuado [120]
Figura 34 Espectroscopiacutea UV-VIS del producto obtenido de la siacutentesis de AgNWs sin lavar (rojo) AgNWs purificados (azul) y sobrenadante (negro)
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM)
117
Existen una gran variedad de factores durante el proceso de fabricacioacuten de los
AgNWs que pueden afectar a su morfologiacutea como son la temperatura el tiempo
de reaccioacuten la adiccioacuten de reactivos etc [120] [121] Por ello la microscopiacutea
de fuerza atoacutemica se ha utilizado para controlar la homogeneidad de los AgNWs
obtenidos ya que proporciona imaacutegenes de tamantildeo nanomeacutetrico (figura 35)
Las imaacutegenes de la muestra que se obtuvieron demuestran que los AgNWs
presentaban un tamantildeo homogeacuteneo con un diaacutemetro cercano a 350 nm y
longitudes entorno a los 10 μm
Figura 35 Fotografiacutea obtenida mediante microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) de una muestra de AgNWs depositada sobre un electrodo BDD
513 Difraccioacuten de rayos-X
La difraccioacuten de rayos-X se ha utilizado para caracterizar la estructura de los
AgNWs el patroacuten de difraccioacuten obtenido muestra que los AgNWs son
nanomateriales compuestos por nanocristales orientados en diferentes planos
cristalograacuteficos [204]
De acuerdo con el patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs se muestran 5 picos de
difraccioacuten (figura 36) correspondientes a los planos [111] [200] [220] [311]
y [222] respectivamente [205] Donde se puede apreciar una gran diferencia
en la intensidad alcanzada entre ellos El pico correspondiente al plano
cristalograacutefico [111] que tiene lugar a 2120579= 382ordm es el pico de mayor intensidad
lo que indica que los cristales que forman los AgNWs estaacuten orientados
preferentemente en esta direccioacuten cristalograacutefica [205] [206] El pico de
difraccioacuten que tiene lugar a 2120579= 443ordm se corresponde con el plano [200] [206]
En cuanto al pico que se encuentra en 2120579= 645ordm se corresponde con el plano
[220] [207] Finalmente los picos de difraccioacuten que tienen lugar a 2120579=768 ordm y
2120579= 815ordm representan los planos [311] y [222] respectivamente [207]
118
El patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs que se ha descrito se corresponde con
una estructura cuacutebica centrada en las caras (FCC) [207] La ausencia de picos
adicionales es debida a la pureza de los AgNWs obtenidos [206]
Figura 36 Patroacuten de difraccioacuten de rayos-X de los AgNWs
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD
Se ha llevado a cabo la fabricacioacuten de sensores electroquiacutemicos basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa Dicho
sensor se ha preparado mediante la electropolimerizacioacuten de chitosaacuten
modificado con AgNWs en presencia de una moleacutecula plantilla de lactosa Las
funciones de cada uno de los constituyente que forman el sensor MIP son
Chitosaacuten biopoliacutemero que se deposita sobre el electrodo BDD su
funcioacuten es contener a los huecos de la moleacutecula que se quiera
detectar ademaacutes sirve de soporte de unioacuten para los AgNWs
AgNWs son nanoestructuras metaacutelicas que actuacutean recubriendo la
matriz de chitosaacuten sus reacciones de oxidacioacuten sirven para
determinar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a la
deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
119
Lactosa es la moleacutecula plantilla su funcioacuten es imprimir en la matriz
de chitosaacuten las cavidades de reconocimiento con el propoacutesito de
proporcionar al sensor MIP una mayor especificidad hacia la
deteccioacuten de la misma
En todos los sensores (MIP) se ha trabajado con una concentracioacuten de lactosa
en la solucioacuten [CHI-AgNWs] de 001 M y una concentracioacuten de la solucioacuten de
chitosaacuten de 15 mgmL Fijados estos paraacutemetros con el propoacutesito de obtener
el sensor MIP que proporcione las mejores prestaciones frente a la deteccioacuten
de lactosa se emplearon distintas variables de trabajo y de medida el meacutetodo
de electrodeposicioacuten la presencia de agitacioacuten o no durante la
cronoamperometriacutea la concentracioacuten de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
empleo de un agente reticulante y el uso de distintos eluyentes
A lo largo del desarrollo de la investigacioacuten es de gran importancia comprobar
el funcionamiento del MIP por ello este sensor se ha comparado con un sensor
obtenido bajo las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula de
lactosa NIP
bull Meacutetodo de electrodeposicioacuten de las disoluciones para elaborar los
sensores MIP o NIP
El primer experimento se llevoacute a cabo depositando la solucioacuten que contiene la
mezcla para la obtencioacuten del sensor MIP y NIP sobre la superficie del electrodo
BDD a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica paraacutemetros de trabajo citados en el
capiacutetulo 4
En los voltamogramas obtenidos de los sensores MIP (figura 37 a) y NIP (figura
37 b) no se aprecia ninguacuten indicio que indique la electrodeposicioacuten de la
solucioacuten sobre la superficie del electrodo BDD Por ejemplo en un estudio
llevado a cabo por Zhang Q et al se llevoacute a cabo la electrodeposicioacuten de un MIP
por medio de voltametriacutea ciacuteclica en cada ciclo se obtuvo una disminucioacuten en la
intensidad de corriente de los picos de oxidacioacuten de los AgNWs a medida que
el poliacutemero de impresioacuten molecular se depositaba sobre el electrodo BDD
[208] Este fenoacutemeno no se puede apreciar en ninguna de los voltamogramas
ante este resultado en el resto del trabajo se optoacute por llevar a cabo la
electrodeposicioacuten mediante cronoamperometriacutea en lugar de por voltametriacutea
ciacuteclica para los sucesivos experimentos
120
Figura 37 Electrodeposicioacuten por voltametriacutea ciacuteclica a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD
bull Cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
El estudio se ha continuado con la siacutentesis de sensores MIP y NIP cuyas
configuraciones son MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD
Ambos tienen una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL en la peliacutecula de
chitosaacuten los paraacutemetros de fabricacioacuten de ambos sensores se han indicado en
el capiacutetulo 4
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se
sintetizaron dos sensores de cada tipo Para obtener la reproducibilidad de los
cronoamperogramas del MIP y NIP se calculoacute el coeficiente de variacioacuten (CV)
tomando el valor maacuteximo de la corriente alcanzada por cada sensor
El CV o tambieacuten llamado desviacioacuten estaacutendar relativa (RSD) proporciona
informacioacuten sobre la dispersioacuten de las series de datos obtenidas y se calcula a
partir de la siguiente expresioacuten
119862119881 = 120590
∙ 100
120590 = radicsum (119909119894 minus 119909 119873
119894 )2
119873
(31)
Ecuacioacuten 31 Caacutelculo del coeficiente de variacioacuten (CV) o (RSD)
Donde 120590 es desviacioacuten estaacutendar x es la variable N es el nuacutemero de resultados
xi es el valor nuacutemero i de la variable x es la media de los datos obtenidos
121
Figura 38 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
El CV obtenido para los cronoamperogramas del sensor MIP y NIP es del
2577 y del 1687 respectivamente Ambos coeficientes indican falta de
homogeneidad durante la fabricacioacuten de los sensores lo que supone que las
condiciones de trabajo durante la fabricacioacuten de los mismos no fueron buenas
Entre los motivos principales se encuentran inmersioacuten de los electrodos de
trabajo y contraelectrodo de manera inadecuada asiacute como la ausencia de
agitacioacuten durante el desarrollo de los sensores
En el cronoamperograma del MIP (figura 38 a) y NIP (figura 38 b) se pueden
distinguir cada una de las fases correspondientes a la formacioacuten de la peliacutecula
de chitosaacuten con el tiempo sobre el electrodo BDD En un primer momento tiene
lugar un aumento de la intensidad de corriente debido a los procesos
electroquiacutemicos que se producen en la celda (fase I) El codo de curvatura
representa la fase II cuando se produce la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre la
superficie del electrodo BDD para ello se aplica un potencial de -11 V A este
potencial el chitosaacuten se vuelve insoluble debido a los cambios de pH que
tienen lugar en la proximidad de la superficie del electrodo estos cambios son
provocados por la desprotonacioacuten de los grupos NH3+ de la estructura quiacutemica
del chitosaacuten por los grupos OH- que hay en la solucioacuten [198] [209] En la
cronoamperometriacutea de ambos sensores se puede apreciar un proceso de
nucleacioacuten costoso debido posiblemente a la falta de agitacioacuten durante la
electrodeposicioacuten que da lugar a un proceso de difusioacuten en estado transitorio
Debido a la ausencia de agitacioacuten la concentracioacuten de las especies no se
mantiene constante en la solucioacuten por lo que la capa difusiva (δ) va adquiriendo
un mayor grosor Este hecho dificulta la difusioacuten de las especies hasta la
superficie del electrodo con el transcurso del tiempo [182] En la fase III se
muestra el crecimiento de la peliacutecula polimeacuterica sobre el electrodo BDD al
finalizar este proceso se distingue una caiacuteda en la intensidad de corriente
122
desde un valor de 65 μA en el NIP hasta un valor de 54 μA en el MIP La
disminucioacuten de la intensidad se debe a la presencia del azuacutecar durante la
polimerizacioacuten del chitosaacuten el cual dificulta la difusioacuten de las especies a su
traveacutes [186]
Para estudiar el efecto selectivo de la plantilla polimeacuterica en el MIP y el
comportamiento de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten se obtuvieron las
respuestas voltameacutetricas correspondientes a un electrodo BDD en blanco y a
los sensores MIP y NIP El blanco se elaboroacute mediante voltametriacutea ciacuteclica a
traveacutes de su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa 10-4 M en buffer fosfato
(PBP) de concentracioacuten 001 M y pH 74 aplicando un potencial de -1 V a 1 V
con una velocidad de barrido de 100 mVs El resultado obtenido se muestra
en la figura 39 a donde no se observa ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten
debido a que la lactosa no presenta actividad electroliacutetica La respuesta
electroquiacutemica de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvo mediante su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa
10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros
de medida y siguiendo el proceso de deteccioacuten explicados en el capiacutetulo 4
En el resultado obtenido de la voltametriacutea ciacuteclica figura 39 b se puede apreciar
como el MIP proporciona una mayor intensidad de sentildeal respecto del NIP y el
electrodo BDD blanco Este hecho se atribuye a la creacioacuten de cavidades
especiacuteficas en la matriz de chitosaacuten con una forma y tamantildeo que son
complementarios a las moleacuteculas de lactosa gracias a esta plantilla se
consigue una gran especificidad durante la deteccioacuten ya que las moleacuteculas se
enlazan faacutecilmente a los huecos creados [64] Como resultado de la siacutentesis de
la plantilla polimeacuterica se consigue un sensor que ofrece un mejor
comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de lactosa y por ende es
capaz de proporcionar una mayor intensidad de sentildeal en comparacioacuten al
sensor NIP
Por otro lado en este experimento no se pudieron distinguir los picos anoacutedicos
de las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs el resultado desfavorable puede
deberse a las siguientes razones
La ausencia de agitacioacuten durante la electropolimerizacioacuten sobre el
electrodo BDD podriacutea suponer que la cantidad de AgNWs depositados
en el sensor es inferior a la deseada
123
La concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten es
insuficiente
Figura 39 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH
74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El estudio de la reproducibilidad se llevoacute a cabo mediante la fabricacioacuten de dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs mediante la
inmersioacuten de los sensores en una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten
10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M El criterio empleado para su
obtencioacuten fue el caacutelculo del CV
La reproducibilidad obtenida tanto para el MIP como para el NIP es muy baja
siendo eacutesta de un 1873 y de un 3782 respectivamente La razoacuten de la
mala reproducibilidad en el MIP podriacutea atribuirse a la falta de homogeneidad
durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el electrodo BDD puesto
que es un fenoacutemeno que puede afectar a los sensores basados en la tecnologiacutea
de impresioacuten molecular [210] Sin embargo la baja reproducibilidad del NIP
indica que las condiciones en las que se llevaron a cabo la fabricacioacuten o la
medicioacuten de los sensores no fueron las adecuadas siendo una posible razoacuten
la falta de agitacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten de ambos
A pesar del buen funcionamiento del MIP no se pudieron apreciar los picos
correspondientes a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs presentes en la
peliacutecula de chitosaacuten por lo que la investigacioacuten se continuoacute incrementando la
concentracioacuten de eacutestos en un valor de 5 mgmL
124
La fabricacioacuten de sensores MIP y NIP con una concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten de 5 mgmL se realizoacute por cronoamperometriacutea
estableciendo los paraacutemetros de trabajo indicados en el capiacutetulo 4 Tal y como
se muestra en la figura 40 a y b donde se representan los cronoamperogramas
de los sensores MIP y NIP respectivamente En ellos se pueden distinguir las 3
fases correspondientes al proceso de electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo De nuevo en el MIP se observa un proceso de nucleacioacuten maacutes
costoso en comparacioacuten al NIP asiacute como una caiacuteda de la corriente desde un
valor de 150 μA alcanzado por el NIP hasta una intensidad de 80 μA en el MIP
La razoacuten de ambos fenoacutemenos se atribuye a una mayor dificultad en el proceso
de difusioacuten tal y como se explicaba para la misma configuracioacuten del sensor
pero con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
Figura 40 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-
AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgml
Como en el anterior sensor para estudiar la reproducibilidad del MIP y NIP se
han sintetizado dos sensores de cada tipo el CV obtenido para ambos
cronoamperogramas es del 26 y del 956 respectivamente Los CV
obtenidos son bajos las razones por las que esto podiacutea ocurrir se indicaron en
la anterior configuracioacuten del sensor de una concentracioacuten de AgNWs de 1
mgmL
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado a traveacutes de
voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten
001 M y pH 74 Su respuesta voltameacutetrica se ha comparado con la obtenida
por un sensor NIP y un electrodo BDD blanco siguiendo el mismo
procedimiento que el descrito para la anterior configuracioacuten del sensor en
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL En el voltamograma figura 41 a se
puede comprobar que el MIP presenta una mayor intensidad que el NIP en la
deteccioacuten frente a lactosa lo cual indica la formacioacuten de las cavidades de
125
reconocimiento en la matriz de chitosaacuten que aportan especificidad al sensor
MIP frente a la deteccioacuten de este azuacutecar [211] tal y como se ha explicado
anteriormente
Por otro lado los resultados obtenidos demuestran que a una concentracioacuten
de AgNWs de 5 mgmL es posible distinguir los procesos correspondientes a
las reacciones de oxidacioacuten de los mismos El primer pico anoacutedico (51528 mV)
se corresponde con el proceso de oxidacioacuten de la plata (Ag) al estado de
oxidacioacuten +1 (Ag+1) y el segundo pico anoacutedico (67886 mV) se corresponde con
la oxidacioacuten de la plata de su estado elemental (Ag0) al estado de oxidacioacuten +2
(Ag2+) El estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ es menos comuacuten sin embargo
cuando se alcanzan potenciales superiores a 040 V se puede apreciar [212]
Figura 41 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para calcular la reproducibilidad se siguieron los mismos pasos que se han
empleado para el sensor que presenta la misma configuracioacuten a una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL De la misma forma el criterio empleado
fue el caacutelculo del CV tomando como referencia el pico anoacutedico de mayor
intensidad (1198601198922+) en estas condiciones se obtuvieron valores de
reproducibilidad del 2861 y del 1665 para el MIP y NIP respectivamente
126
A pesar del buen funcionamiento del MIP en las configuraciones descritas se
aprecia una falta de reproducibilidad importante cuyo valor se encuentra por
encima del 5 Con el propoacutesito de mejorar la reproducibilidad de ambos
sensores se modificoacute un nuevo paraacutemetro durante el proceso de fabricacioacuten
del sensor Por lo que en los experimentos siguientes se sintetizaron sensores
MIP y NIP en presencia de agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
bull Cronoamperometriacutea con agitacioacuten
Los experimentos relativos al desarrollo de sensores frente a la deteccioacuten
oacuteptima de lactosa se continuaron mediante la elaboracioacuten de sensores MIP y
NIP con la siguiente configuracioacuten MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD ambos con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL en la
peliacutecula de chitosaacuten Su siacutentesis se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten fijando los paraacutemetros de trabajo indicados en el
capiacutetulo 4
Tal y como sucediacutea en los anteriores sensores en el MIP (figura 42 a) se aprecia
un proceso de nucleacioacuten maacutes costoso en comparacioacuten al NIP (figura 42 b) asiacute
como una caiacuteda en la intensidad de corriente hasta a un valor de 80 μA
respecto a la intensidad de 150 μA alcanzada por el NIP
A pesar de ello se encuentran importantes diferencias entre los
cronoamperogramas de los sensores MIP (figura 40 a) y NIP (figura 40 b)
obtenidos por cronoamperometriacutea sin agitacioacuten a la misma concentracioacuten de
AgNWs que se han descrito en el anterior punto
En la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten la nucleacioacuten del chitosaacuten se produciacutea
con una mayor dificultad siendo el proceso maacutes lento en este caso lo cual es
un indicador de que el factor de agitacioacuten facilita la electrodeposicioacuten del
chitosaacuten modificado con AgNWs sobre la superficie del electrodo BDD Como
se ha indicado anteriormente (capiacutetulo 2612) la cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten da lugar a un fenoacutemeno de conveccioacuten de las moleacuteculas
que se encuentran en la solucioacuten lo que hace que el espesor de la capa
difusiva se mantenga constante en todo el tiempo en que dura el pulso de
potencial aplicado sobre el electrodo de trabajo Al contrario de lo que sucede
en la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten donde el espesor de la capa difusiva
aumenta con el paso del tiempo [182]
127
Figura 42 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y un b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se obtuvieron
dos sensores MIP y NIP de cada tipo cuyos cronoamperogramas presentaron
un CV (calculado con el mismo criterio que en los anteriores sensores descritos)
del 111 y del 687 respectivamente En este caso los valores del CV
indican que las condiciones de trabajo con las que se fabricaron ambos
sensores contribuyeron a mejorar la reproducibilidad de los
cronoamperogramas
El estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP frente a la
deteccioacuten de lactosa se ha realizado mediante voltametriacutea ciacuteclica
estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el mecanismo de deteccioacuten
indicados en el capiacutetulo 4 Para ello se ha comparado la respuesta voltameacutetrica
del MIP con la del NIP y un electrodo BDD blanco cuya voltametriacutea se ha
realizado siguiendo el mismo procedimiento que se ha explicado para las
anteriores configuraciones del sensor de lactosa En el voltamograma obtenido
figura 43 a se puede observar que el sensor MIP proporciona una intensidad
de corriente superior al NIP lo que es un indicador de la correcta formacioacuten de
la plantilla polimeacuterica de lactosa en la matriz de chitosaacuten siendo eacutesta la
responsable de que el MIP tenga una mayor especificidad frente a la deteccioacuten
de dicho analito Por otro lado se pueden distinguir los picos de las reacciones
de oxidacioacuten de los AgNWs el primer pico se corresponde con el estado de
oxidacioacuten de la plata Ag+1 producido a un potencial de 39899 mV y el segundo
pico que tiene lugar a un potencial de 51015 mV se corresponde con el estado
de oxidacioacuten de la plata Ag2+ [212]
128
Figura 43 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes obtenidos en presencia de agitacioacuten
Para comprobar el efecto de la agitacioacuten en la respuesta voltameacutetrica se ha
comparado el sensor MIP descrito en este apartado con el sensor MIP que
presenta la misma concentracioacuten de AgNWs (5 mgmL) fabricado sin agitacioacuten
cuyo funcionamiento se explicoacute en el apartado cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten En la tabla 1 donde se comparan los valores de los potenciales
obtenidos entre ambos sensores se puede observar que el potencial necesario
para que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs son inferiores
en el sensor sintetizado bajo cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten
Esta disminucioacuten en el potencial indica una mejora en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor MIP ya que es necesario un menor potencial para
que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs En la tabla 2 se
muestran los valores de la intensidad de corriente alcanzados por ambos
sensores donde se distingue un aumento en la intensidad de corriente en el
sensor MIP obtenido por cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten lo que
indica una mejora en la actividad electroquiacutemica del mismo Con estos
resultados se puede concluir que la introduccioacuten de agitacioacuten afecta
positivamente al funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP
129
Tabla 1 Potencial (mV) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico Paraacutemetros fabricacioacuten
Potencial con agitacioacuten
Potencial sin agitacioacuten
(Ag+) 39899 51528
(Ag2+) 51015 67886
Tabla 2 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico
Paraacutemetros de obtencioacuten
Intensidad de corriente con agitacioacuten
Intensidad de corriente sin agitacioacuten
(Ag+) 34 2110
(Ag2+) 3327 307
Finalmente se realizoacute un estudio de la reproducibilidad sintetizando dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten
de lactosa 10minus4119872 siguiendo el mismo procedimiento que se ha indicado en las
anteriores configuraciones Para ello se utilizoacute el caacutelculo del CV tomando como
referencia la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico 1198601198922+ Se
obtuvo una reproducibilidad de un 141 para el NIP y un 1275 para el MIP
como se aprecia el NIP presentoacute una reproducibilidad significativamente
superior El motivo de esta diferencia puede estar asociado a la falta de
homogeneidad durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el
electrodo BDD como se ha indicado anteriormente dicho fenoacutemeno es posible
que afecte a los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
[210]
En la tabla 3 se han comparado los valores de reproducibilidad de los sensores
obtenidos con y sin agitacioacuten donde se aprecia una reproducibilidad
notablemente superior en los sensores MIP y NIP sintetizados por
cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten En vista a estos resultados se
puede concluir que la presencia de agitacioacuten durante la obtencioacuten de los
sensores contribuye a obtener una respuesta maacutes reproducible
130
Tabla 3 CV () de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs] con 5 mgmL de AgNWs 0btenidos con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
Electrodeposicioacuten Sensores
CV con agitacioacuten CV sin agitacioacuten
MIP 1275 2861
NIP 141 1665
Con el propoacutesito de conseguir un aumento en el valor de la intensidad de
corriente alcanzado por el sensor MIP frente a la deteccioacuten de lactosa la
investigacioacuten se continuoacute incrementando la concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten a una concentracioacuten de 10 mgmL La fabricacioacuten de este
sensor se llevoacute a cabo mediante cronoamperometriacutea fijando los paraacutemetros de
trabajo indicados en el capiacutetulo 4
Figura 44 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Como en el resto de las configuraciones se han sintetizado dos sensores de
cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV del 1178 y del 455
para el MIP (figura 44 a) y NIP (figura 44 b) respectivamente Estos valores
indican una menor homogeneidad en la fabricacioacuten del sensor MIP atribuible a
una mayor dificultad durante el proceso de fabricacioacuten del mismo
Tal y como se observa la polimerizacioacuten del chitosaacuten en presencia de los
AgNWs y de la moleacutecula plantilla de lactosa (figura 44 a) tiene lugar con una
mayor dificultad en comparacioacuten al NIP (figura 44 b) Ademaacutes en el MIP se
alcanza una intensidad de corriente de 50 μA y en el NIP un valor igual a 75
μA Ambos fenoacutemenos se han producido y explicado en el resto de las
configuraciones desarrolladas en el presente trabajo
131
El comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha evaluado comparando
su respuesta voltameacutetrica con la obtenida por el NIP y un electrodo BDD blanco
(figura 45 a) El protocolo seguido para la obtencioacuten de los voltamogramas del
MIP NIP y el blanco es el mismo que el que se ha descrito para el resto de las
configuraciones
La respuesta voltameacutetrica proporcionada por el MIP no fue la adecuada e indicoacute
un mal funcionamiento por parte de este sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
(figura 45 b) Es decir la intensidad de corriente de este sensor es inferior a la
proporcionada por el NIP lo cual no deberiacutea suceder ya que el MIP debe ofrecer
una mayor intensidad de sentildeal Este resultado indicoacute que la plantilla de lactosa
no se sintetizoacute correctamente en la matriz de chitosaacuten La razoacuten del mal
funcionamiento del sensor MIP puede estar asociada a la elevada
concentracioacuten de AgNWs que se utilizoacute durante la electrodeposicioacuten lo que
provocoacute que el chitosaacuten no polimerizase bien sobre la superficie del electrodo
en consecuencia la plantilla de lactosa no se formoacute adecuadamente en la
matriz polimeacuterica
Por otro lado ademaacutes de apreciar los picos anoacutedicos correspondientes a los
estados de oxidacioacuten de los AgNWs a esta concentracioacuten tambieacuten es posible
apreciar los picos catoacutedicos que se corresponden con la reacciones de
reduccioacuten reversibles de la plata (del estado de oxidacioacuten Ag2+ al estado
elemental Ag0) producidas a un potencial de 4047 mV y 1813 mV [212] (figura
45 a)
132
Figura 45 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para estudiar el efecto en el aumento de concentracioacuten de los AgNWs en la
matriz de chitosaacuten en la tabla 4 se muestra una comparativa con el sensor
que tiene la misma configuracioacuten en una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
y que se ha descrito en este mismo punto Los valores indican un aumento en
la intensidad de corriente del pico anoacutedico Ag2+ en el MIP y NIP de un valor del
131 y del 211 respectivamente Estos resultados demuestran que la
intensidad proporcionada por los AgNWs aumenta con su concentracioacuten en la
peliacutecula de chitosaacuten tal y como se observa en la figura 46
Cabe mencionar que la comparacioacuten entre concentraciones (1mgmL y 5
mgmL) en el anterior punto no se realizoacute puesto que careciacutea de intereacutes al no
poderse apreciar los picos anoacutedicos de los AgNWs en el sensor que presentaba
una concentracioacuten de eacutestos en 1mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
133
Tabla 4 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos con una concentracioacuten de AgNWs 5 y 10 mgmL
MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
NIP [CHI-AgNWs]BDD
Pico anoacutedico Concentracioacuten
de AgNWs
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad de
corriente
(10 mgmL)
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad
de corriente
(10 mgmL)
(Ag2+) 3327 4361 2898 6128
Figura 46 Intensidad del pico anoacutedico Ag2+ de los sensores MIP (negro) NIP (rojo) inmersos en una solucioacuten de lactosa en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 Se representa un aumento de la concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (0 5 10 mgmL)
En cuanto al estudio de la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de
cada tipo MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD NIP [CHI-AgNWs]BDD el criterio
empleado para su caacutelculo se realizoacute bajo las mismas condiciones que se han
descrito para el resto de los sensores El CV obtenido para el MIP y NIP fue del
23 y del 184 respectivamente El empeoramiento de la reproducibilidad
(respecto de la anterior configuracioacuten que presentaba una concentracioacuten de
AgNWs de 5 mgmL) indica que las condiciones en las que se fabricaron los
sensores no fueron las adecuadas siendo una posible causa la elevada
concentracioacuten de AgNWs (10 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten que se empleoacute
para la construccioacuten del sensor
134
bull Agente reticulante glutaraldehiacutedo
La utilizacioacuten de agentes reticulantes en la siacutentesis de poliacutemeros de impresioacuten
molecular es muy frecuente ya que estos influyen directamente en la
morfologiacutea de los MIP en su estabilidad y en la fijacioacuten de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico [69] Por estas razones en el presente trabajo se ha
comprobado su efecto en los sensores MIP y NIP sometieacutendolos a vapores de
glutaraldehiacutedo a traveacutes del anaacutelisis de su respuesta voltameacutetrica y de un
estudio de la reproducibilidad de los mismos
Se ha utilizado la siguiente denotacioacuten para los sensores desarrollados MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-lactosa]BDD y NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs]BDD
Los sensores fueron fabricados con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
mediante cronoamperometriacutea seguacuten los paraacutemetros de medida que se
establecieron en el capiacutetulo 4 los cronoamperogramas obtenidos no se
muestran en el presente trabajo dado que coinciden con los
cronoamperogramas del sensor que presenta la misma concentracioacuten de
AgNWs en ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo (figura 44 a y b) Tras la
cronoamperometriacutea los sensores MIP y NIP se introdujeron en vapores de
glutaraldehiacutedo seguacuten el procedimiento indicado en el mismo capiacutetulo
El efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP frente
a la deteccioacuten de lactosa se ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica
mediante la inmersioacuten del sensor en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP
de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el
protocolo de medida indicados en el capiacutetulo 4 En el voltamograma obtenido
figura 47 a se compara la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP con el NIP y
un electrodo BDD blanco
Tal y como se observa la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico
de mayor intensidad (Ag 2+) es de 11327 μA para el NIP mientras que para el
MIP es inferior e igual a 5031 μA Los valores de corriente indican un mal
funcionamiento del MIP al proporcionar el otro sensor una mayor intensidad de
sentildeal (este fenoacutemeno se ha repetido para el sensor que presentaba la misma
concentracioacuten de AgNWs sin agente reticulante glutaraldehiacutedo) Como se ha
explicado anteriormente el mal funcionamiento del MIP se asocia a una posible
saturacioacuten del sensor debido a la elevada concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten que impide la correcta formacioacuten de la plantilla polimeacuterica
No obstante a pesar del mal funcionamiento del sensor frente a la deteccioacuten
de lactosa se consiguioacute incrementar notablemente la intensidad de la sentildeal
135
Figura 47 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
En la tabla 5 se muestran los valores de corriente alcanzados por los sensores
MIP y NIP en presencia y ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo en los que se
puede apreciar un incremento de la intensidad de corriente en un coeficiente
del 115 y del 185 respectivamente Estos resultados indican que la
fabricacioacuten del sensor en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo mejora la
respuesta cataliacutetica del mismo lo cual puede estar asociado a diversas
razones
El chitosaacuten reticulado ayuda a mantener la rigidez de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico contribuyendo a mantener su forma y
tamantildeo [69]
Aumento de la estabilidad mecaacutenica el nuacutemero de entrecruzamientos
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo evitan la peacuterdida de las cavidades
de reconocimiento especiacutefico [69]
Por estas razones el chitosaacuten se convierte en un soporte maacutes estable para los
AgNWs lo cual se produce gracias a la unioacuten entre los grupos -COOH de los
extremos de la moleacutecula del glutaraldehiacutedo con los grupos -NH2 del chitosaacuten
dando lugar a un enlace imina muy resistente (minusC=NH-) [93]
136
Tabla 5 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Configuracioacuten
Pico anoacutedico
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de corriente
MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]
BDD
Intensidad de corriente
NIP
[CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD
Intensidad de
corriente
(Ag2+) 4361 5031 6128 11327
Finalmente se ha llevado a cabo un estudio del sometimiento de los sensores
a vapores de glutaraldehiacutedo Para ello se sintetizaron dos sensores MIP [CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNws-lactosa]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD de
cada tipo siguiendo el mismo procedimiento que en los anteriores sensores
descritos El CV se ha calculado bajo el mismo criterio obteniendo un valor para
el MIP del 837 y del NIP de 1364 respectivamente Mientras que las
mismas configuraciones del sensor pero sin sometimiento a vapores de
glutaraldehiacutedo muestran una reproducibilidad muy mala con un CV del 23 y
del 184 respectivamente
Los resultados indican que bajo los paraacutemetros en los que fueron fabricados
ambos sensores los vapores de glutaraldehiacutedo mejoran significativamente su
reproducibilidad lo cual estaacute asociado a una mayor estabilidad mecaacutenica de la
plantilla polimeacuterica de chitosaacuten asiacute como de los AgNWs que lo recubren [69]
bull Seleccioacuten del agente eluyente
El eluyente empleado para eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten no debe afectar a su rigidez y estabilidad [69] Por ello con objeto de
seleccionar el disolvente que proporcionase los mejores resultados se ha
estudio la respuesta voltameacutetrica del MIP frente a dos eluyentes distintos KCl
01 M y agua desionizada Milli Q Para la seleccioacuten de ambos se ha tenido en
cuenta la solubilidad del chitosaacuten y de la lactosa en ambos eluyentes
El chitosaacuten es un poliacutemero catioacutenico soluble en aacutecidos diluidos (aacutecido aceacutetico
aacutecido niacutetrico aacutecido clorhiacutedrico entre otros) sin embargo es insoluble en medios
con pH superiores a 65 (agua disoluciones baacutesicas o en disolventes
137
orgaacutenicos) por lo que el empleo de agua desionizada Milli Q o KCl no deberiacutea
de afectar a la solubilidad de la peliacutecula de chitosaacuten en ambos eluyentes [191]
La lactosa es un azuacutecar soluble en disolucioacuten acuosa debido a la formacioacuten de
puentes de hidroacutegeno entre los grupos hidroxilo del azuacutecar y el hidroacutegeno del
agua por lo que es soluble en ambos tipos de disolventes [213]
El protocolo de medicioacuten empleado para la deteccioacuten de lactosa es el descrito
en el capiacutetulo 4 Tras el proceso de elucioacuten llevado a cabo con KCl (figura 48 a)
y agua desionizada Milli Q (figura 48 b) se observa que ambos sensores MIP
proporcionan una disminucioacuten en la intensidad de corriente en el mismo grado
Tras estos resultados se concluye que no hay cambios al utilizar un eluyente u
otro puesto que ambos afectan de la misma manera a la respuesta
voltameacutetrica del sensor
Figura 48 a) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con KCl (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP (001M pH 74) b) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con agua desionizada Milli Q (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP (001M pH 74)
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
El sensor seleccionado para estudiar su comportamiento electroquiacutemico frente
a la deteccioacuten de lactosa fue el MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD con una
concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL Las siguientes razones fueron
determinantes para elegir este sensor desarrollado por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten
138
En el estudio llevado a cabo por voltametriacutea ciacuteclica el MIP demostroacute un
mejor comportamiento con respecto al NIP (figura 43 a) Este resultado
fue de gran importancia ya que indicoacute la formacioacuten de una plantilla
polimeacuterica en la matriz de chitosaacuten que aportaba una mayor
especificidad al sensor MIP frente a la deteccioacuten lactosa
Con esta configuracioacuten se apreciaron los picos anoacutedicos de los AgNWs
lo que permitiraacute determinar el comportamiento electroquiacutemico del
sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
Representa el sensor MIP que cumpliendo con las dos condiciones
descritas tiene una mayor reproducibilidad
La fabricacioacuten del sensor se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea tal y como se
explicoacute en el capiacutetulo 4 el cronoamperograma de ambos sensores MIP (figura
42 a) y NIP (figura 42 b) ya se indicoacute dentro de este mismo capiacutetulo en la
fabricacioacuten de sensores por cronoamperometriacutea con agitacioacuten
El proceso de deteccioacuten llevado a cabo frente a lactosa ha sido descrito en el
capiacutetulo 4 figura 49 a Tras eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten con KCl (01 M) se forman las cavidades de reconocimiento especiacutefico
cuya estructura es complementaria a las moleacuteculas de lactosa Una vez
obtenido el sensor se lleva a cabo la deteccioacuten en la disolucioacuten de lactosa
(10 minus4 119872) durante este proceso tiene lugar la especificidad entre la plantilla
polimeacuterica y las moleacuteculas de lactosa presentes en la solucioacuten Con la
disminucioacuten de la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs es posible
estudiar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a lactosa dado
que es un fenoacutemeno que se puede utilizar como un indicador de la presencia
del azuacutecar en la solucioacuten
La disminucioacuten en la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs puede
estar asociado a dos razones en primer lugar la lactosa presente en la
solucioacuten dificulta la transferencia de electrones hasta la superficie del
electrodo [84] En segundo lugar la disminucioacuten de la corriente puede ser
provocada por el efecto denominado ldquogate effectrdquo Este fenoacutemeno es tiacutepico en
los sensores MIP y contribuye a un decremento en la intensidad de la sentildeal
causado por un cambio en la morfologiacutea de la peliacutecula de chitosaacuten al enlazarse
la moleacutecula plantilla a los sitios de unioacuten de eacuteste A causa de este suceso la
capacidad de difusioacuten de los electrones a traveacutes de la peliacutecula polimeacuterica se
produce con una mayor dificultad [91]
139
Figura 49 a) respuesta voltameacutetrica de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M despueacutes de la elucioacuten (rojo) en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M (azul) Respuesta voltameacutetrica de un electrodo BDD blanco en lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (rosa) a1) Detalle de los picos anoacutedicos
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a
lactosa
Para estudiar la sensibilidad del sensor frente a las moleacuteculas de lactosa se
llevaron a cabo detecciones en una solucioacuten de lactosa con una concentracioacuten
10-4 M y 10-3 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M Aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs
En la figura 50 a y b se muestran los voltamogramas obtenidos con los
sensores MIP y NIP respectivamente donde se puede observar que la
intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs disminuye al aumentar la
concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten Como ya se ha indicado dicho
fenoacutemeno tiene lugar en los sensores MIP que utilizan sustancias
electroactivas para el reconocimiento de azuacutecares La presencia del azuacutecar en
la solucioacuten provoca el empeoramiento de la transferencia electroacutenica a traveacutes
de la matriz de chitosaacuten por lo que la intensidad de la sentildeal proporcionada por
el sensor disminuye [41] [84] [212]
140
Figura 50 Estudio de la sensibilidad de un sensor a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) posteriormente en un disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10minus4 119872 (rojo) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M y finalmente en una disolucioacuten de lactosa de
concentracioacuten 10minus3M (azul) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
De la representacioacuten de la intensidad del pico anoacutedico (figura 51)
correspondiente al estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ se obtienen dos rectas
para cada uno de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD La ecuacioacuten correspondiente al sensor MIP para el tramo de (0
mM - 01 mM) es 119910 = 2456119909 + 4175 y para el 2ordm tramo (01 mM ndash 1mM)
119910 = minus116119909 + 1835 Donde ldquoxrdquo es la concentracioacuten de lactosa (mM) e ldquoyrdquo es
la intensidad de sentildeal del pico anoacutedico (μA)
De la misma forma para el sensor NIP la ecuacioacuten para el tramo de (0 mM-
01Mm) es 119910 = minus1043119909 + 2218 y para el segundo tramo (01 ndash 1mM) es la
siguiente 119910 = minus58556119909 + 12336
En esta representacioacuten se demuestra que a mayor concentracioacuten del azuacutecar
menor es la intensidad de la sentildeal proporcionada por ambos sensores (MIP y
NIP) Ademaacutes la intensidad de corriente alcanzada por el sensor MIP y NIP ante
la deteccioacuten de lactosa entre las concentraciones 0 mM ndash 01 mM presenta un
gran salto de deteccioacuten Por otro lado cuando la deteccioacuten se lleva a cabo con
una concentracioacuten de lactosa entre los valores de 01 mM - 1 mM el salto de
deteccioacuten es menos brusco es decir la caiacuteda de corriente tanto del MIP como
del NIP es maacutes baja Por otro lado se aprecia que a una concentracioacuten de
10minus3 119872 de lactosa en la solucioacuten el sensor MIP parece que se llega a saturar
puesto que la diferencia en la intensidad de corriente alcanzada entre los
sensores MIP y NIP es praacutecticamente despreciable Por estas razones se
deberiacutea comprobar el funcionamiento de los sensores llevando a cabo
detecciones frente a concentraciones inferiores de lactosa en la solucioacuten
(10minus5 119872 10minus6 119872 etc)
141
Figura 51 Rectas de la intensidad del pico anoacutedico (Ag2+) de los sensores MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD (negro) y NIP [ CHI-AgNWs]BDD (rojo) en PBP (001 M y pH 74) para un incremento de la concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten (0 01 y 1 mM)
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa
La reproducibilidad del MIP (1275) figura 52 a es inferior a la del NIP
(141) figura 52 b la diferencia de reproducibilidad entre el MIP y el NIP se
debe a que los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
pueden estar afectados por una mala reproducibilidad asociada al proceso de
fabricacioacuten del MIP durante la electrodeposicioacuten electroquiacutemica [210] Aunque
como ya se ha indicado en el anterior apartado el empleo de agentes
reticulantes como el glutaraldehiacutedo contribuyen a la mejora de la
reproducibilidad
142
Figura 52 Reproducibilidad mediante voltametriacutea ciacuteclica en lactosa 10-4M en PBP 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa
El estudio de la repetitividad del sensor (tabla 6) se ha llevado a cabo utilizando
voltametriacutea ciacuteclica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M mediante 5 ciclos consecutivos potencial de -1 V a 1 V
y una velocidad de barrido de 100 mVs El criterio empleado para calcular la
repetitividad del sensor es el CV obtenido del valor de intensidad del pico
anoacutedico Ag2+ de los 4 uacuteltimos ciclos
La repetitividad del MIP (figura 53 a) calculada es del 1251 y la del NIP (figura
53 b) es del 1878 estos resultados demuestran una mala repetitividad que
puede estar asociada a dos factores la peacuterdida de AgNWs en la superficie del
chitosaacuten con cada ciclo y al deterioramiento de la peliacutecula de chitosaacuten lo que
implicariacutea la peacuterdida en la intensidad de la sentildeal
Figura 53 Repetitividad mediante voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
143
Tabla 6 Estudio de la repetitividad a traveacutes de la intensidad de corriente (μA) de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgmL
Ciclo Configuracioacuten
MIP
[CHI-AgNWs- Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]BDD
Intensidad de corriente
2 5038 4457
3 4257 3733
4 37 33
5 3327 2898
CV () 1251 1878
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-
Glucosa]BDD
Se ha sintetizado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD utilizando la
glucosa como moleacutecula plantilla en una concentracioacuten 001 M El
funcionamiento de dicho sensor se ha comparado con un NIP [CHI-
AgNWs]BDD
El sensor se ha sintetizado con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
llevando a cabo la polimerizacioacuten del chitosaacuten por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten cuyos paraacutemetros de medida fueron establecidos en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se muestra el cronoamperograma de la electrodeposicioacuten
llevada a cabo para la fabricacioacuten de los sensores MIP (figura 54 a) y NIP (figura
54 b) Tal y como se ha explicado en el sensor de lactosa en ambos
cronoamperogramas se distinguen cada una de las fases que se corresponden
con la deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten sobre el electrodo BDD con el
tiempo Primero se produce un aumento en la intensidad de corriente debido
a los procesos electroquiacutemicos que ocurren en la celda En la segunda fase
tiene lugar la nucleacioacuten del chitosaacuten en ambos sensores el codo de curvatura
es muy pronunciado lo cual indica que la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo se produce con dificultad Este resultado se podriacutea asociar a la falta
de agitacioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la siacutentesis de los
sensores tal y como se ha indicado en los sensores de lactosa fabricados en
las mismas condiciones Finalmente la peliacutecula de chitosaacuten crece sobre el
electrodo BDD
144
Como en los sensores de lactosa la presencia de glucosa en la disolucioacuten
dificulta la difusioacuten de las especies a traveacutes de la peliacutecula de chitosaacuten Este
resultado se refleja en la intensidad de la corriente final alcanzada en los
cronoamperogramas respectivos donde el MIP alcanza una intensidad 45 μA
y el NIP de 60 μA
Figura 54 Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Se fabricaron dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas
presentaron un CV (calculado siguiendo el mismo criterio que para el sensor de
lactosa) para el MIP del 20 y para el NIP del 1795 La razoacuten de la baja
reproducibilidad se asocia a que las condiciones en las que se realizoacute la
fabricacioacuten o medicioacuten de ambos sensores no fueron las adecuadas siendo un
posible motivo la ausencia de agitacioacuten o una inmersioacuten inadecuada del
electrodo de trabajo y contraelectrodo
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado comparando
la respuesta obtenida por voltametriacutea ciacuteclica de un electrodo BDD blanco con
la respuesta electroquiacutemica proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 55
b) en una disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001M La voltametriacutea ciacuteclica se ha realizado siguiendo el mismo
procedimiento y estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que se han
explicado para el sensor de lactosa
En la figura 55 a se muestra la respuesta voltameacutetrica del blanco donde no es
posible apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten dado que la glucosa no es
un compuesto con actividad electroliacutetica
145
Figura 55 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de glucosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de glucosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL sensor NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
La respuesta voltameacutetrica obtenida de los sensores (MIP y NIP) asiacute como la del
blanco indica que los resultados no son buenos por varias razones En el MIP
no hay nada que sugiera que se haya formado una plantilla polimeacuterica puesto
que la intensidad de corriente alcanzada es muy baja e inferior a la lograda por
el blanco En segundo lugar en el sensor no se aprecia un buen funcionamiento
de los AgNWs puesto que la intensidad de corriente proporcionada por eacutestos
es inferior a la respuesta voltameacutetrica del blanco En adiccioacuten tampoco es
posible apreciar los picos de oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el
estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a glucosa
Teniendo en cuenta estos resultados se puede concluir que los paraacutemetros de
fabricacioacuten utilizados para la elaboracioacuten del sensor MIP no fueron los
adecuados las posibles razones son
En la electrodeposicioacuten del MIP no se llevoacute a cabo agitacioacuten lo que
implica que la cantidad de AgNWs depositados en el electrodo es
insuficiente para apreciar los picos de oxidacioacuten de los mismos
La concentracioacuten de AgNWs en el sensor (1mgmL) es demasiado
pequentildea lo que afectoacute directamente a la respuesta electroquiacutemica del
mismo
Con objeto de estudiar la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de cada
tipo MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute
146
a cabo por medio de voltametriacutea ciacuteclica siguiendo el mismo procedimiento que
en los sensores de lactosa
Para ello se calculoacute el CV del MIP y NIP obteniendo valores de reproducibilidad
del 30 (MIP) y del 12 (NIP) La mala reproducibilidad de los sensores se
puede deber a que las condiciones en las que se llevaron a cabo los
experimentos no fueron las adecuadas siendo una posible causa la falta de
agitacioacuten durante la electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla
para la siacutentesis del MIP o NIP
Finalmente es necesario aclarar que el procedimiento seguido para la
optimizacioacuten del sensor de lactosa con los distintos paraacutemetros de fabricacioacuten
y de medida indicados a lo largo de este trabajo (fabricacioacuten del sensor con
agitacioacuten concentracioacuten de AgNWs uso de agente reticulante glutaraldehiacutedo
etc) se deberiacutean de repetir para el sensor de glucosa descrito en este mismo
punto
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-
Galactosa]BDD
Se ha elaborado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD para la deteccioacuten
de galactosa para ello se utiliza dicho analito como moleacutecula plantilla El
funcionamiento del MIP se ha comparado con un sensor NIP fabricado de la
misma forma pero en ausencia de la moleacutecula de galactosa
A diferencia del resto de las configuraciones explicadas en el presente trabajo
en este caso el sensor se obtuvo por cronoamperometriacutea en presencia de una
moleacutecula plantilla que se encontraba en la solucioacuten en una concentracioacuten 01 M
(el resto de los sensores MIP de glucosa y galactosa se sintetizaron con una
concentracioacuten 001 M de las moleacuteculas plantilla respectivas) Este cambio se
realizoacute con objeto de comprobar coacutemo afectariacutea al sensor un aumento de la
concentracioacuten del azuacutecar en la formacioacuten de la plantilla de chitosaacuten La
polimerizacioacuten se llevoacute a cabo sin agitacioacuten bajo las condiciones indicadas en
el capiacutetulo 4
En la figura 56 a y b se muestra el cronoamperograma obtenido para el MIP y
NIP respectivamente donde se pueden observar las tres fases
correspondientes a la electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el electrodo BDD y
que ya se han explicado en apartados anteriores En ambos sensores se puede
apreciar un proceso de nucleacioacuten muy costoso asiacute como una caiacuteda en la
intensidad de corriente del NIP (60 μA) en comparacioacuten al MIP (50 μA) Tal y
147
como ocurriacutea en el resto de las configuraciones obtenidas mediante
cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
Figura 56 a) Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se fabricaron
dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV
(calculado siguiendo los mismos pasos que para el sensor de lactosa) para el
MIP del 18 y para el NIP del 1725 De nuevo la reproducibilidad es baja las
posibles causas de ello se han indicado para los sensores de lactosa y glucosa
obtenidos bajo las mismas condiciones de fabricacioacuten
Para llevar a cabo un estudio del funcionamiento del MIP se ha comparado la
respuesta de un electrodo BDD blanco con la respuesta electroquiacutemica
proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 57 b) en una solucioacuten de
galactosa 10-4 en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M La respuesta
voltameacutetrica de los sensores MIP y NIP frente a galactosa se obtuvo seguacuten los
paraacutemetros de medida y el protocolo de deteccioacuten establecidos en el capiacutetulo
4 En este caso para llevar a cabo la medicioacuten frente a galactosa se empleoacute
una celda electroquiacutemica distinta con el fin de comprobar el funcionamiento
electroquiacutemico de los sensores en la misma Esta celda presentaba la ventaja
de mantener siempre el mismo aacuterea de contacto de los sensores MIP en el
proceso de deteccioacuten frente al azuacutecar de intereacutes
La respuesta voltameacutetrica del electrodo BDD blanco figura 57 a se obtuvo
estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que fueron indicados en los
sensores de lactosa y glucosa En el voltamograma obtenido no es posible
148
apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten ya que la galactosa no presenta
actividad electroliacutetica
Figura 57 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de galactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de galactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El resultado de la voltametriacutea ciacuteclica figura 57 b demuestra un mal
funcionamiento del sensor MIP ya que la intensidad obtenida por el NIP es
mayor a la intensidad proporcionada por el sensor MIP frente a galactosa
Ademaacutes no es posible apreciar los picos correspondientes a las reacciones de
oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el estudio del comportamiento
electroquiacutemico del sensor frente a galactosa
El mal funcionamiento del MIP se puede asociar a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Ademaacutes en este caso se debe tener en
cuenta que con una concentracioacuten de galactosa 01 M en la solucioacuten que
contiene la mezcla para sintetizar el sensor seguramente se produzca la
saturacioacuten de la misma lo cual impide la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica en
la matriz de chitosaacuten
Finalmente en la figura 57 b se puede observar que la intensidad de corriente
alcanzada por los sensores es muy inferior (lt 5 μA) a la que se obtuvo con el
resto de las configuraciones descritas que presentaban la misma
concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten La razoacuten de la
baja intensidad de la sentildeal se podriacutea atribuir a un menor aacuterea de contacto entre
el electrodo de trabajo y la solucioacuten en la celda empleada en este experimento
en comparacioacuten al aacuterea de contacto que se conseguiacutea con la celda electroliacutetica
utilizada en el resto de los experimentos descritos en este trabajo
149
Para obtener la reproducibilidad se fabricaron dos sensores de cada tipo
MIP[CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP[CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute a
cabo con voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de galactosa 10-4 M siguiendo el
mismo procedimiento que para el sensor de glucosa y lactosa De la misma
forma el criterio empleado para su obtencioacuten fue el caacutelculo del CV obteniendo
un valor para el sensor MIP del 1095 y para el NIP del 756 Ambos
sensores tienen falta de reproducibilidad lo que sugiere que las condiciones
en las que se obtuvieron los sensores no fueron las adecuadas A pesar de ello
el MIP presenta una mayor reproducibilidad que el resto de los sensores
obtenidos a la misma concentracioacuten de AgNWs por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten Lo cual se puede deber al empleo de la celda descrita en el capiacutetulo
4 que mantuvo el mismo aacuterea de contacto del electrodo de trabajo en todo el
proceso de deteccioacuten frente a galactosa
Como se ha indicado en el sensor de glucosa el protocolo de optimizacioacuten
mediante el empleo de diferentes concentraciones de AgNWs fabricacioacuten por
cronoamperometriacutea bajo agitacioacuten concentracioacuten de la moleacutecula plantilla etc
Se deberiacutea realizar para llevar a cabo la optimizacioacuten de un sensor MIP frente
a galactosa que proporcione las mejores prestaciones frente a dicho analito
150
Capiacutetulo VI
Conclusiones y trabajo futuro
151
152
6 Conclusiones y trabajo futuro
61 Conclusiones
En el presente trabajo de fin de grado se han elaborado sensores
nanoestructurados con AgNWs basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Sensor nanoestructurado de lactosa
De los experimentos realizados para la configuracioacuten de este sensor se pueden
extraer las siguientes conclusiones
bull La voltametriacutea ciacuteclica para llevar a cabo la polimerizacioacuten de chitosaacuten no
es un meacutetodo adecuado puesto que no se consigue la polimerizacioacuten
del MIP sobre el electrodo BDD
bull Se ha demostrado que fabricando los sensores sin agitacioacuten MIP [CHI-
AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD y con una concentracioacuten
de AgNWs de 1 mgmL no es posible apreciar los picos de oxidacioacuten de
los AgNWs
bull Se ha comprobado que en la electrodeposicioacuten llevada a cabo con el
MIP frente al NIP se alcanzan valores en la intensidad de corriente
inferiores lo que supone que la presencia del azuacutecar dificulta la
polimerizacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica
bull Se ha demostrado que el paraacutemetro de agitacioacuten durante el proceso de
electrodeposicioacuten facilita el mecanismo de nucleacioacuten del chitosaacuten por
medio de un proceso de difusioacuten de las especies en estado estacionario
Por otro lado la agitacioacuten tiene una gran influencia en el
comportamiento electroquiacutemico del sensor ya que con eacutel se consigue
una mejora del rendimiento y de la reproducibilidad
bull Se ha demostrado la importancia de los AgNWs en el sensor ya que a
traveacutes de ellos se puede llevar a cabo la deteccioacuten de azuacutecares lo que
resulta de gran intereacutes para la deteccioacuten de una gran cantidad de
analitos
bull Se han desarrollado sensores con concentraciones crecientes de
AgNWs comprobaacutendose que la intensidad de corriente es directamente
proporcional a la concentracioacuten de eacutestos Con ello tambieacuten se ha
153
comprobado que a una concentracioacuten de AgNWs en el sensor de 10
mgmL el MIP no funciona bien lo que podriacutea suponer que a
concentraciones tan elevadas se produce la saturacioacuten del sensor
bull Se obtuvieron sensores que se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD en los que se demostroacute
que su uso favoreciacutea la respuesta voltameacutetrica del sensor En los
sensores con ausencia de glutaraldehiacutedo se obtuvo una
reproducibilidad del 23 y 184 para el MIP y NIP respectivamente
Mientras que para el sensor sometido a glutaraldehiacutedo se obtuvo para
el MIP y NIP una reproducibilidad del 837 y 1364 respectivamente
Estos resultados demuestran que la obtencioacuten de sensores en
presencia de un agente reticulante contribuye a obtener una respuesta
maacutes reproducible
bull Para el sensor seleccionado que presenta la configuracioacuten oacuteptima frente
a lactosa se ha llevado a cabo un estudio de la reproducibilidad
repetitividad y sensibilidad Se ha comprobado que la reproducibilidad
de los MIP (1275) es inferior a la de los NIP (141) este resultado
negativo se atribuye a la falta de homogeneidad durante la fabricacioacuten
del sensor Por otro lado tampoco se obtuvieron buenos resultados en
la repetitividad pudiendo ser debido a la peacuterdida de AgNWs o al
deterioramiento de la peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten Finalmente en el
estudio de sensibilidad se comproboacute que el aumento del azuacutecar a una
concentracioacuten de 10-3M en la solucioacuten puede causar la saturacioacuten del
sensor MIP
Sensores de glucosa y galactosa
bull En el sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvieron malos resultados dado que la intensidad
de la sentildeal obtenida entre ambos sensores era inferior a la intensidad
proporcionada por el blanco Lo que demostroacute que las condiciones en
las que se fabricaron los dos tipos de sensores no fueron las adecuadas
El mal funcionamiento se atribuye a la polimerizacioacuten del chitosaacuten en
presencia de AgNWs en ausencia de agitacioacuten y a una concentracioacuten de
AgNWs de 1 mgmL insuficiente
bull En el sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD tambieacuten se obtuvieron malos resultados obteniendo una
peor intensidad en el sensor MIP en comparacioacuten al NIP El mal
funcionamiento del sensor se asocia a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Adicionalmente se comproboacute que
el azuacutecar en una concentracioacuten 01 M en la solucioacuten causoacute la saturacioacuten
del mismo
154
A pesar de que los experimentos realizados son insuficientes como para
predecir su comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de glucosa y
galactosa a priori y en comparacioacuten con los resultados obtenidos en el sensor
frente a lactosa ambos sensores funcionan peor Debido a ello todaviacutea es
necesario llevar a cabo la optimizacioacuten de los mismos para poder predecir su
comportamiento electroquiacutemico frente a los azuacutecares de intereacutes
Trabajo pendiente
Finalmente es necesario aclarar que el trabajo concerniente al desarrollo
experimental no pudo ser concluido debido a la covid-19 los resultados
presentados en esta investigacioacuten se corresponden con un trabajo de
permanencia en el laboratorio de 1 mes y medio
En lo referente al sensor MIP de lactosa se deberiacutea de continuar con la siguiente
investigacioacuten en el laboratorio
bull Terminar de optimizar el sensor con una concentracioacuten de 5 mgmL de
AgNWs dado que es con esta concentracioacuten donde el MIP demostroacute un
mejor comportamiento frente a la deteccioacuten de lactosa Para ello se
propone comprobar el efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta
voltameacutetrica de este sensor y llevar a cabo un estudio de la sensibilidad
a traveacutes de la voltametriacutea ciacuteclica con concentraciones inferiores de
lactosa
bull Una vez optimizado por completo se deberiacutea de estudiar mediante
voltametriacutea ciacuteclica el comportamiento del sensor frente la deteccioacuten de
lactosa variando la proporcioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
(50 60 70 etc)
bull Se debe calcular el liacutemite de deteccioacuten del sensor definido este como
ldquola concentracioacuten maacutes baja a la que se puede detectar el analitordquo El
liacutemite de deteccioacuten generalmente se calcula mediante
cronoamperometriacutea a traveacutes de la siguiente expresioacuten
119871119863 = 3120590
119898
(32)
Ecuacioacuten 32 Caacutelculo del liacutemite de deteccioacuten
155
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son 120590 es la desviacioacuten estaacutendar
de las medidas del blanco entendido este como una muestra sin el
analito y m es la pendiente de la curva de calibracioacuten obtenida de
representar la concentracioacuten de analito con la intensidad de corriente
alcanzada con cada concentracioacuten de analito antildeadida [214] [215]
bull Caracterizar la estructura del sensor MIP y NIP a traveacutes de teacutecnicas
como la espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X y AFM
En lo referente a los sensores MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y MIP [CHI-
AgNWs-Glucosa]BDD se deberiacutea de completar la investigacioacuten llevando a cabo
el mismo estudio que el que se ha efectuado para el sensor de lactosa
62 Trabajo futuro
En relacioacuten con el trabajo futuro relativo al desarrollo de sensores basados en
la tecnologiacutea de impresioacuten molecular se podriacutean llevar a cabo las siguientes
investigaciones
bull En lo referente al estudio de la morfologiacutea de los sensores se propone
llevar a cabo un estudio basado en AFM con el fin de caracterizar la
plantilla polimeacuterica formada
bull Mejorar el proceso de elaboracioacuten de la moleacutecula plantilla depositada
sobre la superficie del electrodo con el fin de mejorar la reproducibilidad
del sensor MIP
bull Llevar a cabo nuevas teacutecnicas de inmovilizacioacuten de los nanohilos de
plata en la peliacutecula de chitosaacuten para conseguir una mejor
reproducibilidad y repetitividad de los sensores nanoestructurados
bull Realizar un estudio del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
frente a otras moleacuteculas interferentes para comprobar la selectividad de
los sensores basados en la impresioacuten molecular
bull Llevar a cabo la construccioacuten de una lengua electroacutenica que consista en
un sistema multisensor basado en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
para la identificacioacuten simultanea de diferentes tipos de azuacutecares Con
156
la lengua electroacutenica se pueden llevar a cabo anaacutelisis en medios
complejos como en la leche zumos yogures batidos etc Lo que resulta
de especial intereacutes en la industria laacutectea
157
Capiacutetulo VII
Bibliografiacutea
158
159
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[212] K Anderson B Poulter J Dudgeon S E Li and X Ma ldquoA highly sensitive nonenzymatic glucose biosensor based on the regulatory effect of glucose on electrochemical behaviors of colloidal silver nanoparticles on MoS2rdquo Sensors (Switzerland) vol 17 no 8 2017
[213] N P S Ramesh C Chandan Arun Kilara Dairy Processing and Quality Assurance
[214] C Cofan and C Radovan ldquoSimultaneous chronoamperometric sensing of ascorbic acid and acetaminophen at a boron-doped diamond electroderdquo Sensors vol 8 no 6 pp 3952ndash3969 2008
[215] H Romero T Vera C Garciacutea B Lapo and F Pesantez ldquoDesarrollo y validacioacuten de un meacutetodo voltameacutetrico para la determinacioacuten de antimonio en medio acuosordquo II Congr Int Cienc y Tecnol no Cv pp 736ndash745 2017
Iacutendice
1 Introduccioacuten y objetivos 3
11 Introduccioacuten 3
12 Objetivos 4
2 Fundamento teoacuterico 8
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y Nanotecnologiacutea 8
211 La nanociencia en la industria alimentaria Nanosensores 8
22 La industria laacutectea Materia prima leche 10
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche 12
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche 12
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas 13
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche 16
23 Sensores utilizados 29
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores 29
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular (MIP) 32
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 36
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular 38
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo 42
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico 44
241 Electrodos BDD 45
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD 46
25 Sensores basados en nanomateriales 47
251 Los nanohilos de plata (AgNWs) 48
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs 49
2521 Siacutentesis de AgNWs 51
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs 56
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas 67
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos 73
2611 Voltametriacutea ciacuteclica 74
2612 Cronoamperometriacutea 79
27 Chitosaacuten o quitosano 84
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados 87
3 Reactivos materiales y equipos 91
31 Reactivos 91
32 Materiales 92
33 Equipos 92
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental 96
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados 96
411 Preparacioacuten de las disoluciones 96
412 Procedimiento experimental 99
4121 preparacioacuten de los AgNWs 99
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro (BDD) 101
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP 102
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs 105
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico 107
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP 107
4122 voltametriacutea ciacuteclica 109
5 Resultados experimentales y discusioacuten de resultados 115
51 Caracterizacioacuten de AgNWs 115
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-VIS) 115
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM) 116
513 Difraccioacuten de rayos-X 117
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD 118
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa 137
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a lactosa 139
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa 141
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa 142
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs- Glucosa]BDD 143
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD 146
6 Conclusiones y trabajo futuro 152
61 Conclusiones 152
62 Trabajo futuro 155
7 Bibliografiacutea 159
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 REACCIOacuteN ENZIMAacuteTICA DE LA LACTOSA PARA FORMAR GLUCOSA Y GALACTOSA 20
FIGURA 2 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DE LA CASEIacuteNA 25
FIGURA 3 ESTRUCTURA DE UN SENSOR 30
FIGURA 4 MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS (ROJO) MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE
TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS EMPLEADOS EN LA DETECCIOacuteN DE AZUacuteCARES (ROSA) PUBLICACIONES
CORRESPONDIENTES AL PERIODO 1999-2019 OBTENIDAS DE LA BASE DE DATOS SCOPUS (ELSEVIER) 37
FIGURA 5 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-MOLEacuteCULA PLANTILLA]BDD EN UNA CELDA
ELECTROLIacuteTICA CON UNA CONFIGURACIOacuteN DE TRES ELECTRODOS (ELECTRODO DE TRABAJO CONTRAELECTRODO Y
ELECTRODO DE REFERENCIA) DONDE SE REPRESENTA LA DEPOSICIOacuteN DE LA SOLUCIOacuteN A TRAVEacuteS DE
ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN POR CRONOAMPEROMETRIacuteA SOBRE UN ELECTRODO DE DIAMANTE DOPADO CON BORO
(BDD) 40
FIGURA 6 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP DONDE SE MUESTRA EL PROCESO DE POLIMERIZACIOacuteN Y A
CONTINUACIOacuteN UN SENSOR MIP DONDE SE HA LLEVADO A CABO EL PROCESO DE ELUCIOacuteN DE LA MOLEacuteCULA
PLANTILLA 42
FIGURA 7 REACCIOacuteN SIMPLIFICADA DEL PROCESO DE ENTRECRUZAMIENTO DEL CHITOSAacuteN CON GLUTARALDEHIacuteDO 43
FIGURA 8 ESTRUCTURA GENEacuteRICAS DE UNA BASE DE SHIFFacuteS CON TRES RADICALES R1 R2 Y R3 43
FIGURA 9 DIAMANTE DOPADO CON BORO SE REPRESENTAN LOS HUECOS INTRODUCIDOS POR EL BORO 45
FIGURA 10 PROCESO DE CRECIMIENTO DE LOS AGNWS 53
FIGURA 11 REPRESENTACIOacuteN DE LOS PLANOS CRISTALOGRAacuteFICOS [111] Y [100] DE UNA ldquoNANOBARRArdquo 53
FIGURA 12 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MICROSCOPIO DE FUERZA ATOacuteMICA 57
FIGURA 13 ESPECTRO ELECTROMAGNEacuteTICO CORRESPONDIENTE A LAS LONGITUDES DE ONDA DE LA REGIOacuteN UV-VIS
62
FIGURA 14 ORBITAL MOLECULAR DE LA BANDA DE VALENCIA Y TRANSICIONES ELECTROacuteNICAS 63
FIGURA 15 A RECTA DE LA ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER Y B REPRESENTACIOacuteN DE LAS DESVIACIONES DE LA
LEY DE LAMBERT- BEE 65
FIGURA 16 ESQUEMA DE UNA CELDA ELECTROLIacuteTICA CONECTADA A UN POTENCIOSTATO QUE PRESENTA UN SISTEMA
DE TRES ELECTRODOS ELECTRODO AUXILIAR ELECTRODO DE REFERENCIA Y ELECTRODO DE TRABAJO 71
FIGURA 17 VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA SENtildeAL DE EXCITACIOacuteN TRIANGULAR 74
FIGURA 18 VOLTAMOGRAMA CIacuteCLICO INTENSIDAD FRENTE A POTENCIAL DEL ANALITO DE INTEREacuteS 75
FIGURA 19 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN TRANSITORIO 80
FIGURA 20 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN ESTACIONARIO 82
FIGURA 21 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO DE LA ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN DE UN POLIacuteMERO 83
FIGURA 22 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN ldquoXrdquo UNIDADES REPETIDAS DE 2-AMINO-2-DESOXI-BETA-D-
GLUCOPIRANOSA Y UNIDADES REPETIDAS DE 2-ACETILAMINA-2-DESOXI-BETA-D-GLUCOPIRANOSA 85
FIGURA 23 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN DONDE SE MUESTRAN LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO ENTRE LOS
GRUPOS ACETILO E HIDROXILO Y EL GRUPO AMINO E HIDROXILO 86
FIGURA 24 EQUIPO EMPLEADO EN LA SIacuteNTESIS DE AGNWS 100
FIGURA 25 EN LA PARTE SUPERIOR DE LA FIGURA Y LEYENDO DE IZQUIERDA A DERECHA SE MUESTRAN LAS ETAPAS DEL
PROCESO FINAL DE OBTENCIOacuteN DE AGNWS 1) Y 2) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA TRAS UN TIEMPO DE REACCIOacuteN DE
1H EN LA QUE HAY UNA MEZCLA DE AGNPS Y AGNWS 3) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA DILUIDA CON ETANOL 4)
PRIMERA CENTRIFUGACIOacuteN DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE Y LOS AGNWS 5) 2ordf
CENTRIFUGACIOacuteN DE AGNWS DILUIDOS EN ETANOL DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE
Y LOS AGNWS 6) AGNWS DILUIDOS EN ETANOL ANTES DE LLEVAR A CABO LA UacuteLTIMA ETAPA DE LA
CENTRIFUGACIOacuteN 7) AGNWS OBTENIDOS DE LA UacuteLTIMA ETAPA DE CENTRIFUGACIOacuteN DONDE EL SOBRENADANTE
HA SIDO ELIMINADO 101
FIGURA 26 ELECTRODOS DE DIAMANTE DOPADO CON BORO (BDD) 102
FIGURA 27 ESPECTROFOTOacuteMETRO EMPLEADO PARA CARACTERIZAR LOS AGNWS 106
FIGURA 28 EQUIPO DE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA MOLECULAR 107
FIGURA 29 POTENCIOSTATO UTILIZADO PARA EL ESTUDIO ELECTROQUIacuteMICO DE LOS SENSORES MIP Y NIP 107
FIGURA 30 ESQUEMA DE TRABAJO PARA LLEVAR A CABO CRONOAMPEROMETRIacuteA INCLUYENDO EL SISTEMA DE
AGITACIOacuteN 109
FIGURA 31 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE LACTOSA Y GLUCOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 110
FIGURA 32 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE GALACTOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 111
FIGURA 33 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MIP [CHI-AGNWS-AZUacuteCAR]BDD FRENTE A LA DETECCIOacuteN DEL
AZUacuteCAR DE INTEREacuteS 111
FIGURA 34 ESPECTROSCOPIacuteA UV-VIS DEL PRODUCTO OBTENIDO DE LA SIacuteNTESIS DE AGNWS SIN LAVAR (ROJO)
AGNWS PURIFICADOS (AZUL) Y SOBRENADANTE (NEGRO) 116
FIGURA 35 FOTOGRAFIacuteA OBTENIDA MEDIANTE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA (AFM) DE UNA MUESTRA DE
AGNWS DEPOSITADA SOBRE UN ELECTRODO BDD 117
FIGURA 36 PATROacuteN DE DIFRACCIOacuteN DE RAYOS-X DE LOS AGNWS 118
FIGURA 37 ELECTRODEPOSICIOacuteN POR VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD 120
FIGURA 38 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 121
FIGURA 39 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP
DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M
EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 123
FIGURA 40 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML 124
FIGURA 41 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 125
FIGURA 42 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y UN B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 5 MGML 127
FIGURA 43 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES OBTENIDOS EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN 128
FIGURA 44 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE
10 MGML 130
FIGURA 45 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 132
FIGURA 46 INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO AG2+ DE LOS SENSORES MIP (NEGRO) NIP (ROJO) INMERSOS EN UNA
SOLUCIOacuteN DE LACTOSA EN PBP DE CONCENTRACIOacuteN 001 M Y PH 74 SE REPRESENTA UN AUMENTO DE LA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS EN LA PELIacuteCULA DE CHITOSAacuteN (0 5 10 MGML) 133
FIGURA 47 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 10 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 10
MGML Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES
MIP NIP CORRESPONDIENTES 135
FIGURA 48 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74)
(NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA CON KCL (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE
LACTOSA 10-4 M EN PBP (001M PH 74) B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74) (NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA
CON AGUA DESIONIZADA MILLI Q (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP (001M PH 74)
137
FIGURA 49 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DESPUEacuteS DE LA ELUCIOacuteN
(ROJO) EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10 minus 4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M (AZUL)
RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN ELECTRODO BDD BLANCO EN LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (ROSA) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS 139
FIGURA 50 ESTUDIO DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) POSTERIORMENTE EN UN DISOLUCIOacuteN
DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 4 119872 (ROJO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M Y
FINALMENTE EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 3M (AZUL) EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M A1) Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
RESPECTIVAMENTE 140
FIGURA 51 RECTAS DE LA INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO (AG2+) DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD (NEGRO) Y NIP [ CHI-AGNWS]BDD (ROJO) EN PBP (001 M Y PH 74) PARA UN
INCREMENTO DE LA CONCENTRACIOacuteN DE LACTOSA EN LA SOLUCIOacuteN (0 01 Y 1 MM) 141
FIGURA 52 REPRODUCIBILIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN LACTOSA 10-4M EN PBP 74 Y CONCENTRACIOacuteN
001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1) Y B1) DETALLES DE LOS
PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 53 REPETITIVIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH
74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1)
Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 54 CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD
AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 144
FIGURA 55 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML SENSOR NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON
UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 145
FIGURA 56 A) CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 147
FIGURA 57 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 148
Iacutendice de tablas
TABLA 1 POTENCIAL (MV) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN SENSOR MIP
[CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN
DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 2 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN
AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 3 CV () DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS] CON 5 MGML DE
AGNWS 0BTENIDOS CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 130
TABLA 4 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS CON UNA CONCENTRACIOacuteN
DE AGNWS 5 Y 10 MGML 133
TABLA 5 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD MIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP
[CHI-AGNWS]BDD NIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 10 MGML 136
TABLA 6 ESTUDIO DE LA REPETITIVIDAD A TRAVEacuteS DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) DE UN SENSOR MIP [CHI-
AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML
143
Iacutendice de ecuaciones
ECUACIOacuteN 1 CAacuteLCULO DE LA DENSIDAD 14
ECUACIOacuteN 2 LEY DE SNELL 16
ECUACIOacuteN 3 CAacuteLCULO DEL CONTENIDO DE SOacuteLIDOS () A PARTIR DEL PESO DE LA LECHE ANTES Y DESPUEacuteS DE LA
DESECACIOacuteN 17
ECUACIOacuteN 4 ECUACIOacuteN DE RICHMOND 17
ECUACIOacuteN 5 LEY DE PLANCK 60
ECUACIOacuteN 6 LEY DE LA TRANSMITANCIA 61
ECUACIOacuteN 7 CAacuteLCULO DE LA ABSORBANCIA 61
ECUACIOacuteN 8 ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER 64
ECUACIOacuteN 9 LEY DE BRAGG 66
ECUACIOacuteN 10 ECUACIOacuteN DE NERST 68
ECUACIOacuteN 11 ECUACIOacuteN DEL POTENCIAL RESULTANTE DE UNA CELDA ELECTROQUIacuteMICA 68
ECUACIOacuteN 12 REACCIOacuteN QUIacuteMICA GENERAL DE UN PROCESO DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN 69
ECUACIOacuteN 13 ECUACIOacuteN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO TERMODINAacuteMICA 69
ECUACIOacuteN 14 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS 69
ECUACIOacuteN 15 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS RELACIONADA CON LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
TERMODINAacuteMICA 70
ECUACIOacuteN 16 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO SCE 72
ECUACIOacuteN 17 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO AGAGCL 72
ECUACIOacuteN 18 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 19 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO ANOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 20 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE MEDIA ONDA PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 21 LEY DE RANDLES SEYCIK PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 22 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 23 LEY DE RANDLES-SEVCIK PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 24 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 25 POTENCIAL PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 26 LEY DE DIFUSIOacuteN DE FICK 79
ECUACIOacuteN 27 ECUACIOacuteN DE COTTRELL 81
ECUACIOacuteN 28 ECUACIOacuteN DE LEVICH 81
ECUACIOacuteN 29 CAacuteLCULO DEL ESPESOR DE UNA PELIacuteCULA POLIMEacuteRICA A PARTIR DE LA 1ordf LEY DE FARADAY 83
ECUACIOacuteN 30 ECUACIOacuteN DE HENDERSON-HASSELBACH 97
ECUACIOacuteN 31 CAacuteLCULO DEL COEFICIENTE DE VARIACIOacuteN (CV) O (RSD) 120
ECUACIOacuteN 32 CAacuteLCULO DEL LIacuteMITE DE DETECCIOacuteN 154
1
Capiacutetulo I
Introduccioacuten y objetivos
2
3
1 Introduccioacuten y objetivos
11 Introduccioacuten
La industria de la alimentacioacuten forma parte del sector de produccioacuten industrial
cuyo principal objetivo es transformar conservar y proporcionar productos
destinados al consumo humano Los procesos de transformacioacuten y elaboracioacuten
de alimentos tienen como objeto cumplir con los haacutebitos de alimentacioacuten de
las personas asiacute como alargar la vida uacutetil del producto conservando sus
propiedades organoleacutepticas [1]
De acuerdo con los datos publicados por el Ministerio de Agricultura Pesca y
Alimentacioacuten la industria de la alimentacioacuten da empleo a cerca de 5 millones
de personas dentro de la UE generando un total de 110900 Meuro Espantildea
ocupa el 4ordm puesto en la generacioacuten de negocios (87 ) quedando por detraacutes
de Francia (162) Alemania (154) e Italia (12) [2]
En Espantildea este sector constituye un importante motor dentro de la economiacutea
ya que representa el 16 del total de la industria del paiacutes Hay 29196
empresas que dan empleo a cerca de 450000 miles de personas lo que
supone el 202 del empleo industrial dentro del paiacutes [2]
Castilla y Leoacuten es la 3ordf Comunidad Autoacutenoma por detraacutes de Cataluntildea y
Andaluciacutea que genera maacutes produccioacuten dentro del sector con una cifra de
10133 Meuro [2] Valladolid Burgos y Leoacuten representan el 60 de las
exportaciones dentro del sector agroalimentario destacando subsectores
como la industria laacutectea la industria caacuternica industria de vinos y bebidas
azuacutecar y derivados pan y galletas [3]
En cuanto al sector laacutecteo seguacuten los datos proporcionados por el ministerio de
agricultura pesca y alimentacioacuten la comunidad de Castilla y Leoacuten alcanzoacute en
el antildeo 2017 una produccioacuten de 1169 millones de litros de leche ademaacutes es
la primera regioacuten productora de la leche de oveja en Espantildea [4][5]
La industria alimentaria estaacute en constante crecimiento y desarrollo con el fin
de adaptarse a sus cambios e innovaciones se hace necesaria la introduccioacuten
de recursos tecnoloacutegicos es por ello por lo que actualmente se encuentra en
la denominada 4ordf revolucioacuten industrial industria inteligente o industria 40 La
industria 40 es capaz de mejorar la calidad eficiencia y competitividad entre
diferentes sectores Dentro de la industria alimentaria el sector
agroalimentario es el maacutes involucrado puesto que busca la automatizacioacuten y
4
digitalizacioacuten de los procesos industriales para mejorar su eficiencia y
productividad y asiacute cumplir con la demanda del mercado [6] Ademaacutes la
industria alimentaria debe garantizar el suministro de productos seguros que
no comprometan la salud de las personas debido a ello se adoptan medidas
que aseguren el buen estado de los alimentos por ello como en el resto de
sectores el sector laacutecteo se encuentra sometido a una normativa estricta [7]
La industria 40 posibilita llevar a cabo un control y automatizacioacuten de todo el
proceso productivo para alcanzarlo cuenta con unos pilares fundamentales
entre los que cabe destacar el empleo de la nanotecnologiacutea Adaptaacutendose a los
cambios que posibilita esta revolucioacuten industrial y con objeto de aplicar la
industria 40 mediante la introduccioacuten de sensores basados en nanomateriales
surgen equipos de investigacioacuten relacionados con este campo
En Valladolid se encuentra el grupo UvaSens dirigido por la catedraacutetica Mariacutea
Luz Rodriacuteguez Meacutendez del departamento de Quiacutemica Fiacutesica y Quiacutemica
inorgaacutenica UvaSens nacioacute en 1962 y actualmente se encuentra asentado en
la escuela de Ingenieriacuteas Industriales de la Universidad de Valladolid Estaacute
integrado por un grupo multidisciplinar con quiacutemicos fiacutesicos e ingenieros El
grupo surge con el objeto de elaborar sensores y redes de sensores que sean
fiables reproducibles y que faciliten las tareas de control de calidad en
alimentacioacuten y bebidas Actualmente el grupo trabaja en dos liacuteneas de
investigacioacuten [8][9]
La primera estaacute dirigida al desarrollo de sensores y biosensores
nanoestructurados utilizando teacutecnicas como Layer by layer Langmuir-Blodgett
spin coating o teacutecnicas electroquiacutemicas [8] En cuanto a la segunda liacutenea de
investigacioacuten el equipo se dedica a la elaboracioacuten de sistemas multisensor
denominados lenguas electroacutenicas y narices electroacutenicas cuyo fundamento es
imitar el sentido del gusto y del olfato respectivamente [10][11] Los sensores
y biosensores desarrollados por el grupo UvaSens son de especial intereacutes en la
industria alimentaria ya que se dedican principalmente al estudio del vino [12]
la cerveza [13] y la leche [14]
Este trabajo se centra en el desarrollo de sensores electroquiacutemicos en los que
se incorporan nanoestructuras metaacutelicas para detectar azuacutecares de intereacutes en
la industria alimentaria que pueden encontrarse en bebidas como la leche
zumos batidos etc
12 Objetivos
5
El objetivo principal del presente trabajo ha sido desarrollar sensores
voltameacutetricos basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular MIPs para la
deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa utilizando nanohilos de plata
(AgNWs) Para conseguirlo se han persigo una serie de objetivos secundarios
como son
1 La optimizacioacuten de la siacutentesis de AgNWs a traveacutes del meacutetodo poliol y su
caracterizacioacuten mediante espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X
(DRX) y microscopiacutea de fuerza atoacutemica molecular (AFM)
2 La obtencioacuten de MIPs a traveacutes de meacutetodos electroquiacutemicos mediante la
deposicioacuten de una peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten modificada con
AgNWs en presencia de la moleacutecula plantilla de intereacutes
3 El estudio de la especificidad introducida por la plantilla polimeacuterica en
los sensores MIPs llevando a cabo su comparacioacuten con sensores
preparados en las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula
plantilla denominados NIPs
4 La determinacioacuten del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
MIPs por medio de teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea ciacuteclica
para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
5 La optimizacioacuten de los sensores MIPs frente a la deteccioacuten de lactosa
para ello se ha realizado la modificacioacuten de distintos paraacutemetros en el
desarrollo del sensor y de medida como son el meacutetodo de
electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la
obtencioacuten de los sensores MIP o NIP desarrollo de los sensores en
presencia de agitacioacuten o sin ella concentracioacuten de AgNWs el uso de
glutaraldehiacutedo como agente reticulante y el empleo de distintos
eluyentes de la moleacutecula plantilla
6
Capiacutetulo II
Desarrollo del TFG
7
8
2 Fundamento teoacuterico
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y
Nanotecnologiacutea
La nanociencia es una rama de la ciencia en la que convergen conocimientos
de la fiacutesica quiacutemica ingenieriacutea biologiacutea entre otros Se define como la
tecnologiacutea encargada del disentildeo y manejo de la materia a nivel de aacutetomos o
moleacuteculas para la fabricacioacuten de productos a nano-escala [10]
La nanotecnologiacutea implica controlar y comprender la materia a escala
nanomeacutetrica por lo que se basa en el estudio de nanomateriales de tamantildeo
entre 1 y 100 nanoacutemetros Su intereacutes radica en que las sustancias a esta
escala presentan propiedades fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas diferentes a las
que tienen los materiales a escala macroscoacutepica Una de sus caracteriacutesticas
maacutes interesantes es que su tamantildeo y aacuterea de superficie de tamantildeo
nanomeacutetrico les confieren una mayor estabilidad reactividad quiacutemica y
bioloacutegica haciendo posible el desarrollo de nuevos materiales con muacuteltiples
aplicaciones en diferentes sectores como en la fabricacioacuten de sensores [10]
El teacutermino ldquonanotecnologiacuteardquo fue utilizado por primera vez en 1974 por Norio
Tanigushi pero no fue hasta la deacutecada de 1980 con el desarrollo del
microscopio de Tuacutenel de Barrido (STM) cuando la nanotecnologiacutea comenzoacute a
abrirse camino entre los investigadores hasta la actualidad A lo largo del SXX
han tenido lugar acontecimientos que han marcado el mundo de la
nanotecnologiacutea como el descubrimiento de los fullerenos (1985) o de los
nanotubos de carbono (1991) [15] La nanotecnologiacutea ha seguido
evolucionando a lo largo del SXXI donde se han desarrollado nanomateriales
interesantes como los AgNWs que resultan de especial intereacutes en la
elaboracioacuten de sensores por sus excelentes propiedades oacutepticas y eleacutectricas
los primeros estudios acerca de estos nanomateriales datan en el antildeo 2006
[16] [17]
En la actualidad la nanotecnologiacutea encabeza una revolucioacuten tecnoloacutegica que
forma parte de muacuteltiples sectores Actualmente se trabaja en diversos campos
como el anaacutelisis sensorial electroacutenica comunicacioacuten produccioacuten de energiacutea
medicina e industria de los alimentos [18]
211 La nanociencia en la industria alimentaria
Nanosensores
9
En la industria alimentaria la nanotecnologiacutea se abre camino asegurando la
inocuidad y calidad de los alimentos aunque su incorporacioacuten en este sector
resulta algo tardiacutea debido al rechazo por parte de la poblacioacuten a la inclusioacuten de
nanomateriales por miedo a que provoquen efectos adversos en el organismo
[18]
A pesar de ello la nanotecnologiacutea representa un claro sector con un enorme
potencial en la industria alimentaria donde se encuentra en pleno desarrollo
Las cuatro vertientes en los que se divide son [18]
bull La necesidad de mejorar y simplificar la produccioacuten primaria y el
procesado de alimentos
Desarrollo de sensores inteligentes
Incorporacioacuten de nuevos pesticidas
Refuerzo de la alimentacioacuten animal
Produccioacuten de antiaglomerantes y nanoencapsulacioacuten de
sabores
bull Garantizar la inocuidad Seguridad alimentaria
Diagnoacutestico y deteccioacuten de la presencia de contaminantes
bull Embalaje de los alimentos
Antimicrobiales
bull Nutricioacuten
Fabricacioacuten de nanoemulsiones que mejoran la distribucioacuten de
los ingredientes farmaceacuteuticos activos [19]
Adicionalmente con el fin de proporcionar alimentos y bebidas que no
comprometan la salud del consumidor se debe asegurar la deteccioacuten de
sustancias en concentraciones extremadamente pequentildeas Por ello es
interesante la implementacioacuten de la nanotecnologiacutea en este aacutembito ya que
posibilita llevar a cabo detecciones maacutes precisas mediante el empleo de
nanosensores y la incorporacioacuten de nanocompuestos Con estas innovaciones
se consigue incrementar la sensibilidad selectividad y la relacioacuten
10
aacutereavolumen de los sensores permitiendo realizar anaacutelisis maacutes precisos y
exactos [18]
22 La industria laacutectea Materia prima leche
La industria laacutectea es un sector cuya materia prima principal es la leche este
sector produce anualmente cerca de 76 millones de toneladas de productos
laacutecteos La mayoriacutea de leche que se produce en Espantildea es de origen vacuno
(88) quedando por detraacutes la leche de oveja cabra y de otros animales
productores de leche [20] La comercializacioacuten de la leche puede llevarse a
cabo en diferentes formas leche liacutequida leche evaporada o concentrada leche
condensada y leche en polvo [21]
La leche se considera un producto baacutesico en la alimentacioacuten desde la
antiguumledad ya que se obtiene de manera natural y constituye un alimento
completo rico en proteiacutenas vitaminas grasas minerales entre otros
componentes Se define como un ldquoproducto iacutentegro y fresco de la ordentildea de
vacas sanas bien alimentadas y en reposo exenta de calostro y que cumple
con las caracteriacutesticas fiacutesicas y microbioloacutegicas establecidasrdquo [22] [23]
La leche es un producto muy complejo susceptible a que en eacutel se produzcan
importantes cambios que afecten a su calidad Por ello se establecen una serie
de factores que determinan su variabilidad alterabilidad y complejidad [22]
bull Variabilidad
La leche es un producto natural de origen bioloacutegico por lo que su composicioacuten
y propiedades fiacutesico - quiacutemicas vendraacuten determinados por
Raza y especie la leche entre diferentes especies (vaca oveja
cabra etc) presenta importantes diferencias respecto al contenido
de extracto seco materia grasa carbohidratos etc [22]
Por otro lado dentro de la misma raza tambieacuten surgen importantes
diferencias debidas al contenido proteico y tamantildeo de los gloacutebulos
lipiacutedicos [23]
Factores fisioloacutegicos el momento de extraccioacuten y el nuacutemero de
lactaciones afectan enormemente a la composicioacuten quiacutemica de la
leche teniendo en cuenta que los primeros diacuteas de lactancia se
11
obtiene calostro de composicioacuten quiacutemica muy distinta a la leche [22]
[23]
Alimentacioacuten la calidad de los productos utilizados en la
alimentacioacuten del animal puede afectar a su valor nutritivo [22]
Patologiacuteas los animales pueden presentar enfermedades como la
mastitis que alteran el sabor de la leche haciendo que eacutesta
adquiera un gusto salado [24]
Tratamientos el calentamiento es uno de los tratamientos teacutermicos
maacutes importantes que se llevan a cabo en la leche ya que para
garantizar su calidad higieacutenica es necesario eliminar el agua Sin
embargo estos tratamientos pueden producir efectos negativos
sobre la composicioacuten y propiedades de la leche Por ejemplo un
excesivo calor provoca la precipitacioacuten de proteiacutenas solubles de la
caseiacutena aumento de la acidez reduccioacuten de calcio etc [22]
bull Alterabilidad
La leche es un producto faacutecilmente alterable ya que en eacutel se pueden producir
importantes cambios que afecten a sus buenas propiedades o a su calidad Los
principales cambios que pueden tener lugar en la leche se describen a
continuacioacuten
Durante el ordentildeo del animal se pueden provocar cambios fiacutesicos estos tienen
lugar si se lleva a cabo un ordentildeo inadecuado haciendo que entre en la ubre
aire lo cual ocasiona la incorporacioacuten de oxiacutegeno y nitroacutegeno Otros cambios
fiacutesicos importantes que se pueden producir se deben al efecto de la
temperatura Por ejemplo temperaturas demasiado bajas provocan la
cristalizacioacuten de la materia grasa dando lugar a cambios en la textura de la
leche [22]
Debido a su riqueza nutricional la leche es un producto susceptible a que se
desarrollen microorganismos despueacutes de los procesos de tratamiento los
cambios microbioloacutegicos maacutes frecuentes se deben al desarrollo de bacterias
laacutecticas que llevan a cabo los procesos de fermentacioacuten de la lactosa Con la
fermentacioacuten la lactosa se transforma en aacutecido laacutectico lo que provoca un
aumento de la acidez en la leche ademaacutes se producen compuestos volaacutetiles
aportando olores desagradables [22]
En cuanto a los cambios quiacutemicos la luz puede ejercer un efecto catalizador
dando lugar a reacciones de oxidacioacuten indeseables un ejemplo es la oxidacioacuten
12
del α-tocoferol o de la vitamina E (un antioxidante natural de la grasa) y de los
carotenos [22] [26] Los cambios quiacutemicos tambieacuten pueden ser debidos a la
accioacuten de enzimas [22]
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche
Los productores de leche deben asegurar una entrega de producto con
ausencia de alteraciones defectos o posibles contaminantes Para ello se
realizan una serie de pruebas tanto de control de calidad como sanitario y asiacute
asegurar el suministro de leche que no afecte negativamente a la salud del
consumidor [27]
El control de calidad generalmente se lleva a cabo mediante la evaluacioacuten de
las propiedades fiacutesico - quiacutemicas microbioloacutegicas y sensoriales de las muestras
de leche con pruebas y controles como son
bull Pruebas realizadas en planta control de temperatura caracteres
organoleacutepticos lactofiltracioacuten (informa sobre la presencia de
contaminantes a causa de la falta de limpieza durante la produccioacuten de
la leche) y control de peso especiacutefico (el peso especiacutefico variacutea con la
composicioacuten quiacutemica de la leche por lo que se emplea para detectar
posibles casos de adulteracioacuten) [27]
bull Pruebas realizadas en el laboratorio prueba de acidez pH reduccioacuten
de colorantes etc [27]
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche
Fiacutesicamente la leche se define como un compuesto liacutequido opaco de color
blanco y con el doble de viscosidad que el agua [23]
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche contribuyen a ofrecer una
primera percepcioacuten de la calidad del producto y son aquellas caracteriacutesticas
que se pueden distinguir a traveacutes de nuestros sentidos Un color inusual
advierte sobre la presencia de microorganismos un aroma desagradable
podriacutea indicar la presencia de bacterias debido a que la leche ha estado en
contacto con utensilios sucios o a que se ha almacenado inadecuadamente
[27] Otro factor fundamental que determina la calidad de la leche es la
alimentacioacuten del animal ademaacutes el tipo de terreno pienso y pasto determinan
los nutrientes de la leche y por tanto tambieacuten su calidad [23]
13
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche son [27]
bull Textura la viscosidad es un factor que determina la textura de la leche
la leche liacutequida tiene una viscosidad de aproximadamente 2 ∙ 10minus3119875119886 ∙
119904 su valor depende de la presencia de microorganismos capaces de
producir polisacaacuteridos y de su contenido en materia grasa y proteiacutenas
[27] [28]
bull Color el color natural de la leche es el blanco este color es el resultado
del fenoacutemeno oacuteptico de refraccioacuten que se produce cuando un haz de luz
incide sobre las partiacuteculas coloidales que hay en ella [22]
Los coloides estaacuten presentes en la materia grasa cuando la leche es
semidesnatada presenta un color azulado y cuando es rica en grasa el
color es gris amarillento La percepcioacuten de otras tonalidades (rosado
amarillo o azul) se debe a la contaminacioacuten o al crecimiento de
microorganismos en la leche [27]
bull Sabor la leche en buen estado presenta un sabor ligeramente dulce por
la presencia de azuacutecares como la lactosa Otros sabores informan sobre
el mal estado del producto Por ejemplo el sabor aacutecido se produce por
la presencia del aacutecido laacutectico el sabor salado se debe a la presencia de
cloruros procedentes del uacuteltimo periodo de lactancia del animal [27]
bull Aroma la leche presenta un olor caracteriacutestico debido a la presencia de
compuestos orgaacutenicos volaacutetiles de bajo peso molecular como
aldehiacutedos cetonas aacutecidos entre otros [27]
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas
La leche tiene una estructura fiacutesica compleja ya que en ella se encuentran tres
estados de agregacioacuten de la materia [23]
bull Emulsioacuten en la leche se encuentra la materia grasa en forma de
gloacutebulos los cuales se encuentran en emulsioacuten en el seno de un liacutequido
acuoso a este conjunto se le denomina suero
bull Dispersioacuten coloidal una dispersioacuten coloidal estaacute formada por partiacuteculas
soacutelidas no disueltas en una fase dispersante (el agua) En esta fase
principalmente se encuentran las micelas de caseiacutena
14
Cuando las partiacuteculas soacutelidas presentan gran afinidad por el agua se
forma una disolucioacuten coloidal dentro de esta fase se encuentran las
proteiacutenas del suero
bull Disolucioacuten verdadera formada principalmente por lactosa y minerales
A continuacioacuten se describen las propiedades fiacutesicas de la leche
bull Densidad la densidad de la leche depende del contenido total de
algunos de sus componentes como agua proteiacutenas minerales lactosa
y soacutelidos no grasos a una determinada temperatura A 15ordmC la densidad
de la leche variacutea entre un valor de 1027 gmL y 1040 gmL [23]
La densidad se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten [22]
[28]
1
120588= (
119898119909
120588119909 )
(1)
Ecuacioacuten 1 Caacutelculo de la densidad
Donde 120588119909 es la densidad de cada componente 119898119909 es la masa de cada
componente y 120588 es la densidad total
La densidad es un buen indicador de posibles alteraciones que haya
podido sufrir la leche ya que disminuye al antildeadir agua grasa y con el
aumento de la temperatura [28]
bull Acidez la acidez de la leche es funcioacuten de la acidez actual (pH) y de la
titulable La acidez actual depende de la concentracioacuten de iones
hidroacutegeno libres H+ y la acidez titulable se corresponde con la acidez de
los componentes que por medio de la titulacioacuten liberan iones H+ al
medio [29]
La acidez total de la leche de vaca variacutea entre un 014-018 y depende
principalmente de la acidez de la caseiacutena sales minerales aacutecidos
orgaacutenicos reacciones secundarias debidas a los grupos fosfatos y de la
presencia de aacutecido laacutectico liberado por la actividad microbiana [29]
15
bull pH el pH de la leche representa la acidez actual y se mide con la
concentracioacuten de iones H+ libres [29] La leche generalmente presenta
un valor de pH ligeramente aacutecido entre 65 y 69 valores inferiores o
superiores no son normales e indicariacutean un posible caso de adulteracioacuten
[29] Ademaacutes el pH es un factor que se ve muy afectado por la
temperatura disminuyendo su valor con el aumento de eacutesta debido a la
insolubilidad del fosfato [29]
bull Viscosidad se refiere a la resistencia de un liacutequido a fluir en la leche
depende del contenido total en materia grasa de las proteiacutenas de la
temperatura y en menor grado del estado fiacutesico de las sustancias
disueltas en ella A temperatura ambiente la leche presenta una
viscosidad entre un valor de 15 10-3 Pa∙s y 2 ∙ 10minus3 Pa∙s [24]
La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura es decir
con el aumento de la temperatura la viscosidad disminuye Ademaacutes
tambieacuten depende de la composicioacuten quiacutemica de la leche siendo la leche
entera maacutes viscosa que la leche desnatada [22]
bull Calor especiacutefico se define como las caloriacuteas necesarias para elevar en
un grado centiacutegrado un gramo de leche El valor tiacutepico del calor
especiacutefico de la leche entera es de 093 cal gordm∙C [22][23]
bull Punto de congelacioacuten se define como la temperatura a la que se
produce la solidificacioacuten de un liacutequido Es una propiedad fiacutesica
importante pues permite detectar adulteraciones en la leche El punto
de congelacioacuten de la leche se encuentra en un valor de temperatura
comprendido entre 0513 ordmC y 0565 ordmC [22]
bull Punto de ebullicioacuten se define como el punto en el que un liacutequido hierve
al aumentar la temperatura El punto de ebullicioacuten de la leche es de
10017ordmC [22]
bull Iacutendice de refraccioacuten (n) el iacutendice de refraccioacuten mide el cambio de la
direccioacuten que sufre la luz cuando la radiacioacuten atraviesa un medio con
un iacutendice de refraccioacuten distinto del que proviene [28] En el caso de la
leche el iacutendice de refraccioacuten mide la variacioacuten de la direccioacuten que
experimenta un haz de luz al pasar del aire a leche El valor del iacutendice
de refraccioacuten ldquonrdquo se calcula con la ley de Snell mediante la siguiente
expresioacuten [28]
16
1198991 ∙ 1199041198901198991205791 = 1198992 ∙ 1199041198901198991205792
(2)
Ecuacioacuten 2 Ley de Snell
Donde n1 y n2 son el valor de los iacutendices de refraccioacuten de cada medio
1205791 es el aacutengulo con el que incide el haz de luz y 1205792 es el aacutengulo de
refraccioacuten de la luz
La refraccioacuten de la luz es una propiedad aditiva es decir que la
refraccioacuten total es el resultado de la suma de los iacutendices de refraccioacuten
de cada uno de los componentes de la leche [28] Se trata de un factor
relevante ya que permite detectar posibles casos de adulteracioacuten en la
leche por ejemplo si estaacute aguada el iacutendice seraacute proacuteximo al del agua lo
que puede indicar un fraude [28] Por otro lado se ha demostrado que
el valor de n disminuye con la edad del animal y aumenta con la acidez
del medio por lo que la reflectometriacutea aplicada en muestras de leche es
una herramienta muy uacutetil para determinar dichas caracteriacutesticas [28]
bull Potencial de oxidacioacuten-reduccioacuten (Eh) el potencial redox se refiere a la
capacidad de oxidacioacuten (peacuterdida de electrones) o reduccioacuten (ganancia
de electrones) que tiene una solucioacuten [30]
El potencial redox de la leche a 25ordmC generalmente variacutea entre 250 mV
- 350 mV este potencial se debe a la presencia del oxiacutegeno disuelto y a
la existencia de sustancias reductoras naturales Esta propiedad es
importante ya que informa sobre la calidad de las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche por ejemplo el proceso de fermentacioacuten de
las bacterias de la lactosa a aacutecido laacutectico supone una caiacuteda del potencial
por el consumo del oxiacutegeno [30] Ademaacutes el poder reductor de ciertas
especias que se encuentran naturalmente en la leche las cuales se
mencionaraacuten maacutes adelante impiden que se desarrollen sabores
desagradables en ella [23]
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche
La leche se considera un alimento completo por su importante carga nutritiva
El componente mayoritario de la leche es el agua que representa entre el 86 y
el 88 del total de sus constituyentes el agua estaacute en equilibrio con los
17
nutrientes que se encuentran en diferentes fases disolucioacuten dispersioacuten
coloidal y emulsioacuten [31]
A continuacioacuten se presenta la composicioacuten quiacutemica de la leche
bull El agua es la fase continua de la leche y se puede encontrar en forma
de agua ligada y agua libre El agua libre se encuentra en mayor
proporcioacuten y en ella estaacuten la lactosa y las sales El agua ligada o de
enlace se encuentra en la superficie de los compuestos no solubles
formando enlaces con los componentes y es maacutes complicada de extraer
[22]
bull Extracto seco de la leche el extracto seco lo forman las sustancias de
la leche (a excepcioacuten del agua) que se obtienen por desecacioacuten o
evaporacioacuten del agua [22] El contenido de materia o extracto seco de
la leche es del 12 - 125 de solidos totales [22] Para determinarlo
se puede utilizar el peso (Kg) de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten o a traveacutes de la densidad y del contenido en materia grasa
de la leche Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones [22] [31]
119904oacute119897119894119889119900119904 () = (119875prime
119875) ∙ 100
(3)
Ecuacioacuten 3 Caacutelculo del contenido de soacutelidos () a partir del peso de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten
bull Donde Prsquo es el peso en g de la leche despueacutes de la
desecacioacuten y P es el peso de la leche antes de la
desecacioacuten
119878 119879 = (025 times 119863) + (121 times 119866) + 066
(4)
Ecuacioacuten 4 Ecuacioacuten de Richmond
bull Donde D es el valor de la densidad de la leche en gmL y
G es el contenido en materia grasa de la leche
18
bull Gluacutecidos
La cantidad total de gluacutecidos que hay en la leche de vaca oscila entre un 48
y un 52 siendo algo superior la carga en la leche humana [22]
Los carbohidratos o gluacutecidos se definen como polihidroxialdehiacutedos (todos los
aacutetomos de carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta
enlazado a un grupo aldehiacutedo -CHO) o polihidroxicetonas (todos los aacutetomos de
carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta enlazado
a un grupo cetona C=O) y sus derivados tambieacuten se incluyen aquellas
sustancias que por hidroacutelisis dan lugar a este tipo de compuestos En general
estaacuten formados por carbono hidrogeno y oxiacutegeno por lo que su foacutermula
molecular presenta la forma CnH2nOn [32]
Los gluacutecidos se pueden clasificar en funcioacuten del nuacutemero de subunidades de
monosacaacuteridos en [32]
- Monosacaacuteridos o azuacutecares simples estaacuten formados por una unidad
de un polihidroxialdehiacutedo o una polihidroxicetona que se conocen
como aldosas o cetosas respectivamente Dentro de este grupo se
encuentran los azuacutecares que no pueden descomponerse en otros
azuacutecares maacutes simples
- Oligosacaacuteridos estaacuten formados por dos a diez unidades de
monosacaacuteridos por lo que se pueden transformar en unidades maacutes
simples mediante hidroacutelisis A su vez dentro de este grupo los
carbohidratos se clasifican seguacuten el nuacutemero de unidades en
monosacaacuteridos disacaacuteridos etc
- Polisacaacuteridos consisten en largas moleacuteculas formadas por la unioacuten
de unidades de monosacaacuteridos
En la designacioacuten de los azuacutecares ademaacutes se incluye un signo que puede ser
(+) o (-) seguido de la letra D o L esta designacioacuten estaacute relacionada con la
actividad oacuteptica del compuesto La actividad oacuteptica se refiere a la rotacioacuten del
plano de luz polarizada en un azuacutecar este efecto es el resultado producido por
la actuacioacuten conjunta de todos sus aacutetomos de carbono asimeacutetricos (aacutetomo de
C enlazado a cuatro constituyentes diferentes) Los azuacutecares con el signo (+)
se denominan dextroacutegiros y los azuacutecares con el signo (-) se denominan
levoacutegiros La asignacioacuten de las letras D y L depende de la distribucioacuten de los
19
grupos funcionales del carboacuten asimeacutetrico que se encuentra representado en
cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fisher Si el grupo funcional se
encuentra a la derecha se denomina D y si se encuentra a la izquierda se
denomina L [32] [33]
Finalmente en la designacioacuten tambieacuten se incluyen los siacutembolos griegos α y β
esto es debido a la ciclacioacuten de los monosacaacuteridos en solucioacuten acuosa Esta
estructura es funcioacuten de la orientacioacuten espacial del grupo hidroxilo del carboacuten
C1 de la estructura del anillo (α si el grupo -OH estaacute orientado hacia abajo y β
si el grupo -OH estaacute orientado hacia arriba) [32] [33] Se denomina anillo pirano
cuando es un ciclo de 6 aacutetomos de carbono y furano cuando es un anillo de 5
aacutetomos de carbono [32] [33]
Los carbohidratos constituyen una parte importante de la dieta de los hombres
pues estaacuten presentes en un 65 de los alimentos que consumimos (leche
arroz pan etc) [32] El carbohidrato principal que forma la leche es la lactosa
disacaacuterido constituido por glucosa y galactosa a continuacioacuten se presenta una
descripcioacuten detallada de cada uno de estos azuacutecares
Lactosa
La lactosa o β-D-Galactopiranosil-(1rarr4)-D-glucopiranosa es un disacaacuterido
compuesto por unidades de monosacaacuteridos de glucosa y galactosa unidos
mediante un enlace β (14) glucosiacutedico En dicho enlace el grupo funcional -OH
del carbono C1 en posicioacuten beta de la galactosa estaacute unido al grupo -OH del
carbono C4 de la glucosa [34][35][36]
La lactosa constituye el principal azuacutecar de la leche bioloacutegicamente se produce
en las glaacutendulas mamarias de los mamiacuteferos Dieteacuteticamente es considerada
un azuacutecar extriacutenseco dado que no forma parte de la estructura celular del
alimento sino que se encuentra de forma libre en la leche y en sus derivados
laacutecticos [34] [35] [36]
La determinacioacuten de lactosa en la industria alimentaria ha cobrado una gran
importancia en los uacuteltimos antildeos debido a la intolerancia que presenta gran
parte de la poblacioacuten a este azuacutecar La lactosa puede ser digerida por el cuerpo
humano gracias a la presencia de una enzima la lactasa que degrada la
lactosa en sus dos monosacaacuteridos (glucosa y galactosa) Cuando la enzima no
funciona o no presenta la actividad suficiente se produce la intolerancia [22]
La descomposicioacuten de la lactosa en glucosa y galactosa (figura 1) es importante
puesto que permite su deteccioacuten mediante el empleo de teacutecnicas tradicionales
de anaacutelisis como son la cromatografiacutea de liacutequidos de alta resolucioacuten
20
cromatografiacutea de gases polarimetriacutea gravimetriacutea entre otras Sin embargo
debido al elevado coste y a los elevados tiempos de anaacutelisis que supone el
empleo de estas teacutecnicas en los uacuteltimos antildeos se han desarrollado sensores
que ofrecen una deteccioacuten maacutes raacutepida menos costosa y maacutes precisa [14]
Figura 1 Reaccioacuten enzimaacutetica de la lactosa para formar glucosa y galactosa
En disolucioacuten a temperatura ambiente la lactosa se puede encontrar en dos
configuraciones α-lactosa y β-lactosa con una proporcioacuten del 40 de la
configuracioacuten α y el 60 de la configuracioacuten β Siendo ambas configuraciones
consecuencia de la mutarrotacioacuten (el carboacuten hemiacetal estaacute en equilibrio con
el grupo aldehiacutedo de la cadena abierta y forma los isoacutemeros α y β) [37]
La lactosa es considerado un azuacutecar reductor ya que en su estructura quiacutemica
tiene un grupo carbonilo intacto a traveacutes del cual puede reaccionar con otras
moleacuteculas por lo que es un azuacutecar sensible a sufrir las reacciones de Maillard
[34] [38] Las reacciones de Maillard son un conjunto de reacciones en
cadena no enzimaacuteticas que pueden tener lugar en la leche como
consecuencia de la reaccioacuten entre el grupo carbonilo del azuacutecar y el grupo
amino de las proteiacutenas o aminoaacutecidos que se encuentran presentes en la leche
Estas reacciones son indeseables dado que suponen una peacuterdida en el valor
nutricional (disminucioacuten de aminoaacutecidos esenciales) y en la calidad
(pardeamiento del producto aparicioacuten de aromas desagradables generacioacuten
de subproductos toacutexicos etc) de la leche [39] Para que tengan lugar se deben
dar unas condiciones determinadas de temperatura pH tiempo entre otros
factores [34] [38] [39]
La lactosa a temperatura ambiente es un soacutelido en forma de polvo cristalino
blanco con un punto de fusioacuten de 252ordmC una solubilidad en agua buena (50 g
por 100 g de agua) una densidad de 152 gcm3 tiene una masa molecular
de 3423 gmol y un poder endulzante muy inferior en comparacioacuten con otros
azuacutecares como la glucosa [34] [35] [36]
21
Glucosa
La glucosa o D-glucopiranosa es un monosacaacuterido de foacutermula molecular
C6H12O6 con un grupo aldehiacutedo en su estructura quiacutemica constituye el
monosacaacuterido de mayor abundancia dentro de la naturaleza (se encuentra
presente en poliacutemeros como el chitosaacuten) y es utilizado por las ceacutelulas del
organismo para obtener energiacutea [32] [33]
Su uso abusivo en la industria alimentaria en productos de consumo diario
(productos laacutecteos carne bebidas etc) estaacute asociado al padecimiento de
ciertas enfermedades como la diabetes ademaacutes se encuentra presente en la
leche formando parte de la lactosa Debido a la importancia que presenta la
glucosa en el sector de la alimentacioacuten cada vez son maacutes las investigaciones
centradas en el desarrollo de sensores que permitan la identificacioacuten de este
azuacutecar [40] [41]
La glucosa en solucioacuten presenta dos formas cristalinas α-Glucosa y β-Glucosa
cuando la α-glucosa se disuelve en agua la actividad oacuteptica variacutea debido al
fenoacutemeno de mutarrotacioacuten y una parte de las moleacuteculas se convierten en la
forma β Pasado un tiempo se alcanza el equilibrio donde la mayor parte de la
solucioacuten lo forma el anoacutemero beta y una pequentildea parte de la solucioacuten (13
aproximadamente) lo forma el anoacutemero alfa [32] [33]
La glucosa es un azuacutecar con un fuerte caraacutecter reductor (mayor que el de la
lactosa) debido a la presencia del grupo aldehiacutedo en su estructura abierta por
lo que tambieacuten es sensible a sufrir las reacciones de Maillard [33]
La glucosa a temperatura ambiente es un soacutelido inodoro en forma de polvo
cristalino de color blanco temperatura de fusioacuten de 146ordmC solubilidad en agua
alta (91g por 100 mL de agua) densidad 156 gcm3 tiene una masa
molecular de 18016 gmol y un poder endulzante (743) notablemente
superior al que presentan la galactosa y la lactosa [32] [42] [43]
Galactosa
La galactosa aldehiacutedo D-galactosa o D-(+)-galactosa es un monosacaacuterido de
foacutermula molecular C6H12O6 La galactosa es muy similar a la glucosa por lo que
son considerados epiacutemeros se diferencian en su estructura quiacutemica en la
posicioacuten que ocupa el grupo minusOH del carbono C4 [36]
Nutricionalmente su mayor importancia radica en que es uno de los azuacutecares
que forman parte de la lactosa de la leche Como se ha indicado anteriormente
22
debido al creciente nuacutemero de casos en personas con intolerancia a la lactosa
se han desarrollado sensores dirigidos a la evaluacioacuten del contenido en lactosa
por medio de la deteccioacuten de galactosa (obtenida de la hidroacutelisis de la lactosa
al antildeadir la enzima galactosa oxidasa) [14]
En solucioacuten su estructura abierta adquiere forma de anillo y puede dar lugar a
dos configuraciones diferentes α-D-galactosa y β-D-galactosa siendo la
segunda forma el isoacutemero predominante [44] [45] Como el resto de los
azuacutecares descritos es un azuacutecar reductor ya que presenta un grupo aldehiacutedo
libre en la forma de cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fischer [44] [45]
La galactosa es un soacutelido inodoro en forma de polvo de color blanco punto de
fusioacuten 168-170ordmC solubilidad en agua buena (4725 g por 100g de agua)
densidad de 15 gcm3 su peso molecular es de 18016 gmol y presenta un
grado de dulzura maacutes elevado que el de la lactosa y menor que la glucosa [46]
bull Materia grasa [22] [23] [47] [48]
La materia grasa es un importante componente de la leche ya que ademaacutes de
ser una rica fuente de energiacutea para las personas es el vehiacuteculo de vitaminas
liposolubles (A D E y K) El nivel de materia grasa que contiene la leche puede
variar desde el 3 hasta el 6
La materia grasa de la leche son liacutepidos en forma globular que se encuentran
dispersos en ella y se pueden clasificar en
Liacutepidos saponificables es la fraccioacuten lipiacutedica que se encuentra en mayor
proporcioacuten ya que forma entre el 99 y el 995 de los liacutepidos totales
que hay en la leche Dentro de los liacutepidos saponificables se encuentran
los liacutepidos apolares y polares
Liacutepidos apolares son liacutepidos insolubles en la fraccioacuten acuosa de
la leche dentro de los cuales caben destacar los trigliceacuteridos ya
que son los que se encuentran en mayor proporcioacuten (96 - 98)
Otros como los digliceacuteridos y monogliceacuteridos se encuentran en
cantidades muy pequentildeas
Liacutepidos polares son fosfoliacutepidos que representan entre el 020
y el 1 de los liacutepidos saponificables que contiene la leche se
encuentran formando parte de la membrana de los gloacutebulos
grasos En la leche su importancia radica en su poder
23
emulsionante y a su actuacioacuten como solventes de sustancias no
polares presentes en ella como el colesterol
Liacutepidos insaponificables es la fraccioacuten lipiacutedica de menor proporcioacuten
formada por carotenoides (son los responsables de aportar una
coloracioacuten amarilla en la grasa) y vitaminas liposolubles
La materia grasa estaacute presente en la leche formando gloacutebulos grasos alrededor
de ellos hay una estructura denominada membrana de los gloacutebulos grasos
Esta membrana tiene una gran importancia dado a su funcioacuten protectora que
protege a los liacutepidos de sufrir reacciones enzimaacuteticas A pesar de ello una de
las reacciones enzimaacuteticas que maacutes afecta a la materia grasa es la lipoacutelisis
La lipoacutelisis es una reaccioacuten quiacutemica llevada a cabo por la accioacuten de las enzimas
lipasas que catalizan la hidroacutelisis de los gliceacuteridos en la interfase aire-agua A
causa de la lipoacutelisis se forman aacutecidos grasos libres y glicerol los cuales son los
responsables de algunos de los sabores indeseables que se producen en la
leche Por ejemplo durante esta reaccioacuten se libera aacutecido butiacuterico que da lugar
a un sabor y aroma ldquoa ranciordquo otra de las reacciones enzimaacuteticas que causan
ademaacutes de olores desagradables una peacuterdida del valor nutricional es el
enranciamiento oxidativo llevado a cabo por la enzima xantino oxidasa Esta
enzima cataliza la reaccioacuten de oxidacioacuten de los aacutecidos grasos insaturados
presentes en la leche
Finalmente una caracteriacutestica importante de la materia grasa es la diferencia
de densidad que hay entre la materia grasa que se encuentra emulsionada en
el suero y el suero lo que permite una raacutepida separacioacuten entre ambos
componentes La separacioacuten se logra mediante la aplicacioacuten de meacutetodos
centriacutefugos que dan lugar a dos fases distintas por un lado se obtiene la leche
desnatada y por otro lado una crema rica en gloacutebulos grasos Esta
caracteriacutestica es interesante en la industria alimentaria ya que permite obtener
derivados laacutecteos como la nata
bull Proteiacutenas
Las proteiacutenas son compuestos quiacutemicos formados a partir de aminoaacutecidos de
hecho la mayor parte del nitroacutegeno que contiene la leche (alrededor del 95)
se encuentra formando parte de ellas Las proteiacutenas representan una fraccioacuten
compleja de la composicioacuten quiacutemica de la leche su intereacutes en ella radica en
24
que son esenciales para todos los seres vivos representando un importante
valor en la dieta nutricional de las personas La concentracioacuten de las proteiacutenas
en la leche comprende valores entre el 3 y el 4 [22] [47] [48]
Como se ha indicado anteriormente la leche es un producto faacutecilmente
alterable por lo que parte de sus cambios en sus caracteriacutesticas fiacutesico -
quiacutemicas se deben a cambios causados en las proteiacutenas Cuando se lleva a
cabo un proceso teacutermico severo (pasteurizacioacuten a altas temperaturas o
esterilizacioacuten) puede tener lugar la desnaturalizacioacuten de las mismas liberando
sabores indeseables Ademaacutes las proteiacutenas tambieacuten pueden ser atacadas por
enzimas dando lugar a su proteoacutelisis (degradacioacuten de las proteiacutenas) las
principales responsables de esta reaccioacuten son las enzimas proteasas
provenientes de la actividad bacteriana que puede desarrollarse en la leche
[22]
Las proteiacutenas que forman la leche se pueden clasificar en dos grupos caseiacutena
( ~80 ) y las proteiacutenas del suero (~20 ) [48]
La caseiacutena
La caseiacutena es la fraccioacuten maacutes caracteriacutestica de las proteiacutenas que forman la
leche es un producto uacutenico producido en las glaacutendulas mamarias [23] Se
encuentra en la leche formando agregados y micelas la micela de las caseiacutenas
se compone de un 94 de proteiacutenas y un 6 de minerales [23] [47] Son
bastante resistentes y estables por lo que soportan bien los procesos
industriales sin embargo cuando la leche es sometida a tratamientos teacutermicos
agresivos (temperaturas superiores a 120ordmC) precipitan [23] [47]
Una propiedad de intereacutes de la caseiacutena es que afecta a las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche disimulando el dulzor de la lactosa lo cual permite
el consumo diario de la leche sin que presente un efecto negativo para el
organismo por ser demasiado dulce [23]
Finalmente otra caracteriacutesticas importante de la caseiacutena en el sector laacutecteo
(entre otros sectores) es que puede determinarse faacutecilmente Cuando se aplica
un pH isoeleacutectrico en la leche las proteiacutenas del suero se mantienen solubles
mientras que la caseiacutena precipita la separacioacuten de las proteiacutenas a traveacutes del
pH isoeleacutectrico se conoce industrialmente como electroforesis (este meacutetodo
consiste en aplicar un campo eleacutectrico en una muestra de leche como las
proteiacutenas presentan grupos ionizables COO- y NH+3 se pueden cargar
positivamente negativamente o bien permanecer neutras La carga neta de
25
las proteiacutenas depende del pH del medio en el que se encuentre en el punto
isoeleacutectrico la carga neta es cero) [49]
En la figura 2 se muestra la composicioacuten quiacutemica de la caseiacutena
Figura 2 Estructura quiacutemica de la caseiacutena
Las proteiacutenas del suero
Las proteiacutenas que forman el suero laacutectico representan el 20 del total de
proteiacutenas que forman la leche y constituyen la parte de las proteiacutenas no
caseicas [47] Son grupos proteicos con una estructura globular organizados
en proteiacutenas con una estructura secundaria y terciaria Se pueden clasificar en
β-lactoglobulina α-lactoglobulina inmunoglobulina y seroalbuacutemina [47]
-La β-lactoglobulina es la proteiacutena maacutes abundante en la leche de la
mayoriacutea de los mamiacuteferos sin embargo no estaacute presente en la leche
humana [23]
-La α-lactoglobulina es la 2ordf maacutes abundante en este caso se encuentra
particularmente en la leche humana se trata de la moleacutecula con menor
peso molecular de las proteiacutenas que forman el suero e interviene en la
siacutentesis de la lactosa en las glaacutendulas mamarias [23] [47]
-Las inmunoglobulinas estaacuten presentes en todas las leches de cualquier
procedencia animal y son el grupo de estructuras proteicas maacutes largas
y heterogeacuteneas [23] [47]
26
-La seroalbuacutemina es la proteiacutena de mayor peso molecular de las
proteiacutenas que forman el suero laacutectico [47]
bull Vitaminas
La leche presenta importantes valores nutricionales ya que en ella se
encuentran todas las vitaminas necesarias para el organismo [22] [23] El
mayor inconveniente que presentan los grupos vitamiacutenicos es que son
compuestos faacuteciles de destruir ya sea por una exposicioacuten prolongada a la luz
por accioacuten enzimaacutetica o por tratamientos de calor demasiado agresivos [22]
Las vitaminas que se encuentran en la leche se pueden clasificar en dos
grupos las vitaminas liposolubles que se encuentran en forma de emulsioacuten
junto con la grasa y las vitaminas hidrosolubles que son solubles en el agua
Las vitaminas liposolubles
-Vitamina A En la leche de vaca se puede encontrar como retinol
eacutesteres del retinol y carotenoides en una concentracioacuten de 100-500
mgL esta vitamina se produce a partir de la hidroacutelisis de los β-
carotenos [26] [47]
-Vitamina D Tambieacuten es conocida con el nombre de calciferol se
encuentra en la leche en una concentracioacuten de 1 mgL [26] [47]
-Vitamina E Tambieacuten recibe el nombre de α-Tocoferol esta vitamina se
encuentran en la leche en una concentracioacuten de 500-1000 mgL [26]
Esta vitamina es un antioxidante natural por lo que protege de las
reacciones de oxidacioacuten a las grasas y a los carotenos que se
encuentran en la leche [23]
-Vitamina K Esta vitamina se encuentra en cantidades de trazas (35 y
18 μgL) en la leche por lo que no ejerce un valor importante a nivel
nutricional para el organismo [47]
Las vitaminas hidrosolubles
27
-Vitaminas C B1 B2 B12 Entre estas vitaminas cabe destacar la
vitamina C o aacutecido ascoacuterbico presente en la leche en una concentracioacuten
de 20 mgL por su poder reductor Es decir su bajo potencial redox
protege de la oxidacioacuten a la materia grasa de la leche impidiendo que
se oxide y se desarrolle el sabor a oacutexido [47] [50] El resto de vitaminas
del grupo B se encuentran en concentraciones inferiores y se
caracterizan por ser fuertemente inestables ante la exposicioacuten a la
radiacioacuten y al calor [47]
bull Enzimas
Las enzimas son complejos de naturaleza proteica que se encuentran en la
leche en cantidades iacutenfimas sin embargo su presencia es fundamental dado
que catalizan reacciones importantes determinando las propiedades y
composicioacuten quiacutemica de la leche
La importancia de las enzimas en la industria laacutectea radica en que se emplean
como indicadores de calidad ya que pueden proporcionar informacioacuten sobre el
grado de tratamiento teacutermico que se debe aplicar pureza y frescura de la leche
[51] Por ejemplo la presencia de la enzima catalasa es un indicador de que la
vaca tiene mastitis (la catalasa produce un aumento en el nuacutemero de leucocitos
cuando el animal padece esta enfermedad) La presencia de la enzima
fosfatasa alcalina se utiliza para determinar el grado de tratamiento teacutermico al
que debe someterse la leche puesto que la muerte de esta enzima tiene lugar
a una temperatura similar a la que mueren microrganismos patoacutegenos que
puedan encontrarse en la leche Otras enzimas se utilizan para controlar la
presencia de microorganismos contaminantes debido a su actividad
antimicrobiana [52]
Otra consecuencia de la alterabilidad de la leche ademaacutes de las explicadas
anteriormente son los cambios enzimaacuteticos que causan el deterioro de las
caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche [47] Por esta razoacuten es importante
llevar a cabo un buen control de su composicioacuten quiacutemica durante todo su
proceso de fabricacioacuten la actividad enzimaacutetica es un factor que se monitoriza
en la industria laacutectea mediante la estimacioacuten de enzimas presentes en la leche
[47]
El origen de las enzimas que se encuentran en la leche de origen animal puede
ser por motivos naturales habiendo sido sintetizadas por las ceacutelulas somaacuteticas
del organismo (ceacutelulas que forman tejidos u oacuterganos) estas enzimas se
encuentran asociadas a la membrana de los gloacutebulos grasos caseiacutena y
proteiacutenas del suero El segundo origen de las enzimas que pueden estar
28
presentes en la leche es debido a su liberacioacuten por microorganismos a causa
de la contaminacioacuten microbioloacutegica indeseada [47]
Las enzimas que hay en la leche se pueden clasificar en los siguientes grupos
[22]
Las enzimas hidrolasas son aquellas que catalizan reacciones de
hidroacutelisis en la leche catalizan la hidroacutelisis de la lactosa Dentro de este
grupo cabe destacar la enzima lipasa fosfatasa amilasa y lactasa Su
importancia en la leche se debe a que afectan a sus caracteriacutesticas
organoleacutepticas
Las enzimas oxidorreductasas son enzimas que catalizan las
reacciones de oxidacioacuten - reduccioacuten que se llevan a cabo en la leche
Entre ellas destacan las siguientes enzimas catalasa lactoperoxidasa
y xantino - oxidasa La importancia de estas enzimas se debe a que
influyen en el sabor (xantino-oxidasa) ademaacutes algunas de ellas
presentan actividad antimicrobiana La enzima lactoperoxidasa cataliza
la reaccioacuten del tiocianato en presencia de H2O2 liberando compuestos
con actividad antibacteriana y fungicida [47] [52]
Las enzimas transferasas son enzimas que transfieren grupos activos
que han sido liberados por la ruptura de alguna moleacutecula a otra
sustancia que actuacutea como receptor Por su abundancia en la leche de
vaca cabe destacar la enzima ribonucleasa que se encuentra en una
concentracioacuten de 25 mgL (en la leche materna se encuentra en menor
cantidad) Esta enzima produce la hidroacutelisis de aacutecidos ribonucleicos y
estaacute asociada a las proteiacutenas del suero de la leche [23] [53]
bull Minerales
Los minerales junto con las enzimas forman los constituyentes de la leche que
estaacuten en menor proporcioacuten Se pueden encontrar formando sales solubles o
como una dispersioacuten coloidal insoluble (son los minerales asociados a las
micelas de la caseiacutena) [22] [23]
El grupo de sales solubles lo forman minerales que se encuentran en forma de
cloruros citrato y bicarbonato de compuestos como son el calcio magnesio
potasio y sodio Los cloruros en forma de cloruro de sodio son los que se
encuentran en mayor cantidad en una proporcioacuten del 020 El anaacutelisis de
cloruros en la leche se utiliza para detectar posibles alteraciones si el
29
contenido en estas sales es superior al normal puede indicar que la leche
procede de una vaca con patologiacutea [22] [23]
Las sales coloidales representan el otro grupo en una proporcioacuten proacutexima al
033 [22] Principalmente se refieren al contenido en calcio y fosfato dado a
la presencia predominante de ambos componentes [47] El calcio es una de
las sales de mayor valor nutricional ya que contribuye al mantenimiento de los
huesos [48]
23 Sensores utilizados
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores
El constante crecimiento y desarrollo de la industria alimentaria hace necesario
la aplicacioacuten de teacutecnicas de anaacutelisis que sean capaces de adaptarse a los
cambios del proceso industrial permitiendo llevar a cabo controles raacutepidos y
precisos con el fin de satisfacer la demanda de los consumidores Ademaacutes el
estigma de la industria alimentaria debe ser garantizar la calidad e inocuidad
de los alimentos y bebidas suministrados a las personas En este contexto
surge el anaacutelisis por medio de sensores definido como la praacutectica fundamental
en el control de calidad para garantizar la seguridad e inocuidad de los
alimentos y bebidas
Un sensor es un dispositivo capaz de convertir un estiacutemulo externo en una
sentildeal generalmente eleacutectrica que se pueda medir para obtener informacioacuten
uacutetil tanto cuantitativa como cualitativa [54] La idealidad de un sensor se
evaluacutea mediante el anaacutelisis de paraacutemetros como la sensibilidad (habilidad de
detectar cantidades pequentildeas) selectividad (capacidad de detectar el analito
de intereacutes ante otros que actuacutean como interferencia) reproducibilidad
(concordancia entre resultados independientes obtenidos con el mismo
meacutetodo y a partir de la misma muestra en distintas condiciones
experimentales) y repetitividad (concordancia entre resultados independientes
obtenidos con el mismo meacutetodo y a partir de la misma muestra bajo las mismas
condiciones experimentales) [54] [55] Ademaacutes de estos paraacutemetros es
importante tener en cuenta que en la industria se valoran otros aspectos del
sensor como su coste de fabricacioacuten tiempo de vida tiempo de respuesta etc
[54] [55]
Los sensores presentan tres partes bien diferenciadas en su entructura la zona
de reconocimiento la zona de transducioacuten y el amplificador [55]
30
bull Zona de reconocimiento en esta zona se encuentra el receptor es el
dispositivo que interaciona directamente con la sustancia que se va a
detectar La interacioacuten entre el receptor y la sustancia genera una sentildeal
primaria (oacuteptica maacutesica teacutermica o eleacutectrica) que seraacute interpretada por
un transductor [55] [56] [57]
bull Zona de transduccioacuten en esta zona se encuentra integrado el
transductor Este dispositivo recibe la sentildeal primaria que le llega del
receptor de manera que es transformada en una sentildeal eleacutectrica
medible [58]
bull Amplificador la mayoriacutea de las sentildeales eleacutectricas generadas necesitan
ser amplificadas para poder interpretar la informacioacuten por lo que este
dispositivo incrementa la intensidad de la sentildeal eleacutectrica de salida que
recibe del transductor Finalmente esta sentildeal es enviada a un sistema
de procesamiento donde se registran los datos y se presenta la
informacioacuten obtenida [58] [59]
En la figura 3 se muestra el funcionamiento de un sensor
Figura 3 Estructura de un sensor
Los sensores se pueden clasificar en funcioacuten de la naturaleza de la sentildeal
primaria generada por la interaccioacuten entre el receptor y la sustancia a medir
[57]
Fiacutesicos la zona receptora recibe una informacioacuten de tipo fiacutesico
Dentro de este grupo se encuentran los sensores que miden
propiedades fiacutesicas como la absorbancia temperatura cambio
de masa presioacuten entre otras
31
Quiacutemicos La interaccioacuten del receptor con el analito da lugar a
una reaccioacuten quiacutemica
Dentro de los sensores nombrados los de mayor intereacutes son los sensores
quiacutemicos su importancia en el anaacutelisis sensorial radica en que se presentan
como una nueva herramienta para el control y monitoreo del proceso
productivo debiendo dar una respuesta raacutepida y selectiva [54] [55] Un sensor
quiacutemico es un dispositivo que transforma una sentildeal quiacutemica en una sentildeal
analiacuteticamente uacutetil siendo capaz de proporcionar informacioacuten acerca de la
concentracioacuten de uno o maacutes analitos presentes en la muestra [60]
Los sensores quiacutemicos se pueden clasificar en funcioacuten de las propiedades que
mida el transductor en
bull Electroquiacutemicos estos sensores miden una propiedad eleacutectrica
generada por un sistema de electrodos La sentildeal producida (potencial o
intensidad) es consecuencia de la interaccioacuten electroquiacutemica que tiene
lugar entre el analito y el sensor [55] [58]
bull Piezoeleacutectricos son dispositivos cuya respuesta se emite en forma de
un cambio en la frecuencia de resonancia de un cristal piezoeleacutectrico
El cambio en la frecuencia depende de la cantidad de analito en masa
depositado sobre la superficie del receptor [55] [58]
bull Oacutepticos son dispositivos que responden a la interaccioacuten de la radiacioacuten
electromagneacutetica de la luz (generalmente de la regioacuten del infrarrojo) con
el analito se basan en la medida del cambio en las propiedades oacutepticas
del analito [55]
bull Teacutermicos son dispositivos que registran el calor de reaccioacuten generado
por el analito a causa de su oxidacioacuten o por reaccioacuten con una sustancia
del medio [55]
bull Multiarreglo son dispositivos sensibles a distintos analitos cuyas
respuestas son analizadas de manera simultaacutenea para caracterizar a un
sistema en concreto [55]
Los sensores electroquiacutemicos son los sensores maacutes destacados entre los que
se han nombrado ya que son los sensores maacutes versaacutetiles y los que maacutes se han
investigado a lo largo de los antildeos [55] En funcioacuten de la propiedad eleacutectrica que
32
miden los sensores electroquiacutemicos se pueden clasificar en tres grupos Los
sensores potenciomeacutetricos son dispositivos que miden el voltaje debido a una
reaccioacuten quiacutemica generan una respuesta estableciendo una relacioacuten entre la
diferencia de potencial entre un sistema de dos electrodos (electrodo de
referencia y electrodo de trabajo) y la concentracioacuten del analito (liacutequido o vapor)
[55] [58] En los sensores voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos se aplica un
potencial variable con el tiempo de esta manera se obtiene informacioacuten del
cambio del potencial con la intensidad de la corriente eleacutectrica [58] [61] Los
sensores amperomeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
fijo obteniendo informacioacuten de la variacioacuten de la intensidad de la corriente con
el tiempo [58] [61] Finalmente los sensores electroquiacutemicos se clasifican en
sensores conductimeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
de corriente alterna y se mide el aumento de la conductividad eleacutectrica
provocado por la presencia de iones en una solucioacuten [58] [62]
Dentro de los sensores electroquiacutemicos los sensores basados en meacutetodos de
transduccioacuten voltameacutetricos son los maacutes indicados para el estudio de los
procesos de oxidacioacuten - reduccioacuten de los compuestos mediante el anaacutelisis de
voltamogramas Debido a que presentan importantes ventajas como su
elevada sensibilidad y selectividad [63]
En el desarrollo de este trabajo de investigacioacuten se presenta un innovador
sensor electroquiacutemico de tipo voltameacutetrico basado en la tecnologiacutea de
impresioacuten molecular denominado MIP (ldquomolecular imprinted polymerrdquo) esta
nueva tecnologiacutea promete mejoras en la estabilidad y reproducibilidad de los
anaacutelisis quiacutemicos
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular
(MIP)
Los MIP son materiales que han sido sintetizados para el reconocimiento de
moleacuteculas especiacuteficas Esta tecnologiacutea consiste fundamentalmente en la
formacioacuten de una peliacutecula polimeacuterica en la que una moleacutecula actuacutea como una
plantilla posteriormente la moleacutecula se extrae y deja cavidades de
reconocimiento especiacutefico sobre el poliacutemero [64]
Los paraacutemetros principales que intervienen en la formacioacuten de poliacutemeros de
impresioacuten molecular son el poliacutemero la moleacutecula plantilla y un agente
reticulante
bull Seleccioacuten del poliacutemero
33
Existen una gran variedad de poliacutemeros que se puedan utilizar en la impresioacuten
molecular pero deben cumplir unas caracteriacutesticas estrictas
-El poliacutemero tiene que ser quiacutemicamente compatible con la moleacutecula
plantilla ademaacutes debe ser capaz de unirse a eacutesta para crear las
cavidades de reconocimiento [65]
-El poliacutemero tiene que poder contener los sitios de reconocimiento
complementarios a la moleacutecula original
Entre los poliacutemeros empleados cabe destacar el chitosaacuten debido a sus
caracteriacutesticas de biocompatibilidad y afinidad por diferentes tipos de
moleacuteculas [65] Otros poliacutemeros de impresioacuten molecular estaacuten compuestos por
aacutecido metacriacutelico [66] o-fenilendiamina [67] pirrol [68] etc
bull Seleccioacuten de la moleacutecula plantilla
Una de las mayores ventajas de los MIPs es la utilizacioacuten de praacutecticamente
cualquier tipo de analito como azuacutecares aminoaacutecidos fenoles entre otras
sustancias Generalmente los compuestos empleados presentan grupos
polares (-COOH-OH) por lo que el complejo plantilla-poliacutemero que se forma es
bastante estable Otro tipo de compuestos utilizados son ioacutenes metaacutelicos
macromoleacuteculas etc [69]
bull Agente reticulante o cross-linker
Un agente reticulante (Cross-linker) es un compuesto que facilita la unioacuten entre
moleacuteculas para dar lugar a una red mucho maacutes estable y resistente Por ello la
reticulacioacuten (o el cross-linking) se puede emplear para mejorar la estabilidad
mecaacutenica de ciertas sustancias quiacutemicas como los poliacutemeros Consiste en una
reaccioacuten quiacutemica entre cadenas polimeacutericas que se mantienen unidas por
medio de enlaces covalentes u otro tipo de enlaces como las fuerzas de Van
der Waals [70]
El empleo de cross-linkers en los procesos de siacutentesis de poliacutemeros de
impresioacuten molecular es muy utilizado ya que estos influyen en tres aspectos
importantes intervienen en la morfologiacutea de los MIP fijan las cavidades de
34
reconocimiento especiacutefico e Intervienen en la estabilidad mecaacutenica del MIP
[69] Si el nuacutemero de entrecruzamientos es insuficiente se puede producir la
peacuterdida de las cavidades especiacuteficas formadas en el poliacutemero ya que estas no
se pueden mantener por no ser lo suficientemente estables Como resultado
de este fenoacutemeno el MIP pierde en cierto grado su capacidad de
reconocimiento [69]
El proceso de fabricacioacuten de un MIP se pueden clasificar en las siguientes
etapas [69]
bull 1ordm Interaccioacuten entre la moleacutecula y el poliacutemero
Los tipos de interaccioacuten que se pueden dar son [71] [72]
Impresioacuten covalente se establece un enlace covalente entre un
poliacutemero y la moleacutecula plantilla es un meacutetodo complejo ya que este
enlace se debe romper previamente para que la moleacutecula se pueda
eluir de la matriz polimeacuterica
Impresioacuten no covalante la interaccioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero se lleva a cabo mediante interacciones deacutebiles no
covalentes Se trata del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de
MIP debido a su simplicidad y facilidad de eliminar la moleacutecula
plantilla de la matriz del poliacutemero
Impresioacuten ioacutenica como plantilla se utilizan diferentes tipos de iones
metaacutelicos (Cu2+ Zn2+ Cd2+etc) se trata de una teacutecnica desarrollada
recientemente
En el presente trabajo de investigacioacuten se utilizoacute como matriz polimeacuterica
chitosaacuten y como moleacutecula plantilla un azuacutecar (lactosa glucosa o galactosa) La
unioacuten se llevoacute a cabo mediante el meacutetodo no-covalente como se ha explicado
en este meacutetodo el enlace entre el poliacutemero y la moleacutecula plantilla tiene lugar
mediante fuerzas de interaccioacuten deacutebiles de tipo fuerzas de Vaan der Waals o
puentes de hidroacutegeno [73] [74]
35
bull 2ordf Polimerizacioacuten
La polimerizacioacuten del poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla se realiza
para obtener una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula de intereacutes En la
elaboracioacuten de MIPs existen una gran variedad de procesos de polimerizacioacuten
en concreto en la elaboracioacuten de sensores destacan los sensores de impresioacuten
superficial sobre el electrodo de trabajo cuyos principales meacutetodos de
polimerizacioacuten se describen a continuacioacuten [69]
Electropolimerizacioacuten Es un proceso de deposicioacuten realizado en
presencia de la moleacutecula plantillla en el que se forma una peliacutecula
poliacutemerica sobre un electrodo de trabajo Se puede llevar a cabo a
traveacutes de diferentes teacutecnicas electroquiacutemicas tales como meacutetodos
voltameacutetricos ( el proceso empleado suele ser mediante voltametriacutea
ciacuteclica aplicando un intervalo de potencial) meacutetodos potenciomeacutetricos
(se aplica un potencial constante) y meacutetodos galvanostaacuteticos (se aplica
una corriente constante) [68]
Fotopolimerizacioacuten in situ Es una teacutecnica de deposicioacuten in situ que al
igual que la anterior permite depositar la plantilla polimeacuterica
directamente sobre el electrodo de trabajo El proceso se lleva a cabo
por polimerizacioacuten radicalaria la mezcla de preparacioacuten MIP contiente
un iniciador sensible a la luz de manera que al incidir la radiacioacuten sobre
eacutel absorbe la enegiacutea lumiacutenica y proporciona radicales libres De esta
manera se inicia el proceso de polimerizacioacuten del poliacutemero [75]
Sandwich Esta teacutecnica consiste en depositar unas gotas de la solucioacuten
MIP sobre un electrodo para ello la solucioacuten se coloca en una superficie
metaacutelica o sobre dos laacuteminas metaacutelicas Despueacutes de llevarse a cabo la
polimerizacioacuten se separan las laacuteminas logrando obtener peliacuteculas muy
finas [76]
El principal problema de esta teacutecnica es la falta de reproducibilidad que
se produce al aplicar fuerzas de compresioacuten durante la polimerizacioacuten
por lo que se emplea con menor frecuencia que la anteriores descritas
[76]
bull 3ordm Elucioacuten de la moleacutecula plantilla
36
La moleacutecula plantilla se elimina de la matriz polimeacuterica utilizando un disolvente
adecuado de esta manera se forma una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula
empleada Es por ello por lo que los MIP presentan la capacidad de reconocer
moleacuteculas con una alta selectividad dado que tras la elucioacuten las cavidades
creadas en el poliacutemero presentan muacuteltiples sitios de unioacuten con una
configuracioacuten espacial que es complementaria al analito [69]
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
En 1949 Dickey fue el primero en investigar el concepto de impresioacuten
molecular el cual fue inspirado por los experimentos llevados a cabo por Linus
Pauling quien defendiacutea la formacioacuten de anticuerpos usando el antiacutegeno como
una moleacutecula plantilla [71] Dickey es el responsable de la creacioacuten de la
teacutecnica de impresioacuten molecular de gel de siacutelice (MISC) y basoacute sus
investigaciones en la precipitacioacuten de silicagel en presencia de tintes orgaacutenicos
descubriendo que la impresioacuten de siacutelice proporcionaba una gran selectividad
hacia el tinte [71] Desde entonces se han llevado a cabo varios estudios
basados en la impresioacuten molecular a base de siacutelice por ejemplo en 2013 se
estudioacute la deteccioacuten del aacutecido saliciacutelico mediante esta teacutecnica [77]
En 1972 Wulff y Klotz dos liacutederes de grupos de investigacioacuten independientes
llevaron a cabo los primeros mecanismos de impresioacuten molecular [78] El
primero desarrolloacute un complejo basado en la impresioacuten molecular de tipo
covalente que incluiacutea un monoacutemero y la moleacutecula plantilla para la deteccioacuten
de azuacutecares [79] Al mismo tiempo Klotz sintetizoacute poliacutemeros de impresioacuten
molecular utilizando poliacutemeros y uniones de tipo covalente entre la moleacutecula y
la plantilla Antildeos despueacutes Mosback llevoacute a cabo la siacutentesis de impresioacuten
molecular utilizando otros meacutetodos de unioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero en concretoacute enlaces de tipo no covalentes [71]
Debido a sus excelentes propiedades los MIP han cobrado una mayor
importancia en estos uacuteltimos antildeos habiendo sido utilizados en multitud de
aplicaciones Se han elaborado MIP para la separacioacuten de compuestos quirales
y de proteiacutenas los cuales son muy utilizados en la industria farmaceacuteutica [80]
En el anaacutelisis ambiental para la purificacioacuten de aguas y eliminacioacuten de metales
pesados [80] En el desarrollo de sensores basados en diferentes meacutetodos de
transduccioacuten (electroquiacutemicos [64] oacutepticos [81] etc) En medicina para la
liberacioacuten de faacutermacos [80] y como catalizadores imitando las funciones de las
enzimas pero con una mayor estabilidad [82]
Los primeros sensores que emplearon la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
fueron elaborados entorno a los antildeos 2000 En 1996 se publicoacute el primer
37
artiacuteculo elaborado por Franz L Dicker referido a sensores MIP basados en
meacutetodos de transduccioacuten piezoeleacutectricos En el experimento se crearon
plantillas polimeacutericas con varios tipos de disolventes orgaacutenicos volaacutetiles una
vez creada la plantilla se calculoacute la masa de analito depositada midiendo el
cambio en la frecuencia de resonancia de una microbalanza de cuarzo Con los
resultados de la investigacioacuten se concluyoacute que estos sensores presentariacutean un
futuro prometedor puesto que fueron capaces de reconocer selectivamente
disolventes orgaacutenicos seguacuten su tamantildeo y forma [83]
Recientemente se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en la
impresioacuten molecular para el reconocimiento de azuacutecares principalmente para
la glucosa por su impacto en enfermedades como la diabetes W Zhen et al
desarrollaron un sensor basado en poliacutemeros de impresioacuten molecular para el
reconocimiento de glucosa [84] A Diouf et al sintetizaron un sensor
electroquiacutemico para la cuantificacioacuten de glucosa presente en la saliva [41]
Tambieacuten se han desarrollado sensores MIP para el reconocimiento de
disacaacuteridos por ejemplo H Shekarchizadeh et al fabricaron un sensor MIP
electroquiacutemico para la deteccioacuten de sacarosa en el zumo de remolacha [83]
Tal y como se muestra en la figura 4 el desarrollo de sensores MIP ha ido
creciendo con el paso del tiempo siendo su empleo en el anaacutelisis
electroquiacutemico cada vez maacutes pronunciado Su aplicacioacuten para la identificacioacuten
de azuacutecares se encuentra todaviacutea en sus primeros indicios encontraacutendose las
mayores referencias entre los antildeos 2018 y 2019 Debido al intereacutes que
presentan los MIP es interesante llevar a cabo nuevas investigaciones que
contribuyan al estudio iniciado en estos uacuteltimos antildeos dirigido a la deteccioacuten de
azuacutecares
Figura 4 MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos (rojo) MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos empleados en la deteccioacuten de azuacutecares (rosa) Publicaciones correspondientes al periodo 1999-2019 obtenidas de la base de datos SCOPUS (Elsevier)
38
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Los sensores MIP son una buena alternativa frente a los meacutetodos tradicionales
de anaacutelisis (cromatografiacutea de gases cromatografiacutea de liacutequidos de alta
resolucioacuten etc) debido a sus excelentes propiedades como estabilidad bajo
coste y especificidad [85] Estos sensores son capaces de detectar una gran
variedad de analitos como proteiacutenas [86] virus [87] azuacutecares [84] fenoles
[12] etc Por ello presentan un gran potencial en diferentes campos industria
alimentaria anaacutelisis ambiental anaacutelisis cliacutenico o anaacutelisis quiacutemico entre otros
[88]
Para un mayor entendimiento del presente trabajo es necesario especificar en
que consite un sensor NIP (ldquono molecularly imprinted polymerrdquo) Dicho sensor
es anaacutelogo al MIP sin embargo eacuteste se obtiene en aunsencia de la moleacutecula
plantilla por lo que no cuenta con las cavidades de reconocimiento especiacutefico
Para obtener un buen funcionamiento un sensor MIP debe tener las siguientes
propiedades [69]
bull Rigidez Las cavidades de reconocimiento deben mantener su forma y
tamantildeo despueacutes de que la moleacutecula sea eliminada de la matriz
polimeacuterica
bull Flexibilidad Se debe optimizar el proceso de reconocimiento
consiguiendo un equilibrio entre las cavidades creadas y la
concentracioacuten de analito
bull Estabilidad mecaacutenica El sensor debe mantenerse estable con cada
medida
Al igual que los sensores tradicionales los sensores basados en MIPs se
pueden clasificar en funcioacuten de su principio de funcionamiento en los
siguientes sensores
bull Sensores de afinidad (ldquoAffinity sensorsrdquo) son sensores capaces de
detectar moleacuteculas con caracteriacutesticas medibles Dentro de este tipo se
encuentran los sensores basados en meacutetodos de transduccioacuten
piezoeleacutectricos (se basan en el empleo de un cristal piezoeleacutectrico que
39
vibra al aplicarse un potencial la frecuencia de oscilacioacuten del cristal
variacutea en funcioacuten de la masa de analito depositada en el sensor MIP)
[76] [89] sensores MIP electroquiacutemicos [76] (se basan en diferentes
teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea amperometriacutea y
potenciometriacutea) y sensores MIP oacutepticos en los que el sensor detecta un
cambio en alguna propiedad oacuteptica durante el enlace entre los grupos
funcionales del poliacutemero y la moleacutecula plantilla [90]
bull Receptores Estos sensores se basan en la deteccioacuten directa del analito
aprovechan el momento de unioacuten entre la moleacutecula y la plantilla cuando
tiene lugar un cambio en alguna caracteriacutestica del MIP (conductividad
eleacutectrica potencial superficial o permeabilidad) Dentro de este grupo
hay sensores MIP electroquiacutemicos y oacutepticos [76] Por ejemplo se han
desarrollado sensores MIP electroquiacutemicos para la deteccioacuten de glucosa
basados en el efecto denominado ldquogate effectrdquo El enlace entre la
glucosa y los sitios de unioacuten de la plantilla produce un cambio en la
configuracioacuten del poliacutemero modificaacutendose la permeabilidad de la
peliacutecula polimeacuterica dificultando por tanto el proceso de difusioacuten de las
moleacuteculas a su traveacutes Asiacute la deteccioacuten en este experimento se llevoacute a
cabo registrando la disminucioacuten de la intensidad de la sentildeal en
presencia de glucosa [91]
bull Sensores MIP Cataliacuteticos Constituyen la uacuteltima generacioacuten de sensores
MIP en este grupo se fabrican sensores que imitan la actividad
cataliacutetica de las enzimas Actualmente son pocos los sensores
desarrrollados seguacuten este principio un ejemplo ha sido la fabricacioacuten
de un sensor MIP que imita el funcionamiento de la enzima tirosinasa
El sensor consiste en utilizar un complejo como moleacutecula plantilla
similar a la enzima para catalizar las reacciones de oxidacioacuten del
catecol (anaacutelito de intereacutes en el estudio de la calidad del vino) [79]
Entre los sensores que se han nombrado los sensores MIP electroquiacutemicos son
los que representan el mayor intereacutes en el anaacutelisis quiacutemico debido a su bajo
coste y facilidad de obtencioacuten [85]
La fabricacioacuten de sensores MIP electroquiacutemicos se puede clasificar en dos
etapas
bull Electrodo modificado mediante la teacutecnica de impresioacuten molecular
40
El meacutetodo de integracioacuten maacutes utilizado para la deposicioacuten del MIP en el
electrodo de trabajo es la electropolimerizacioacuten por ser raacutepido y eficaz [85] La
principal ventaja de esta teacutecnica es que los paraacutemetros controlables como el
tiempo de deposicioacuten y el potencial aplicado permiten controlar aspectos
importantes como el grosor de la peliacutecula polimeacuterica [79]
En el presente trabajo de investigacioacuten el sensor MIP fue elaborado mediante
teacutecnicas de electropolimerizacioacuten a traveacutes de cronoamperometriacutea El proceso
consistioacute en aplicar un potencial constante para producir la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla sobre la superficie del
electrodo A continuacioacuten se muestra una imagen esquemaacutetica de este
proceso
Figura 5 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-moleacutecula plantilla]BDD en una celda electroliacutetica con una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de trabajo contraelectrodo y electrodo de referencia) donde se representa la deposicioacuten de la solucioacuten a traveacutes de electropolimerizacioacuten por cronoamperometriacutea sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Elucioacuten y reconocimiento del analito
La elucioacuten consiste en eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz del poliacutemero
de esta manera se crean cavidades de reconocimiento con una estructura
tridimensional que coincide en tamantildeo y forma con el analito de intereacutes es
decir se forma un plantilla polimeacuterica Esta plantilla aporta especificidad al
sensor lo que le permite llevar a cabo la deteccioacuten selectiva de la moleacutecula
plantilla [69] Dado a la importancia que esto supone se deben tener en cuenta
las condiciones en la que se realice el anaacutelisis puesto que el uso de ciertos
41
disolventes orgaacutenicos las altas temperaturas o el empleo de solventes donde
el poliacutemero sea soluble podriacutean dantildear la plantilla sintetizada en el MIP [65] A
pesar de ello no se trata de una etapa costosa y en ella se pueden emplear
distintos tipos de eluyentes Por ejemplo se ha utilizado agua caliente
presurizada para la elucioacuten de moleacuteculas de clorofila de una matriz polimeacuterica
elaborada a partir de aacutecido metacriacutelico y metacrilato de etilenglicol [65]
Tambieacuten se ha empleado cloruro de potasio (KCl) para eliminar catecol de una
matriz polimeacuterica de chitosaacuten [12] Otros disolventes como el HCl se han
utilizado para la elucioacuten de glucosa de una matriz polimeacuterica compuesta por
aacutecido 3-aminobencenoboroacutenico (APBA) [84] En conclusioacuten la eleccioacuten del
eluyente dependeraacute principalmente de las caracteriacutesticas de la moleacutecula
plantilla y del poliacutemero debiendo seleccionar en todo momento un solvente
que no dantildee a la peliacutecula polimeacuterica y en el que la moleacutecula plantilla sea
soluble
Una vez eliminada la moleacutecula plantilla se lleva a cabo la deteccioacuten de eacutesta
durante este momento tiene lugar la selectividad entre la moleacutecula y la plantilla
polimeacuterica Este proceso se corresponde con la uacuteltima etapa del anaacutelisis
electroquiacutemico y puede verse afectado por distintos factores [69]
Presencia de compuestos inhibidores Puede haber grupos inhibidores
que impidan que la moleacutecula se adapte perfectamente en las cavidades
ocupando sus sitios de unioacuten
Cambios en la orientacioacuten espacial de los grupos funcionales del
poliacutemero Factores como los cambios de temperatura o los disolventes
empleados pueden causas cambios en la configuracioacuten espacial de los
grupos funcionales en consecuencia no se produce el enlazamiento
entre el analito y las cavidades del poliacutemero
Fenoacutemenos de repulsioacuten Puede haber grupos funcionales en las
cadenas del poliacutemero que impidan que la moleacutecula y los sitios de unioacuten
reaccionen
Seleccioacuten del disolvente Como se ha explicado anteriormente el
disolvente puede dantildear al poliacutemero debido a ello es importante utilizar
un solvente en el que el poliacutemero no sea soluble
A continuacioacuten se muestra un esquema del proceso de las etapas descritas
42
Figura 6 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP donde se muestra el proceso de polimerizacioacuten y a continuacioacuten un sensor MIP donde se ha llevado a cabo el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
23221 Ventajas de la impresioacuten molecular
La elaboracioacuten de sensores electroquiacutemicos a partir de MIP es una tecnologiacutea
relativamente reciente desarrollada para reconocer bajas concentraciones del
analito La impresioacuten molecular es una de las pocas tecnologiacuteas que permite la
fabricacioacuten de receptores sinteacuteticos ademaacutes presenta importantes ventajas
sobre otros compuestos utilizados para el reconocimiento especiacutefico como las
enzimas Entre las ventajas maacutes destacadas de los sensores basados en esta
tecnologiacutea se encuentran [80]
bull Estabilidad los MIP son estables en un amplio rango de pH
temperaturas y presioacuten por estas razones son buenos sustitutos de
agentes bioloacutegicos [80]
bull Bajo coste Los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular
resultan maacutes baratos comparados con el empleo de receptores
bioloacutegicos como las enzimas [80]
bull Preparacioacuten del sensor MIP sencilla [80]
bull Los poliacutemeros pueden forman plantillas para una gran cantidad de
analitos [80]
bull Reconocimiento especiacutefico y selectivo en disolventes orgaacutenicos por lo
que no estaacuten limitados a detecciones en medios acuosos [80]
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo
En la elaboracioacuten de MIP se suele utilizar un agente reticulante para obtener
una plantilla del poliacutemero maacutes estable y por ende un mejor comportamiento
43
del sensor [69] En este trabajo uno de los experimentos para fabrizar el MIP
se llevoacute a cabo en presencia de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
El glutaraldehiacutedo es un compuesto quiacutemico perteneciente a la familia de los
aldehiacutedos a temperatura ambiente es un liacutequido oleaginoso incoloro o con una
leve coloracioacuten amarilla su foacutermula molecular es OHC-(CH2)3-CHO [92]
El glutaraldehido se ha empleado porque es considerado un buen agente
reticulante para el desarrollado de MIPs basados en chitosaacuten dado a que este
poliacutemero presenta grupos amino reactivos (-NH2) que reaccionan con los
grupos aldehiacutedo (-CHO) del glutaraldehiacutedo [93] Esta reaccioacuten es selectiva por
lo que los grupos hidroxilo -OH del chitosaacuten no intervienen en la reaccioacuten con el
glutaraldehiacutedo [94]
El proceso simplificado de entrecruzamiento del chitosaacuten con el glutaraldehiacutedo
se puede ver en la figura 7
Figura 7 Reaccioacuten simplificada del proceso de entrecruzamiento del chitosaacuten con glutaraldehiacutedo
El producto de reaccioacuten entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo da lugar a una
base de Schiffrsquos [95] una base de schiffrsquos es un enlace imina constituido por
un cabono y un nitroacutegeno unidos atraveacutes de un doble enlace (N=C) su
estructura tiacutepica se muestra en la figura 8 tal y como se observa esta
compuesta por tres radicales R1R2 y R3 que pueden ser grupos alquilo o arilo
[96]
Figura 8 Estructura geneacutericas de una base de Shiffacutes con tres radicales R1 R2 y R3
44
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis
electroquiacutemico
El tipo de electrodos de trabajo empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico variacutea
en funcioacuten de las teacutecnicas electroquiacutemicas de anaacutelisis en voltametriacutea los
electrodos de metales nobles son los maacutes empleados entre ellos destacan los
electrodos de plata [97] los electrodos de oro [98] y los electrodos de platino
[99] Estos electrodos destacan por sus buenas caracteriacutesticas de
conductividad y por ser materiales inertes por lo que no intervienen en las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la celda electroliacutetica Sin
embargo presentan problemas de reproducibilidad por la formacioacuten de oacutexidos
en su superficie [99] [100]
Debido a ello los electrodos metaacutelicos se han ido remplazando en los uacuteltimos
antildeos por los electrodos de carbono cuya principal ventaja es su amplia ventana
de potencial y su facilidad de limpieza (las impurezas de la superficie de los
electrodos de carbono se eliminan faacutecilmente) [99]
Dentro de los electrodos de carbono existen varios tipos pues es un compuesto
con diferentes formas alotroacutepicas En concreto el diamante es la segunda
forma maacutes estable del carbono despueacutes del grafito ademaacutes tiene una de las
estructuras moleculares maacutes destacables por sus propiedades extraordinarias
como son su extremada dureza y alta conductividad teacutermica [101] A pesar de
estas caracteriacutesticas el diamante (sin dopar) no se emplea como electrodo
dado a su alta resistividad eleacutectrica (1020 Ωcm ) que le hace funcionar como
un soacutelido aislante lo que es debido a su ancho de banda prohibida (seguacuten el
modelo de la teoriacutea de bandas en un soacutelido aislante la banda de valencia (BV)
y la banda de conductividad (BC) se encuentran separadas por una banda
prohibida de una energiacutea muy alta por lo que no es posible el salto del electroacuten
de la BV a la BC [102]) Por esta razoacuten los electrodos de diamante se dopan
con otros elementos con el fin de mejorar su conductividad eleacutectrica
Los electrodos de diamante dopados con boro (BDD) constituyen un material
semiconductor de ldquotipo prdquo (un material deldquo tipo prdquo se obtiene al introducir
huecos libres en la estructura quiacutemica del elemento figura 9) ya que el boro
presenta tres electrones en su banda de valencia y el carbono 4 por lo que se
genera un hueco libre en su estructura quiacutemica de esta manera se consigue
reducir su resistividad a la deacutecima parte 102 Ωcm [102] [103]
Otros electrodos de carbono destacables son los electrodos de carboacuten viacutetreo
que son muy utilizados en electroquiacutemica por ser electrodos inertes duros y
por presentar una resistencia eleacutectrica muy baja [104] [105]
45
Figura 9 Diamante dopado con boro Se representan los huecos introducidos por el boro
Dentro de los electrodos que se han explicado los BDDs son los materiales
maacutes destacables en el anaacutelisis electroquiacutemico debido a que algunas de sus
propiedades como su baja resistividad eleacutectrica y amplia ventana de potencial
los convierten en materiales de especial intereacutes en este campo
Cuando se utilizan estos materiales como electrodos de trabajo para obtener
una buena reproducibilidad del anaacutelisis se deben tener en cuenta los aspectos
descritos a continuacioacuten [106]
Cuando se utilizan finas peliacuteculas de BDD depositados en sustratos
conductores la limpieza de su superficie se tiene que realizar mediante
meacutetodos quiacutemicos y no mediante meacutetodos fiacutesicos (pulido mecaacutenico)
para no dantildear a la misma [106]
Antes de usarles en el anaacutelisis quiacutemico se lleva a cabo un pretratamiento
o limpieza de su superficie que contribuye a la mejora de sus
caracteriacutesticas quiacutemicas y fiacutesicas Por ejemplo puede llevarse a cabo
mediante meacutetodos electroquiacutemicos aplicando un potencial o corriente
eleacutectrica [106]
Los tratamientos demasiado fuertes (ej aplicar potencial o una
corriente elevada) pueden dantildear el material del electrodo afectando
negativamente a la reproducibilidad o al rendimiento del mismo
(aumento de la corriente de fondo) [106]
241 Electrodos BDD
Los electrodos BDD se caracterizan por ser materiales semiconductores con
importantes ventajas respecto a otros electrodos semiconductores por su
amplia ventana de potencial baja corriente de fondo alta estabilidad
electroquiacutemica por ser quiacutemicamente inertes y no toacutexicos [107] [102]
46
A continuacioacuten se describen de una manera maacutes precisa las caracteriacutesticas
nombradas
bull Amplia ventana de potencial La ventana de potencial constituye el
intervalo donde se llevan a cabo las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten
de las especies quiacutemicas por lo que los analitos deben ser
electroactivos dentro de este intervalo [108]
La ventana de potencial que ofrece el diamante permite distinguir
reacciones a potenciales altos y bajos [109] Por ejemplo la reaccioacuten
del oxiacutegeno a 225 V y del hidroacutegeno a -11V se puede distinguir en los
electrodos BDD mientras que en otros electrodos como el grafito el
carboacuten viacutetreo el oro o el platino no se puede apreciar [110]
bull Estabilidad electroquiacutemica El diamante se forma por hibridacioacuten sp3
mediante un enlace sigma que une a los aacutetomos de carbono La
fortaleza de este enlace le confiere al diamante una gran estabilidad
electroquiacutemica [102]
bull Baja corriente de fondo En electroquiacutemica la corriente de fondo se
refiere a las reacciones de electroacutelisis debidas a las impurezas
presentes en la solucioacuten electroacutelisis del analito electroacutelisis del material
del electrodo y la corriente capacitiva Las tres primeras son corrientes
faraacutedicas debidas a la reacciones quiacutemicas que tienen lugar en el
electrodo mientras que la corriente capacitiva se debe al
comportamiento de la celda electroquiacutemica como un condensador
(interfaz entre el electrodo y la solucioacuten) [111] [112]
La corriente de fondo generalmente es indeseable excepto la referida a
la corriente generada por el analito Los electrodos BDD presentan una
corriente de fondo pequentildea esta propiedad es de gran intereacutes en
electroquiacutemica ya que permite llevar a cabo un anaacutelisis maacutes sensible
ademaacutes de conseguir liacutemites de deteccioacuten maacutes bajos [111] [112]
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD
Dado a la repercusioacuten que tiene el meacutetodo de fabricacioacuten de los electrodos BDD
en el anaacutelisis electroquiacutemico se han investigado varios meacutetodos para su
obtencioacuten
47
El meacutetodo maacutes empleados para la siacutentesis de BDDs es el proceso de deposicioacuten
quiacutemica de vapor (CVD) Este meacutetodo permite controlar la presencia de
impurezas de grafito que pudiese haber en el electrodo y que pudieran
repercutir negativamente en el anaacutelisis electroquiacutemico causando un aumento
de la corriente de fondo y una disminucioacuten de la ventana de potencial del
electrodo BDD Dentro de este meacutetodo se emplean distintos sustratos para la
deposicioacuten de los BDDs entre los maacutes empleados destacan los sustratos
metaacutelicos (Ti Mo y W) y los sustratos de materiales ceraacutemicos como el silicio
[106] [107] [110]
La deposicioacuten quiacutemica de vapor a altas temperaturas y presiones (HTHP)
constituye otra de las formas para obtener polvo de diamante dopado con boro
compacto A pesar de que este proceso permite obtener BDDs con
caracteriacutesticas similares a la deposicioacuten quiacutemica de vapor es un proceso que
se lleva a cabo en condiciones de presioacuten y temperatura maacutes restrictivas por lo
que es una teacutecnica menos utilizada para la obtencioacuten de este tipo de electrodos
[107]
25 Sensores basados en nanomateriales
Con el desarrollo de la nanotecnologiacutea en el campo del anaacutelisis sensorial se
han podido introducir nanomateriales que mejoran en gran medida el
comportamiento de los sensores electroquiacutemicos Debido a la importancia que
esto supone la modificacioacuten de sensores con superficies nanoestructuradas
ha representado el epicentro de estudio de un gran nuacutemero de grupos de
investigacioacuten
En los uacuteltimos antildeos se han modificado sensores electroquiacutemicos con
nanotubos de carbono por sus caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica y
propiedades fiacutesicas y quiacutemicas [64] Se han sintetizado sensores MIP
modificados con nanopartiacuteculas de oro con objeto de mejorar la intensidad de
corriente alcanzada por el sensor [85] Tambieacuten se han empleado nanohilos
metaacutelicos para mejorar el rendimiento del sensor incrementando su aacuterea
efectiva [98]
La plata por si sola representa uno de los metales con mejores caracteriacutesticas
de conductividad eleacutectrica y teacutermica [113] Por esta razoacuten los nanomateriales
basados en dicho metal son de gran intereacutes en la industria de la
nanotecnologiacutea En concreto los nanohilos de plata (AgNWs) constituyen uno
de los nanomateriales maacutes interesantes ya que presentan excelentes
propiedades que les convierten en materiales muy adecuados para el
desarrollo de los sensores electroquiacutemicos [114] [115] [116] [117]
48
Wagner se considera uno de los primeros desarrolladores de los electrodos
semiconductores basados en nanohilos de diferentes materiales En 1964
sintetizoacute microhilos de silicio utilizando el oro como catalizador del proceso
mediante meacutetodos de vapor-liacutequido-soacutelido (VLS) a traveacutes de los cuales
consiguioacute sintetizar nanoestructuras por deposicioacuten quiacutemica de vapor En 2001
se lograron sintetizar los primeros AgNWs a traveacutes del mismo proceso [118]
Desde este momento en la primera deacutecada de SXXI se han realizado nuacutemeros
estudios dedicados a la obtencioacuten de AgNWs teniendo en cuenta que su
tamantildeo forma y estructura son paraacutemetros que determinan sus propiedades
[113] [119] [120]
251 Los nanohilos de plata (AgNWs)
Los AgNWs son nanoestruras consideradas de una dimensioacuten (1D) que cuentan
con una largura mucho mayor a su diaacutemetro generalmente el diaacutemetro variacutea
entre 10 - 200 nm y su longitud puede variar entre 5 - 100 μm [113] [120]
Gracias a su configuracioacuten exhiben propiedades extraordinarias como son
[121]
bull Transparencia oacuteptica y conductividad eleacutectrica El empleo de AgNWs
como conductores transparentes representa un futuro prometedor su
importancia en este campo radica en su propiedades como son su
elevada conductividad sus propiedades oacutepticas y su sencillez de
obtencioacuten junto con el bajo coste de preparacioacuten [121] [122] [123]
bull Flexibilidad los AgNWs presentan una estructura cuacutebica centrada en las
caras (FCC) que les proporciona una alta flexibilidad y resistencia a la
traccioacuten [124] La fabricacioacuten de dispositivos electroacutenicos flexibles
constituye uno de los campos en los que maacutes se ha investigado en los
uacuteltimos antildeos siendo la flexibilidad de los AgNWs (entre otras
propiedades) lo que hace que puedan ser empleados en dispositivos
electroacutenicos que pueden ser curvados Por ello se han incorporado en
ceacutelulas solares y TCF (peliacuteculas teacutermicas conductoras transparentes)
[121]
bull Aacuterea efectiva los AgNWs presentan un relacioacuten LongitudDiaacutemetro
elevada lo que hace que tengan una gran superficie en comparacioacuten al
volumen que ocupan [125] Esta caracteriacutestica es importante porque
influye en las propiedades conductoras y oacutepticas de eacutestos Se ha
49
demostrado que en los AgNWs de diaacutemetros superiores a 50 nm
cuanto mayor es su diaacutemetro mayor es su conductividad Por el
contrario en AgNWs cuyos diaacutemetros son inferiores a 20 nm cuaacutento
menor es el diaacutemetro mejores son sus propiedades conductoras y
oacutepticas [126]
bull Confinamiento cuaacutentico el confinamiento cuaacutentico tiene lugar cuando
el tamantildeo del nanocristal es muy pequentildeo en comparacioacuten con la
longitud de onda de un electroacuten por lo que se dice que los electrones
se encuentran encerrados en un espacio cuaacutentico ocupando diferentes
niveles de energiacutea a los que ocupariacutean en el mismo material de tamantildeo
macromolecular Este fenoacutemeno hace que las propiedades oacutepticas y
eleacutectricas sean diferentes en comparacioacuten a las que tendriacutea el material
a una escala superior [127]
bull Efecto cataliacutetico se ha demostrado que el empleo de nanoestructuras
como AgNWs mejoran la transferencia electroacutenica de poliacutemeros de
mala conductividad eleacutectrica Tambieacuten actuacutean como mediadores
electroacutenicos mejorando la transferencia de electrones de la solucioacuten al
electrodo [64] [128]
bull Resonancia de plasmoacuten superficial es el fenoacutemeno que tiene lugar
cuando los electrones que estaacuten situados en la capa superficial de un
metal son excitados por los fotones de un haz de luz y despueacutes se
propagan paralelamente a lo largo de la superficie del metal [129] Los
AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso que se puede
apreciar en la banda de absorcioacuten UV- VIS lo que permite estudiar las
propiedades oacutepticas de dichos materiales [130]
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs
Los AgNWs constituyen nanomateriales de gran importancia en la siacutentesis de
sensores nanoestructurados En concreto su utilizacioacuten en sensores
electroquiacutemicos representa uno de sus principales campos de aplicacioacuten
debido a que ciertas de sus propiedades (conductividad aacuterea efectiva entre
otras) les convierten en materiales predilectos para el desarrollo de los mismos
[131] Por ello son varios los estudios dedicados a la integracioacuten de estas
nanoestructuras para la deteccioacuten de compuestos de intereacutes
50
El equipo de investigacioacuten de X Gao et al llevaron a cabo el desarrollo de un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) en la
leche de vaca La deteccioacuten de dicho producto es muy importante dentro de la
industria alimentaria y en concreto en el sector laacutecteo Su presencia se debe a
que es una sustancia muy empleada para el control del desarrollo bacteriano
en productos laacutecteos sin embargo a elevadas concentraciones puede causar
dantildeos en el organismo El sistema de medida desarrollado por el equipo de
investigacioacuten contaba con un electrodo de trabajo de carboacuten vitreo que se
modificoacute depositando AgNWs a traveacutes de ldquodrop coatingrdquo sobre la superficie del
electrodo finalmente mediante la misma teacutecnica depositaron una solucioacuten de
chitosaacuten utilizada como soporte para los AgNWs El comportamiento del sensor
frente a la deteccioacuten del H2O2 fue evaluado a traveacutes de teacutecnicas
electroquiacutemicas como la amperometriacutea en muestras de leche donde se
demostroacute una gran sensibilidad del sensor debido principalmente a la
capacidad electroliacutetica aacuterea efectiva y conductividad eleacutectrica que
proporcionaron los AgNWs [114]
J Turan et al llevaron a cabo el desarrollo de un biosensor modificado con
AgNWs para la deteccioacuten de plaguicidas como el paraoxoacuten que pueden estar
presente en la leche (muchos plaguicidas acaban en productos de consumo
diario debido a que forman parte de la cadena alimentaria de los animales) El
sistema de medida basado en meacutetodos de transduccioacuten amperomeacutetricos
contaba con un electrodo de trabajo de grafito modificado con AgNWs la
enzima que cataliza los procesos redox del compuesto de intereacutes
(butirilcolinesterasa) y un poliacutemero conductor que sirve de soporte para dicha
enzima El comportamiento del sensor fue evaluado mediante amperometriacutea a
traveacutes de la inmersioacuten del electrodo en muestras de leche con paraoxoacuten El
equipo concluyoacute que la presencia de los AgNWs a una concentracioacuten especiacutefica
junto con el poliacutemero conductor contribuiacutea a mejorar la sensibilidad
selectividad y estabilidad de la enzima en el electrodo [115]
Por su repercusioacuten en el presente trabajo tambieacuten es de intereacutes sentildealar el
desarrollo de electrodos que han sido modificados con AgNWs y que se han
empleado para la deteccioacuten de azuacutecares V H Luan et al desarrollaron un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de glucosa analito de gran intereacutes en
la industria alimentaria y en medicina El sistema sensor contaba con un
electrodo de trabajo de carboacuten viacutetreo modificado con AgNWs y grafeno La
sensibilidad del sensor fue evaluada a traveacutes de amperometriacutea en este estudio
se concluyoacute que los AgNWs combinados con el grafeno mejoraban
significativamente la sensibilidad del mismo debido a su actividad
electrocataliacutetica [116]
Finalmente un biosensor elaborado para la monitorizacioacuten de glucosa fue
fabricado por X Jang et al El equipo de investigacioacuten obtuvo un sensor para la
51
monitorizacioacuten de glucosa a traveacutes de la deteccioacuten de H2O2 (la enzima glucosa
oxidasa con oxiacutegeno genera peroacutexidos) cuyo funcionamiento se evaluoacute
mediante voltametriacutea ciacuteclica El sistema sensor contaba con un electrodo de
trabajo de carboacuten vitreo modificado con AgNWs los cuales funcionaron como
agentes electrocataliacuteticos de los procesos de reduccioacuten del H2O2 que teniacutean
lugar en la celda electroliacutetica Los AgNWs mejoraron la transferencia electroacutenica
de los electrones de la solucioacuten al electrodo y demostraron una mejora en la
intensidad de los picos catoacutedico mostrados en el voltamograma
correspondiente a los procesos de reduccioacuten del H2O2 [117]
2521 Siacutentesis de AgNWs
Existen una gran variedad de meacutetodos de obtencioacuten de AgNWs que se han ido
perfeccionando a lo largo de estos uacuteltimos antildeos ya que el meacutetodo de
fabricacioacuten influye en su organizacioacuten estructural y en su dimensioacuten Los
procesos de fabricacioacuten de AgNWs se pueden clasificar en meacutetodos fiacutesicos y
meacutetodos quiacutemicos
Los meacutetodos fiacutesicos se fundamentan en procesos de pulverizacioacuten mecaacutenica
los AgNWs obtenidos mediante este tipo de teacutecnicas no son uniformes y
presentan impurezas por lo que estos meacutetodos actualmente ya no se emplean
[121]
Los meacutetodos quiacutemicos se caracterizan por ser procesos relativamente sencillos
y aplicables a gran escala entre los maacutes destacados estaacuten el empleo de
plantillas el meacutetodo poliol o la fotorreduccioacuten por radiacioacuten ultravioleta entre
otros procesos [121]
Entre los meacutetodos descritos el meacutetodo poliol destaca por ser un meacutetodo
sencillo de bajo coste y muy eficiente Por estas razones esta teacutecnica
constituye uno de los procesos maacutes utilizados para la siacutentesis de AgNWs [121]
bull Meacutetodo poliol
Un poliol es un compuesto orgaacutenico que presenta varios grupos hidroxilo el
poliol empleado por excelencia en la siacutentesis de AgNWs es el etilenglicol (EG)
El meacutetodo poliol consiste en llevar a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten de una sal
metaacutelica mediante la aplicacioacuten de calor en presencia de un poliol [120]
52
En este proceso se utiliza un agente reductor un solvente un agente precursor
y una sal El EG presenta una funcioacuten doble por un lado actuacutea como reductor
y por otro lado actuacutea como disolvente La polivinilpirrolidona (PVP) se utiliza
como agente de recubrimiento para controlar el crecimiento anisoacutetropo de los
aacutetomos de plata y ademaacutes evita que se formen agregados de nanopartiacuteculas
(NPs) Por uacuteltimo el nitrato de plata (AgNO3) es el agente precursor encargado
de proporcionar los iones de plata (Ag+) para la siacutentesis de AgNWs [121] [120]
En mayor detalle el meacutetodo poliol comienza con la reaccioacuten de reduccioacuten de
una sal metaacutelica (CuCl2) en presencia de glicolaldehiacutedo (GA) este compuesto
es un agente reductor obtenido de la reaccioacuten de oxidacioacuten del EG cuando se
alcanza una temperatura de reaccioacuten proacutexima a 160ordmC [121] A continuacioacuten
se antildeaden simultaacuteneamente la sal de AgNO3 y el PVP durante este momento
manteniendo la temperatura de reaccioacuten constante la velocidad de agitacioacuten
y la relacioacuten molar [PVP AgNO3] antildeadida se puede controlar un mecanismo de
formacioacuten homogeacuteneo de los AgNWs [121]
El proceso de siacutentesis de AgNWs se puede seguir a simple vista debido a los
cambios de coloracioacuten que toma la disolucioacuten a medida que los AgNWs crecen
este fenoacutemeno es debido a que las nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) presentes
en la solucioacuten absorben la radiacioacuten electromagneacutetica de una longitud de onda
cercana a 400 nm haciendo que eacutesta adquiere un color amarillento [132]
El proceso de crecimiento de los AgNWs comienza a partir del mecanismo de
nucleacioacuten de los aacutetomos de plata (Ag0) presentes en la solucioacuten los cuales
proceden de la reaccioacuten de reduccioacuten de los iones Ag+ en presencia de EG
[113] Los Ag0 comienzan a nuclearse dando lugar a AgNPs de distintos
tamantildeos y morfologiacuteas Durante este momento la actuacioacuten del PVP es vital
para evitar que se formen agregados de las mismas [113] [120] [133]
A medida que evoluciona la reaccioacuten con los paraacutemetros de temperatura y
velocidad de agitacioacuten fijados como las AgNPs maacutes pequentildeas no son estables
(necesitan una energiacutea superficial mayor) comienzan a disolverse favoreciendo
el crecimiento de las AgNPs maacutes grandes siguiendo el proceso denominado
ldquomaduracioacuten de Ostwaldrdquo [113] Posteriormente gracias a la adsorcioacuten del PVP
sobre la superficie de los cristales que forman las AgNPs se promueve el
crecimiento anisotroacutepico de los mismos de manera que se produce la evolucioacuten
de las AgNPs maacutes grandes a nanobarras o ldquonanorodsrdquo (son otras estructuras
1D distintas de los AgNWs) Finalmente el crecimiento de las nanobarras da
lugar a la formacioacuten de los AgNWs durante esta etapa el PVP evita que los
AgNWs se agreguen [113] [120]
El resultado final es una disolucioacuten que contiene los AgNWs y una dispersioacuten
de las AgNPs maacutes grandes [97] Para la obtencioacuten pura de los AgNWs las NPs
53
se eliminan al finalizar el proceso de siacutentesis por medio de teacutecnicas de
centrifugacioacuten
Figura 10 Proceso de crecimiento de los AgNWs
En la figura 10 se muestran las 4 etapas que se corresponden con el
crecimiento de los cristales que forman los AgNWs En primer lugar la solucioacuten
estaacute formada por aacutetomos de plata Ag0 procedentes de la reaccioacuten de reduccioacuten
de los iones Ag+ en presencia de EG posteriormente se forman cristales de
geometriacutea pentagonal (nuacutecleos) que crecen en forma de nanobarras Este
fenoacutemeno es debido a que las moleacuteculas de PVP son adsorbidas y pasivan el
plano del cristal [100] de las AgNPs por lo que la fortaleza del enlace entre el
PVP y el plano cristalograacutefico [100] prioriza el crecimiento del cristal a lo largo
de la direccioacuten [111] formando nanobarras de una seccioacuten pentagonal
Finalmente tiene lugar el crecimiento de los AgNWs a lo largo de la direccioacuten
longitudinal [120] [134]
Figura 11 Representacioacuten de los planos cristalograacuteficos [111] y [100] de una ldquonanobarrardquo
El meacutetodo poliol puede presentar distintas variantes en funcioacuten de las
condiciones de siacutentesis empleadas es decir la utilizacioacuten de distintas sales
las concentraciones que se empleen la temperatura la velocidad de agitacioacuten
etc Dichas caracteriacutesticas afectan significativamente al proceso de obtencioacuten
54
de los AgNWs [120] [121] a continuacioacuten se describen los paraacutemetros maacutes
representativos que afectan a la formacioacuten y crecimiento de los AgNWs
Temperatura y tiempo de reaccioacuten
El poder de reduccioacuten del etilenglicol aumenta con la temperatura es decir la
reaccioacuten de oxidacioacuten del EG para dar lugar al GA se ve favorecida por las altas
temperaturas [113] [120] [121] Por esta razoacuten la temperatura del
mecanismo de reaccioacuten de la siacutentesis de los AgNWs generalmente se lleva a
cabo a 160ordmC durante 1h asiacute se consiguen obtener AgNWs de eleva longitud
[120] [121] Se ha comprobado que llevando a cabo el proceso de reaccioacuten a
temperaturas inferiores (100 ordmC) la longitud de los AgNWs disminuye y no llegan
a alcanzar el tamantildeo adecuado debido a que no se proporciona la energiacutea
suficiente para su crecimiento Por consiguiente sus propiedades se veriacutean
afectadas como por ejemplo se obtendriacutea un menor aacuterea efectiva o
disminuiriacutea la capacidad conductora de los AgNWs lo cual es indeseable [120]
Por otro lado cuando se alcanzan temperaturas maacutes elevadas (185ordmC) en la
reaccioacuten de oxidacioacuten para dar lugar a GA el producto de siacutentesis final del
meacutetodo polio seriacutean nanobarras en lugar de los AgNWs [121]
El tiempo de obtencioacuten de los AgNWs tambieacuten depende de la temperatura
Cuanto menor es la temperatura mayor es el tiempo requerido para que tenga
lugar la formacioacuten de los AgNWs ya que la reaccioacuten para dar lugar a GA no se
ve favorecida a temperaturas bajas [120] [121] Por esta razoacuten se ha
comprobado que trabajando a una temperatura de 160 ordmC los AgNWs alcanzan
su tamantildeo oacuteptimo en 1h [121]
Influencia de la Polivinilpirrolidona (PVP) y del nitrato de plata
(AgNO3)
La PVP es el poliacutemero empleado por excelencia como agente de recubrimiento
por sus buenos resultados [113] [120] [121] Su efectividad se asocia a la
presencia de determinados aacutetomos en su cadena polimeacuterica el nitroacutegeno y
oxiacutegeno que hacen que pueda ser adsorbido selectivamente sobre la superficie
de las AgNPs de esta manera ralentiza la tasa de crecimiento de las AgNPs y
favorece la formacioacuten de AgNWs [120][121] El AgNO3 es el agente que
proporciona los iones Ag+ por lo que la concentracioacuten que se antildeada tambieacuten
determinaraacute la forma de crecimiento de los AgNWs [121]
55
La concentracioacuten empleada de PVP es un factor vital que afecta directamente
a la morfologiacutea de los AgNWs ademaacutes no es un factor tratado de manera
independiente puesto que generalmente va ligado con la concentracioacuten del
AgNO3 empleada Es decir se busca un ratio molar [PVPAgNO3] que
proporcione los AgNWs con las caracteriacutesticas deseadas [121] Cuanto mayor
sea la concentracioacuten de PVP (mayor ratio manteniendo la concentracioacuten de
AgNO3 constante) se obtendraacuten AgNWs maacutes largos y de menor diaacutemetro [121]
Por otro lado cuanto mayor sea la concentracioacuten del AgNO3 se formaraacuten AgNWs
maacutes cortos y gruesos lo cual es indeseable por la obtencioacuten de AgNWs de
menor aacuterea efectiva [121]
El grado de polimerizacioacuten del PVP tambieacuten afecta significativamente a la
formacioacuten de AgNWs Largas cadenas del poliacutemero proporcionan AgNWs con
una relacioacuten LongitudDiaacutemetro mayor [120]
Influencia de la Sal metaacutelica empleada
La adiccioacuten de una sal metaacutelica es importante ya que su presencia afecta en la
morfologiacutea y al rendimiento de siacutentesis de los AgNWs En este paraacutemetro
difieren la mayoriacutea de los procesos de formacioacuten de AgNWs basados en el
meacutetodo poliol puesto que las sales que se pueden emplear son varias como el
NaCl KBr y CuCl CuCl2 [121]
Las sales que proporcionan los iones cloruro presentan importancia en la
morfologiacutea y formacioacuten de AgNWs Su intereacutes se debe a que son sustancias que
se coordinan con los nuacutecleos de plata evitando que se formen agregados de
Nps Dicho suceso es importante ya que constituye el mecanismo primario para
el crecimiento de las AgNPs [120]
El meacutetodo de adiccioacuten de los reactivos
El modo de adiccioacuten de los reactivos es un factor importante ya que afecta a la
formacioacuten de los AgNWs generalmente se puede llevar a cabo de dos maneras
diferentes La primera forma consiste en antildeadir los reactivos con una bomba
peristaacuteltica cuando se alcanza la temperatura de reaccioacuten deseada de esta
manera se controla el tamantildeo de los AgNWs mediante el ajuste de la velocidad
de la bomba La segunda forma consiste en mezclar todos los reactivos a
temperatura ambiente sin esperar a que el sistema alcance la temperatura de
reaccioacuten [120] Este uacuteltimo meacutetodo es el menos utilizado debido a que se
56
pueden formar agregados de los aacutetomos de plata lo cual es indeseable para la
formacioacuten de los AgNWs [120]
Agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten
La velocidad de agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten es un factor
importante ya que afecta a la morfologiacutea de los AgNWs Para comprobar su
efecto se han llevado a cabo estudios donde se variacutea la velocidad de agitacioacuten
para obtener un valor oacuteptimo Se ha comprobado que utilizando una velocidad
de agitacioacuten demasiado alta (500-700 rpm) el producto final obtenido son
nanobarras lo cual es indeseable ya que no se obtienen AgNWs Con
velocidades de agitacioacuten inferiores se obtienen AgNWs con una relacioacuten
LongitudDiaacutemetro elevada [133]
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs
El proceso de siacutentesis de los AgNWs afecta significativamente a su forma y
tamantildeo repercutiendo estos directamente en sus propiedades Debido a la
importancia que esto genera son varias las teacutecnicas empleadas para su
caracterizacioacuten entre ellas destacan la espectroscopiacutea de rayos-X de energiacutea
dispersiva o ldquoEnergy-Dispersive X-ray Spectroscopyrdquo (EDX) difraccioacuten de rayos-
X o ldquoX-ray Diffractionrdquo (DRX) microscopiacutea electroacutenica de barrido o ldquoScanning
Electron Microscopyrdquo (SEM) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten o ldquo
transmission electron miscroscoperdquo (TEM) microscopiacutea de fuerza atoacutemica o
ldquoAtomic force spectroscopyrdquo (AFM) y la espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta
visible o ldquo UV-VIS absorption spectrometryrdquo (UV-VIS) entre otras [135] [130]
En el presente trabajo de investigacioacuten se ha llevado a cabo un estudio de las
caracteriacutesticas morfoloacutegicas dimensionales y oacutepticas de los AgNWs
sintetizados Con el empleo del AFM se obtuvo informacioacuten de las
caracteriacutesticas dimensionales de los AgNWs por otro lado se emplearon
teacutecnicas oacutepticas de espectroscopiacutea UV-VIS para obtener informacioacuten sobre el
plasmoacuten de resonancia de los AgNWs Finalmente se utilizoacute la DRX para
realizar un anaacutelisis estructural de los AgNWs
En los apartados siguientes se lleva a cabo una descripcioacuten detallada de cada
una de las teacutecnicas empleadas
25221 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
57
El microscopio de fuerza atoacutemica es un instrumento donde se combina la
mecaacutenica y la oacuteptica estaacute formado por una punta muy fina que guarda una
estrecha distancia (nanomeacutetrica) con la superficie que va a recorrer La punta
se encuentra acoplada a un cantilever un soporte de un material
(generalmente) piezoeleacutectrico de una longitud del orden de microacutemetros Este
instrumento funciona como un muelle que se flexiona en funcioacuten de las fuerzas
de interaccioacuten entre la punta y la muestra [136] [137]
La imagen de la muestra se obtiene cuando la punta recorre su superficie de
manera que se establecen fuerzas de interaccioacuten entre la punta y eacutesta [136]
Estas fuerzas provocan la flexioacuten del cantilever que recorre la muestra
realizando un escaneo en un sistema de coordenadas tridimensional (x y z)
como se trata de un material piezoeleacutectrico presenta la capacidad de alargarse
o acortarse en funcioacuten del voltaje que reciba El movimiento del cantilever es
registrado por un haz laacuteser rojo que incide sobre eacuteste de manera que sus
desviaciones son refractadas sobre el cantilever hacia un fotodetector y la
informacioacuten es interpretada por un software proporcionando una imagen de la
muestra estudiada [136] [138]
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica presenta la gran ventaja de ser capaz de
obtener informacioacuten de la muestra sin la necesidad de que intervengan
meacutetodos eleacutectricos esto hace que se puedan utilizar una gran variedad de
muestras tanto conductoras como no conductoras Por ello la naturaleza de
la muestra es diversa pudiendo ser un soacutelido polvo muestras bioloacutegicas e
incluso se pueden emplear liacutequidos [138] Ademaacutes no requiere trabajar a vaciacuteo
como otras teacutecnicas de anaacutelisis instrumental y el tratamiento previo de la
muestra es miacutenimo o ninguno lo que hace que el AFM sea un instrumento muy
empleado en el anaacutelisis de nanomateriales [138]
A continuacioacuten en la figura 12 se muestra una imagen simplificada del
funcionamiento del AFM [138]
Figura 12 Esquema de funcionamiento de un Microscopio de fuerza atoacutemica
58
El modo de operar del AFM se basa en los siguientes modos de contacto entre
el cantilever y la muestra
bull Meacutetodo de contacto
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica por contacto directo es el mecanismo de
funcionamiento maacutes simple del microscopio En este meacutetodo la punta se
encuentra en contacto constante (muy suave) con la superficie de la muestra
de manera que las fuerzas que se dan por la interaccioacuten entre la punta y la
muestra son suficientes para alargar o comprimir el cantilever En este punto
pueden actuar tres tipos de fuerzas las fuerzas de Van der Waals son las
resultantes de la interaccioacuten entre la punta y la muestra Las fuerzas de
capilaridad (en el medio todos los materiales presentan una ligera peliacutecula de
agua) y por uacuteltimo las fuerza ejercida por el propio movimiento del cantilever
sobre la muestra [136] [139]
A pesar de que se trata de un meacutetodo sencillo presenta varias desventajas
como el ruido debido al contacto interferencias en los resultados por la
aparicioacuten de fuerzas no deseadas y el desgaste o posible destruccioacuten de la
punta [136]
bull Contacto intermitente (ldquotapping moderdquo)
La principal diferencia con respecto al anterior modo de funcionamiento es que
en este meacutetodo en lugar de arrastrar la punta se ejerce un contacto
intermitente que se puede controlar con tres paraacutemetros tiacutepicos de la oscilacioacuten
de una onda frecuencia amplitud y fase de la onda [136] El cantilever se hace
oscilar a una frecuencia fija y la amplitud se mantiene variable siendo el orden
de variacioacuten de decenas de nm Cuando la punta se acerca a la superficie se
ejercen fuerzas de interaccioacuten entre ambas cambiando los paraacutemetros de
oscilacioacuten del cantilever [136] La amplitud (relativamente amplia) que se le da
al sensor permite llevar a cabo este mecanismo de contacto intermitente por
este motivo recibe el nombre de AM-AFM (modulacioacuten de amplitud) [136]
Con este meacutetodo se reducen los efectos de friccioacuten en la punta se obtienen
medidas muy estables y ademaacutes permite obtener imaacutegenes de alta resolucioacuten
con una exactitud nanomeacutetrica [136] Por estas razones este modo de operar
constituye el meacutetodo maacutes utilizado y sobre el que se han implantado
59
importantes innovaciones tecnoloacutegicas En este contexto se ha incorporado al
microscopio un segundo laacuteser denominado ldquoblue driverdquo cuya actuacioacuten se
complementa con el laacuteser rojo inicial En este caso el movimiento del soporte
en el que se encuentra el cantilever no se debe a fenoacutemenos piezoeleacutectricos
sino que se produce por un calentamiento del cantilever a este fenoacutemeno se
le denomina excitacioacuten fototeacutermica El calentamiento provoca el movimiento
mecaacutenico del cantilever cuya frecuencia y amplitud de oscilacioacuten pueden ser
regulados con la potencia del laacuteser [140]
El blue drive proporciona imaacutegenes mucho maacutes raacutepidas precisas estables y
de mayor resolucioacuten de todo tipos de muestras tanto en medios soacutelidos como
en liacutequidos estas extraordinarias caracteriacutesticas le convierten en un
instrumento predilecto en el campo de la nanotecnologiacutea [140]
En el presente trabajo de investigacioacuten se contoacute con un AFM de estas
caracteriacutesticas gracias al cual se pudo llevar a cabo un estudio de la
morfologiacutea de los AgNWs
bull Meacutetodo de no contacto
En el meacutetodo de no contacto la punta no se arrastra sobre la muestra en
cambio se hace vibrar al cantilever en su frecuencia de resonancia fijaacutendole
una amplitud entre 1Aring hasta nanoacutemetros respecto de la muestra por ello
tambieacuten se denomina FM-AFM (modulacioacuten de frecuencia) [136] La distancia
nanomeacutetrica que mantiene separados la punta y la muestra es suficiente como
para que se establezcan fuerzas de repulsioacuten [136]
Otra de las ventajas que presenta la microscopiacutea de fuerza atoacutemica en el
anaacutelisis de materiales es que ademaacutes de obtener imaacutegenes proporciona
informacioacuten acerca de las caracteriacutesticas de fuerza de la muestra Las medidas
de fuerza se obtienen cuando la punta con la que se rastrea la muestra se
mantiene fija (meacutetodo de contacto) de manera que se puede extraer
informacioacuten uacutetil de las propiedades mecaacutenicas del material [141]
La informacioacuten se consigue mediante la representacioacuten graacutefica de la fuerza en
funcioacuten de la distancia a la muestra donde se tienen en cuenta las fuerzas de
repulsioacuten las cuales son debidas a una distancia muy proacutexima ente la punta y
la muestra y las fuerzas de atraccioacuten que tiene lugar cuando la punta se aleja
de la muestra [141] El resultado final es una graacutefica en forma de curva a partir
de la cual se obtiene informacioacuten de la dureza de un material [141]
60
25222 Teacutecnicas espectroscoacutepicas UV-VIS y DRX
La espectroscopiacutea es una teacutecnica de anaacutelisis instrumental que mide la
interaccioacuten de la materia con la radiacioacuten electromagneacutetica [142]
La radiacioacuten electromagneacutetica se puede explicar mediante dos teoriacuteas la teoriacutea
ondulatoria que establece que la luz se transmite describiendo ondas en el
espacio y la teoriacutea corpuscular la cual explica que la luz estaacute formada por
fotones La energiacutea de la radiacioacuten viene dada por la ecuacioacuten de Planck [143]
119864 = ℎ ∙ 119907 = ℎ ∙ 119888 ∙ 1120582
(5)
Ecuacioacuten 5 Ley de Planck
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull h es la constante de Planck (kg m2s)
bull v es la frecuencia (m-1)
bull 120582 es longitud de onda (m)
bull 119888 es la velocidad de la luz (ms)
La radiacioacuten comprende un espectro de diferentes longitudes de onda desde
frecuencias altas (ondas de radio) hasta frecuencias muy bajas (rayos gamma)
Cuando esta energiacutea incide sobre la materia la radiacioacuten sufre diferentes
procesos absorcioacuten transmisioacuten reflexioacuten refraccioacuten y dispersioacuten [144]
Existen diferentes teacutecnicas en funcioacuten de los procesos que sufre la luz como
son la espectroscopiacutea de absorcioacuten (radiacioacuten absorbida por la muestra) la
espectroscopiacutea de emisioacuten (radiacioacuten que emite una muestra al ser excitada) o
los meacutetodos de fluorescencia (radiacioacuten que emite la muestra cuando ha sido
excitada por radiacioacuten electromagneacutetica) [145]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten se basa en las leyes de la transmitancia y
absorbancia La transmitancia (T) es un paraacutemetro fiacutesico que indica la parte de
la energiacutea que ha sido transmitida y que es detectada por el detector una vez
61
la radiacioacuten haya atravesado la disolucioacuten La absorbancia (A) indica la
cantidad de luz absorbida por la muestra [146]
La transmitancia de una sustancia se obtiene a partir de la Ley de la
transmitancia expresada como [146]
119879 = 119868119879 119868119874
( 6)
Ecuacioacuten 6 Ley de la Transmitancia
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull IT es la cantidad de energiacutea transmitida al receptor una vez ha
atravesado la muestra
bull I0 es la cantidad de energiacutea que incide sobre la muestra
La absorbancia (A) de una sustancia se calcula a traveacutes de la transmitancia
mediante la siguiente expresioacuten [146]
119860 = 119897119900119892 (1
119879)
(7)
Ecuacioacuten 7 Caacutelculo de la absorbancia
-Espectroscopiacutea Ultravioleta-Visible (UV-VIS)
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS es una de las teacutecnicas de anaacutelisis maacutes
empleadas debido a que sus mediciones espectroscoacutepicas son muy sensibles
y no destructivas ademaacutes requiere de pequentildeas cantidades de muestra para
llevar a cabo un anaacutelisis quiacutemico [142]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS se basa en la absorcioacuten de la radiacioacuten
ultravioleta visible cuando un haz de luz atraviesa la solucioacuten en la que se
encuentra el analito La regioacuten espectral de la radiacioacuten ultravioleta visible
comprende una pequentildea regioacuten de todo el espectro electromagneacutetico donde
la luz visible alcanza las longitudes de onda entre 400 nm y 780 nm y el
ultravioleta la regioacuten entre 195 nm - 400 nm [143] [144]
62
Figura 13 Espectro electromagneacutetico correspondiente a las longitudes de onda de la regioacuten UV-VIS
La regioacuten visible es aquella parte de la radiacioacuten electromagneacutetica que puede
ser percibida por el ojo humano y gracias a ella se puede apreciar el color que
presenta una disolucioacuten [146] [147]
La regioacuten ultravioleta es una regioacuten de energiacutea muy alta y se corresponde con
una parte del espectro muy importante en el estudio y cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos Debido a que los compuestos quiacutemicos con enlaces
dobles triples enlaces peptiacutedicos compuestos aromaacuteticos y heteroaacutetomos
(aacutetomos que no son ni carbono ni hidroacutegeno) presentan sus maacuteximos de
absorbancia en dicha regioacuten [147]
El espectro de la regioacuten ultravioleta comprende las siguientes regiones
ultravioleta cercano o UV-A (es la regioacuten maacutes proacutexima a la regioacuten del espectro
visible su energiacutea de radiacioacuten fluctuacutea entre 315 nm y 400 nm) UV lejano o
UV-B (presenta un rango de radiacioacuten entre 280 nm y 315 nm) UV extremo o
UV-C (presenta un rango de radiacioacuten entre 100 nm y 280 nm) y finalmente el
UV de vaciacuteo ( es la regioacuten del espectro UV que presenta un intervalo de longitud
de onda menor comprendido entre 200 nm y 10 119899119898) [148]
El meacutetodo de absorcioacuten UV-VIS se basa en la incidencia de la radiacioacuten
electromagneacutetica con una determinada longitud de onda sobre la muestra
parte de la energiacutea es absorbida lo que provoca transiciones electroacutenicas entre
diferentes niveles energeacuteticos Debido a ello el aacutetomo que absorbe la radiacioacuten
pasa de su estado fundamental a un estado excitado de mayor energiacutea y
transcurrido un tiempo retorna a su estado energeacutetico basal (estado de menor
energiacutea) emitiendo radiacioacuten [144]
En la figura 14 se muestran las transiciones electroacutenicas que tienen lugar en la
regioacuten del espectro UV-VIS Estas transiciones se producen desde la banda de
valencia donde se encuentran los electrones hasta una nivel de energiacutea
superior [149]
63
Figura 14 Orbital molecular de la banda de valencia y transiciones electroacutenicas
Las transiciones electroacutenicas que pueden tener lugar son
bull σ rarr σ la transicioacuten del orbital sigma al orbital sigma antienlazante la
presentan la gran mayoriacutea de compuestos orgaacutenicos e implica una gran
cantidad de energiacutea e intensidad Estas transiciones se producen en la
regioacuten del UV de vaciacuteo y la regioacuten del UV lejano [149]
bull n rarrσ la transicioacuten electroacutenica del orbital molecular n al orbital σ se
da en compuestos que tienen heteroaacutetomos (los maacutes comunes son O
N S y haloacutegenos) a una longitud de onda de 200 nm Los compuestos
con azufre y yodo dan maacuteximos de absorbancia en la regioacuten UV-cercano
[149]
bull 120645 rarr 120645 lowast estos orbitales moleculares se encuentran en moleacuteculas que
presentan enlaces muacuteltiples como alquenos alquinos o compuestos
aromaacuteticos La transicioacuten electroacutenica del orbital 120645 al orbital 120645 lowast se puede
apreciar en la regioacuten del UV-lejano Tambieacuten hay compuestos que
pueden dar bandas de absorcioacuten en el UV-cercano si el compuesto
orgaacutenico presenta una insaturacioacuten conjugada (compuestos como el
fenol o furano) [149]
bull 119951 rarr 120645 lowast las transiciones electroacutenicas del orbital n al orbital 120645 lowast tienen
lugar en compuestos insaturados con heteroaacutetomos y se producen en
sustancias que dan bandas de absorcioacuten en la regioacuten del UV cercano
[149]
64
Cuando se lleva a cabo el anaacutelisis de la muestra por espectroscopiacutea de
absorcioacuten UV-VIS hay que tener en cuenta el tipo de celda en la que se introduce
la muestra Generalmente se utilizan cubetas de base cuadrada siendo dos de
sus paredes transparentes a la radiacioacuten en el rango de longitudes de onda en
el que se trabaje (ya que la luz atravesaraacute estas paredes) por ello el material
empleado en espectroscopiacutea UV suele ser el cuarzo [150]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS generalmente se lleva a cabo con la
especie quiacutemica disuelta en un disolvente Calculando la cantidad de energiacutea
absorbida o transmitida por la muestra se puede obtener la concentracioacuten de
analito presente en la solucioacuten a traveacutes de la ley de Lambert-Beer (ecuacioacuten 8)
Dicha ley relaciona la cantidad de energiacutea que ha sido absorbida con la
concentracioacuten de analito que hay en la muestra [146]
119860 = 휀 ∙ 119888 ∙ 119897
(8)
Ecuacioacuten 8 Ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [145]
bull A es la absorbancia y es un paraacutemetro adimensional
bull 휀 es el coeficiente de extincioacuten molar o absortividad Es caracteriacutestico
de cada sustancia y se corresponde con la cantidad de energiacutea que
absorbe una sustancia a una longitud de onda determinada por unidad
de concentracioacuten (119872minus1 ∙ 119888119898minus1)
bull 119888 es la concentracioacuten molar del analito en la muestra (M)
bull l es el camino oacuteptico anchura de la ceacutelula que contiene a la disolucioacuten
(cm)
A traveacutes de la ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer se deduce que la absorbancia
depende del nuacutemero de moleacuteculas que hay en la muestra por lo que cuanto
mayor es su concentracioacuten mayor es la interaccioacuten de la luz con eacutestas Del
camino oacuteptico cuanto mayor es la distancia que recorre la luz a traveacutes de la
muestra mayor es la interaccioacuten con eacutesta De la naturaleza quiacutemica de la
muestra y finalmente tambieacuten depende de la intensidad y de la longitud de
onda de la radiacioacuten electromagneacutetica que incida sobre la muestra [143]
[146]
65
La ley de Lambert-Beer se cumple uacutenicamente para disoluciones diluidas a
concentraciones elevadas la disolucioacuten deja de comportarse de manera ideal
Esto supone que el coeficiente de extincioacuten molar (ε) variacutee con la concentracioacuten
debido a fenoacutemenos asociados con la dispersioacuten de la luz agregaciones de
sustancia etc En consecuencia la relacioacuten entre la absorbancia y la
concentracioacuten deja de tener un comportamiento lineal tal y como se muestra
en la figura 15 [146] [151]
Figura 15 A Recta de la ecuacioacuten de la Ley de Lambert-Beer y B representacioacuten de las desviaciones de la ley de Lambert- Bee
La espectroscopiacutea UV-VIS ha sido muy utilizada en el anaacutelisis cualitativo y
cuantitativo por su sencillez y utilidad En el anaacutelisis cualitativo se usa para la
determinacioacuten y caracterizacioacuten de biomoleacuteculas ya que la longitud de onda a
la que una sustancia puede absorber es una propiedad caracteriacutestica de cada
grupo funcional En el anaacutelisis cuantitativo se usa en la cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos e inorgaacutenicos ya que proporciona una alta sensibilidad
y buena precisioacuten [152]
En el campo de la nanotecnologiacutea dicha teacutecnica constituye una herramienta
muy valiosa para identificar caracterizar y estudiar nanomateriales debido a
que las nanopartiacuteculas o nanohilos de ciertos metales presentan propiedades
oacutepticas sensibles a su tamantildeo y forma [153] Cuando un haz de luz incide sobre
ellos interactuacutean con la radiacioacuten emitiendo a una determinada longitud de
onda dando lugar a fenoacutemenos oacutepticos de intereacutes [153] Por ejemplo las
resonancias de plasmoacuten superficial son fenoacutemenos dependientes de la
geometriacutea de los nanomateriales y se producen en respuesta a una excitacioacuten
electromagneacutetica que incide sobre ellos [154]
Los AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso en la regioacuten UV-
VIS y debido a la repercusioacuten que tienen sus caracteriacutesticas morfoloacutegicas en
sus propiedades se han realizado estudios donde se ha comprobado que en
66
funcioacuten de la morfologiacutea de los AgNWs el plasmoacuten de resonancia variacutea [154]
Se ha demostrado que en AgNWs con una seccioacuten pentagonal se obtiene un
plasmoacuten de resonancia formado por dos bandas de absorcioacuten bien
diferenciadas en longitudes de onda proacuteximas a 361 nm (maacutes intenso) y 345
nm (menos intenso) En cambio en AgNWs con una seccioacuten circular el espectro
tiene una sola banda de absorcioacuten Finalmente en el anaacutelisis del espectro de
los AgNWs con una seccioacuten triangular se obtienen 3 bandas de absorcioacuten [154]
Por consiguiente el plasmoacuten de resonancia obtenido a partir de espectroscopiacutea
UV-VIS resulta de gran intereacutes en el estudio de ciertos nanomateriales como
los AgNWs ya que se puede relacionar con las caracteriacutesticas morfoloacutegicas de
los mismos
-Difraccioacuten de rayos-X (DRX)
La difraccioacuten de rayos-X es una de las teacutecnicas de anaacutelisis instrumental maacutes
empleadas para la caracterizacioacuten de materiales pues aporta informacioacuten
sobre sus caracteriacutesticas estructurales (estructura orientacioacuten de los cristales
grado de cristalinidad defectos en la estructura cristalina etc) y de su
composicioacuten quiacutemica Su mayor importancia en la nanotecnologiacutea radica en
que permite caracterizar de manera no destructiva los nanomateriales a
traveacutes de un estudio de la cristalinidad de su estructura [155] [156]
La teacutecnica DRX consiste en la emisioacuten de una radiacioacuten electromagneacutetica
filtrada de esta manera se consigue un haz de luz monocromaacutetico dirigido
hacia la muestra Los picos del espectro obtenidos son consecuencia de la
interaccioacuten producida entre los rayos-X que inciden y la muestra lo que da lugar
a la refraccioacuten de un haz de luz que uacutenicamente tiene lugar cuando se cumple
la ley de Bragg [155] [156]
La ley de Bragg (ecuacioacuten 9) relaciona la longitud de onda de los rayos-X con el
aacutengulo del haz refractado y el espacio interplanar de la muestra [155]
119899 ∙ 120582 = 2 ∙ 119889 ∙ 119904119890119899(120579)
(9)
Ecuacioacuten 9 Ley de Bragg
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [155]
67
bull n es un nuacutemero entero
bull 120582 es la longitud de onda de los rayos-X que inciden sobre la muestra
bull 119889 es el espacio comprendido entre las filas de aacutetomos
bull 120579 es el aacutengulo que los rayos-X forman con el plano de las filas de aacutetomos
El espectro de difraccioacuten que se obtiene es caracteriacutestico de cada compuesto
lo que permite el anaacutelisis cualitativo de sustancias quiacutemicas En este proceso
se compara el patroacuten obtenido del espectro con patrones conocidos de esta
manera se puede lograr la determinacioacuten estructural de muestras cuya
composicioacuten es desconocida [155] Por esta razoacuten la teacutecnica DRX es de gran
utilidad en el campo de la nanotecnologiacutea ya que puede ser empleada para
caracterizar la estructura de nanomateriales mediante su excitacioacuten por rayos-
X
Los AgNWs presentan un patroacuten de difraccioacuten de rayos-X muy caracteriacutestico que
es utilizado para estudiar su estructura y cristalinidad ya que a traveacutes de eacutel se
obtiene informacioacuten de la orientacioacuten cristalograacutefica de los cristales que
componen dichos nanomateriales Generalmente los AgNWs presentan
espectros de difraccioacuten en los planos cristalograacuteficos [111] [200] [220] [311]
y [222] donde la intensidad de cada uno de ellos dependeraacute de la orientacioacuten
de los cristales que los compongan [157]
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas
La electroquiacutemica es la rama de la quiacutemica y la fiacutesica que estudia la relacioacuten
entre las caracteriacutesticas eleacutectricas y los cambios quiacutemicos que se producen en
una solucioacuten Esta teacutecnica es empleada en una gran variedad de campos
dentro de los cuales destacan el diagnoacutestico cliacutenico el anaacutelisis ambiental y el
control de calidad en la industria alimentaria [158] Actualmente y por su
implicacioacuten en el presente trabajo cabe destacar la vinculacioacuten que se ha
establecido entre el campo de la electroquiacutemica y la nanotecnologiacutea estaacute
combinacioacuten ha contribuido al desarrollo de nuevos sensores electroquiacutemicos
como son los MIPs con propiedades conductoras [159]
Un proceso electroquiacutemico implica un intercambio de electrones entre el
electrodo y la especie que se encuentra en la solucioacuten consecuencia de los
procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda electroquiacutemica
68
(en una reaccioacuten de oxidacioacuten la especie pierde electrones mientras que en un
proceso de reduccioacuten gana electrones)
La celda electroquiacutemica se puede clasificar en dos tipos de celda en funcioacuten de
coacutemo tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten Si se produce una
reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea que genera un flujo de corriente eleacutectrica se
denomina celda galvaacutenica Por el contrario si se emplea una fuente externa
(por ejemplo un potenciostato) que proporciona electricidad para provocar la
reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten de una especie se denomina celda
electroliacutetica En ambas celdas la oxidacioacuten tiene lugar en el aacutenodo y la
reduccioacuten tiene lugar en el caacutetodo por lo que la reaccioacuten de oxidacioacuten-
reduccioacuten da lugar a una diferencia de potencial entre el sistema de electrodos
que puede ser medida obtenieacutendose asiacute informacioacuten uacutetil sobre los procesos
electroquiacutemicos [100] [160]
La ecuacioacuten de Nernst (ecuacioacuten 10) es la ecuacioacuten por excelencia para
estudiar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda
electroquiacutemica Relaciona el potencial (tambieacuten llamado fuerza electromotriz)
producido en la celda con el potencial normal tabulado y la actividad de las
especies quiacutemicas en la solucioacuten [100]
119864 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865∙ 119871119899 119896
(10)
Ecuacioacuten 10 Ecuacioacuten de Nerst
Donde los teacuterminos de la ecuacioacuten son [100]
bull E es el potencial que tiene lugar en la celda electroquiacutemica y es el
resultado de la suma de los potenciales entre el caacutetodo por la reaccioacuten
de reduccioacuten y el aacutenodo por la reaccioacuten de oxidacioacuten de las especies
quiacutemicas que participan en la actividad redox
119864 = 119864119888aacute119905119900119889119900 + 119864aacute119899119900119889119900
(11)
Ecuacioacuten 11 Ecuacioacuten del potencial resultante de una celda electroquiacutemica
bull E0 potencial estaacutendar de una reaccioacuten quiacutemica
bull R constante universal de los gases ideales (831 Jmol ordm K)
69
bull T temperatura (ordmK)
bull n moles de electrones que se transfieren en el proceso de oxidacioacuten-
reduccioacuten
bull F constante de Faraday (96500 Cmol de electrones)
bull K constante de equilibrio termodinaacutemica Se define como el cociente
de los productos de las sustancias que participan en la actividad de
oxidacioacuten-reduccioacuten elevados a sus coeficientes estequiomeacutetricos
Para una reaccioacuten quiacutemica geneacuterica
119886119860 + 119887119861 + harr 119888119862 + 119889119863+
(12)
Ecuacioacuten 12 Reaccioacuten quiacutemica general de un proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten
La constante K se calcula como
119870 = [119862]119888 ∙ [119863]119889
[119860]119886 ∙ [119861]119887
(13)
Ecuacioacuten 13 Ecuacioacuten de la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde los paraacutemetros de la reaccioacuten [A] [B] [C] y [D] son las
concentraciones molares de los reactivos y productos que intervienen
en el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten Los paraacutemetros a y b son los
coeficientes estequiomeacutetricos de los reactivos [A] y [B] respectivamente
c y d son los coeficientes estequiomeacutetricos de los productos [C] y [D]
respectivamente
El potencial de la celda se puede relacionar con la energiacutea libre de Gibbs
mediante la siguiente expresioacuten [100]
∆119866 = minus 119882 = minus119899 ∙ 119865 ∙ 119864
(14)
Ecuacioacuten 14 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs
70
La energiacutea libre de Gibbs (∆119866) indica la espontaneidad del proceso de
oxidacioacuten-reduccioacuten y se define como la maacutexima cantidad de trabajo (W) que
puede extraerse de un sistema Un proceso electroquiacutemico seraacute reversible si
∆119866 lt 0 por el contrario un proceso electroquiacutemico seraacute irreversible si ∆119866 gt 0
[100]
Ademaacutes la constante K se relaciona con el cambio de la energiacutea libre de Gibbs
mediante la expresioacuten de la ecuacioacuten 15
∆119866 = ∆1198660 + 119877 ∙ 119879 ∙ 119897119899 119870
(15)
Ecuacioacuten 15 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs relacionada con la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde ∆119866ordm se corresponde con el incremento de la energiacutea libre de
Gibbs medida en condiciones normales
Las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que se producen como consecuencia de
aplicar un potencial eleacutectrico o una corriente a traveacutes de un potenciostato en
una celda electroliacutetica tienen lugar entre un sistema de electrodos que puede
presentar diferentes configuraciones
Las celdas electroliacuteticas que presentan un sistema de dos electrodos (electrodo
de referencia y electrodo de trabajo) pueden medir la diferencia de potencial
existente entre ambos Sin embargo las celdas electroliacuteticas maacutes empleadas
utilizan una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de referencia electrodo
de trabajo y electrodo auxiliar) ya que por medio de esta configuracioacuten se puede
controlar la peacuterdida de carga que sufre el sistema El dispositivo que mide la
diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia
presenta una elevada impedancia por lo que la corriente que circula entre ellos
es muy baja [161] [162]
Los electrodos se encuentran sumergidos en la solucioacuten de la celda
electroliacutetica para que tenga lugar una circulacioacuten de corriente eleacutectrica desde
el electrodo de trabajo al electrodo auxiliar deben estar conectados por un hilo
conductor (por ejemplo un metal) a un potenciostato (figura 16) [162]
71
Figura 16 Esquema de una celda electroliacutetica conectada a un potenciostato que presenta un sistema de tres electrodos electrodo auxiliar electrodo de referencia y electrodo de trabajo
En la figura 16 se puede distinguir el electrodo de trabajo un contraelectrodo
y el electrodo de referencia cuyas funciones son
bull Electro de trabajo Electrodo donde se impone un potencial fijo o
variable que sirve para caracterizar las reacciones electroquiacutemicas Si
se impone un potencial positivo tendraacute lugar una reaccioacuten de oxidacioacuten
sobre el electrodo de trabajo si se impone un potencial negativo tendraacute
lugar una reaccioacuten de reduccioacuten sobre eacuteste [163]
bull Electrodo auxiliar o contraelectrodo Con este electrodo se cierra el
circuito ya que permite circular la corriente eleacutectrica a su traveacutes (de esta
manera la corriente no pasa por el electrodo de referencia) Este
electrodo puede ser de varios materiales (ej oro carbono etc) pero el
maacutes comuacuten es una placa de platino ya que es un material resistente a
la corrosioacuten y no afecta negativamente a los procesos que tienen lugar
en el electrodo de trabajo [164]
bull Electrodo de referencia Este electrodo debe tener un potencial
constante y conocido ya que se utiliza como potencial de referencia
para obtener los valores de los potenciales individuales Por esta razoacuten
el material empleado en su construccioacuten debe tener un potencial
estable ante las condiciones de anaacutelisis
A lo largo de los antildeos se han empleado una gran variedad de electrodos
de referencia siendo el electrodo de referencia universal el electrodo de
hidroacutegeno Sin embargo eacuteste no se utiliza por su difiacutecil preparacioacuten y la
72
necesidad de introducir hidroacutegeno [164] [165] En su lugar
actualmente se utiliza el electrodo de calomelanos saturado (SCE) y el
electrodo de plata (Ag) cloruro de plata (AgCl)
El electrodo SCE consiste en un tubo lleno de mercurio (Hg) en cuyo
interior hay un alambre de platino conectado a la salida del mismo y una
solucioacuten saturada de cloruro de mercurio (I) o calomelano Esta solucioacuten
estaacute en contacto con una solucioacuten de cloruro de potasio (KCl) que se
encuentra en el tubo exterior el final de este tubo presenta una
membrana porosa que permite el paso de iones a su traveacutes cerrando el
circuito eleacutectrico [166] La reaccioacuten quiacutemica que tiene lugar en este
electrodo es [166]
11986711989221198621198972(119904oacute119897119894119889119900) + 2119890minus harr 11986711989222+(119897iacute119902119906119894119889119900) + 2119862119897
minus
(16)
Ecuacioacuten 16 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo SCE
El electrodo Ag AgCl es el maacutes utilizado debido a su eficacia y facilidad
de siacutentesis Consta de un alambre de plata en contacto con una
disolucioacuten electroliacutetica de KCl que estaacute saturada con AgCl el final del
electrodo acaba con un diafragma de un material poroso que permite el
paso de iones a traveacutes de eacutel [164] [165] La reaccioacuten quiacutemica que tiene
lugar se muestra a continuacioacuten [167]
119860119892119862119897(119904oacute119897119894119889119900) + 119890minus harr 119860119892(119904oacute119897119894119889119900) + 119862119897minus
(17)
Ecuacioacuten 17 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo AgAgCl
Fundamentadas en los procesos electroquiacutemicos surgen las teacutecnicas
electroanaliacuteticas un conjunto de teacutecnicas utilizadas para el anaacutelisis tanto
cualitativo como cuantitativo de un analito a traveacutes de la medicioacuten de sus
caracteriacutesticas eleacutectricas y electroquiacutemicas como la corriente y el potencial
[158] Estas teacutecnicas destacan por su sensibilidad precisioacuten y selectividad
[100]
Las teacutecnicas electroanaliacuteticas se clasifican en funcioacuten de la respuesta eleacutectrica
que se genera al aplicar una perturbacioacuten eleacutectrica al sistema La perturbacioacuten
puede ser por la imposicioacuten de un potencial o una corriente eleacutectrica en funcioacuten
de ello la informacioacuten obtenida seraacute diferente [100] [168]
73
Entre las teacutecnicas electroanaliacuteticas maacutes empleadas se encuentran la
potenciometriacutea (obtiene informacioacuten del sistema mediante la medida del
potencial de la celda electroquiacutemica relacionando la actividad electroquiacutemica
con el potencial mediante la aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Nernst) [169]
conductimetriacutea (se basa en medir la conductividad de la disolucioacuten que es
funcioacuten de la concentracioacuten ioacutenica por lo que la produccioacuten de corriente
eleacutectrica depende de la circulacioacuten de iones) [169] electrogravimetriacutea (se basa
en el caacutelculo de la cantidad de analito que se ha transformado en producto
como consecuencia de una reaccioacuten quiacutemica) [169] culombimetriacutea (se basa
en determinar la cantidad de corriente que es necesaria aplicar a la celda para
que todo el analito se transforme en producto) [169] voltametriacutea (se basa en
relacionar el potencial aplicado en el electrodo de trabajo con la corriente
eleacutectrica generada mediante un voltamograma) [169]
En el siguiente apartado se describen en profundidad las teacutecnicas empleadas
en el desarrollo de este trabajo
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos
La voltametriacutea se basa en la obtencioacuten de informacioacuten del analito por medio de
la medida de la intensidad de corriente que fluye a traveacutes de la celda
electroliacutetica al aplicar un potencial eleacutectrico (sobre el electrodo de trabajo) que
variacutea con el tiempo El potencial eleacutectrico aplicado debe ser el suficiente para
que tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del compuesto quiacutemico
estudiado [170]
Existen una gran variedad de teacutecnicas de voltametriacutea en funcioacuten del tipo de
sentildeal aplicada sobre el electrodo de trabajo El barrido lineal consiste en llevar
a cabo un barrido de potencial de corriente continua esta sentildeal aumenta
linealmente con el tiempo Las sentildeales de excitacioacuten de impulsos consisten en
aplicar impulsos de manera que se mide la intensidad de corriente en los
diferentes lapsos de tiempo en que dure el impulso La onda de forma
triangular consiste en aplicar una diferencia de potencial sobre el electrodo de
trabajo En primer lugar el potencial aumenta linealmente con el tiempo hasta
que se alcanza un punto maacuteximo en este momento el valor del potencial
disminuye con la misma pendiente hasta alcanzar un miacutenimo (la amplitud de
la onda no se mantiene constante sino que forma un aacutengulo) Finalmente la
sentildeal de excitacioacuten de onda cuadrada consiste en aplicar un impulso al
comenzar un escaloacuten y durante la mitad de tiempo de su duracioacuten la amplitud
de cada escaloacuten se mantiene constante [170]
74
A continuacioacuten se explica la voltametriacutea ciacuteclica ya que es el meacutetodo utilizado
en el presente trabajo de investigacioacuten
2611 Voltametriacutea ciacuteclica
La voltametriacutea ciacuteclica es una de las teacutecnicas electroquiacutemicas maacutes utilizadas ya
que permite llevar a cabo un anaacutelisis de las muestras en un amplio rango de
potenciales en el que el analito debe ser electroactivo [171] Dicha teacutecnica
proporciona informacioacuten tanto cualitativa como cuantitativa sobre las
reacciones electroquiacutemicas actividad cataliacutetica de las especies quiacutemicas
reversibilidad del proceso etc [172]
La voltametriacutea ciacuteclica se lleva a cabo en una celda electroliacutetica generalmente
con una configuracioacuten de tres electrodos Durante el anaacutelisis se mide el
potencial del electrodo de trabajo respecto del potencial del electrodo de
referencia que se mantiene constante [173] [174] El proceso de medida del
potencial comienza aplicando una diferencia de potencial a un electrodo de
trabajo Primero se aplica un potencial inicial (Eo) que aumenta de forma lineal
hasta alcanzar un valor de potencial (E1) en este potencial se produce una
inversioacuten del sentido de barrido completando asiacute el ciclo [173] [174] La sentildeal
de excitacioacuten adquiere una forma triangular tal y como se observa en la figura
17
Figura 17 Voltametriacutea Ciacuteclica Sentildeal de excitacioacuten triangular
Al mismo tiempo que se aplica el potencial se produce la circulacioacuten de la
corriente eleacutectrica del electrodo de trabajo al electrodo auxiliar La variacioacuten de
75
la intensidad de corriente con el potencial se puede estudiar a traveacutes de la
representacioacuten de un voltamograma [174]
El voltamograma (figura 18) se obtiene de aplicar un barrido de potencial al
electrodo de trabajo en dos direcciones Generalmente se comienza en el
sentido anoacutedico es decir aplicando un potencial (Eλ1) se produce la reaccioacuten
de oxidacioacuten del analito En consecuencia la corriente generada (ipa) aumenta
hasta alcanzar un punto maacuteximo (Epa) a partir del cual la intensidad disminuye
debido al consumo del analito en la superficie del electrodo El barrido de
potencial en sentido inverso se basa en el mismo fundamento pero en este
caso se produce la reaccioacuten de reduccioacuten del analito [175]
Figura 18 Voltamograma ciacuteclico Intensidad frente a potencial del analito de intereacutes
En la figura 18 ipc es la intensidad de corriente catoacutedica Eλ2 es el valor de
potencial de corte anoacutedico donde el sentido del barrido de potencial se invierte
y Epc es el corte de pico catoacutedico a partir del cual la intensidad disminuye
Los paraacutemetros de un voltamperograma dan informacioacuten acerca del grado de
reversibilidad del proceso de la reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten Para que
tenga lugar un proceso reversible las concentraciones de las especies en el
seno de la disolucioacuten se tienen que mantener constantes [173]
En voltametriacutea afectan en gran medida los procesos de difusioacuten y de
transferencia electroacutenica de las especies electroactivas de la solucioacuten hasta la
superficie del electrodo En un proceso reversible se considera que la etapa
predominante del proceso electroquiacutemico (proceso maacutes lento) es la difusioacuten del
analito hasta la superficie del electrodo [100]
76
En el caso de un proceso reversible el potencial de pico anoacutedico y catoacutedico
dependen de igual forma del potencial formal y se calculan con la ecuacioacuten 19
y 18 respectivamente [176]
119864119901119888 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(18)
Ecuacioacuten 18 Caacutelculo del potencial de pico catoacutedico para un proceso reversible
119864119901119886 = 1198640 + 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(19)
Ecuacioacuten 19 Caacutelculo del potencial de pico anoacutedico para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de ambas ecuaciones son
bull 1198640 es el potencial formal (V)
bull 119864119901119888 es el potencial de pico catoacutedico (V)
bull 119864119901119886 es el potencial de pico anoacutedico (V)
bull 119877 119879 119899 119865 son paraacutemetros que se han descrito en la ecuacioacuten de Nerst
bull 119863119877 y 119863119874 son los coeficientes de difusioacuten correspondientes a la especie
reducida y a la especie oxidada respectivamente (cm2s)
En un proceso reversible el potencial formal se calcula a partir de los
potenciales de pico anoacutedico y catoacutedico con la ecuacioacuten 20 [177]
1198640 = 119864119901119888 + 119864119901119886
2
(20)
Ecuacioacuten 20 Caacutelculo del potencial de media onda para un proceso reversible
77
La corriente de pico se calcula a partir de la ecuacioacuten de Randles-SevciK Esta
ecuacioacuten relaciona la corriente de pico con la concentracioacuten del analito y la
velocidad de barrido A 25ordmC la corriente de pico se calcula con la ecuacioacuten 21
[173]
119894119901 = 269 ∙ 105 ∙ 11989932 ∙ 119860 ∙ 11986312 ∙ 119862lowast ∙ 11990712
(21)
Ecuacioacuten 21 Ley de Randles Seycik para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull ip es la corriente de pico (A)
bull n es el nuacutemero de electrones intercambiados
bull A es el aacuterea del electrodo (cm2)
bull D es el coeficiente de difusioacuten (cm2s)
bull C concentracioacuten en el seno de la disolucioacuten del analito (molcm3)
bull v es la velocidad de barrido (Vs)
La corriente de pico catoacutedico (119894119901119888) y anoacutedico (119894119901119886) coinciden por lo que su
relacioacuten es igual a la unidad
(119894119901119888
119894119901119886) = 1
(22)
Ecuacioacuten 22 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso reversible
A traveacutes de las ecuaciones se concluye que la corriente de pico es proporcional
a la velocidad de barrido mientras que el potencial de pico es independiente
de la velocidad de barrido con la que se realice la voltametriacutea ciacuteclica
Realmente es difiacutecil que el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten sea completamente
reversible por lo que a continuacioacuten se describiraacute un proceso irreversible
78
En un proceso totalmente irreversible la velocidad de transporte electroacutenica
presenta un valor muy bajo debido a ello la etapa limitante de la reaccioacuten es
la transferencia electroacutenica (en lugar de la difusioacuten) La ecuacioacuten de Randles-
Seycik para un proceso irreversible se corresponde con la ecuacioacuten 23 donde
la intensidad de pico a 25ordmC se calcula con la siguiente ecuacioacuten [178]
119894119901 = (299105) 119899 120572
12 119863
12 119907
12 119860 119862lowast
(23)
Ecuacioacuten 23 Ley de Randles-Sevcik para un proceso totalmente irreversible
119894119901119888 ne 119894119901119886 ne 1
(24)
Ecuacioacuten 24 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso irreversible
Donde la uacutenica variable nueva es 120572 que representa el coeficiente de
transferencia electroacutenica
El potencial de pico se puede relacionar con el potencial formal a partir de la
ecuacioacuten 25
119864119875 = 1198640 minus (119877119879
120572119899119865) [0780 + 119897119899 (
11986312
1198960) + 119897119899 (
120572119865 ∙ 119907
119877 ∙ 119879)12 ]
(25)
Ecuacioacuten 25 Potencial para un proceso totalmente irreversible
Donde k0 es la conste estaacutendar cineacutetica de la reaccioacuten electroquiacutemica
Con las ecuaciones que describen un proceso irreversible se puede concluir
que la velocidad de barrido siacute afecta al valor del potencial de pico Por otro lado
al igual que en el proceso reversible la corriente de pico tambieacuten estaacute afectada
por la raiacutez cuadrada de la velocidad de barrido con la que se lleve a cabo la
voltametriacutea ciacuteclica [173]
En el caso de que el proceso electroquiacutemico sea cuasi-reversible dependeraacute
tanto de la transferencia electroacutenica como de los procesos de difusioacuten Para
79
obtener una idea de la irreversibilidad se calcula la separacioacuten del pico anoacutedico
y catoacutedico a partir de la ecuacioacuten 20 [176]
2612 Cronoamperometriacutea
La cronoamperometriacutea es un meacutetodo electroquiacutemico en el que se aplica un
potencial fijo sobre el electro de trabajo [179] Dicha teacutecnica normalmente se
realiza en una celda electroliacutetica que presenta una configuracioacuten de tres
electrodos El proceso de medida del potencial en la celda parte de un potencial
en el que no se producen reacciones electroquiacutemicas Posteriormente
aplicando un potencial constante en el que el compuesto de intereacutes es
electroactivo tienen lugar las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten del mismo
[180]
Como consecuencia de los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del analito que
tienen lugar en la celda se produce una circulacioacuten de corriente eleacutectrica
representada en un cronoamperograma El valor de la corriente alcanzada
dependeraacute de las capas difusivas del analito en el electrodo de trabajo (una
capa difusiva (δ) se corresponde con la regioacuten de un electrodo en la que la
concentracioacuten del analito difiere con la concentracioacuten del mismo en la
disolucioacuten electroliacutetica) [181] El proceso electroquiacutemico genera una diferencia
de concentraciones entre la solucioacuten y la concentracioacuten de la especie en la zona
cercana a la superficie del electrodo (δ) lo que da lugar a un transporte de
especies (difusioacuten) que tiende a compensar la diferencia de concentraciones
entre ambas regiones [182]
El fenoacutemeno de difusioacuten viene descrito por la ley de Fick [183]
119869 = minusD ∙120597119862
120597119883
(26)
Ecuacioacuten 26 Ley de difusioacuten de Fick
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull J es el flujo de difusioacuten (molcm ∙ 119904)
bull D es el coeficiente de difusioacuten
80
bull 120597119862120597119883 es el gradiente de concentracioacuten
El transporte de las especies de la solucioacuten hasta la superficie del electrodo
puede tener lugar de distintas formas por su intereacutes con el presente trabajo
caben mencionar
La difusioacuten de reacutegimen transitorio es el fenoacutemeno de transporte resultante de
un gradiente de concentraciones que tiene lugar al aplicar un potencial
(catoacutedico o anoacutedico) en consecuencia el analito se consume debido a las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten La difusioacuten del analito desde la solucioacuten
(donde la concentracioacuten es mayor) hasta la superficie del electrodo (donde la
concentracioacuten es menor) se produce uacutenicamente por la difusioacuten natural donde
el perfil de concentraciones obtenido (figura 19) es funcioacuten del tiempo y de la
distancia al electrodo [181] [182] Inicialmente la concentracioacuten de la especie
electroactiva en la superficie del electrodo es 0 mientras que en la solucioacuten se
mantiene la concentracioacuten original Por ello las especies maacutes cercanas al
electrodo comienzan a difundirse hasta eacutel con el paso del tiempo el espesor
de la capa liacutemite aumenta (la pendiente del perfil de concentraciones
disminuye) Debido a ello la difusioacuten de las especies hasta la superficie del
electrodo tendraacute lugar con una mayor dificultad con el paso del tiempo [184]
Figura 19 Difusioacuten de reacutegimen transitorio
La densidad de corriente en reacutegimen transitorio viene definida por la ecuacioacuten
de Cottrel la cual muestra la caiacuteda de corriente faraacutedica debido a la
transferencia electroacutenica entre la solucioacuten y el electrodo en cada pulso de
potencial [180]
81
119894(119905) = 11989911986511986011986312119862119878119900119897119906119888119894oacute119899
12058712 11990512
(27)
Ecuacioacuten 27 Ecuacioacuten de Cottrell
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull n es el nuacutemero de electrones transferidos en los procesos de
oxidacioacuten-reduccioacuten
bull F constante de Faraday (Cmol)
bull A aacuterea del electrodo (cm2)
bull CSolucioacuten es la concentracioacuten del analito en la disolucioacuten (molcm3)
bull t tiempo transcurrido desde la aplicacioacuten del pulso de potencial (s)
La difusioacuten de reacutegimen estacionario en el transporte de las especies desde la
solucioacuten hasta la superficie del electrodo interviene el fenoacutemeno de
conveccioacuten dicho suceso es la causa de que se lleve a cabo agitacioacuten mecaacutenica
(generalmente) de la solucioacuten que contiene al analito [182] Como resultado de
la agitacioacuten la concentracioacuten de las moleacuteculas en la cercaniacutea del electrodo se
mantiene uniforme en todo momento por lo que δ presenta un espesor
constante independientemente del tiempo [182] Tal y como se muestra en la
figura 20 lejos del electrodo el perfil de concentraciones se mantiene
horizontal gracias a la conveccioacuten que es capaz de mantener constante la
concentracioacuten del analito en el seno de la solucioacuten
La densidad de corriente en reacutegimen estacionario viene dada por la ecuacioacuten
de Levich [182]
119894 = 119899 ∙ 119865 ∙ 119863
120575 (119862119878119900119897119906119888119894oacute119899 minus 119862119864119897119890119888119905119903119900119889119900)
(28)
Ecuacioacuten 28 Ecuacioacuten de Levich
Donde el uacutenico paraacutemetro nuevo es la concentracioacuten del analito en el
electrodo (CElectrodo)
82
Figura 20 Difusioacuten de reacutegimen estacionario
La cronoamperometriacutea se utiliza generalmente para el estudio de mecanismos
de reaccioacuten la obtencioacuten de paraacutemetros cineacuteticos coeficientes de difusioacuten del
analito procesos de electropolimerizacioacuten etc [179] [185]
La electropolimerizacioacuten llevada a cabo por cronoamperometriacutea es uno de los
meacutetodos maacutes empleados en la modificacioacuten de electrodos de trabajo se trata
del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de sensores basados en MIPs
[85] En este proceso la solucioacuten contiene un poliacutemero donde al aplicar un
potencial fijo (catoacutedico o anoacutedico) se consigue la polimerizacioacuten electroquiacutemica
sobre el electrodo de trabajo [185] Este fenoacutemeno se puede ver afectado por
los procesos de difusioacuten de las especies electroactivas de manera que la
corriente alcanzada en el proceso de electropolimerizacioacuten es menor cuanto
maacutes se dificulte el paso de difusioacuten de las especies a traveacutes del poliacutemero [186]
La difusioacuten es un paraacutemetro de gran importancia en los procesos de
electropolimerizacioacuten sobre el electrodo de trabajo y determina la forma del
codo de curvatura que se muestre en el cronoamperograma obtenido de la
representacioacuten de la corriente frente al tiempo (figura 21) [183] En las curvas
cronoamperomeacutetricas que se obtienen por polimerizacioacuten generalmente se
distinguen tres zonas en las que se pueden observar la nucleacioacuten la
formacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica y su crecimiento con el tiempo [187]
bull Zona I la corriente aumenta raacutepidamente debido a los procesos
electroquiacutemicos que tienen lugar en la celda electroliacutetica al aplicar un
potencial (se produce la oxidacioacuten-reduccioacuten de las sustancias que se
encuentran en la disolucioacuten)
bull Zona II la intensidad de la corriente aumenta en esta parte de la curva
se puede distinguir la nucleacioacuten proceso por el cual se depositan los
primeros nuacutecleos cristalinos sobre la superficie del electrodo de trabajo
83
y depende principalmente del potencial aplicado Por tanto durante
esta etapa el poliacutemero se adhiere sobre la superficie del electrodo de
trabajo [188]
bull Zona III se observa la estabilizacioacuten y crecimiento de la peliacutecula sobre
el electrodo a un valor constante de potencial
Figura 21 Cronoamperograma obtenido de la electropolimerizacioacuten de un poliacutemero
El espesor de la peliacutecula que se ha formado sobre el electrodo de trabajo se
puede calcular a partir de la derivada de la primera ley de Faraday [187]
119889 = 119876 ∙ 119872
2 ∙ 119865 ∙ 120588
(29)
Ecuacioacuten 29 Caacutelculo del espesor de una peliacutecula polimeacuterica a partir de la 1ordf Ley de Faraday
Donde
bull Q es la carga especiacutefica por unidad de aacuterea polimerizada
bull M es la masa molecular del poliacutemero
84
bull F es la constante de Faraday
bull 120588 es la densidad del poliacutemero
El espesor de la peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo depende del
tiempo de electropolimerizacioacuten durante el cual se lleve a cabo la
cronoamperometriacutea cuanto mayor es el tiempo mayor es el grosor de la
peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo [189]
La importancia de la cronoamperometriacutea en el presente trabajo radica en que
ha sido utilizada para la obtencioacuten de sensores MIP tal y como se ha indicado
en anteriores apartados Esta teacutecnica puede estar afectada por factores como
el tiempo de electropolimerizacioacuten el voltaje aplicado la presencia de agitacioacuten
o no de la solucioacuten que contiene al poliacutemero entre otros paraacutemetros
El tiempo de electropolimerizacioacuten es un paraacutemetro importante en la
fabricacioacuten de los sensores basados en MIP ya que trabajando con espesores
de peliacutecula elevados la transferencia electroacutenica a traveacutes del poliacutemero se
dificulta con el aumento del espesor Debido a la importancia que esto supone
se debe trabajar con espesores de poliacutemeros conductores sintetizados con el
tiempo oacuteptimo para que no afecten negativamente al rendimiento
electroquiacutemico del sensor [189] El potencial aplicado durante la
cronoamperometriacutea tambieacuten es un paraacutemetro de gran importancia ya que se
debe aplicar el potencial suficiente para que tenga lugar la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla [179] Finalmente el proceso de
agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea es una caracteriacutestica de gran intereacutes
ya que da lugar a un transporte de las especies en el que interviene la
conveccioacuten fenoacutemeno que da lugar a un proceso de difusioacuten en reacutegimen
estacionario [182]
27 Chitosaacuten o quitosano
El chitosaacuten o quitosano (figura 22) es un amino-polisacaacuterido que se obtiene por
desacetilacioacuten de la quitina poliacutemero natural muy abundante en la naturaleza
La quitina se encuentra formando parte del exoesqueleto de artroacutepodos y
tambieacuten de la pared celular de algunos vegetales como los hongos en su
estructura quiacutemica presenta unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-β-D-
glucopiranosa [190] El chitosaacuten presenta una estructura lineal no ramificada
compuesta principalmente por unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi- β-D-
85
glucopiranosa y en menor proporcioacuten por moleacuteculas de 2-acetilamina-2-desoxi-
β-D-glucopiranosa que se encuentran unidas por enlaces β (14) [191] [192]
Figura 22 Estructura quiacutemica del chitosaacuten ldquoxrdquo Unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa y Unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa
El chitosaacuten se caracteriza fundamentalmente mediante la definicioacuten de los
siguientes paraacutemetros
-Masa molecular (MW) Caracteriacutestica que depende fundamentalmente de la
procedencia de la quitina (animal o vegetal) [193]
-Grado de desacetilacioacuten (DDA) Indica el grado en que los grupos acetilo han
sido sustituidos por grupos amino El DDA del chitosaacuten comercial oscila entre
un 70 y un 90 este paraacutemetro depende de las condiciones en las que se
haya llevado a cabo la obtencioacuten del chitosaacuten [191] Cuanto mayor es el grado
de DDA del chitosaacuten maacutes cristalino es el biopoliacutemero lo cual se debe a la
disminucioacuten de los grupos acetilo presentes es su estructura quiacutemica [190]
El chitosaacuten presenta propiedades que le convierten en un biopoliacutemero
interesante en la industria alimentaria biomedicina biotecnologiacutea y en el
desarrollo de sensores las cuales se describen a continuacioacuten
bull Biocompatible El chitosaacuten es un poliacutemero no toacutexico compatible con el
organismo [191]
bull Biodegradable Su degradacioacuten se lleva a cabo por las reacciones
quiacutemicas resultantes de la actuacioacuten de microorganismos dando lugar
a productos no toacutexicos [191]
86
bull Bioactivo El chitosaacuten es considerado bioactivo por presentar poder
antimicrobiano (actuacutea sobre microorganismos inhibiendo su
crecimiento o incluso provocando su muerte [191][194]) propiedades
antioxidantes (el chitosaacuten actuacutea como eliminador de radicales libres
impidiendo la reacciones de oxidacioacuten) [191] [195] y es un compuesto
antitumoral (ayuda a la formacioacuten de ceacutelulas contra el caacutencer) [194]
bull Estructura quiacutemica faacutecilmente modificable Su estructura quiacutemica
presenta varios grupos reactivos por lo que se obtienen faacutecilmente
compuestos derivados [190]
bull Agente quelante El chitosaacuten forma faacutecilmente enlaces con iones de
metales pesados Esta propiedad es fundamental ya que le permite
formar enlaces estables con la plata [128] [196]
La solubilidad del chitosaacuten depende del pH del medio por debajo de un valor
de pH 63 el chitosaacuten se vuelve insoluble y precipita En estado soacutelido tal y
como se muestra en la figura 23 se forman puentes de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilo y amino de su estructura quiacutemica Cuando se introduce en un
aacutecido este enlace se disocia convirtieacutendolo en un polielectrolito catioacutenico
soluble para su disolucioacuten se pueden utilizar diferentes aacutecidos diluidos entre
los maacutes empleados se encuentran el aacutecido aceacutetico el aacutecido foacutermico y el aacutecido
niacutetrico [191] En ciertas aplicaciones o anaacutelisis electroquiacutemicos su baja
solubilidad a pH baacutesico puede ser un inconveniente que se puede solucionar
modificando su estructura quiacutemica ya que es un poliacutemero faacutecilmente alterable
por la presencia de distintos grupos reactivos En su estructura quiacutemica hay
grupos amino (-NH2) hidroxilo (-OH) primario y secundario y finalmente el grupo
n-acetilo (NH-CO-CH3) por lo que se pueden obtener derivados que mejoren su
solubilidad [193]
Figura 23 Estructura quiacutemica del chitosaacuten donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno entre los grupos acetilo e hidroxilo y el grupo amino e hidroxilo
87
En los uacuteltimos antildeos este poliacutemero se ha utilizado en el desarrollo de sensores
electroquiacutemicos debido a sus buenas caracteriacutesticas siendo de especial
intereacutes su biocompatibilidad facilidad de formar peliacuteculas (debido a sus
condiciones de solubilidad) y reactividad [36] Estas cualidades le convierten
en un biopoliacutemero muy adecuado para el desarrollo de sensores basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular [67]
El procedimiento empleado para su electrodeposicioacuten sobre un electrodo de
trabajo se conoce como mecanismo de neutralizacioacuten Al circular una corriente
eleacutectrica debido a los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la
celda electroliacutetica se produce la liberacioacuten de los grupos OH de la solucioacuten de
manera que pueden desprotonar las aminas catioacutenicas (NH3+) responsables de
la solubilidad del chitosaacuten [198] Como consecuencia de la neutralizacioacuten en
la interfaz de la superficie del electrodo se produce un cambio en la constante
de acidez del grupo amino (pKagt63) Debido a ello el chitosaacuten se convierte en
un poliacutemero insoluble depositaacutendose asiacute sobre el electrodo [198] [199]
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados
El mayor inconveniente del chitosaacuten en el anaacutelisis electroquiacutemico es su alto
grado de cristalinidad lo que le hace ser un mal conductor de la corriente
eleacutectrica este hecho dificulta la transferencia electroacutenica a su traveacutes Este
problema se puede solucionar mediante la incorporacioacuten de nanoestructuras
basadas en metales conductores [64] [120]
La combinacioacuten de poliacutemeros con nanoestructuras de propiedades
electroactivas como nanopartiacuteculas de oro o nanohilos metaacutelicos es una de las
teacutecnicas maacutes interesantes para el desarrollo de sensores electroquiacutemicos [64]
[120] Entre los nanomateriales nombrados los AgNWs son de las sustancias
de mayor intereacutes debido a que son capaces de incrementar la conductividad
del poliacutemero recubrieacutendolo y transformaacutendolo en un poliacutemero conductor [64]
[120]
La capacidad quelante del chitosaacuten le confiere facilidad para enlazarse
covalentemente con los aacutetomos de plata [128] [196] [200] Sin embargo
como la adhesioacuten de los AgNWs en el chitosaacuten es poco resistente [122] [201]
es necesario llevar a cabo diferentes procesos de unioacuten para solventarlo
Actualmente destacan el empleo de agentes reticulantes o las modificaciones
sobre la superficie del chitosaacuten
88
Chitosaacuten reticulado Se ha comprobado que la utilizacioacuten de agentes
reticulantes mejoran la estabilidad de la plata en la peliacutecula polimeacuterica
del chitosaacuten [93] El glutaraldehiacutedo es el agente de reticulacioacuten
empleado por excelencia debido a su efectividad la reaccioacuten con el
chitosaacuten provoca cambios en su morfologiacutea y estructura lo que modifica
algunas de sus propiedades como su capacidad de adsorber los iones
metaacutelicos [202] Por ejemplo se han utilizado iones metaacutelicos (Au Ag)
que se encuentran en su forma anioacutenica en medios aacutecidos (ej HCl )
dando lugar a una fuerte atraccioacuten electroestaacutetica entre dichos iones de
carga negativa y los grupos imina con carga positiva resultantes del
entrecruzamiento entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo Este fenoacutemeno
favorece la adsorcioacuten de los ioacutenes metaacutelicos en el chitosan reticulado
[202]
Obtencioacuten de derivados del chitosaacuten Se ha demostrado que la
modificacioacuten de la estructura quiacutemica del chitosaacuten con grupos reactivos
da lugar a enlaces de mayor fortaleza entre los AgNWs y el chitosaacuten Por
ejemplo el chitosaacuten tiolado (derivado del chitosaacuten obtenido de incluir
un grupo tiol en el grupo amino del 2ordm carbono del chitosaacuten) permite que
se forme un enlace covalente de gran resistencia y estabilidad entre la
plata y los grupos tiol [201]
Modificaciones sobre la superficie del chitosaacuten Se ha demostrado que
la modificacioacuten de la de la superficie del chitosaacuten con compuestos
orgaacutenicos proporciona una unioacuten maacutes resistente entre los AgNWs y este
poliacutemero Por ejemplo se ha empleado el aacutecido 11-aminodecanoiacuteco
para formar un enlace covalente entre los grupos carboxilo de un
extremo del aacutecido y el grupo amino del chitosaacuten y puentes de hidroacutegeno
entre el grupo amino del aacutecido y el PVP que recubre los AgNWs De esta
manera se consigue fortalecer la adhesioacuten de los AgNWs a la peliacutecula
de chitosaacuten [122] [203]
89
Capiacutetulo III
Reactivos materiales y equipos
90
91
3 Reactivos materiales y equipos
31 Reactivos
Los reactivos empleados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Aacutecido sulfuacuterico (H2SO4 pureza 95-97 CAS Number 7664-93-9)
bull Aacutecido aceacutetico glaciar (CH3COOH pureza miacutenima 997 Panreac CAS
Number 613-90-4)
bull Acetona (C3H6O pureza miacutenima 99 Quality Chemicals CAS
Number67-64-1)
bull Agua desionizada Milli-Q de conductividad 182 MΩcm
bull Alpha-D (+)-Glucosa (C6H12O6 pureza gt99 Sigma-Aldrich)
bull Chitosaacuten o Quitosano CHI (C56H12O6 purezagt99 Amresco)
bull Cloruro de cobre (II) (CuCl2 2 H2O Panreac Coacutedigo 141264)
bull D (+) Galactosa (C6H12O6 purezagt99 Sigma-Aldrich)
bull Dihidrogenofosfato soacutedico (Na2H2PO4 pureza miacutenima 99 Sigma-
Aldrich CAS Number 7558-79-4)
bull Etanol (C2H6O pureza miacutenimagt 998 Sigma-Aldrich CAS Number 64-
15-5)
bull Etilenglicol (C2H6O2 anhidro al 998 Sigma-Aldrich CAS Number 107-
21-1)
bull Glutaraldehiacutedo (C5H8O2 solucioacuten acuosa al 50 Alta Aesar CAS
Number 111-30-8)
bull Hidrogenofosfato soacutedico (Na2HPO4 pureza miacutenima 99 Sigma-Aldrich
CAS number 7558-80-7)
92
bull Lactosa (C12 H22 O11 Sigma - Aldrich)
bull Nitrato de plata (AgNO3 Sigma- Aldrich CAS Number 7761-88-8)
bull Peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2 33 pv Nordm CE 231-765-0)
bull Polivinipirrolidona PVP (C6H9NO)n Sigma-Aldrich CAS Number 9003-39-8)
32 Materiales
Todos los materiales empleados en el presente trabajo se nombran a
continuacioacuten
bull Bomba peristaacuteltica (Perimax)
bull Celda electroquiacutemica de 5 mL
bull Placa de platino (2 cm times 1 cm)
bull Cubeta de cuarzo (10 mm times 10 mm)
bull Electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Electrodo de referencia (AgAgCl 3M Nesslab)
bull Matraz de fondo redondo con dos bocas
bull Placa calefactora (RSLAb-11C)
bull Placa calefactora (Arex Digital)
bull Sistema de reflujo
33 Equipos
Todos los equipos utilizados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Microscopio de Fuerza Atoacutemica Molecular (Cypher asylum Research
AFM)
93
bull Centrifuga modelo Sorvall Centrifuge ST 8 (Thermo Scientific USA)
bull Espectrofotoacutemetro Ultravioleta-Visible modelo UV-2600 (Shimadzu
Corporation Japoacuten)
bull Equipo de Difraccioacuten de Rayos X (DRX Bruker Discover D8)
bull Potenciostato Galvanostato modelo PARSTAT 2273 (Princeton Applied
Research)
bull Ultrasonidos Vortex 3 (IKA USA)
94
Capiacutetulo IV
Metodologiacutea y Desarrollo
experimental
95
96
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados
La elaboracioacuten de sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
dedicados a la deteccioacuten de azuacutecares actualmente representa una liacutenea de
investigacioacuten relativamente nueva por lo que el estudio experimental del
presente trabajo se ha modificado conforme se han ido obteniendo resultados
El desarrollo de trabajo de fin de grado aquiacute presentado se puede dividir en dos
etapas la primera etapa consiste en la preparacioacuten de las disoluciones para
sintetizar los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular MIP y NIP
asiacute como la siacutentesis y la caracterizacioacuten de los AgNWs que forman parte de la
peliacutecula polimeacuterica La segunda etapa de la fabricacioacuten del sensor consiste en
depositar las disoluciones sobre la superficie de los electrodos BDD mediante
la aplicacioacuten de teacutecnicas electroquiacutemicas
411 Preparacioacuten de las disoluciones
- Limpieza de los electrodos BDD
bull Disolucioacuten pirantildea
En un vaso de precipitados se antildeaden 3 mL de aacutecido sulfuacuterico de pureza
miacutenima del 95 y 1 mL de peroacutexido de hidroacutegeno
-Fabricacioacuten de los sensores MIP y NIP
bull Aacutecido Aceacutetico 3 VV (CH3COOH)
Se preparoacute una disolucioacuten de aacutecido aceacutetico con una concentracioacuten de
porcentaje en volumen al 3 Para obtener la concentracioacuten deseada en una
matraz aforado de 50 mL se antildeadieron 15 mL de aacutecido aceacutetico puro y se
enrasoacute con agua desionizada Milli-Q
bull Chitosaacuten o Quitosano
97
Se preparoacute una disolucioacuten de chitosaacuten con una concentracioacuten de 15 mgmL
en un matraz aforado de 25 mL Para ello se antildeadieron 00375 g de chitosaacuten
al matraz y se enrasoacute con la disolucioacuten de aacutecido aceacutetico al 3 VV
bull Disolucioacuten de AgNWs
Se preparoacute una disolucioacuten madre de AgNWs con una concentracioacuten de 10
mgmL en etanol A partir de esta disolucioacuten se prepararon las disoluciones hija
de una concentracioacuten de un 1 mgmL y 5 mgmL
bull Glutaraldehiacutedo
Se han empleado vapores de glutaraldehiacutedo al 25 ww en buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M
-Deteccioacuten de los analitos por voltametriacutea ciacuteclica
bull Disolucioacuten buffer fosfato de pH 74
Se preparoacute una disolucioacuten de pH 74 y concentracioacuten 001 M de buffer fosfato
(PBP) en un matraz aforado de 500 mL Para ello se pesaron 02697 g de
fosfato disoacutedico (Na2HPO4) y 03659 g de fosfato monosoacutedico (NaH2PO4)
Finalmente se llevaron a un matraz aforado de 500 mL enrasando con agua
desionizada Milli-Q
Con la ecuacioacuten de Henderson-Hasselbalch se calcula el pH conocido el pKa de
la solucioacuten
119901119867 = 119901119870119886 + [1198731198862HP1198744]
[Na1198672P1198744]
(30)
Ecuacioacuten 30 Ecuacioacuten de Henderson-Hasselbach
bull Lactosa
98
Para obtener una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10-4 M en buffer
fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M se preparoacute previamente una
disolucioacuten madre de concentracioacuten 10-3 M Para ello se pesaron 85575 mg de
lactosa y se llevaron a un matraz aforado de 25 mL el cual se enrasoacute con la
solucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La solucioacuten de lactosa 10-4 M se obtuvo tomando 25 mL de la solucioacuten madre
preparada finalmente se enrasoacute con la misma disolucioacuten buffer en un matraz
aforado de 25 mL
bull Glucosa
Se preparoacute previamente una disolucioacuten madre de glucosa con una
concentracioacuten 10minus3 119872 Para obtener la concentracioacuten deseada se pesaron
45 mg de glucosa y se antildeadieron a un matraz aforado de 25 mL el cual se
enrasoacute con la disolucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M se preparoacute tomando 25 mL
de la disolucioacuten madre preparada finalmente se enrasoacute con la misma
disolucioacuten buffer en un matraz aforado de 25 mL
bull Galactosa
Se preparoacute una disolucioacuten madre de galactosa 10-3 M en buffer fosfato de pH
74 y concentracioacuten 001 M para obtener una disolucioacuten hija de concentracioacuten
10-4 M Para ello se siguieron los mismos pasos que en la preparacioacuten de la
disolucioacuten de glucosa
bull Disolucioacuten de cloruro de potasio (KCl)
Se preparoacute una disolucioacuten de cloruro de potasio de 25 mL con una
concentracioacuten 01 M Para ello se pesaron 01863 g de KCl y se antildeadieron a
un matraz de 25 mL enrasando con agua desionizada Milli-Q
-Disoluciones empleadas para la siacutentesis de AgNWs
bull Cloruro de cobre (CuCl2)
99
Se preparoacute una disolucioacuten de CuCl2 de una concentracioacuten 1510-4 M para ello
se pesaron 00001 g de CuCl2 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con etilenglicol puro (EG)
bull Nitrato de plata (AgNO3)
Se preparoacute una disolucioacuten de AgNO3 de una concentracioacuten 012 M Para ello
se pesaron 0102 g de AgNO3 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con EG
bull Polivinilpirrolidona (PVP)
Se preparoacute una disolucioacuten de concentracioacuten 3610-4 M para ello se pesaron
0099 g de PVP y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL enrasando con
EG
412 Procedimiento experimental
4121 preparacioacuten de los AgNWs
La preparacioacuten de AgNWs se ha llevado a cabo seguacuten el meacutetodo poliol descrito
en el fundamento teoacuterico (capiacutetulo II)
Se comienza calentando 5 mL de EG en un matraz redondo de dos bocas
situado sobre un bantildeo de aceite a 160 ordmC tal y como se muestra en la figura
24 Este proceso se lleva a cabo bajo reflujo conectando una de las boquillas
del matraz a la red de bombeo y cerrando la otra boquilla del matraz con un
tapoacuten Posteriormente se antildeade con una micropipeta 05 mL de la disolucioacuten
de CuCl2 directamente al matraz y se deja calentando durante 5 min
Pasado el tiempo con ayuda de una bomba peristaacuteltica de jeringas se antildeaden
simultaacuteneamente y gota a gota 25 mL de la disolucioacuten de AgNO3 y 5 mL de la
disolucioacuten de PVP Durante todo este proceso se aplica una velocidad de
agitacioacuten de 400 rpm una vez ha finalizado se tapa el matraz con el tapoacuten y se
dejan reaccionar durante 1 h bajo agitacioacuten
La disolucioacuten obtenida se deja enfriar a temperatura ambiente en ella hay una
mezcla de nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) y AgNWs por lo que para purificar
los AgNWs se lavan con etanol y se centrifuga a 2000 rpm durante 20 min
100
utilizando la centriacutefuga que se muestra en la figura 24 Posteriormente se
elimina el sobrenadante y el producto de reaccioacuten se lava una segunda vez con
etanol la mezcla se vuelve a centrifugar durante 10 min a 5000 rpm Para el
tercer lavado el precipitado se antildeade a un eppendorf al que se le antildeade etanol
y se centrifuga durante 10 min a 5000 rpm Finalmente se elimina el
sobrenadante del eppendorf y se deja evaporar el etanol
Figura 24 Equipo empleado en la siacutentesis de AgNWs
En la figura 25 se muestra la obtencioacuten y las etapas de centrifugacioacuten para la
siacutentesis de AgNWs
101
Figura 25 En la parte superior de la figura y leyendo de izquierda a derecha se muestran las etapas del proceso final de obtencioacuten de AgNWs 1) y 2) Disolucioacuten obtenida tras un tiempo de reaccioacuten de 1h en la que hay una mezcla de AgNPs y AgNWs 3) Disolucioacuten obtenida diluida con etanol 4) primera centrifugacioacuten donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 5) 2ordf centrifugacioacuten de AgNWs diluidos en etanol donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 6) AgNWs diluidos en etanol antes de llevar a cabo la uacuteltima etapa de la centrifugacioacuten 7) AgNWs obtenidos de la uacuteltima etapa de centrifugacioacuten donde el sobrenadante ha sido eliminado
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro
(BDD)
Para la elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP en primer lugar se deben
acondicionar los electrodos BDD (figura 26) Para ello se comienza limpiando
la superficie de los electrodos introducieacutendolos en acetona pura y
sometieacutendolos a ultrasonidos durante 10 min finalizado este tiempo se
introducen en agua desionizada Milli Q Posteriormente se lleva a cabo su
inmersioacuten en una solucioacuten pirantildea durante un tiempo de 3 min Transcurrido el
tiempo se llevan a cabo lavados sucesivos en agua desionizada Milli Q y en
etanol dejaacutendolos reposar en ambos disolventes durante 1 min Una vez
102
finalizado el proceso de lavado de su superficie los electrodos se dejan secar
al aire
El proceso descrito se ha llevado a cabo con cada uno de los electrodos que se
han empleado para la deteccioacuten de los azuacutecares Lo que permite su
reutilizacioacuten para cada experimento realizado
Figura 26 Electrodos de diamante dopado con boro (BDD)
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP
Para la denominacioacuten de las configuraciones correspondientes a los sensores
se ha utilizado la simbologiacutea entre corchetes ldquo[]rdquo donde se encuentra la
secuencia de materiales divididos por un ldquo-ldquo que han sido utilizados para la
fabricacioacuten de los sensores MIP o NIP Finalmente al final de cada
configuracioacuten hay una ldquordquo tras la que se encuentra el nombre BDD lo que indica
que los sensores han sido fabricados en un electrodo BDD (ej [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD)
Las abreviaturas empleadas para cada material son las siguientes
CHI para el chitosaacuten
AgNWs para los nanohilos de plata
Para desarrollar los sensores MIP y NIP frente la deteccioacuten de lactosa se
emplearon diferentes configuraciones y paraacutemetros de medida con el objetivo
103
de seleccionar la que presentase la mejor respuesta frente a la deteccioacuten de
este analito
Los sensores NIP se obtuvieron siguiendo el mismo protocolo que el aplicado
para la obtencioacuten del MIP de la configuracioacuten deseada sin la presencia de la
moleacutecula plantilla durante la polimerizacioacuten
Las configuraciones empleadas son
-MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con 3 concentraciones de AgNWs distintas 1
mgmL 5 mgmL y 10 mgmL
-MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo para llevar a cabo un cross-linking
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo
Los paraacutemetros de medida que se han modificado para la configuracioacuten del
sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD son
- Electropolimerizacioacuten mediante voltametriacutea ciacuteclica y cronoamperometriacutea
- Concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (1 mgmL 5 mgmL y 10
mgmL)
- Electropolimerizacioacuten sobre el electrodo BDD con agitacioacuten y sin agitacioacuten
- Seleccioacuten del eluyente
bull MIP [CHI-AgNWsndashLactosa] BDD
Sensores con una concentracioacuten de 1 mgmL en AgNWs
104
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo mediante la
polimerizacioacuten sobre el electrodo BDD de una solucioacuten con una mezcla de
chitosaacuten de concentracioacuten 15 mgmL y AgNWs con una concentracioacuten de 1
mgmL que conteniacutea la moleacutecula plantilla de lactosa en una concentracioacuten
001 M
La polimerizacioacuten de la mezcla sobre el electrodo BDD se llevoacute a cabo sin
agitacioacuten por medio de cronoamperometriacutea Posteriormente los electrodos se
extrajeron de la celda electroliacutetica y se dejaron secar a temperatura ambiente
durante toda la noche
La moleacutecula plantilla de lactosa fue eliminada de la matriz polimeacuterica de
chitosaacuten empleando como eluyente una solucioacuten de KCl de concentracioacuten 01
M Para llevar a cabo la elucioacuten los electrodos se sumergieron en esta solucioacuten
durante un periodo de 20 min con agitacioacuten Finalizado el tiempo los
electrodos se lavaron con agua desionizada Milli Q para eliminar los residuos
de la solucioacuten de KCl
Sensores con una concentracioacuten de 5 mgmL en AgNWs
Con esta concentracioacuten (5 mgmL) se obtuvieron dos sensores llevando a cabo
polimerizacioacuten con agitacioacuten y sin agitacioacuten en la fabricacioacuten del sensor
obtenido sin agitacioacuten se siguioacute el mismo procedimiento que el descrito para la
misma configuracioacuten del sensor de lactosa con una concentracioacuten de AgNWs
de 1 mgmL
El procedimiento de siacutentesis seguido para la obtencioacuten del sensor a traveacutes de
polimerizacioacuten con agitacioacuten fue el mismo que en el anterior sensor pero en
este caso se introdujo agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea y el proceso de
elucioacuten se realizoacute utilizando de manera independiente dos eluyentes distintos
el KCl de concentracioacuten 01 M y el agua desionizada Milli Q
Sensores con una concentracioacuten de 10 mgmL en AgNWs
Estos sensores se han obtenido siguiendo el mismo procedimiento que el
descrito en los anteriores sensores en concentracioacuten 5 mgmL (obtenidos por
cronoamperometriacutea con agitacioacuten) y llevando a cabo la elucioacuten con agua
desionizada Milli Q en lugar de con KCl
105
bull MIP [CHI-AgNWs-Glutaraldehiacutedo-Lactosa] BDD
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo siguiendo el protocolo
anteriormente descrito en concentracioacuten 10 mgmL Finalizada la
polimerizacioacuten los electrodos se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
durante 10 min sin secar
El proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla es exactamente el mismo que se
ha seguido para la anterior configuracioacuten en ausencia de reaccioacuten con
glutaraldehiacutedo a una concentracioacuten de 10 mgmL de AgNWs
bull MIP [CHI-AgNWsndashGlucosa] BDD y MIP [CHI-AgNWsndashGalactosa] BDD
Se obtuvieron sensores MIP para la deteccioacuten de glucosa y galactosa La
elaboracioacuten del sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD se realizoacute bajo el mismo
protocolo de siacutentesis que se siguioacute para el sensor de lactosa con una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten empleando en
este caso glucosa como moleacutecula plantilla (001 M) La elaboracioacuten del sensor
MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento
utilizando como moleacutecula plantilla galactosa (01 M)
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs
La caracterizacioacuten de los AgNWs se ha realizado mediante tres teacutecnicas
espectroscopiacutea UV-VIS AFM y DRX
bull Espectroscopiacutea ultravioleta ndash visible (UVndashVIS)
Las propiedades oacutepticas de los AgNWs se estudiaron mediante la teacutecnica
espectroscoacutepica ultravioleta-visible (UV-VIS)
El proceso se llevoacute a cabo con el software UV-Probe introduciendo la solucioacuten
de estudio en un porta-muestras de cuarzo (10 mm times 10 mm)
Para llevar a cabo la caracterizacioacuten en primer lugar se programoacute el rango de
longitudes de onda entre 200 nm y 800 nm Posteriormente se realizoacute una
liacutenea base la cual constituye el blanco del espectro ultravioleta y despueacutes se
106
llevoacute a cabo la medida con un espectrofotoacutemetro como el mostrado en la figura
27
El estudio se comenzoacute con la obtencioacuten del espectro de la solucioacuten inicial de
AgNWs sin purificar posteriormente tras el proceso de centrifugacioacuten se obtuvo
el espectro de absorcioacuten correspondiente tanto de los AgNWs como del
sobrenadante
Figura 27 Espectrofotoacutemetro empleado para caracterizar los AgNWs
bull Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica se llevoacute a cabo para estudiar la morfologiacutea y
dimensioacuten de los AgNWs para ello se utilizoacute el equipo AFM mostrado en la
figura 28
Para obtener la muestra se depositaron 25 μL de la solucioacuten de AgNWs en
etanol sobre el electrodo BDD y se dejoacute secar al aire para evaporar el etanol
107
Figura 28 Equipo de Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico
La elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP y el estudio de su comportamiento
electroquiacutemico se ha llevado a cabo mediante teacutecnicas electroquiacutemicas de
anaacutelisis
La deposicioacuten de la peliacutecula polimeacuterica sobre la superficie del electrodo se ha
realizado a traveacutes de dos teacutecnicas electroquiacutemicas cronoamperometriacutea y
voltametriacutea ciacuteclica La respuesta del sensor frente a los analitos de intereacutes se
ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica Los analitos estudiados han sido
lactosa glucosa y galactosa cuyo comportamiento electroquiacutemico se ha
determinado a traveacutes de los procesos de oxidacioacuten de los AgNWs que se
encuentran depositados en la peliacutecula de chitosaacuten
El equipo empleado para llevar a cabo ambos procesos fue un
potenciostatogalvanostato como el que se muestra en la figura 29
Figura 29 Potenciostato utilizado para el estudio electroquiacutemico de los sensores MIP y NIP
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP
108
La deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se realizoacute en
una celda electroliacutetica que presentaba una configuracioacuten de tres electrodos
como electrodo de trabajo se empleoacute un electrodo BDD como electrodo de
referencia Ag AgCl en KCl y un contraelectrodo de platino
El proceso de deposicioacuten se comenzoacute vertiendo la disolucioacuten preparada en
ausencia de la moleacutecula plantilla (NIP) o en presencia de la misma (MIP) en una
celda electroliacutetica de 5 mL de capacidad La polimerizacioacuten se llevoacute a cabo en
un primer momento sin agitacioacuten pero finalmente se comproboacute que se
obteniacutean mejores resultados depositando las soluciones con agitacioacuten
estableciendo una velocidad de agitacioacuten de 190 rpm
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por
cronoamperometriacutea son
bull Tiempo de electrodeposicioacuten 90 s
bull Potencial aplicado -11 v
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por voltametriacutea ciacuteclica
son
bull Nordm de ciclos 15
bull Potencial maacuteximo (V) 04
bull Potencial miacutenimo (V) -11
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
A continuacioacuten se muestra el montaje de la celda para llevar a cabo la
electropolimerizacioacuten
109
Figura 30 Esquema de trabajo para llevar a cabo cronoamperometriacutea incluyendo el sistema de agitacioacuten
4122 voltametriacutea ciacuteclica
El funcionamiento de los sensores MIP y NIP se estudioacute mediante voltametriacutea
ciacuteclica y la medicioacuten se realizoacute en las mismas condiciones que la deposicioacuten
Los paraacutemetros de trabajo para llevar a cabo las mediciones mediante
voltametriacutea ciacuteclica son
bull Nordm de ciclos 5
bull Potencial maacuteximo (V) 1
bull Potencial miacutenimo (V) -1
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
Establecidos los paraacutemetros de operacioacuten se continuoacute con el montaje de la
celda cuyo esquema se muestra en las figuras 31 y 32 seguacuten el analito
empleado
110
Para la deteccioacuten de glucosa y lactosa la celda electroquiacutemica empleada
presenta 5 mL de capacidad y es la que se muestra en la figura 31 Cuyo
protocolo de medicioacuten se explica a continuacioacuten
Como se ha mencionado anteriormente las medidas electroquiacutemicas
empleadas para el anaacutelisis electroquiacutemico de los sensores desarrollados
durante este trabajo se han determinado mediante voltametriacutea ciacuteclica Para
ello los sensores MIP se sumergen en una solucioacuten de buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M y de pH 74 con objeto de conseguir una respuesta
voltameacutetrica que sirva como sentildeal de referencia para el resto de las
mediciones Seguidamente el electrodo de trabajo se deja en un vaso de
precipitados con el eluyente correspondiente y en presencia de agitacioacuten para
disolver la moleacutecula plantilla (azuacutecar correspondiente en cada caso) de la
peliacutecula de chitosaacuten Finalizado el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
el electrodo de trabajo se lava con agua destilada Posteriormente se introduce
en la celda la disolucioacuten de intereacutes (glucosa o lactosa) y en la concentracioacuten
deseada A continuacioacuten se conecta el potenciostato y se comprueba que la
celda presenta el correcto montaje En este momento para mantener una
buena reproducibilidad es de gran importancia que la superficie sumergida del
contraelectrodo y electrodo de trabajo sea la misma
Figura 31 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de lactosa y glucosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
La deteccioacuten del monosacaacuterido galactosa se ha llevado a cabo en la celda que
se muestra en la figura 32 de una capacidad de 5 mL Los pasos que se han
seguido para la deteccioacuten de galactosa son los mismos que se han descrito
111
anteriormente pero en este caso durante el proceso de elucioacuten el electrodo de
trabajo se mantiene en la celda no siendo necesaria su extraccioacuten
Figura 32 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de galactosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
A continuacioacuten se muestra un esquema de funcionamiento de un sensor MIP
[CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD en el proceso de deteccioacuten del azuacutecar deseado
Figura 33 Esquema de funcionamiento de un MIP [CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD frente a la deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
112
El procedimiento de trabajo que se llevoacute a cabo para el sensor NIP es el mismo
que el seguido para el sensor MIP sin embargo en este caso en el sensor no
se llevoacute a cabo la etapa de elucioacuten ya que el chitosaacuten no contiene a la moleacutecula
plantilla
113
Capiacutetulo V
Resultados experimentales y
discusioacuten de resultados
114
115
5 Resultados experimentales y discusioacuten de
resultados
Los resultados experimentales se dividen en dos bloques En el primer bloque
se realizoacute la siacutentesis de los sensores MIP y NIP para ello se llevoacute a cabo la
preparacioacuten de las disoluciones deseadas las cuales se depositaron a traveacutes
de teacutecnicas electroquiacutemicas sobre la superficie de los electrodos BDD En los
sensores la presencia de AgNWs es de gran importancia ya que la deteccioacuten
es posible al uso de los mismos por ello se ha comenzado el trabajo
optimizando su siacutentesis y caracterizacioacuten
A lo largo de la investigacioacuten se han sintetizado dos reacuteplicas de MIP para cada
azuacutecar de intereacutes lactosa glucosa y galactosa En primer lugar se optimizoacute la
configuracioacuten del sensor MIP frente a lactosa en el que se probaron distintos
paraacutemetros de fabricacioacuten y de medida meacutetodo de electrodeposicioacuten agitacioacuten
durante la cronoamperometriacutea uso de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
y empleo de distintos eluyentes de la moleacutecula plantilla En segundo lugar se
obtuvo un sensor MIP para el azuacutecar de glucosa sin agitacioacuten En tercer lugar
se desarrolloacute el sensor MIP de galactosa fabricado sin agitacioacuten en este sensor
se comproboacute el efecto de un aumento en la concentracioacuten de la moleacutecula
plantilla presente en el mismo
En el segundo bloque se estudiaron por voltametriacutea ciacuteclica los sensores MIP y
NIP en los tres tipos de analitos lactosa glucosa y galactosa Su
comportamiento electroquiacutemico fue evaluado mediante el empleo de AgNWs y
chitosaacuten en diferentes concentraciones
51 Caracterizacioacuten de AgNWs
Debido a la importancia de la presencia de AgNWs en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor es necesario la caracterizacioacuten previa de los mismos
mediante el uso de distintas teacutecnicas espectroscoacutepicas espectroscopiacutea UV-VIS
AFM y DRX
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-
VIS)
116
La espectroscopiacutea UV-VIS se ha empleado para estudiar las propiedades
oacutepticas de los AgNWs Se comenzoacute obteniendo el espectro ultravioleta de los
AgNWs sintetizados con el meacutetodo poliol descrito en el apartado teoacuterico
(capitulo 2521) Posteriormente se lavaron con etanol y tras centrifugar y
eliminar el sobrenadante (residuo que se obtiene con cada lavado) se volvioacute a
realizar el espectro En la figura 34 se muestran los espectros
correspondientes
En el espectro de absorcioacuten obtenido de los AgNWs sin purificar se pueden
observar las bandas correspondientes a la presencia de nanopartiacuteculas de
plata (AgNPs) y AgNWs Las dos primeras bandas se atribuyen a la presencia
del plasmoacuten de resonancia caracteriacutestico de los AgNWs que tienen lugar a una
longitud de onda de 355 nm y 385 nm [120] En el espectro obtenido tras la
purificacioacuten uacutenicamente se aprecia el plasmoacuten de resonancia de los AgNWs
por lo que la ausencia de la banda correspondiente a las AgNPs a 434 nm es
un indicador de la pureza de eacutestos [120] La primera banda de absorcioacuten de
este espectro representa la absorcioacuten longitudinal de los AgNWs (355 nm) y la
segunda a una longitud de onda de 402 nm se atribuye a la absorcioacuten
transversal de los mismos [113] [130]
Finalmente en el espectro correspondiente al sobrenadante se aprecia una
banda de absorcioacuten a 438 nm que se atribuye a la presencia exclusiva de las
AgNPs lo que indica que el meacutetodo empleado para lavar los AgNWs es
adecuado [120]
Figura 34 Espectroscopiacutea UV-VIS del producto obtenido de la siacutentesis de AgNWs sin lavar (rojo) AgNWs purificados (azul) y sobrenadante (negro)
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM)
117
Existen una gran variedad de factores durante el proceso de fabricacioacuten de los
AgNWs que pueden afectar a su morfologiacutea como son la temperatura el tiempo
de reaccioacuten la adiccioacuten de reactivos etc [120] [121] Por ello la microscopiacutea
de fuerza atoacutemica se ha utilizado para controlar la homogeneidad de los AgNWs
obtenidos ya que proporciona imaacutegenes de tamantildeo nanomeacutetrico (figura 35)
Las imaacutegenes de la muestra que se obtuvieron demuestran que los AgNWs
presentaban un tamantildeo homogeacuteneo con un diaacutemetro cercano a 350 nm y
longitudes entorno a los 10 μm
Figura 35 Fotografiacutea obtenida mediante microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) de una muestra de AgNWs depositada sobre un electrodo BDD
513 Difraccioacuten de rayos-X
La difraccioacuten de rayos-X se ha utilizado para caracterizar la estructura de los
AgNWs el patroacuten de difraccioacuten obtenido muestra que los AgNWs son
nanomateriales compuestos por nanocristales orientados en diferentes planos
cristalograacuteficos [204]
De acuerdo con el patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs se muestran 5 picos de
difraccioacuten (figura 36) correspondientes a los planos [111] [200] [220] [311]
y [222] respectivamente [205] Donde se puede apreciar una gran diferencia
en la intensidad alcanzada entre ellos El pico correspondiente al plano
cristalograacutefico [111] que tiene lugar a 2120579= 382ordm es el pico de mayor intensidad
lo que indica que los cristales que forman los AgNWs estaacuten orientados
preferentemente en esta direccioacuten cristalograacutefica [205] [206] El pico de
difraccioacuten que tiene lugar a 2120579= 443ordm se corresponde con el plano [200] [206]
En cuanto al pico que se encuentra en 2120579= 645ordm se corresponde con el plano
[220] [207] Finalmente los picos de difraccioacuten que tienen lugar a 2120579=768 ordm y
2120579= 815ordm representan los planos [311] y [222] respectivamente [207]
118
El patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs que se ha descrito se corresponde con
una estructura cuacutebica centrada en las caras (FCC) [207] La ausencia de picos
adicionales es debida a la pureza de los AgNWs obtenidos [206]
Figura 36 Patroacuten de difraccioacuten de rayos-X de los AgNWs
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD
Se ha llevado a cabo la fabricacioacuten de sensores electroquiacutemicos basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa Dicho
sensor se ha preparado mediante la electropolimerizacioacuten de chitosaacuten
modificado con AgNWs en presencia de una moleacutecula plantilla de lactosa Las
funciones de cada uno de los constituyente que forman el sensor MIP son
Chitosaacuten biopoliacutemero que se deposita sobre el electrodo BDD su
funcioacuten es contener a los huecos de la moleacutecula que se quiera
detectar ademaacutes sirve de soporte de unioacuten para los AgNWs
AgNWs son nanoestructuras metaacutelicas que actuacutean recubriendo la
matriz de chitosaacuten sus reacciones de oxidacioacuten sirven para
determinar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a la
deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
119
Lactosa es la moleacutecula plantilla su funcioacuten es imprimir en la matriz
de chitosaacuten las cavidades de reconocimiento con el propoacutesito de
proporcionar al sensor MIP una mayor especificidad hacia la
deteccioacuten de la misma
En todos los sensores (MIP) se ha trabajado con una concentracioacuten de lactosa
en la solucioacuten [CHI-AgNWs] de 001 M y una concentracioacuten de la solucioacuten de
chitosaacuten de 15 mgmL Fijados estos paraacutemetros con el propoacutesito de obtener
el sensor MIP que proporcione las mejores prestaciones frente a la deteccioacuten
de lactosa se emplearon distintas variables de trabajo y de medida el meacutetodo
de electrodeposicioacuten la presencia de agitacioacuten o no durante la
cronoamperometriacutea la concentracioacuten de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
empleo de un agente reticulante y el uso de distintos eluyentes
A lo largo del desarrollo de la investigacioacuten es de gran importancia comprobar
el funcionamiento del MIP por ello este sensor se ha comparado con un sensor
obtenido bajo las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula de
lactosa NIP
bull Meacutetodo de electrodeposicioacuten de las disoluciones para elaborar los
sensores MIP o NIP
El primer experimento se llevoacute a cabo depositando la solucioacuten que contiene la
mezcla para la obtencioacuten del sensor MIP y NIP sobre la superficie del electrodo
BDD a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica paraacutemetros de trabajo citados en el
capiacutetulo 4
En los voltamogramas obtenidos de los sensores MIP (figura 37 a) y NIP (figura
37 b) no se aprecia ninguacuten indicio que indique la electrodeposicioacuten de la
solucioacuten sobre la superficie del electrodo BDD Por ejemplo en un estudio
llevado a cabo por Zhang Q et al se llevoacute a cabo la electrodeposicioacuten de un MIP
por medio de voltametriacutea ciacuteclica en cada ciclo se obtuvo una disminucioacuten en la
intensidad de corriente de los picos de oxidacioacuten de los AgNWs a medida que
el poliacutemero de impresioacuten molecular se depositaba sobre el electrodo BDD
[208] Este fenoacutemeno no se puede apreciar en ninguna de los voltamogramas
ante este resultado en el resto del trabajo se optoacute por llevar a cabo la
electrodeposicioacuten mediante cronoamperometriacutea en lugar de por voltametriacutea
ciacuteclica para los sucesivos experimentos
120
Figura 37 Electrodeposicioacuten por voltametriacutea ciacuteclica a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD
bull Cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
El estudio se ha continuado con la siacutentesis de sensores MIP y NIP cuyas
configuraciones son MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD
Ambos tienen una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL en la peliacutecula de
chitosaacuten los paraacutemetros de fabricacioacuten de ambos sensores se han indicado en
el capiacutetulo 4
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se
sintetizaron dos sensores de cada tipo Para obtener la reproducibilidad de los
cronoamperogramas del MIP y NIP se calculoacute el coeficiente de variacioacuten (CV)
tomando el valor maacuteximo de la corriente alcanzada por cada sensor
El CV o tambieacuten llamado desviacioacuten estaacutendar relativa (RSD) proporciona
informacioacuten sobre la dispersioacuten de las series de datos obtenidas y se calcula a
partir de la siguiente expresioacuten
119862119881 = 120590
∙ 100
120590 = radicsum (119909119894 minus 119909 119873
119894 )2
119873
(31)
Ecuacioacuten 31 Caacutelculo del coeficiente de variacioacuten (CV) o (RSD)
Donde 120590 es desviacioacuten estaacutendar x es la variable N es el nuacutemero de resultados
xi es el valor nuacutemero i de la variable x es la media de los datos obtenidos
121
Figura 38 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
El CV obtenido para los cronoamperogramas del sensor MIP y NIP es del
2577 y del 1687 respectivamente Ambos coeficientes indican falta de
homogeneidad durante la fabricacioacuten de los sensores lo que supone que las
condiciones de trabajo durante la fabricacioacuten de los mismos no fueron buenas
Entre los motivos principales se encuentran inmersioacuten de los electrodos de
trabajo y contraelectrodo de manera inadecuada asiacute como la ausencia de
agitacioacuten durante el desarrollo de los sensores
En el cronoamperograma del MIP (figura 38 a) y NIP (figura 38 b) se pueden
distinguir cada una de las fases correspondientes a la formacioacuten de la peliacutecula
de chitosaacuten con el tiempo sobre el electrodo BDD En un primer momento tiene
lugar un aumento de la intensidad de corriente debido a los procesos
electroquiacutemicos que se producen en la celda (fase I) El codo de curvatura
representa la fase II cuando se produce la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre la
superficie del electrodo BDD para ello se aplica un potencial de -11 V A este
potencial el chitosaacuten se vuelve insoluble debido a los cambios de pH que
tienen lugar en la proximidad de la superficie del electrodo estos cambios son
provocados por la desprotonacioacuten de los grupos NH3+ de la estructura quiacutemica
del chitosaacuten por los grupos OH- que hay en la solucioacuten [198] [209] En la
cronoamperometriacutea de ambos sensores se puede apreciar un proceso de
nucleacioacuten costoso debido posiblemente a la falta de agitacioacuten durante la
electrodeposicioacuten que da lugar a un proceso de difusioacuten en estado transitorio
Debido a la ausencia de agitacioacuten la concentracioacuten de las especies no se
mantiene constante en la solucioacuten por lo que la capa difusiva (δ) va adquiriendo
un mayor grosor Este hecho dificulta la difusioacuten de las especies hasta la
superficie del electrodo con el transcurso del tiempo [182] En la fase III se
muestra el crecimiento de la peliacutecula polimeacuterica sobre el electrodo BDD al
finalizar este proceso se distingue una caiacuteda en la intensidad de corriente
122
desde un valor de 65 μA en el NIP hasta un valor de 54 μA en el MIP La
disminucioacuten de la intensidad se debe a la presencia del azuacutecar durante la
polimerizacioacuten del chitosaacuten el cual dificulta la difusioacuten de las especies a su
traveacutes [186]
Para estudiar el efecto selectivo de la plantilla polimeacuterica en el MIP y el
comportamiento de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten se obtuvieron las
respuestas voltameacutetricas correspondientes a un electrodo BDD en blanco y a
los sensores MIP y NIP El blanco se elaboroacute mediante voltametriacutea ciacuteclica a
traveacutes de su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa 10-4 M en buffer fosfato
(PBP) de concentracioacuten 001 M y pH 74 aplicando un potencial de -1 V a 1 V
con una velocidad de barrido de 100 mVs El resultado obtenido se muestra
en la figura 39 a donde no se observa ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten
debido a que la lactosa no presenta actividad electroliacutetica La respuesta
electroquiacutemica de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvo mediante su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa
10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros
de medida y siguiendo el proceso de deteccioacuten explicados en el capiacutetulo 4
En el resultado obtenido de la voltametriacutea ciacuteclica figura 39 b se puede apreciar
como el MIP proporciona una mayor intensidad de sentildeal respecto del NIP y el
electrodo BDD blanco Este hecho se atribuye a la creacioacuten de cavidades
especiacuteficas en la matriz de chitosaacuten con una forma y tamantildeo que son
complementarios a las moleacuteculas de lactosa gracias a esta plantilla se
consigue una gran especificidad durante la deteccioacuten ya que las moleacuteculas se
enlazan faacutecilmente a los huecos creados [64] Como resultado de la siacutentesis de
la plantilla polimeacuterica se consigue un sensor que ofrece un mejor
comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de lactosa y por ende es
capaz de proporcionar una mayor intensidad de sentildeal en comparacioacuten al
sensor NIP
Por otro lado en este experimento no se pudieron distinguir los picos anoacutedicos
de las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs el resultado desfavorable puede
deberse a las siguientes razones
La ausencia de agitacioacuten durante la electropolimerizacioacuten sobre el
electrodo BDD podriacutea suponer que la cantidad de AgNWs depositados
en el sensor es inferior a la deseada
123
La concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten es
insuficiente
Figura 39 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH
74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El estudio de la reproducibilidad se llevoacute a cabo mediante la fabricacioacuten de dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs mediante la
inmersioacuten de los sensores en una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten
10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M El criterio empleado para su
obtencioacuten fue el caacutelculo del CV
La reproducibilidad obtenida tanto para el MIP como para el NIP es muy baja
siendo eacutesta de un 1873 y de un 3782 respectivamente La razoacuten de la
mala reproducibilidad en el MIP podriacutea atribuirse a la falta de homogeneidad
durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el electrodo BDD puesto
que es un fenoacutemeno que puede afectar a los sensores basados en la tecnologiacutea
de impresioacuten molecular [210] Sin embargo la baja reproducibilidad del NIP
indica que las condiciones en las que se llevaron a cabo la fabricacioacuten o la
medicioacuten de los sensores no fueron las adecuadas siendo una posible razoacuten
la falta de agitacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten de ambos
A pesar del buen funcionamiento del MIP no se pudieron apreciar los picos
correspondientes a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs presentes en la
peliacutecula de chitosaacuten por lo que la investigacioacuten se continuoacute incrementando la
concentracioacuten de eacutestos en un valor de 5 mgmL
124
La fabricacioacuten de sensores MIP y NIP con una concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten de 5 mgmL se realizoacute por cronoamperometriacutea
estableciendo los paraacutemetros de trabajo indicados en el capiacutetulo 4 Tal y como
se muestra en la figura 40 a y b donde se representan los cronoamperogramas
de los sensores MIP y NIP respectivamente En ellos se pueden distinguir las 3
fases correspondientes al proceso de electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo De nuevo en el MIP se observa un proceso de nucleacioacuten maacutes
costoso en comparacioacuten al NIP asiacute como una caiacuteda de la corriente desde un
valor de 150 μA alcanzado por el NIP hasta una intensidad de 80 μA en el MIP
La razoacuten de ambos fenoacutemenos se atribuye a una mayor dificultad en el proceso
de difusioacuten tal y como se explicaba para la misma configuracioacuten del sensor
pero con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
Figura 40 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-
AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgml
Como en el anterior sensor para estudiar la reproducibilidad del MIP y NIP se
han sintetizado dos sensores de cada tipo el CV obtenido para ambos
cronoamperogramas es del 26 y del 956 respectivamente Los CV
obtenidos son bajos las razones por las que esto podiacutea ocurrir se indicaron en
la anterior configuracioacuten del sensor de una concentracioacuten de AgNWs de 1
mgmL
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado a traveacutes de
voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten
001 M y pH 74 Su respuesta voltameacutetrica se ha comparado con la obtenida
por un sensor NIP y un electrodo BDD blanco siguiendo el mismo
procedimiento que el descrito para la anterior configuracioacuten del sensor en
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL En el voltamograma figura 41 a se
puede comprobar que el MIP presenta una mayor intensidad que el NIP en la
deteccioacuten frente a lactosa lo cual indica la formacioacuten de las cavidades de
125
reconocimiento en la matriz de chitosaacuten que aportan especificidad al sensor
MIP frente a la deteccioacuten de este azuacutecar [211] tal y como se ha explicado
anteriormente
Por otro lado los resultados obtenidos demuestran que a una concentracioacuten
de AgNWs de 5 mgmL es posible distinguir los procesos correspondientes a
las reacciones de oxidacioacuten de los mismos El primer pico anoacutedico (51528 mV)
se corresponde con el proceso de oxidacioacuten de la plata (Ag) al estado de
oxidacioacuten +1 (Ag+1) y el segundo pico anoacutedico (67886 mV) se corresponde con
la oxidacioacuten de la plata de su estado elemental (Ag0) al estado de oxidacioacuten +2
(Ag2+) El estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ es menos comuacuten sin embargo
cuando se alcanzan potenciales superiores a 040 V se puede apreciar [212]
Figura 41 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para calcular la reproducibilidad se siguieron los mismos pasos que se han
empleado para el sensor que presenta la misma configuracioacuten a una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL De la misma forma el criterio empleado
fue el caacutelculo del CV tomando como referencia el pico anoacutedico de mayor
intensidad (1198601198922+) en estas condiciones se obtuvieron valores de
reproducibilidad del 2861 y del 1665 para el MIP y NIP respectivamente
126
A pesar del buen funcionamiento del MIP en las configuraciones descritas se
aprecia una falta de reproducibilidad importante cuyo valor se encuentra por
encima del 5 Con el propoacutesito de mejorar la reproducibilidad de ambos
sensores se modificoacute un nuevo paraacutemetro durante el proceso de fabricacioacuten
del sensor Por lo que en los experimentos siguientes se sintetizaron sensores
MIP y NIP en presencia de agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
bull Cronoamperometriacutea con agitacioacuten
Los experimentos relativos al desarrollo de sensores frente a la deteccioacuten
oacuteptima de lactosa se continuaron mediante la elaboracioacuten de sensores MIP y
NIP con la siguiente configuracioacuten MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD ambos con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL en la
peliacutecula de chitosaacuten Su siacutentesis se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten fijando los paraacutemetros de trabajo indicados en el
capiacutetulo 4
Tal y como sucediacutea en los anteriores sensores en el MIP (figura 42 a) se aprecia
un proceso de nucleacioacuten maacutes costoso en comparacioacuten al NIP (figura 42 b) asiacute
como una caiacuteda en la intensidad de corriente hasta a un valor de 80 μA
respecto a la intensidad de 150 μA alcanzada por el NIP
A pesar de ello se encuentran importantes diferencias entre los
cronoamperogramas de los sensores MIP (figura 40 a) y NIP (figura 40 b)
obtenidos por cronoamperometriacutea sin agitacioacuten a la misma concentracioacuten de
AgNWs que se han descrito en el anterior punto
En la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten la nucleacioacuten del chitosaacuten se produciacutea
con una mayor dificultad siendo el proceso maacutes lento en este caso lo cual es
un indicador de que el factor de agitacioacuten facilita la electrodeposicioacuten del
chitosaacuten modificado con AgNWs sobre la superficie del electrodo BDD Como
se ha indicado anteriormente (capiacutetulo 2612) la cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten da lugar a un fenoacutemeno de conveccioacuten de las moleacuteculas
que se encuentran en la solucioacuten lo que hace que el espesor de la capa
difusiva se mantenga constante en todo el tiempo en que dura el pulso de
potencial aplicado sobre el electrodo de trabajo Al contrario de lo que sucede
en la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten donde el espesor de la capa difusiva
aumenta con el paso del tiempo [182]
127
Figura 42 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y un b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se obtuvieron
dos sensores MIP y NIP de cada tipo cuyos cronoamperogramas presentaron
un CV (calculado con el mismo criterio que en los anteriores sensores descritos)
del 111 y del 687 respectivamente En este caso los valores del CV
indican que las condiciones de trabajo con las que se fabricaron ambos
sensores contribuyeron a mejorar la reproducibilidad de los
cronoamperogramas
El estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP frente a la
deteccioacuten de lactosa se ha realizado mediante voltametriacutea ciacuteclica
estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el mecanismo de deteccioacuten
indicados en el capiacutetulo 4 Para ello se ha comparado la respuesta voltameacutetrica
del MIP con la del NIP y un electrodo BDD blanco cuya voltametriacutea se ha
realizado siguiendo el mismo procedimiento que se ha explicado para las
anteriores configuraciones del sensor de lactosa En el voltamograma obtenido
figura 43 a se puede observar que el sensor MIP proporciona una intensidad
de corriente superior al NIP lo que es un indicador de la correcta formacioacuten de
la plantilla polimeacuterica de lactosa en la matriz de chitosaacuten siendo eacutesta la
responsable de que el MIP tenga una mayor especificidad frente a la deteccioacuten
de dicho analito Por otro lado se pueden distinguir los picos de las reacciones
de oxidacioacuten de los AgNWs el primer pico se corresponde con el estado de
oxidacioacuten de la plata Ag+1 producido a un potencial de 39899 mV y el segundo
pico que tiene lugar a un potencial de 51015 mV se corresponde con el estado
de oxidacioacuten de la plata Ag2+ [212]
128
Figura 43 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes obtenidos en presencia de agitacioacuten
Para comprobar el efecto de la agitacioacuten en la respuesta voltameacutetrica se ha
comparado el sensor MIP descrito en este apartado con el sensor MIP que
presenta la misma concentracioacuten de AgNWs (5 mgmL) fabricado sin agitacioacuten
cuyo funcionamiento se explicoacute en el apartado cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten En la tabla 1 donde se comparan los valores de los potenciales
obtenidos entre ambos sensores se puede observar que el potencial necesario
para que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs son inferiores
en el sensor sintetizado bajo cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten
Esta disminucioacuten en el potencial indica una mejora en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor MIP ya que es necesario un menor potencial para
que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs En la tabla 2 se
muestran los valores de la intensidad de corriente alcanzados por ambos
sensores donde se distingue un aumento en la intensidad de corriente en el
sensor MIP obtenido por cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten lo que
indica una mejora en la actividad electroquiacutemica del mismo Con estos
resultados se puede concluir que la introduccioacuten de agitacioacuten afecta
positivamente al funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP
129
Tabla 1 Potencial (mV) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico Paraacutemetros fabricacioacuten
Potencial con agitacioacuten
Potencial sin agitacioacuten
(Ag+) 39899 51528
(Ag2+) 51015 67886
Tabla 2 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico
Paraacutemetros de obtencioacuten
Intensidad de corriente con agitacioacuten
Intensidad de corriente sin agitacioacuten
(Ag+) 34 2110
(Ag2+) 3327 307
Finalmente se realizoacute un estudio de la reproducibilidad sintetizando dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten
de lactosa 10minus4119872 siguiendo el mismo procedimiento que se ha indicado en las
anteriores configuraciones Para ello se utilizoacute el caacutelculo del CV tomando como
referencia la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico 1198601198922+ Se
obtuvo una reproducibilidad de un 141 para el NIP y un 1275 para el MIP
como se aprecia el NIP presentoacute una reproducibilidad significativamente
superior El motivo de esta diferencia puede estar asociado a la falta de
homogeneidad durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el
electrodo BDD como se ha indicado anteriormente dicho fenoacutemeno es posible
que afecte a los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
[210]
En la tabla 3 se han comparado los valores de reproducibilidad de los sensores
obtenidos con y sin agitacioacuten donde se aprecia una reproducibilidad
notablemente superior en los sensores MIP y NIP sintetizados por
cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten En vista a estos resultados se
puede concluir que la presencia de agitacioacuten durante la obtencioacuten de los
sensores contribuye a obtener una respuesta maacutes reproducible
130
Tabla 3 CV () de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs] con 5 mgmL de AgNWs 0btenidos con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
Electrodeposicioacuten Sensores
CV con agitacioacuten CV sin agitacioacuten
MIP 1275 2861
NIP 141 1665
Con el propoacutesito de conseguir un aumento en el valor de la intensidad de
corriente alcanzado por el sensor MIP frente a la deteccioacuten de lactosa la
investigacioacuten se continuoacute incrementando la concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten a una concentracioacuten de 10 mgmL La fabricacioacuten de este
sensor se llevoacute a cabo mediante cronoamperometriacutea fijando los paraacutemetros de
trabajo indicados en el capiacutetulo 4
Figura 44 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Como en el resto de las configuraciones se han sintetizado dos sensores de
cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV del 1178 y del 455
para el MIP (figura 44 a) y NIP (figura 44 b) respectivamente Estos valores
indican una menor homogeneidad en la fabricacioacuten del sensor MIP atribuible a
una mayor dificultad durante el proceso de fabricacioacuten del mismo
Tal y como se observa la polimerizacioacuten del chitosaacuten en presencia de los
AgNWs y de la moleacutecula plantilla de lactosa (figura 44 a) tiene lugar con una
mayor dificultad en comparacioacuten al NIP (figura 44 b) Ademaacutes en el MIP se
alcanza una intensidad de corriente de 50 μA y en el NIP un valor igual a 75
μA Ambos fenoacutemenos se han producido y explicado en el resto de las
configuraciones desarrolladas en el presente trabajo
131
El comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha evaluado comparando
su respuesta voltameacutetrica con la obtenida por el NIP y un electrodo BDD blanco
(figura 45 a) El protocolo seguido para la obtencioacuten de los voltamogramas del
MIP NIP y el blanco es el mismo que el que se ha descrito para el resto de las
configuraciones
La respuesta voltameacutetrica proporcionada por el MIP no fue la adecuada e indicoacute
un mal funcionamiento por parte de este sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
(figura 45 b) Es decir la intensidad de corriente de este sensor es inferior a la
proporcionada por el NIP lo cual no deberiacutea suceder ya que el MIP debe ofrecer
una mayor intensidad de sentildeal Este resultado indicoacute que la plantilla de lactosa
no se sintetizoacute correctamente en la matriz de chitosaacuten La razoacuten del mal
funcionamiento del sensor MIP puede estar asociada a la elevada
concentracioacuten de AgNWs que se utilizoacute durante la electrodeposicioacuten lo que
provocoacute que el chitosaacuten no polimerizase bien sobre la superficie del electrodo
en consecuencia la plantilla de lactosa no se formoacute adecuadamente en la
matriz polimeacuterica
Por otro lado ademaacutes de apreciar los picos anoacutedicos correspondientes a los
estados de oxidacioacuten de los AgNWs a esta concentracioacuten tambieacuten es posible
apreciar los picos catoacutedicos que se corresponden con la reacciones de
reduccioacuten reversibles de la plata (del estado de oxidacioacuten Ag2+ al estado
elemental Ag0) producidas a un potencial de 4047 mV y 1813 mV [212] (figura
45 a)
132
Figura 45 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para estudiar el efecto en el aumento de concentracioacuten de los AgNWs en la
matriz de chitosaacuten en la tabla 4 se muestra una comparativa con el sensor
que tiene la misma configuracioacuten en una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
y que se ha descrito en este mismo punto Los valores indican un aumento en
la intensidad de corriente del pico anoacutedico Ag2+ en el MIP y NIP de un valor del
131 y del 211 respectivamente Estos resultados demuestran que la
intensidad proporcionada por los AgNWs aumenta con su concentracioacuten en la
peliacutecula de chitosaacuten tal y como se observa en la figura 46
Cabe mencionar que la comparacioacuten entre concentraciones (1mgmL y 5
mgmL) en el anterior punto no se realizoacute puesto que careciacutea de intereacutes al no
poderse apreciar los picos anoacutedicos de los AgNWs en el sensor que presentaba
una concentracioacuten de eacutestos en 1mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
133
Tabla 4 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos con una concentracioacuten de AgNWs 5 y 10 mgmL
MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
NIP [CHI-AgNWs]BDD
Pico anoacutedico Concentracioacuten
de AgNWs
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad de
corriente
(10 mgmL)
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad
de corriente
(10 mgmL)
(Ag2+) 3327 4361 2898 6128
Figura 46 Intensidad del pico anoacutedico Ag2+ de los sensores MIP (negro) NIP (rojo) inmersos en una solucioacuten de lactosa en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 Se representa un aumento de la concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (0 5 10 mgmL)
En cuanto al estudio de la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de
cada tipo MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD NIP [CHI-AgNWs]BDD el criterio
empleado para su caacutelculo se realizoacute bajo las mismas condiciones que se han
descrito para el resto de los sensores El CV obtenido para el MIP y NIP fue del
23 y del 184 respectivamente El empeoramiento de la reproducibilidad
(respecto de la anterior configuracioacuten que presentaba una concentracioacuten de
AgNWs de 5 mgmL) indica que las condiciones en las que se fabricaron los
sensores no fueron las adecuadas siendo una posible causa la elevada
concentracioacuten de AgNWs (10 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten que se empleoacute
para la construccioacuten del sensor
134
bull Agente reticulante glutaraldehiacutedo
La utilizacioacuten de agentes reticulantes en la siacutentesis de poliacutemeros de impresioacuten
molecular es muy frecuente ya que estos influyen directamente en la
morfologiacutea de los MIP en su estabilidad y en la fijacioacuten de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico [69] Por estas razones en el presente trabajo se ha
comprobado su efecto en los sensores MIP y NIP sometieacutendolos a vapores de
glutaraldehiacutedo a traveacutes del anaacutelisis de su respuesta voltameacutetrica y de un
estudio de la reproducibilidad de los mismos
Se ha utilizado la siguiente denotacioacuten para los sensores desarrollados MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-lactosa]BDD y NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs]BDD
Los sensores fueron fabricados con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
mediante cronoamperometriacutea seguacuten los paraacutemetros de medida que se
establecieron en el capiacutetulo 4 los cronoamperogramas obtenidos no se
muestran en el presente trabajo dado que coinciden con los
cronoamperogramas del sensor que presenta la misma concentracioacuten de
AgNWs en ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo (figura 44 a y b) Tras la
cronoamperometriacutea los sensores MIP y NIP se introdujeron en vapores de
glutaraldehiacutedo seguacuten el procedimiento indicado en el mismo capiacutetulo
El efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP frente
a la deteccioacuten de lactosa se ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica
mediante la inmersioacuten del sensor en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP
de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el
protocolo de medida indicados en el capiacutetulo 4 En el voltamograma obtenido
figura 47 a se compara la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP con el NIP y
un electrodo BDD blanco
Tal y como se observa la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico
de mayor intensidad (Ag 2+) es de 11327 μA para el NIP mientras que para el
MIP es inferior e igual a 5031 μA Los valores de corriente indican un mal
funcionamiento del MIP al proporcionar el otro sensor una mayor intensidad de
sentildeal (este fenoacutemeno se ha repetido para el sensor que presentaba la misma
concentracioacuten de AgNWs sin agente reticulante glutaraldehiacutedo) Como se ha
explicado anteriormente el mal funcionamiento del MIP se asocia a una posible
saturacioacuten del sensor debido a la elevada concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten que impide la correcta formacioacuten de la plantilla polimeacuterica
No obstante a pesar del mal funcionamiento del sensor frente a la deteccioacuten
de lactosa se consiguioacute incrementar notablemente la intensidad de la sentildeal
135
Figura 47 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
En la tabla 5 se muestran los valores de corriente alcanzados por los sensores
MIP y NIP en presencia y ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo en los que se
puede apreciar un incremento de la intensidad de corriente en un coeficiente
del 115 y del 185 respectivamente Estos resultados indican que la
fabricacioacuten del sensor en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo mejora la
respuesta cataliacutetica del mismo lo cual puede estar asociado a diversas
razones
El chitosaacuten reticulado ayuda a mantener la rigidez de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico contribuyendo a mantener su forma y
tamantildeo [69]
Aumento de la estabilidad mecaacutenica el nuacutemero de entrecruzamientos
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo evitan la peacuterdida de las cavidades
de reconocimiento especiacutefico [69]
Por estas razones el chitosaacuten se convierte en un soporte maacutes estable para los
AgNWs lo cual se produce gracias a la unioacuten entre los grupos -COOH de los
extremos de la moleacutecula del glutaraldehiacutedo con los grupos -NH2 del chitosaacuten
dando lugar a un enlace imina muy resistente (minusC=NH-) [93]
136
Tabla 5 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Configuracioacuten
Pico anoacutedico
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de corriente
MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]
BDD
Intensidad de corriente
NIP
[CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD
Intensidad de
corriente
(Ag2+) 4361 5031 6128 11327
Finalmente se ha llevado a cabo un estudio del sometimiento de los sensores
a vapores de glutaraldehiacutedo Para ello se sintetizaron dos sensores MIP [CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNws-lactosa]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD de
cada tipo siguiendo el mismo procedimiento que en los anteriores sensores
descritos El CV se ha calculado bajo el mismo criterio obteniendo un valor para
el MIP del 837 y del NIP de 1364 respectivamente Mientras que las
mismas configuraciones del sensor pero sin sometimiento a vapores de
glutaraldehiacutedo muestran una reproducibilidad muy mala con un CV del 23 y
del 184 respectivamente
Los resultados indican que bajo los paraacutemetros en los que fueron fabricados
ambos sensores los vapores de glutaraldehiacutedo mejoran significativamente su
reproducibilidad lo cual estaacute asociado a una mayor estabilidad mecaacutenica de la
plantilla polimeacuterica de chitosaacuten asiacute como de los AgNWs que lo recubren [69]
bull Seleccioacuten del agente eluyente
El eluyente empleado para eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten no debe afectar a su rigidez y estabilidad [69] Por ello con objeto de
seleccionar el disolvente que proporcionase los mejores resultados se ha
estudio la respuesta voltameacutetrica del MIP frente a dos eluyentes distintos KCl
01 M y agua desionizada Milli Q Para la seleccioacuten de ambos se ha tenido en
cuenta la solubilidad del chitosaacuten y de la lactosa en ambos eluyentes
El chitosaacuten es un poliacutemero catioacutenico soluble en aacutecidos diluidos (aacutecido aceacutetico
aacutecido niacutetrico aacutecido clorhiacutedrico entre otros) sin embargo es insoluble en medios
con pH superiores a 65 (agua disoluciones baacutesicas o en disolventes
137
orgaacutenicos) por lo que el empleo de agua desionizada Milli Q o KCl no deberiacutea
de afectar a la solubilidad de la peliacutecula de chitosaacuten en ambos eluyentes [191]
La lactosa es un azuacutecar soluble en disolucioacuten acuosa debido a la formacioacuten de
puentes de hidroacutegeno entre los grupos hidroxilo del azuacutecar y el hidroacutegeno del
agua por lo que es soluble en ambos tipos de disolventes [213]
El protocolo de medicioacuten empleado para la deteccioacuten de lactosa es el descrito
en el capiacutetulo 4 Tras el proceso de elucioacuten llevado a cabo con KCl (figura 48 a)
y agua desionizada Milli Q (figura 48 b) se observa que ambos sensores MIP
proporcionan una disminucioacuten en la intensidad de corriente en el mismo grado
Tras estos resultados se concluye que no hay cambios al utilizar un eluyente u
otro puesto que ambos afectan de la misma manera a la respuesta
voltameacutetrica del sensor
Figura 48 a) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con KCl (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP (001M pH 74) b) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con agua desionizada Milli Q (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP (001M pH 74)
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
El sensor seleccionado para estudiar su comportamiento electroquiacutemico frente
a la deteccioacuten de lactosa fue el MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD con una
concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL Las siguientes razones fueron
determinantes para elegir este sensor desarrollado por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten
138
En el estudio llevado a cabo por voltametriacutea ciacuteclica el MIP demostroacute un
mejor comportamiento con respecto al NIP (figura 43 a) Este resultado
fue de gran importancia ya que indicoacute la formacioacuten de una plantilla
polimeacuterica en la matriz de chitosaacuten que aportaba una mayor
especificidad al sensor MIP frente a la deteccioacuten lactosa
Con esta configuracioacuten se apreciaron los picos anoacutedicos de los AgNWs
lo que permitiraacute determinar el comportamiento electroquiacutemico del
sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
Representa el sensor MIP que cumpliendo con las dos condiciones
descritas tiene una mayor reproducibilidad
La fabricacioacuten del sensor se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea tal y como se
explicoacute en el capiacutetulo 4 el cronoamperograma de ambos sensores MIP (figura
42 a) y NIP (figura 42 b) ya se indicoacute dentro de este mismo capiacutetulo en la
fabricacioacuten de sensores por cronoamperometriacutea con agitacioacuten
El proceso de deteccioacuten llevado a cabo frente a lactosa ha sido descrito en el
capiacutetulo 4 figura 49 a Tras eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten con KCl (01 M) se forman las cavidades de reconocimiento especiacutefico
cuya estructura es complementaria a las moleacuteculas de lactosa Una vez
obtenido el sensor se lleva a cabo la deteccioacuten en la disolucioacuten de lactosa
(10 minus4 119872) durante este proceso tiene lugar la especificidad entre la plantilla
polimeacuterica y las moleacuteculas de lactosa presentes en la solucioacuten Con la
disminucioacuten de la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs es posible
estudiar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a lactosa dado
que es un fenoacutemeno que se puede utilizar como un indicador de la presencia
del azuacutecar en la solucioacuten
La disminucioacuten en la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs puede
estar asociado a dos razones en primer lugar la lactosa presente en la
solucioacuten dificulta la transferencia de electrones hasta la superficie del
electrodo [84] En segundo lugar la disminucioacuten de la corriente puede ser
provocada por el efecto denominado ldquogate effectrdquo Este fenoacutemeno es tiacutepico en
los sensores MIP y contribuye a un decremento en la intensidad de la sentildeal
causado por un cambio en la morfologiacutea de la peliacutecula de chitosaacuten al enlazarse
la moleacutecula plantilla a los sitios de unioacuten de eacuteste A causa de este suceso la
capacidad de difusioacuten de los electrones a traveacutes de la peliacutecula polimeacuterica se
produce con una mayor dificultad [91]
139
Figura 49 a) respuesta voltameacutetrica de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M despueacutes de la elucioacuten (rojo) en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M (azul) Respuesta voltameacutetrica de un electrodo BDD blanco en lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (rosa) a1) Detalle de los picos anoacutedicos
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a
lactosa
Para estudiar la sensibilidad del sensor frente a las moleacuteculas de lactosa se
llevaron a cabo detecciones en una solucioacuten de lactosa con una concentracioacuten
10-4 M y 10-3 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M Aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs
En la figura 50 a y b se muestran los voltamogramas obtenidos con los
sensores MIP y NIP respectivamente donde se puede observar que la
intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs disminuye al aumentar la
concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten Como ya se ha indicado dicho
fenoacutemeno tiene lugar en los sensores MIP que utilizan sustancias
electroactivas para el reconocimiento de azuacutecares La presencia del azuacutecar en
la solucioacuten provoca el empeoramiento de la transferencia electroacutenica a traveacutes
de la matriz de chitosaacuten por lo que la intensidad de la sentildeal proporcionada por
el sensor disminuye [41] [84] [212]
140
Figura 50 Estudio de la sensibilidad de un sensor a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) posteriormente en un disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10minus4 119872 (rojo) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M y finalmente en una disolucioacuten de lactosa de
concentracioacuten 10minus3M (azul) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
De la representacioacuten de la intensidad del pico anoacutedico (figura 51)
correspondiente al estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ se obtienen dos rectas
para cada uno de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD La ecuacioacuten correspondiente al sensor MIP para el tramo de (0
mM - 01 mM) es 119910 = 2456119909 + 4175 y para el 2ordm tramo (01 mM ndash 1mM)
119910 = minus116119909 + 1835 Donde ldquoxrdquo es la concentracioacuten de lactosa (mM) e ldquoyrdquo es
la intensidad de sentildeal del pico anoacutedico (μA)
De la misma forma para el sensor NIP la ecuacioacuten para el tramo de (0 mM-
01Mm) es 119910 = minus1043119909 + 2218 y para el segundo tramo (01 ndash 1mM) es la
siguiente 119910 = minus58556119909 + 12336
En esta representacioacuten se demuestra que a mayor concentracioacuten del azuacutecar
menor es la intensidad de la sentildeal proporcionada por ambos sensores (MIP y
NIP) Ademaacutes la intensidad de corriente alcanzada por el sensor MIP y NIP ante
la deteccioacuten de lactosa entre las concentraciones 0 mM ndash 01 mM presenta un
gran salto de deteccioacuten Por otro lado cuando la deteccioacuten se lleva a cabo con
una concentracioacuten de lactosa entre los valores de 01 mM - 1 mM el salto de
deteccioacuten es menos brusco es decir la caiacuteda de corriente tanto del MIP como
del NIP es maacutes baja Por otro lado se aprecia que a una concentracioacuten de
10minus3 119872 de lactosa en la solucioacuten el sensor MIP parece que se llega a saturar
puesto que la diferencia en la intensidad de corriente alcanzada entre los
sensores MIP y NIP es praacutecticamente despreciable Por estas razones se
deberiacutea comprobar el funcionamiento de los sensores llevando a cabo
detecciones frente a concentraciones inferiores de lactosa en la solucioacuten
(10minus5 119872 10minus6 119872 etc)
141
Figura 51 Rectas de la intensidad del pico anoacutedico (Ag2+) de los sensores MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD (negro) y NIP [ CHI-AgNWs]BDD (rojo) en PBP (001 M y pH 74) para un incremento de la concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten (0 01 y 1 mM)
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa
La reproducibilidad del MIP (1275) figura 52 a es inferior a la del NIP
(141) figura 52 b la diferencia de reproducibilidad entre el MIP y el NIP se
debe a que los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
pueden estar afectados por una mala reproducibilidad asociada al proceso de
fabricacioacuten del MIP durante la electrodeposicioacuten electroquiacutemica [210] Aunque
como ya se ha indicado en el anterior apartado el empleo de agentes
reticulantes como el glutaraldehiacutedo contribuyen a la mejora de la
reproducibilidad
142
Figura 52 Reproducibilidad mediante voltametriacutea ciacuteclica en lactosa 10-4M en PBP 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa
El estudio de la repetitividad del sensor (tabla 6) se ha llevado a cabo utilizando
voltametriacutea ciacuteclica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M mediante 5 ciclos consecutivos potencial de -1 V a 1 V
y una velocidad de barrido de 100 mVs El criterio empleado para calcular la
repetitividad del sensor es el CV obtenido del valor de intensidad del pico
anoacutedico Ag2+ de los 4 uacuteltimos ciclos
La repetitividad del MIP (figura 53 a) calculada es del 1251 y la del NIP (figura
53 b) es del 1878 estos resultados demuestran una mala repetitividad que
puede estar asociada a dos factores la peacuterdida de AgNWs en la superficie del
chitosaacuten con cada ciclo y al deterioramiento de la peliacutecula de chitosaacuten lo que
implicariacutea la peacuterdida en la intensidad de la sentildeal
Figura 53 Repetitividad mediante voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
143
Tabla 6 Estudio de la repetitividad a traveacutes de la intensidad de corriente (μA) de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgmL
Ciclo Configuracioacuten
MIP
[CHI-AgNWs- Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]BDD
Intensidad de corriente
2 5038 4457
3 4257 3733
4 37 33
5 3327 2898
CV () 1251 1878
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-
Glucosa]BDD
Se ha sintetizado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD utilizando la
glucosa como moleacutecula plantilla en una concentracioacuten 001 M El
funcionamiento de dicho sensor se ha comparado con un NIP [CHI-
AgNWs]BDD
El sensor se ha sintetizado con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
llevando a cabo la polimerizacioacuten del chitosaacuten por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten cuyos paraacutemetros de medida fueron establecidos en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se muestra el cronoamperograma de la electrodeposicioacuten
llevada a cabo para la fabricacioacuten de los sensores MIP (figura 54 a) y NIP (figura
54 b) Tal y como se ha explicado en el sensor de lactosa en ambos
cronoamperogramas se distinguen cada una de las fases que se corresponden
con la deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten sobre el electrodo BDD con el
tiempo Primero se produce un aumento en la intensidad de corriente debido
a los procesos electroquiacutemicos que ocurren en la celda En la segunda fase
tiene lugar la nucleacioacuten del chitosaacuten en ambos sensores el codo de curvatura
es muy pronunciado lo cual indica que la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo se produce con dificultad Este resultado se podriacutea asociar a la falta
de agitacioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la siacutentesis de los
sensores tal y como se ha indicado en los sensores de lactosa fabricados en
las mismas condiciones Finalmente la peliacutecula de chitosaacuten crece sobre el
electrodo BDD
144
Como en los sensores de lactosa la presencia de glucosa en la disolucioacuten
dificulta la difusioacuten de las especies a traveacutes de la peliacutecula de chitosaacuten Este
resultado se refleja en la intensidad de la corriente final alcanzada en los
cronoamperogramas respectivos donde el MIP alcanza una intensidad 45 μA
y el NIP de 60 μA
Figura 54 Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Se fabricaron dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas
presentaron un CV (calculado siguiendo el mismo criterio que para el sensor de
lactosa) para el MIP del 20 y para el NIP del 1795 La razoacuten de la baja
reproducibilidad se asocia a que las condiciones en las que se realizoacute la
fabricacioacuten o medicioacuten de ambos sensores no fueron las adecuadas siendo un
posible motivo la ausencia de agitacioacuten o una inmersioacuten inadecuada del
electrodo de trabajo y contraelectrodo
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado comparando
la respuesta obtenida por voltametriacutea ciacuteclica de un electrodo BDD blanco con
la respuesta electroquiacutemica proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 55
b) en una disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001M La voltametriacutea ciacuteclica se ha realizado siguiendo el mismo
procedimiento y estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que se han
explicado para el sensor de lactosa
En la figura 55 a se muestra la respuesta voltameacutetrica del blanco donde no es
posible apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten dado que la glucosa no es
un compuesto con actividad electroliacutetica
145
Figura 55 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de glucosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de glucosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL sensor NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
La respuesta voltameacutetrica obtenida de los sensores (MIP y NIP) asiacute como la del
blanco indica que los resultados no son buenos por varias razones En el MIP
no hay nada que sugiera que se haya formado una plantilla polimeacuterica puesto
que la intensidad de corriente alcanzada es muy baja e inferior a la lograda por
el blanco En segundo lugar en el sensor no se aprecia un buen funcionamiento
de los AgNWs puesto que la intensidad de corriente proporcionada por eacutestos
es inferior a la respuesta voltameacutetrica del blanco En adiccioacuten tampoco es
posible apreciar los picos de oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el
estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a glucosa
Teniendo en cuenta estos resultados se puede concluir que los paraacutemetros de
fabricacioacuten utilizados para la elaboracioacuten del sensor MIP no fueron los
adecuados las posibles razones son
En la electrodeposicioacuten del MIP no se llevoacute a cabo agitacioacuten lo que
implica que la cantidad de AgNWs depositados en el electrodo es
insuficiente para apreciar los picos de oxidacioacuten de los mismos
La concentracioacuten de AgNWs en el sensor (1mgmL) es demasiado
pequentildea lo que afectoacute directamente a la respuesta electroquiacutemica del
mismo
Con objeto de estudiar la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de cada
tipo MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute
146
a cabo por medio de voltametriacutea ciacuteclica siguiendo el mismo procedimiento que
en los sensores de lactosa
Para ello se calculoacute el CV del MIP y NIP obteniendo valores de reproducibilidad
del 30 (MIP) y del 12 (NIP) La mala reproducibilidad de los sensores se
puede deber a que las condiciones en las que se llevaron a cabo los
experimentos no fueron las adecuadas siendo una posible causa la falta de
agitacioacuten durante la electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla
para la siacutentesis del MIP o NIP
Finalmente es necesario aclarar que el procedimiento seguido para la
optimizacioacuten del sensor de lactosa con los distintos paraacutemetros de fabricacioacuten
y de medida indicados a lo largo de este trabajo (fabricacioacuten del sensor con
agitacioacuten concentracioacuten de AgNWs uso de agente reticulante glutaraldehiacutedo
etc) se deberiacutean de repetir para el sensor de glucosa descrito en este mismo
punto
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-
Galactosa]BDD
Se ha elaborado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD para la deteccioacuten
de galactosa para ello se utiliza dicho analito como moleacutecula plantilla El
funcionamiento del MIP se ha comparado con un sensor NIP fabricado de la
misma forma pero en ausencia de la moleacutecula de galactosa
A diferencia del resto de las configuraciones explicadas en el presente trabajo
en este caso el sensor se obtuvo por cronoamperometriacutea en presencia de una
moleacutecula plantilla que se encontraba en la solucioacuten en una concentracioacuten 01 M
(el resto de los sensores MIP de glucosa y galactosa se sintetizaron con una
concentracioacuten 001 M de las moleacuteculas plantilla respectivas) Este cambio se
realizoacute con objeto de comprobar coacutemo afectariacutea al sensor un aumento de la
concentracioacuten del azuacutecar en la formacioacuten de la plantilla de chitosaacuten La
polimerizacioacuten se llevoacute a cabo sin agitacioacuten bajo las condiciones indicadas en
el capiacutetulo 4
En la figura 56 a y b se muestra el cronoamperograma obtenido para el MIP y
NIP respectivamente donde se pueden observar las tres fases
correspondientes a la electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el electrodo BDD y
que ya se han explicado en apartados anteriores En ambos sensores se puede
apreciar un proceso de nucleacioacuten muy costoso asiacute como una caiacuteda en la
intensidad de corriente del NIP (60 μA) en comparacioacuten al MIP (50 μA) Tal y
147
como ocurriacutea en el resto de las configuraciones obtenidas mediante
cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
Figura 56 a) Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se fabricaron
dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV
(calculado siguiendo los mismos pasos que para el sensor de lactosa) para el
MIP del 18 y para el NIP del 1725 De nuevo la reproducibilidad es baja las
posibles causas de ello se han indicado para los sensores de lactosa y glucosa
obtenidos bajo las mismas condiciones de fabricacioacuten
Para llevar a cabo un estudio del funcionamiento del MIP se ha comparado la
respuesta de un electrodo BDD blanco con la respuesta electroquiacutemica
proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 57 b) en una solucioacuten de
galactosa 10-4 en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M La respuesta
voltameacutetrica de los sensores MIP y NIP frente a galactosa se obtuvo seguacuten los
paraacutemetros de medida y el protocolo de deteccioacuten establecidos en el capiacutetulo
4 En este caso para llevar a cabo la medicioacuten frente a galactosa se empleoacute
una celda electroquiacutemica distinta con el fin de comprobar el funcionamiento
electroquiacutemico de los sensores en la misma Esta celda presentaba la ventaja
de mantener siempre el mismo aacuterea de contacto de los sensores MIP en el
proceso de deteccioacuten frente al azuacutecar de intereacutes
La respuesta voltameacutetrica del electrodo BDD blanco figura 57 a se obtuvo
estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que fueron indicados en los
sensores de lactosa y glucosa En el voltamograma obtenido no es posible
148
apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten ya que la galactosa no presenta
actividad electroliacutetica
Figura 57 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de galactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de galactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El resultado de la voltametriacutea ciacuteclica figura 57 b demuestra un mal
funcionamiento del sensor MIP ya que la intensidad obtenida por el NIP es
mayor a la intensidad proporcionada por el sensor MIP frente a galactosa
Ademaacutes no es posible apreciar los picos correspondientes a las reacciones de
oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el estudio del comportamiento
electroquiacutemico del sensor frente a galactosa
El mal funcionamiento del MIP se puede asociar a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Ademaacutes en este caso se debe tener en
cuenta que con una concentracioacuten de galactosa 01 M en la solucioacuten que
contiene la mezcla para sintetizar el sensor seguramente se produzca la
saturacioacuten de la misma lo cual impide la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica en
la matriz de chitosaacuten
Finalmente en la figura 57 b se puede observar que la intensidad de corriente
alcanzada por los sensores es muy inferior (lt 5 μA) a la que se obtuvo con el
resto de las configuraciones descritas que presentaban la misma
concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten La razoacuten de la
baja intensidad de la sentildeal se podriacutea atribuir a un menor aacuterea de contacto entre
el electrodo de trabajo y la solucioacuten en la celda empleada en este experimento
en comparacioacuten al aacuterea de contacto que se conseguiacutea con la celda electroliacutetica
utilizada en el resto de los experimentos descritos en este trabajo
149
Para obtener la reproducibilidad se fabricaron dos sensores de cada tipo
MIP[CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP[CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute a
cabo con voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de galactosa 10-4 M siguiendo el
mismo procedimiento que para el sensor de glucosa y lactosa De la misma
forma el criterio empleado para su obtencioacuten fue el caacutelculo del CV obteniendo
un valor para el sensor MIP del 1095 y para el NIP del 756 Ambos
sensores tienen falta de reproducibilidad lo que sugiere que las condiciones
en las que se obtuvieron los sensores no fueron las adecuadas A pesar de ello
el MIP presenta una mayor reproducibilidad que el resto de los sensores
obtenidos a la misma concentracioacuten de AgNWs por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten Lo cual se puede deber al empleo de la celda descrita en el capiacutetulo
4 que mantuvo el mismo aacuterea de contacto del electrodo de trabajo en todo el
proceso de deteccioacuten frente a galactosa
Como se ha indicado en el sensor de glucosa el protocolo de optimizacioacuten
mediante el empleo de diferentes concentraciones de AgNWs fabricacioacuten por
cronoamperometriacutea bajo agitacioacuten concentracioacuten de la moleacutecula plantilla etc
Se deberiacutea realizar para llevar a cabo la optimizacioacuten de un sensor MIP frente
a galactosa que proporcione las mejores prestaciones frente a dicho analito
150
Capiacutetulo VI
Conclusiones y trabajo futuro
151
152
6 Conclusiones y trabajo futuro
61 Conclusiones
En el presente trabajo de fin de grado se han elaborado sensores
nanoestructurados con AgNWs basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Sensor nanoestructurado de lactosa
De los experimentos realizados para la configuracioacuten de este sensor se pueden
extraer las siguientes conclusiones
bull La voltametriacutea ciacuteclica para llevar a cabo la polimerizacioacuten de chitosaacuten no
es un meacutetodo adecuado puesto que no se consigue la polimerizacioacuten
del MIP sobre el electrodo BDD
bull Se ha demostrado que fabricando los sensores sin agitacioacuten MIP [CHI-
AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD y con una concentracioacuten
de AgNWs de 1 mgmL no es posible apreciar los picos de oxidacioacuten de
los AgNWs
bull Se ha comprobado que en la electrodeposicioacuten llevada a cabo con el
MIP frente al NIP se alcanzan valores en la intensidad de corriente
inferiores lo que supone que la presencia del azuacutecar dificulta la
polimerizacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica
bull Se ha demostrado que el paraacutemetro de agitacioacuten durante el proceso de
electrodeposicioacuten facilita el mecanismo de nucleacioacuten del chitosaacuten por
medio de un proceso de difusioacuten de las especies en estado estacionario
Por otro lado la agitacioacuten tiene una gran influencia en el
comportamiento electroquiacutemico del sensor ya que con eacutel se consigue
una mejora del rendimiento y de la reproducibilidad
bull Se ha demostrado la importancia de los AgNWs en el sensor ya que a
traveacutes de ellos se puede llevar a cabo la deteccioacuten de azuacutecares lo que
resulta de gran intereacutes para la deteccioacuten de una gran cantidad de
analitos
bull Se han desarrollado sensores con concentraciones crecientes de
AgNWs comprobaacutendose que la intensidad de corriente es directamente
proporcional a la concentracioacuten de eacutestos Con ello tambieacuten se ha
153
comprobado que a una concentracioacuten de AgNWs en el sensor de 10
mgmL el MIP no funciona bien lo que podriacutea suponer que a
concentraciones tan elevadas se produce la saturacioacuten del sensor
bull Se obtuvieron sensores que se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD en los que se demostroacute
que su uso favoreciacutea la respuesta voltameacutetrica del sensor En los
sensores con ausencia de glutaraldehiacutedo se obtuvo una
reproducibilidad del 23 y 184 para el MIP y NIP respectivamente
Mientras que para el sensor sometido a glutaraldehiacutedo se obtuvo para
el MIP y NIP una reproducibilidad del 837 y 1364 respectivamente
Estos resultados demuestran que la obtencioacuten de sensores en
presencia de un agente reticulante contribuye a obtener una respuesta
maacutes reproducible
bull Para el sensor seleccionado que presenta la configuracioacuten oacuteptima frente
a lactosa se ha llevado a cabo un estudio de la reproducibilidad
repetitividad y sensibilidad Se ha comprobado que la reproducibilidad
de los MIP (1275) es inferior a la de los NIP (141) este resultado
negativo se atribuye a la falta de homogeneidad durante la fabricacioacuten
del sensor Por otro lado tampoco se obtuvieron buenos resultados en
la repetitividad pudiendo ser debido a la peacuterdida de AgNWs o al
deterioramiento de la peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten Finalmente en el
estudio de sensibilidad se comproboacute que el aumento del azuacutecar a una
concentracioacuten de 10-3M en la solucioacuten puede causar la saturacioacuten del
sensor MIP
Sensores de glucosa y galactosa
bull En el sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvieron malos resultados dado que la intensidad
de la sentildeal obtenida entre ambos sensores era inferior a la intensidad
proporcionada por el blanco Lo que demostroacute que las condiciones en
las que se fabricaron los dos tipos de sensores no fueron las adecuadas
El mal funcionamiento se atribuye a la polimerizacioacuten del chitosaacuten en
presencia de AgNWs en ausencia de agitacioacuten y a una concentracioacuten de
AgNWs de 1 mgmL insuficiente
bull En el sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD tambieacuten se obtuvieron malos resultados obteniendo una
peor intensidad en el sensor MIP en comparacioacuten al NIP El mal
funcionamiento del sensor se asocia a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Adicionalmente se comproboacute que
el azuacutecar en una concentracioacuten 01 M en la solucioacuten causoacute la saturacioacuten
del mismo
154
A pesar de que los experimentos realizados son insuficientes como para
predecir su comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de glucosa y
galactosa a priori y en comparacioacuten con los resultados obtenidos en el sensor
frente a lactosa ambos sensores funcionan peor Debido a ello todaviacutea es
necesario llevar a cabo la optimizacioacuten de los mismos para poder predecir su
comportamiento electroquiacutemico frente a los azuacutecares de intereacutes
Trabajo pendiente
Finalmente es necesario aclarar que el trabajo concerniente al desarrollo
experimental no pudo ser concluido debido a la covid-19 los resultados
presentados en esta investigacioacuten se corresponden con un trabajo de
permanencia en el laboratorio de 1 mes y medio
En lo referente al sensor MIP de lactosa se deberiacutea de continuar con la siguiente
investigacioacuten en el laboratorio
bull Terminar de optimizar el sensor con una concentracioacuten de 5 mgmL de
AgNWs dado que es con esta concentracioacuten donde el MIP demostroacute un
mejor comportamiento frente a la deteccioacuten de lactosa Para ello se
propone comprobar el efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta
voltameacutetrica de este sensor y llevar a cabo un estudio de la sensibilidad
a traveacutes de la voltametriacutea ciacuteclica con concentraciones inferiores de
lactosa
bull Una vez optimizado por completo se deberiacutea de estudiar mediante
voltametriacutea ciacuteclica el comportamiento del sensor frente la deteccioacuten de
lactosa variando la proporcioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
(50 60 70 etc)
bull Se debe calcular el liacutemite de deteccioacuten del sensor definido este como
ldquola concentracioacuten maacutes baja a la que se puede detectar el analitordquo El
liacutemite de deteccioacuten generalmente se calcula mediante
cronoamperometriacutea a traveacutes de la siguiente expresioacuten
119871119863 = 3120590
119898
(32)
Ecuacioacuten 32 Caacutelculo del liacutemite de deteccioacuten
155
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son 120590 es la desviacioacuten estaacutendar
de las medidas del blanco entendido este como una muestra sin el
analito y m es la pendiente de la curva de calibracioacuten obtenida de
representar la concentracioacuten de analito con la intensidad de corriente
alcanzada con cada concentracioacuten de analito antildeadida [214] [215]
bull Caracterizar la estructura del sensor MIP y NIP a traveacutes de teacutecnicas
como la espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X y AFM
En lo referente a los sensores MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y MIP [CHI-
AgNWs-Glucosa]BDD se deberiacutea de completar la investigacioacuten llevando a cabo
el mismo estudio que el que se ha efectuado para el sensor de lactosa
62 Trabajo futuro
En relacioacuten con el trabajo futuro relativo al desarrollo de sensores basados en
la tecnologiacutea de impresioacuten molecular se podriacutean llevar a cabo las siguientes
investigaciones
bull En lo referente al estudio de la morfologiacutea de los sensores se propone
llevar a cabo un estudio basado en AFM con el fin de caracterizar la
plantilla polimeacuterica formada
bull Mejorar el proceso de elaboracioacuten de la moleacutecula plantilla depositada
sobre la superficie del electrodo con el fin de mejorar la reproducibilidad
del sensor MIP
bull Llevar a cabo nuevas teacutecnicas de inmovilizacioacuten de los nanohilos de
plata en la peliacutecula de chitosaacuten para conseguir una mejor
reproducibilidad y repetitividad de los sensores nanoestructurados
bull Realizar un estudio del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
frente a otras moleacuteculas interferentes para comprobar la selectividad de
los sensores basados en la impresioacuten molecular
bull Llevar a cabo la construccioacuten de una lengua electroacutenica que consista en
un sistema multisensor basado en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
para la identificacioacuten simultanea de diferentes tipos de azuacutecares Con
156
la lengua electroacutenica se pueden llevar a cabo anaacutelisis en medios
complejos como en la leche zumos yogures batidos etc Lo que resulta
de especial intereacutes en la industria laacutectea
157
Capiacutetulo VII
Bibliografiacutea
158
159
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3 Reactivos materiales y equipos 91
31 Reactivos 91
32 Materiales 92
33 Equipos 92
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental 96
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados 96
411 Preparacioacuten de las disoluciones 96
412 Procedimiento experimental 99
4121 preparacioacuten de los AgNWs 99
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro (BDD) 101
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP 102
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs 105
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico 107
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP 107
4122 voltametriacutea ciacuteclica 109
5 Resultados experimentales y discusioacuten de resultados 115
51 Caracterizacioacuten de AgNWs 115
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-VIS) 115
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM) 116
513 Difraccioacuten de rayos-X 117
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD 118
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa 137
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a lactosa 139
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa 141
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa 142
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs- Glucosa]BDD 143
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD 146
6 Conclusiones y trabajo futuro 152
61 Conclusiones 152
62 Trabajo futuro 155
7 Bibliografiacutea 159
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 REACCIOacuteN ENZIMAacuteTICA DE LA LACTOSA PARA FORMAR GLUCOSA Y GALACTOSA 20
FIGURA 2 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DE LA CASEIacuteNA 25
FIGURA 3 ESTRUCTURA DE UN SENSOR 30
FIGURA 4 MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS (ROJO) MIP BASADOS EN MEacuteTODOS DE
TRANSDUCCIOacuteN ELECTROQUIacuteMICOS EMPLEADOS EN LA DETECCIOacuteN DE AZUacuteCARES (ROSA) PUBLICACIONES
CORRESPONDIENTES AL PERIODO 1999-2019 OBTENIDAS DE LA BASE DE DATOS SCOPUS (ELSEVIER) 37
FIGURA 5 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-MOLEacuteCULA PLANTILLA]BDD EN UNA CELDA
ELECTROLIacuteTICA CON UNA CONFIGURACIOacuteN DE TRES ELECTRODOS (ELECTRODO DE TRABAJO CONTRAELECTRODO Y
ELECTRODO DE REFERENCIA) DONDE SE REPRESENTA LA DEPOSICIOacuteN DE LA SOLUCIOacuteN A TRAVEacuteS DE
ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN POR CRONOAMPEROMETRIacuteA SOBRE UN ELECTRODO DE DIAMANTE DOPADO CON BORO
(BDD) 40
FIGURA 6 ESQUEMA DE FABRICACIOacuteN DE UN SENSOR MIP DONDE SE MUESTRA EL PROCESO DE POLIMERIZACIOacuteN Y A
CONTINUACIOacuteN UN SENSOR MIP DONDE SE HA LLEVADO A CABO EL PROCESO DE ELUCIOacuteN DE LA MOLEacuteCULA
PLANTILLA 42
FIGURA 7 REACCIOacuteN SIMPLIFICADA DEL PROCESO DE ENTRECRUZAMIENTO DEL CHITOSAacuteN CON GLUTARALDEHIacuteDO 43
FIGURA 8 ESTRUCTURA GENEacuteRICAS DE UNA BASE DE SHIFFacuteS CON TRES RADICALES R1 R2 Y R3 43
FIGURA 9 DIAMANTE DOPADO CON BORO SE REPRESENTAN LOS HUECOS INTRODUCIDOS POR EL BORO 45
FIGURA 10 PROCESO DE CRECIMIENTO DE LOS AGNWS 53
FIGURA 11 REPRESENTACIOacuteN DE LOS PLANOS CRISTALOGRAacuteFICOS [111] Y [100] DE UNA ldquoNANOBARRArdquo 53
FIGURA 12 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MICROSCOPIO DE FUERZA ATOacuteMICA 57
FIGURA 13 ESPECTRO ELECTROMAGNEacuteTICO CORRESPONDIENTE A LAS LONGITUDES DE ONDA DE LA REGIOacuteN UV-VIS
62
FIGURA 14 ORBITAL MOLECULAR DE LA BANDA DE VALENCIA Y TRANSICIONES ELECTROacuteNICAS 63
FIGURA 15 A RECTA DE LA ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER Y B REPRESENTACIOacuteN DE LAS DESVIACIONES DE LA
LEY DE LAMBERT- BEE 65
FIGURA 16 ESQUEMA DE UNA CELDA ELECTROLIacuteTICA CONECTADA A UN POTENCIOSTATO QUE PRESENTA UN SISTEMA
DE TRES ELECTRODOS ELECTRODO AUXILIAR ELECTRODO DE REFERENCIA Y ELECTRODO DE TRABAJO 71
FIGURA 17 VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA SENtildeAL DE EXCITACIOacuteN TRIANGULAR 74
FIGURA 18 VOLTAMOGRAMA CIacuteCLICO INTENSIDAD FRENTE A POTENCIAL DEL ANALITO DE INTEREacuteS 75
FIGURA 19 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN TRANSITORIO 80
FIGURA 20 DIFUSIOacuteN DE REacuteGIMEN ESTACIONARIO 82
FIGURA 21 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO DE LA ELECTROPOLIMERIZACIOacuteN DE UN POLIacuteMERO 83
FIGURA 22 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN ldquoXrdquo UNIDADES REPETIDAS DE 2-AMINO-2-DESOXI-BETA-D-
GLUCOPIRANOSA Y UNIDADES REPETIDAS DE 2-ACETILAMINA-2-DESOXI-BETA-D-GLUCOPIRANOSA 85
FIGURA 23 ESTRUCTURA QUIacuteMICA DEL CHITOSAacuteN DONDE SE MUESTRAN LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO ENTRE LOS
GRUPOS ACETILO E HIDROXILO Y EL GRUPO AMINO E HIDROXILO 86
FIGURA 24 EQUIPO EMPLEADO EN LA SIacuteNTESIS DE AGNWS 100
FIGURA 25 EN LA PARTE SUPERIOR DE LA FIGURA Y LEYENDO DE IZQUIERDA A DERECHA SE MUESTRAN LAS ETAPAS DEL
PROCESO FINAL DE OBTENCIOacuteN DE AGNWS 1) Y 2) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA TRAS UN TIEMPO DE REACCIOacuteN DE
1H EN LA QUE HAY UNA MEZCLA DE AGNPS Y AGNWS 3) DISOLUCIOacuteN OBTENIDA DILUIDA CON ETANOL 4)
PRIMERA CENTRIFUGACIOacuteN DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE Y LOS AGNWS 5) 2ordf
CENTRIFUGACIOacuteN DE AGNWS DILUIDOS EN ETANOL DONDE SE APRECIA LA SEPARACIOacuteN ENTRE EL SOBRENADANTE
Y LOS AGNWS 6) AGNWS DILUIDOS EN ETANOL ANTES DE LLEVAR A CABO LA UacuteLTIMA ETAPA DE LA
CENTRIFUGACIOacuteN 7) AGNWS OBTENIDOS DE LA UacuteLTIMA ETAPA DE CENTRIFUGACIOacuteN DONDE EL SOBRENADANTE
HA SIDO ELIMINADO 101
FIGURA 26 ELECTRODOS DE DIAMANTE DOPADO CON BORO (BDD) 102
FIGURA 27 ESPECTROFOTOacuteMETRO EMPLEADO PARA CARACTERIZAR LOS AGNWS 106
FIGURA 28 EQUIPO DE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA MOLECULAR 107
FIGURA 29 POTENCIOSTATO UTILIZADO PARA EL ESTUDIO ELECTROQUIacuteMICO DE LOS SENSORES MIP Y NIP 107
FIGURA 30 ESQUEMA DE TRABAJO PARA LLEVAR A CABO CRONOAMPEROMETRIacuteA INCLUYENDO EL SISTEMA DE
AGITACIOacuteN 109
FIGURA 31 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE LACTOSA Y GLUCOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 110
FIGURA 32 EQUIPO DE TRABAJO EMPLEADO PARA LLEVAR A CABO LA DETECCIOacuteN DE GALACTOSA MEDIANTE
VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA 111
FIGURA 33 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MIP [CHI-AGNWS-AZUacuteCAR]BDD FRENTE A LA DETECCIOacuteN DEL
AZUacuteCAR DE INTEREacuteS 111
FIGURA 34 ESPECTROSCOPIacuteA UV-VIS DEL PRODUCTO OBTENIDO DE LA SIacuteNTESIS DE AGNWS SIN LAVAR (ROJO)
AGNWS PURIFICADOS (AZUL) Y SOBRENADANTE (NEGRO) 116
FIGURA 35 FOTOGRAFIacuteA OBTENIDA MEDIANTE MICROSCOPIacuteA DE FUERZA ATOacuteMICA (AFM) DE UNA MUESTRA DE
AGNWS DEPOSITADA SOBRE UN ELECTRODO BDD 117
FIGURA 36 PATROacuteN DE DIFRACCIOacuteN DE RAYOS-X DE LOS AGNWS 118
FIGURA 37 ELECTRODEPOSICIOacuteN POR VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD 120
FIGURA 38 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 121
FIGURA 39 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP
DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M
EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 123
FIGURA 40 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO SIN AGITACIOacuteN A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP
[CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML 124
FIGURA 41 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 125
FIGURA 42 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y UN B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 5 MGML 127
FIGURA 43 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES OBTENIDOS EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN 128
FIGURA 44 CRONOAMPEROGRAMA OBTENIDO EN PRESENCIA DE AGITACIOacuteN DE UN A) MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE
10 MGML 130
FIGURA 45 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 5 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5 MGML
Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
CORRESPONDIENTES 132
FIGURA 46 INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO AG2+ DE LOS SENSORES MIP (NEGRO) NIP (ROJO) INMERSOS EN UNA
SOLUCIOacuteN DE LACTOSA EN PBP DE CONCENTRACIOacuteN 001 M Y PH 74 SE REPRESENTA UN AUMENTO DE LA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS EN LA PELIacuteCULA DE CHITOSAacuteN (0 5 10 MGML) 133
FIGURA 47 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4 M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD (NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE
AGNWS DE 10 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 10
MGML Y DE UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES
MIP NIP CORRESPONDIENTES 135
FIGURA 48 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74)
(NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA CON KCL (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE
LACTOSA 10-4 M EN PBP (001M PH 74) B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA MIP CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD EN PBP (001 M Y PH 74) (NEGRO) EN PBP DESPUEacuteS DE ELIMINAR LA MOLEacuteCULA PLANTILLA
CON AGUA DESIONIZADA MILLI Q (ROJO) Y EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP (001M PH 74)
137
FIGURA 49 A) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DESPUEacuteS DE LA ELUCIOacuteN
(ROJO) EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10 minus 4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M (AZUL)
RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA DE UN ELECTRODO BDD BLANCO EN LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M (ROSA) A1) DETALLE DE LOS PICOS ANOacuteDICOS 139
FIGURA 50 ESTUDIO DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M (NEGRO) POSTERIORMENTE EN UN DISOLUCIOacuteN
DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 4 119872 (ROJO) EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M Y
FINALMENTE EN UNA DISOLUCIOacuteN DE LACTOSA DE CONCENTRACIOacuteN 10 minus 3M (AZUL) EN PBP DE PH 74 Y
CONCENTRACIOacuteN 001 M A1) Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP
RESPECTIVAMENTE 140
FIGURA 51 RECTAS DE LA INTENSIDAD DEL PICO ANOacuteDICO (AG2+) DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-
LACTOSA]BDD (NEGRO) Y NIP [ CHI-AGNWS]BDD (ROJO) EN PBP (001 M Y PH 74) PARA UN
INCREMENTO DE LA CONCENTRACIOacuteN DE LACTOSA EN LA SOLUCIOacuteN (0 01 Y 1 MM) 141
FIGURA 52 REPRODUCIBILIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN LACTOSA 10-4M EN PBP 74 Y CONCENTRACIOacuteN
001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1) Y B1) DETALLES DE LOS
PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 53 REPETITIVIDAD MEDIANTE VOLTAMETRIacuteA CIacuteCLICA EN UNA SOLUCIOacuteN DE LACTOSA 10-4M EN PBP DE PH
74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M A) MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD B) NIP [CHI-AGNWS]BDD A1)
Y B1) DETALLES DE LOS PICOS ANOacuteDICOS DE LOS SENSORES MIP NIP RESPECTIVAMENTE 142
FIGURA 54 CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD Y B) NIP [CHI-AGNWS]BDD
AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 144
FIGURA 55 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GLUCOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GLUCOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML SENSOR NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO ) CON
UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 145
FIGURA 56 A) CRONOAMPEROGRAMA DE A) MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD Y B) NIP [CHI-
AGNWS]BDD AMBOS SENSORES CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1MGML 147
FIGURA 57 A) VOLTAMOGRAMA DE UN ELECTRODO BDD EN BLANCO EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA 10-4M EN
PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001M B) RESPUESTA VOLTAMEacuteTRICA EN UNA DISOLUCIOacuteN DE GALACTOSA
10-4 M EN PBP DE PH 74 Y CONCENTRACIOacuteN 001 M DE UN SENSOR MIP [CHI-AGNWS-GALACTOSA]BDD
(NEGRO) CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML NIP [CHI-AGNWS]BDD (ROJO) CON UNA
CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 1 MGML Y UN ELECTRODO BDD BLANCO (AZUL) 148
Iacutendice de tablas
TABLA 1 POTENCIAL (MV) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN SENSOR MIP
[CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN
DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 2 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD CON 5 MGML DE AGNWS 0BTENIDO CON AGITACIOacuteN Y SIN
AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 129
TABLA 3 CV () DE LOS SENSORES MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS] CON 5 MGML DE
AGNWS 0BTENIDOS CON AGITACIOacuteN Y SIN AGITACIOacuteN DURANTE LA CRONOAMPEROMETRIacuteA 130
TABLA 4 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD AMBOS CON UNA CONCENTRACIOacuteN
DE AGNWS 5 Y 10 MGML 133
TABLA 5 INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) CORRESPONDIENTE A LAS REACCIONES DE OXIDACIOacuteN DE LOS AGNWS DE UN
SENSOR MIP [CHI-AGNWS-LACTOSA]BDD MIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP
[CHI-AGNWS]BDD NIP [CHI-GLUTARALDEHIacuteDO-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS
DE 10 MGML 136
TABLA 6 ESTUDIO DE LA REPETITIVIDAD A TRAVEacuteS DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (ΜA) DE UN SENSOR MIP [CHI-
AGNWS-LACTOSA]BDD Y NIP [CHI-AGNWS]BDD CON UNA CONCENTRACIOacuteN DE AGNWS DE 5MGML
143
Iacutendice de ecuaciones
ECUACIOacuteN 1 CAacuteLCULO DE LA DENSIDAD 14
ECUACIOacuteN 2 LEY DE SNELL 16
ECUACIOacuteN 3 CAacuteLCULO DEL CONTENIDO DE SOacuteLIDOS () A PARTIR DEL PESO DE LA LECHE ANTES Y DESPUEacuteS DE LA
DESECACIOacuteN 17
ECUACIOacuteN 4 ECUACIOacuteN DE RICHMOND 17
ECUACIOacuteN 5 LEY DE PLANCK 60
ECUACIOacuteN 6 LEY DE LA TRANSMITANCIA 61
ECUACIOacuteN 7 CAacuteLCULO DE LA ABSORBANCIA 61
ECUACIOacuteN 8 ECUACIOacuteN DE LA LEY DE LAMBERT-BEER 64
ECUACIOacuteN 9 LEY DE BRAGG 66
ECUACIOacuteN 10 ECUACIOacuteN DE NERST 68
ECUACIOacuteN 11 ECUACIOacuteN DEL POTENCIAL RESULTANTE DE UNA CELDA ELECTROQUIacuteMICA 68
ECUACIOacuteN 12 REACCIOacuteN QUIacuteMICA GENERAL DE UN PROCESO DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN 69
ECUACIOacuteN 13 ECUACIOacuteN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO TERMODINAacuteMICA 69
ECUACIOacuteN 14 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS 69
ECUACIOacuteN 15 ECUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA LIBRE DE GIBBS RELACIONADA CON LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
TERMODINAacuteMICA 70
ECUACIOacuteN 16 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO SCE 72
ECUACIOacuteN 17 REACCIOacuteN DE OXIDACIOacuteN-REDUCCIOacuteN EN UN ELECTRODO AGAGCL 72
ECUACIOacuteN 18 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 19 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE PICO ANOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 20 CAacuteLCULO DEL POTENCIAL DE MEDIA ONDA PARA UN PROCESO REVERSIBLE 76
ECUACIOacuteN 21 LEY DE RANDLES SEYCIK PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 22 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO REVERSIBLE 77
ECUACIOacuteN 23 LEY DE RANDLES-SEVCIK PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 24 RELACIOacuteN DE LA CORRIENTE DE PICO ANOacuteDICO Y CATOacuteDICO PARA UN PROCESO IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 25 POTENCIAL PARA UN PROCESO TOTALMENTE IRREVERSIBLE 78
ECUACIOacuteN 26 LEY DE DIFUSIOacuteN DE FICK 79
ECUACIOacuteN 27 ECUACIOacuteN DE COTTRELL 81
ECUACIOacuteN 28 ECUACIOacuteN DE LEVICH 81
ECUACIOacuteN 29 CAacuteLCULO DEL ESPESOR DE UNA PELIacuteCULA POLIMEacuteRICA A PARTIR DE LA 1ordf LEY DE FARADAY 83
ECUACIOacuteN 30 ECUACIOacuteN DE HENDERSON-HASSELBACH 97
ECUACIOacuteN 31 CAacuteLCULO DEL COEFICIENTE DE VARIACIOacuteN (CV) O (RSD) 120
ECUACIOacuteN 32 CAacuteLCULO DEL LIacuteMITE DE DETECCIOacuteN 154
1
Capiacutetulo I
Introduccioacuten y objetivos
2
3
1 Introduccioacuten y objetivos
11 Introduccioacuten
La industria de la alimentacioacuten forma parte del sector de produccioacuten industrial
cuyo principal objetivo es transformar conservar y proporcionar productos
destinados al consumo humano Los procesos de transformacioacuten y elaboracioacuten
de alimentos tienen como objeto cumplir con los haacutebitos de alimentacioacuten de
las personas asiacute como alargar la vida uacutetil del producto conservando sus
propiedades organoleacutepticas [1]
De acuerdo con los datos publicados por el Ministerio de Agricultura Pesca y
Alimentacioacuten la industria de la alimentacioacuten da empleo a cerca de 5 millones
de personas dentro de la UE generando un total de 110900 Meuro Espantildea
ocupa el 4ordm puesto en la generacioacuten de negocios (87 ) quedando por detraacutes
de Francia (162) Alemania (154) e Italia (12) [2]
En Espantildea este sector constituye un importante motor dentro de la economiacutea
ya que representa el 16 del total de la industria del paiacutes Hay 29196
empresas que dan empleo a cerca de 450000 miles de personas lo que
supone el 202 del empleo industrial dentro del paiacutes [2]
Castilla y Leoacuten es la 3ordf Comunidad Autoacutenoma por detraacutes de Cataluntildea y
Andaluciacutea que genera maacutes produccioacuten dentro del sector con una cifra de
10133 Meuro [2] Valladolid Burgos y Leoacuten representan el 60 de las
exportaciones dentro del sector agroalimentario destacando subsectores
como la industria laacutectea la industria caacuternica industria de vinos y bebidas
azuacutecar y derivados pan y galletas [3]
En cuanto al sector laacutecteo seguacuten los datos proporcionados por el ministerio de
agricultura pesca y alimentacioacuten la comunidad de Castilla y Leoacuten alcanzoacute en
el antildeo 2017 una produccioacuten de 1169 millones de litros de leche ademaacutes es
la primera regioacuten productora de la leche de oveja en Espantildea [4][5]
La industria alimentaria estaacute en constante crecimiento y desarrollo con el fin
de adaptarse a sus cambios e innovaciones se hace necesaria la introduccioacuten
de recursos tecnoloacutegicos es por ello por lo que actualmente se encuentra en
la denominada 4ordf revolucioacuten industrial industria inteligente o industria 40 La
industria 40 es capaz de mejorar la calidad eficiencia y competitividad entre
diferentes sectores Dentro de la industria alimentaria el sector
agroalimentario es el maacutes involucrado puesto que busca la automatizacioacuten y
4
digitalizacioacuten de los procesos industriales para mejorar su eficiencia y
productividad y asiacute cumplir con la demanda del mercado [6] Ademaacutes la
industria alimentaria debe garantizar el suministro de productos seguros que
no comprometan la salud de las personas debido a ello se adoptan medidas
que aseguren el buen estado de los alimentos por ello como en el resto de
sectores el sector laacutecteo se encuentra sometido a una normativa estricta [7]
La industria 40 posibilita llevar a cabo un control y automatizacioacuten de todo el
proceso productivo para alcanzarlo cuenta con unos pilares fundamentales
entre los que cabe destacar el empleo de la nanotecnologiacutea Adaptaacutendose a los
cambios que posibilita esta revolucioacuten industrial y con objeto de aplicar la
industria 40 mediante la introduccioacuten de sensores basados en nanomateriales
surgen equipos de investigacioacuten relacionados con este campo
En Valladolid se encuentra el grupo UvaSens dirigido por la catedraacutetica Mariacutea
Luz Rodriacuteguez Meacutendez del departamento de Quiacutemica Fiacutesica y Quiacutemica
inorgaacutenica UvaSens nacioacute en 1962 y actualmente se encuentra asentado en
la escuela de Ingenieriacuteas Industriales de la Universidad de Valladolid Estaacute
integrado por un grupo multidisciplinar con quiacutemicos fiacutesicos e ingenieros El
grupo surge con el objeto de elaborar sensores y redes de sensores que sean
fiables reproducibles y que faciliten las tareas de control de calidad en
alimentacioacuten y bebidas Actualmente el grupo trabaja en dos liacuteneas de
investigacioacuten [8][9]
La primera estaacute dirigida al desarrollo de sensores y biosensores
nanoestructurados utilizando teacutecnicas como Layer by layer Langmuir-Blodgett
spin coating o teacutecnicas electroquiacutemicas [8] En cuanto a la segunda liacutenea de
investigacioacuten el equipo se dedica a la elaboracioacuten de sistemas multisensor
denominados lenguas electroacutenicas y narices electroacutenicas cuyo fundamento es
imitar el sentido del gusto y del olfato respectivamente [10][11] Los sensores
y biosensores desarrollados por el grupo UvaSens son de especial intereacutes en la
industria alimentaria ya que se dedican principalmente al estudio del vino [12]
la cerveza [13] y la leche [14]
Este trabajo se centra en el desarrollo de sensores electroquiacutemicos en los que
se incorporan nanoestructuras metaacutelicas para detectar azuacutecares de intereacutes en
la industria alimentaria que pueden encontrarse en bebidas como la leche
zumos batidos etc
12 Objetivos
5
El objetivo principal del presente trabajo ha sido desarrollar sensores
voltameacutetricos basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular MIPs para la
deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa utilizando nanohilos de plata
(AgNWs) Para conseguirlo se han persigo una serie de objetivos secundarios
como son
1 La optimizacioacuten de la siacutentesis de AgNWs a traveacutes del meacutetodo poliol y su
caracterizacioacuten mediante espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X
(DRX) y microscopiacutea de fuerza atoacutemica molecular (AFM)
2 La obtencioacuten de MIPs a traveacutes de meacutetodos electroquiacutemicos mediante la
deposicioacuten de una peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten modificada con
AgNWs en presencia de la moleacutecula plantilla de intereacutes
3 El estudio de la especificidad introducida por la plantilla polimeacuterica en
los sensores MIPs llevando a cabo su comparacioacuten con sensores
preparados en las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula
plantilla denominados NIPs
4 La determinacioacuten del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
MIPs por medio de teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea ciacuteclica
para la deteccioacuten de lactosa glucosa y galactosa
5 La optimizacioacuten de los sensores MIPs frente a la deteccioacuten de lactosa
para ello se ha realizado la modificacioacuten de distintos paraacutemetros en el
desarrollo del sensor y de medida como son el meacutetodo de
electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la
obtencioacuten de los sensores MIP o NIP desarrollo de los sensores en
presencia de agitacioacuten o sin ella concentracioacuten de AgNWs el uso de
glutaraldehiacutedo como agente reticulante y el empleo de distintos
eluyentes de la moleacutecula plantilla
6
Capiacutetulo II
Desarrollo del TFG
7
8
2 Fundamento teoacuterico
21 Contextualizacioacuten Nanociencia y
Nanotecnologiacutea
La nanociencia es una rama de la ciencia en la que convergen conocimientos
de la fiacutesica quiacutemica ingenieriacutea biologiacutea entre otros Se define como la
tecnologiacutea encargada del disentildeo y manejo de la materia a nivel de aacutetomos o
moleacuteculas para la fabricacioacuten de productos a nano-escala [10]
La nanotecnologiacutea implica controlar y comprender la materia a escala
nanomeacutetrica por lo que se basa en el estudio de nanomateriales de tamantildeo
entre 1 y 100 nanoacutemetros Su intereacutes radica en que las sustancias a esta
escala presentan propiedades fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas diferentes a las
que tienen los materiales a escala macroscoacutepica Una de sus caracteriacutesticas
maacutes interesantes es que su tamantildeo y aacuterea de superficie de tamantildeo
nanomeacutetrico les confieren una mayor estabilidad reactividad quiacutemica y
bioloacutegica haciendo posible el desarrollo de nuevos materiales con muacuteltiples
aplicaciones en diferentes sectores como en la fabricacioacuten de sensores [10]
El teacutermino ldquonanotecnologiacuteardquo fue utilizado por primera vez en 1974 por Norio
Tanigushi pero no fue hasta la deacutecada de 1980 con el desarrollo del
microscopio de Tuacutenel de Barrido (STM) cuando la nanotecnologiacutea comenzoacute a
abrirse camino entre los investigadores hasta la actualidad A lo largo del SXX
han tenido lugar acontecimientos que han marcado el mundo de la
nanotecnologiacutea como el descubrimiento de los fullerenos (1985) o de los
nanotubos de carbono (1991) [15] La nanotecnologiacutea ha seguido
evolucionando a lo largo del SXXI donde se han desarrollado nanomateriales
interesantes como los AgNWs que resultan de especial intereacutes en la
elaboracioacuten de sensores por sus excelentes propiedades oacutepticas y eleacutectricas
los primeros estudios acerca de estos nanomateriales datan en el antildeo 2006
[16] [17]
En la actualidad la nanotecnologiacutea encabeza una revolucioacuten tecnoloacutegica que
forma parte de muacuteltiples sectores Actualmente se trabaja en diversos campos
como el anaacutelisis sensorial electroacutenica comunicacioacuten produccioacuten de energiacutea
medicina e industria de los alimentos [18]
211 La nanociencia en la industria alimentaria
Nanosensores
9
En la industria alimentaria la nanotecnologiacutea se abre camino asegurando la
inocuidad y calidad de los alimentos aunque su incorporacioacuten en este sector
resulta algo tardiacutea debido al rechazo por parte de la poblacioacuten a la inclusioacuten de
nanomateriales por miedo a que provoquen efectos adversos en el organismo
[18]
A pesar de ello la nanotecnologiacutea representa un claro sector con un enorme
potencial en la industria alimentaria donde se encuentra en pleno desarrollo
Las cuatro vertientes en los que se divide son [18]
bull La necesidad de mejorar y simplificar la produccioacuten primaria y el
procesado de alimentos
Desarrollo de sensores inteligentes
Incorporacioacuten de nuevos pesticidas
Refuerzo de la alimentacioacuten animal
Produccioacuten de antiaglomerantes y nanoencapsulacioacuten de
sabores
bull Garantizar la inocuidad Seguridad alimentaria
Diagnoacutestico y deteccioacuten de la presencia de contaminantes
bull Embalaje de los alimentos
Antimicrobiales
bull Nutricioacuten
Fabricacioacuten de nanoemulsiones que mejoran la distribucioacuten de
los ingredientes farmaceacuteuticos activos [19]
Adicionalmente con el fin de proporcionar alimentos y bebidas que no
comprometan la salud del consumidor se debe asegurar la deteccioacuten de
sustancias en concentraciones extremadamente pequentildeas Por ello es
interesante la implementacioacuten de la nanotecnologiacutea en este aacutembito ya que
posibilita llevar a cabo detecciones maacutes precisas mediante el empleo de
nanosensores y la incorporacioacuten de nanocompuestos Con estas innovaciones
se consigue incrementar la sensibilidad selectividad y la relacioacuten
10
aacutereavolumen de los sensores permitiendo realizar anaacutelisis maacutes precisos y
exactos [18]
22 La industria laacutectea Materia prima leche
La industria laacutectea es un sector cuya materia prima principal es la leche este
sector produce anualmente cerca de 76 millones de toneladas de productos
laacutecteos La mayoriacutea de leche que se produce en Espantildea es de origen vacuno
(88) quedando por detraacutes la leche de oveja cabra y de otros animales
productores de leche [20] La comercializacioacuten de la leche puede llevarse a
cabo en diferentes formas leche liacutequida leche evaporada o concentrada leche
condensada y leche en polvo [21]
La leche se considera un producto baacutesico en la alimentacioacuten desde la
antiguumledad ya que se obtiene de manera natural y constituye un alimento
completo rico en proteiacutenas vitaminas grasas minerales entre otros
componentes Se define como un ldquoproducto iacutentegro y fresco de la ordentildea de
vacas sanas bien alimentadas y en reposo exenta de calostro y que cumple
con las caracteriacutesticas fiacutesicas y microbioloacutegicas establecidasrdquo [22] [23]
La leche es un producto muy complejo susceptible a que en eacutel se produzcan
importantes cambios que afecten a su calidad Por ello se establecen una serie
de factores que determinan su variabilidad alterabilidad y complejidad [22]
bull Variabilidad
La leche es un producto natural de origen bioloacutegico por lo que su composicioacuten
y propiedades fiacutesico - quiacutemicas vendraacuten determinados por
Raza y especie la leche entre diferentes especies (vaca oveja
cabra etc) presenta importantes diferencias respecto al contenido
de extracto seco materia grasa carbohidratos etc [22]
Por otro lado dentro de la misma raza tambieacuten surgen importantes
diferencias debidas al contenido proteico y tamantildeo de los gloacutebulos
lipiacutedicos [23]
Factores fisioloacutegicos el momento de extraccioacuten y el nuacutemero de
lactaciones afectan enormemente a la composicioacuten quiacutemica de la
leche teniendo en cuenta que los primeros diacuteas de lactancia se
11
obtiene calostro de composicioacuten quiacutemica muy distinta a la leche [22]
[23]
Alimentacioacuten la calidad de los productos utilizados en la
alimentacioacuten del animal puede afectar a su valor nutritivo [22]
Patologiacuteas los animales pueden presentar enfermedades como la
mastitis que alteran el sabor de la leche haciendo que eacutesta
adquiera un gusto salado [24]
Tratamientos el calentamiento es uno de los tratamientos teacutermicos
maacutes importantes que se llevan a cabo en la leche ya que para
garantizar su calidad higieacutenica es necesario eliminar el agua Sin
embargo estos tratamientos pueden producir efectos negativos
sobre la composicioacuten y propiedades de la leche Por ejemplo un
excesivo calor provoca la precipitacioacuten de proteiacutenas solubles de la
caseiacutena aumento de la acidez reduccioacuten de calcio etc [22]
bull Alterabilidad
La leche es un producto faacutecilmente alterable ya que en eacutel se pueden producir
importantes cambios que afecten a sus buenas propiedades o a su calidad Los
principales cambios que pueden tener lugar en la leche se describen a
continuacioacuten
Durante el ordentildeo del animal se pueden provocar cambios fiacutesicos estos tienen
lugar si se lleva a cabo un ordentildeo inadecuado haciendo que entre en la ubre
aire lo cual ocasiona la incorporacioacuten de oxiacutegeno y nitroacutegeno Otros cambios
fiacutesicos importantes que se pueden producir se deben al efecto de la
temperatura Por ejemplo temperaturas demasiado bajas provocan la
cristalizacioacuten de la materia grasa dando lugar a cambios en la textura de la
leche [22]
Debido a su riqueza nutricional la leche es un producto susceptible a que se
desarrollen microorganismos despueacutes de los procesos de tratamiento los
cambios microbioloacutegicos maacutes frecuentes se deben al desarrollo de bacterias
laacutecticas que llevan a cabo los procesos de fermentacioacuten de la lactosa Con la
fermentacioacuten la lactosa se transforma en aacutecido laacutectico lo que provoca un
aumento de la acidez en la leche ademaacutes se producen compuestos volaacutetiles
aportando olores desagradables [22]
En cuanto a los cambios quiacutemicos la luz puede ejercer un efecto catalizador
dando lugar a reacciones de oxidacioacuten indeseables un ejemplo es la oxidacioacuten
12
del α-tocoferol o de la vitamina E (un antioxidante natural de la grasa) y de los
carotenos [22] [26] Los cambios quiacutemicos tambieacuten pueden ser debidos a la
accioacuten de enzimas [22]
221 Evaluacioacuten de la calidad de la leche
Los productores de leche deben asegurar una entrega de producto con
ausencia de alteraciones defectos o posibles contaminantes Para ello se
realizan una serie de pruebas tanto de control de calidad como sanitario y asiacute
asegurar el suministro de leche que no afecte negativamente a la salud del
consumidor [27]
El control de calidad generalmente se lleva a cabo mediante la evaluacioacuten de
las propiedades fiacutesico - quiacutemicas microbioloacutegicas y sensoriales de las muestras
de leche con pruebas y controles como son
bull Pruebas realizadas en planta control de temperatura caracteres
organoleacutepticos lactofiltracioacuten (informa sobre la presencia de
contaminantes a causa de la falta de limpieza durante la produccioacuten de
la leche) y control de peso especiacutefico (el peso especiacutefico variacutea con la
composicioacuten quiacutemica de la leche por lo que se emplea para detectar
posibles casos de adulteracioacuten) [27]
bull Pruebas realizadas en el laboratorio prueba de acidez pH reduccioacuten
de colorantes etc [27]
222 Caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche
Fiacutesicamente la leche se define como un compuesto liacutequido opaco de color
blanco y con el doble de viscosidad que el agua [23]
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche contribuyen a ofrecer una
primera percepcioacuten de la calidad del producto y son aquellas caracteriacutesticas
que se pueden distinguir a traveacutes de nuestros sentidos Un color inusual
advierte sobre la presencia de microorganismos un aroma desagradable
podriacutea indicar la presencia de bacterias debido a que la leche ha estado en
contacto con utensilios sucios o a que se ha almacenado inadecuadamente
[27] Otro factor fundamental que determina la calidad de la leche es la
alimentacioacuten del animal ademaacutes el tipo de terreno pienso y pasto determinan
los nutrientes de la leche y por tanto tambieacuten su calidad [23]
13
Las caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche son [27]
bull Textura la viscosidad es un factor que determina la textura de la leche
la leche liacutequida tiene una viscosidad de aproximadamente 2 ∙ 10minus3119875119886 ∙
119904 su valor depende de la presencia de microorganismos capaces de
producir polisacaacuteridos y de su contenido en materia grasa y proteiacutenas
[27] [28]
bull Color el color natural de la leche es el blanco este color es el resultado
del fenoacutemeno oacuteptico de refraccioacuten que se produce cuando un haz de luz
incide sobre las partiacuteculas coloidales que hay en ella [22]
Los coloides estaacuten presentes en la materia grasa cuando la leche es
semidesnatada presenta un color azulado y cuando es rica en grasa el
color es gris amarillento La percepcioacuten de otras tonalidades (rosado
amarillo o azul) se debe a la contaminacioacuten o al crecimiento de
microorganismos en la leche [27]
bull Sabor la leche en buen estado presenta un sabor ligeramente dulce por
la presencia de azuacutecares como la lactosa Otros sabores informan sobre
el mal estado del producto Por ejemplo el sabor aacutecido se produce por
la presencia del aacutecido laacutectico el sabor salado se debe a la presencia de
cloruros procedentes del uacuteltimo periodo de lactancia del animal [27]
bull Aroma la leche presenta un olor caracteriacutestico debido a la presencia de
compuestos orgaacutenicos volaacutetiles de bajo peso molecular como
aldehiacutedos cetonas aacutecidos entre otros [27]
223 Propiedades fiacutesico - quiacutemicas
La leche tiene una estructura fiacutesica compleja ya que en ella se encuentran tres
estados de agregacioacuten de la materia [23]
bull Emulsioacuten en la leche se encuentra la materia grasa en forma de
gloacutebulos los cuales se encuentran en emulsioacuten en el seno de un liacutequido
acuoso a este conjunto se le denomina suero
bull Dispersioacuten coloidal una dispersioacuten coloidal estaacute formada por partiacuteculas
soacutelidas no disueltas en una fase dispersante (el agua) En esta fase
principalmente se encuentran las micelas de caseiacutena
14
Cuando las partiacuteculas soacutelidas presentan gran afinidad por el agua se
forma una disolucioacuten coloidal dentro de esta fase se encuentran las
proteiacutenas del suero
bull Disolucioacuten verdadera formada principalmente por lactosa y minerales
A continuacioacuten se describen las propiedades fiacutesicas de la leche
bull Densidad la densidad de la leche depende del contenido total de
algunos de sus componentes como agua proteiacutenas minerales lactosa
y soacutelidos no grasos a una determinada temperatura A 15ordmC la densidad
de la leche variacutea entre un valor de 1027 gmL y 1040 gmL [23]
La densidad se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten [22]
[28]
1
120588= (
119898119909
120588119909 )
(1)
Ecuacioacuten 1 Caacutelculo de la densidad
Donde 120588119909 es la densidad de cada componente 119898119909 es la masa de cada
componente y 120588 es la densidad total
La densidad es un buen indicador de posibles alteraciones que haya
podido sufrir la leche ya que disminuye al antildeadir agua grasa y con el
aumento de la temperatura [28]
bull Acidez la acidez de la leche es funcioacuten de la acidez actual (pH) y de la
titulable La acidez actual depende de la concentracioacuten de iones
hidroacutegeno libres H+ y la acidez titulable se corresponde con la acidez de
los componentes que por medio de la titulacioacuten liberan iones H+ al
medio [29]
La acidez total de la leche de vaca variacutea entre un 014-018 y depende
principalmente de la acidez de la caseiacutena sales minerales aacutecidos
orgaacutenicos reacciones secundarias debidas a los grupos fosfatos y de la
presencia de aacutecido laacutectico liberado por la actividad microbiana [29]
15
bull pH el pH de la leche representa la acidez actual y se mide con la
concentracioacuten de iones H+ libres [29] La leche generalmente presenta
un valor de pH ligeramente aacutecido entre 65 y 69 valores inferiores o
superiores no son normales e indicariacutean un posible caso de adulteracioacuten
[29] Ademaacutes el pH es un factor que se ve muy afectado por la
temperatura disminuyendo su valor con el aumento de eacutesta debido a la
insolubilidad del fosfato [29]
bull Viscosidad se refiere a la resistencia de un liacutequido a fluir en la leche
depende del contenido total en materia grasa de las proteiacutenas de la
temperatura y en menor grado del estado fiacutesico de las sustancias
disueltas en ella A temperatura ambiente la leche presenta una
viscosidad entre un valor de 15 10-3 Pa∙s y 2 ∙ 10minus3 Pa∙s [24]
La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura es decir
con el aumento de la temperatura la viscosidad disminuye Ademaacutes
tambieacuten depende de la composicioacuten quiacutemica de la leche siendo la leche
entera maacutes viscosa que la leche desnatada [22]
bull Calor especiacutefico se define como las caloriacuteas necesarias para elevar en
un grado centiacutegrado un gramo de leche El valor tiacutepico del calor
especiacutefico de la leche entera es de 093 cal gordm∙C [22][23]
bull Punto de congelacioacuten se define como la temperatura a la que se
produce la solidificacioacuten de un liacutequido Es una propiedad fiacutesica
importante pues permite detectar adulteraciones en la leche El punto
de congelacioacuten de la leche se encuentra en un valor de temperatura
comprendido entre 0513 ordmC y 0565 ordmC [22]
bull Punto de ebullicioacuten se define como el punto en el que un liacutequido hierve
al aumentar la temperatura El punto de ebullicioacuten de la leche es de
10017ordmC [22]
bull Iacutendice de refraccioacuten (n) el iacutendice de refraccioacuten mide el cambio de la
direccioacuten que sufre la luz cuando la radiacioacuten atraviesa un medio con
un iacutendice de refraccioacuten distinto del que proviene [28] En el caso de la
leche el iacutendice de refraccioacuten mide la variacioacuten de la direccioacuten que
experimenta un haz de luz al pasar del aire a leche El valor del iacutendice
de refraccioacuten ldquonrdquo se calcula con la ley de Snell mediante la siguiente
expresioacuten [28]
16
1198991 ∙ 1199041198901198991205791 = 1198992 ∙ 1199041198901198991205792
(2)
Ecuacioacuten 2 Ley de Snell
Donde n1 y n2 son el valor de los iacutendices de refraccioacuten de cada medio
1205791 es el aacutengulo con el que incide el haz de luz y 1205792 es el aacutengulo de
refraccioacuten de la luz
La refraccioacuten de la luz es una propiedad aditiva es decir que la
refraccioacuten total es el resultado de la suma de los iacutendices de refraccioacuten
de cada uno de los componentes de la leche [28] Se trata de un factor
relevante ya que permite detectar posibles casos de adulteracioacuten en la
leche por ejemplo si estaacute aguada el iacutendice seraacute proacuteximo al del agua lo
que puede indicar un fraude [28] Por otro lado se ha demostrado que
el valor de n disminuye con la edad del animal y aumenta con la acidez
del medio por lo que la reflectometriacutea aplicada en muestras de leche es
una herramienta muy uacutetil para determinar dichas caracteriacutesticas [28]
bull Potencial de oxidacioacuten-reduccioacuten (Eh) el potencial redox se refiere a la
capacidad de oxidacioacuten (peacuterdida de electrones) o reduccioacuten (ganancia
de electrones) que tiene una solucioacuten [30]
El potencial redox de la leche a 25ordmC generalmente variacutea entre 250 mV
- 350 mV este potencial se debe a la presencia del oxiacutegeno disuelto y a
la existencia de sustancias reductoras naturales Esta propiedad es
importante ya que informa sobre la calidad de las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche por ejemplo el proceso de fermentacioacuten de
las bacterias de la lactosa a aacutecido laacutectico supone una caiacuteda del potencial
por el consumo del oxiacutegeno [30] Ademaacutes el poder reductor de ciertas
especias que se encuentran naturalmente en la leche las cuales se
mencionaraacuten maacutes adelante impiden que se desarrollen sabores
desagradables en ella [23]
224 Composicioacuten quiacutemica de la leche
La leche se considera un alimento completo por su importante carga nutritiva
El componente mayoritario de la leche es el agua que representa entre el 86 y
el 88 del total de sus constituyentes el agua estaacute en equilibrio con los
17
nutrientes que se encuentran en diferentes fases disolucioacuten dispersioacuten
coloidal y emulsioacuten [31]
A continuacioacuten se presenta la composicioacuten quiacutemica de la leche
bull El agua es la fase continua de la leche y se puede encontrar en forma
de agua ligada y agua libre El agua libre se encuentra en mayor
proporcioacuten y en ella estaacuten la lactosa y las sales El agua ligada o de
enlace se encuentra en la superficie de los compuestos no solubles
formando enlaces con los componentes y es maacutes complicada de extraer
[22]
bull Extracto seco de la leche el extracto seco lo forman las sustancias de
la leche (a excepcioacuten del agua) que se obtienen por desecacioacuten o
evaporacioacuten del agua [22] El contenido de materia o extracto seco de
la leche es del 12 - 125 de solidos totales [22] Para determinarlo
se puede utilizar el peso (Kg) de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten o a traveacutes de la densidad y del contenido en materia grasa
de la leche Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones [22] [31]
119904oacute119897119894119889119900119904 () = (119875prime
119875) ∙ 100
(3)
Ecuacioacuten 3 Caacutelculo del contenido de soacutelidos () a partir del peso de la leche antes y despueacutes de la
desecacioacuten
bull Donde Prsquo es el peso en g de la leche despueacutes de la
desecacioacuten y P es el peso de la leche antes de la
desecacioacuten
119878 119879 = (025 times 119863) + (121 times 119866) + 066
(4)
Ecuacioacuten 4 Ecuacioacuten de Richmond
bull Donde D es el valor de la densidad de la leche en gmL y
G es el contenido en materia grasa de la leche
18
bull Gluacutecidos
La cantidad total de gluacutecidos que hay en la leche de vaca oscila entre un 48
y un 52 siendo algo superior la carga en la leche humana [22]
Los carbohidratos o gluacutecidos se definen como polihidroxialdehiacutedos (todos los
aacutetomos de carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta
enlazado a un grupo aldehiacutedo -CHO) o polihidroxicetonas (todos los aacutetomos de
carbono estaacuten unidos a un grupo hidroxilo -OH excepto uno que esta enlazado
a un grupo cetona C=O) y sus derivados tambieacuten se incluyen aquellas
sustancias que por hidroacutelisis dan lugar a este tipo de compuestos En general
estaacuten formados por carbono hidrogeno y oxiacutegeno por lo que su foacutermula
molecular presenta la forma CnH2nOn [32]
Los gluacutecidos se pueden clasificar en funcioacuten del nuacutemero de subunidades de
monosacaacuteridos en [32]
- Monosacaacuteridos o azuacutecares simples estaacuten formados por una unidad
de un polihidroxialdehiacutedo o una polihidroxicetona que se conocen
como aldosas o cetosas respectivamente Dentro de este grupo se
encuentran los azuacutecares que no pueden descomponerse en otros
azuacutecares maacutes simples
- Oligosacaacuteridos estaacuten formados por dos a diez unidades de
monosacaacuteridos por lo que se pueden transformar en unidades maacutes
simples mediante hidroacutelisis A su vez dentro de este grupo los
carbohidratos se clasifican seguacuten el nuacutemero de unidades en
monosacaacuteridos disacaacuteridos etc
- Polisacaacuteridos consisten en largas moleacuteculas formadas por la unioacuten
de unidades de monosacaacuteridos
En la designacioacuten de los azuacutecares ademaacutes se incluye un signo que puede ser
(+) o (-) seguido de la letra D o L esta designacioacuten estaacute relacionada con la
actividad oacuteptica del compuesto La actividad oacuteptica se refiere a la rotacioacuten del
plano de luz polarizada en un azuacutecar este efecto es el resultado producido por
la actuacioacuten conjunta de todos sus aacutetomos de carbono asimeacutetricos (aacutetomo de
C enlazado a cuatro constituyentes diferentes) Los azuacutecares con el signo (+)
se denominan dextroacutegiros y los azuacutecares con el signo (-) se denominan
levoacutegiros La asignacioacuten de las letras D y L depende de la distribucioacuten de los
19
grupos funcionales del carboacuten asimeacutetrico que se encuentra representado en
cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fisher Si el grupo funcional se
encuentra a la derecha se denomina D y si se encuentra a la izquierda se
denomina L [32] [33]
Finalmente en la designacioacuten tambieacuten se incluyen los siacutembolos griegos α y β
esto es debido a la ciclacioacuten de los monosacaacuteridos en solucioacuten acuosa Esta
estructura es funcioacuten de la orientacioacuten espacial del grupo hidroxilo del carboacuten
C1 de la estructura del anillo (α si el grupo -OH estaacute orientado hacia abajo y β
si el grupo -OH estaacute orientado hacia arriba) [32] [33] Se denomina anillo pirano
cuando es un ciclo de 6 aacutetomos de carbono y furano cuando es un anillo de 5
aacutetomos de carbono [32] [33]
Los carbohidratos constituyen una parte importante de la dieta de los hombres
pues estaacuten presentes en un 65 de los alimentos que consumimos (leche
arroz pan etc) [32] El carbohidrato principal que forma la leche es la lactosa
disacaacuterido constituido por glucosa y galactosa a continuacioacuten se presenta una
descripcioacuten detallada de cada uno de estos azuacutecares
Lactosa
La lactosa o β-D-Galactopiranosil-(1rarr4)-D-glucopiranosa es un disacaacuterido
compuesto por unidades de monosacaacuteridos de glucosa y galactosa unidos
mediante un enlace β (14) glucosiacutedico En dicho enlace el grupo funcional -OH
del carbono C1 en posicioacuten beta de la galactosa estaacute unido al grupo -OH del
carbono C4 de la glucosa [34][35][36]
La lactosa constituye el principal azuacutecar de la leche bioloacutegicamente se produce
en las glaacutendulas mamarias de los mamiacuteferos Dieteacuteticamente es considerada
un azuacutecar extriacutenseco dado que no forma parte de la estructura celular del
alimento sino que se encuentra de forma libre en la leche y en sus derivados
laacutecticos [34] [35] [36]
La determinacioacuten de lactosa en la industria alimentaria ha cobrado una gran
importancia en los uacuteltimos antildeos debido a la intolerancia que presenta gran
parte de la poblacioacuten a este azuacutecar La lactosa puede ser digerida por el cuerpo
humano gracias a la presencia de una enzima la lactasa que degrada la
lactosa en sus dos monosacaacuteridos (glucosa y galactosa) Cuando la enzima no
funciona o no presenta la actividad suficiente se produce la intolerancia [22]
La descomposicioacuten de la lactosa en glucosa y galactosa (figura 1) es importante
puesto que permite su deteccioacuten mediante el empleo de teacutecnicas tradicionales
de anaacutelisis como son la cromatografiacutea de liacutequidos de alta resolucioacuten
20
cromatografiacutea de gases polarimetriacutea gravimetriacutea entre otras Sin embargo
debido al elevado coste y a los elevados tiempos de anaacutelisis que supone el
empleo de estas teacutecnicas en los uacuteltimos antildeos se han desarrollado sensores
que ofrecen una deteccioacuten maacutes raacutepida menos costosa y maacutes precisa [14]
Figura 1 Reaccioacuten enzimaacutetica de la lactosa para formar glucosa y galactosa
En disolucioacuten a temperatura ambiente la lactosa se puede encontrar en dos
configuraciones α-lactosa y β-lactosa con una proporcioacuten del 40 de la
configuracioacuten α y el 60 de la configuracioacuten β Siendo ambas configuraciones
consecuencia de la mutarrotacioacuten (el carboacuten hemiacetal estaacute en equilibrio con
el grupo aldehiacutedo de la cadena abierta y forma los isoacutemeros α y β) [37]
La lactosa es considerado un azuacutecar reductor ya que en su estructura quiacutemica
tiene un grupo carbonilo intacto a traveacutes del cual puede reaccionar con otras
moleacuteculas por lo que es un azuacutecar sensible a sufrir las reacciones de Maillard
[34] [38] Las reacciones de Maillard son un conjunto de reacciones en
cadena no enzimaacuteticas que pueden tener lugar en la leche como
consecuencia de la reaccioacuten entre el grupo carbonilo del azuacutecar y el grupo
amino de las proteiacutenas o aminoaacutecidos que se encuentran presentes en la leche
Estas reacciones son indeseables dado que suponen una peacuterdida en el valor
nutricional (disminucioacuten de aminoaacutecidos esenciales) y en la calidad
(pardeamiento del producto aparicioacuten de aromas desagradables generacioacuten
de subproductos toacutexicos etc) de la leche [39] Para que tengan lugar se deben
dar unas condiciones determinadas de temperatura pH tiempo entre otros
factores [34] [38] [39]
La lactosa a temperatura ambiente es un soacutelido en forma de polvo cristalino
blanco con un punto de fusioacuten de 252ordmC una solubilidad en agua buena (50 g
por 100 g de agua) una densidad de 152 gcm3 tiene una masa molecular
de 3423 gmol y un poder endulzante muy inferior en comparacioacuten con otros
azuacutecares como la glucosa [34] [35] [36]
21
Glucosa
La glucosa o D-glucopiranosa es un monosacaacuterido de foacutermula molecular
C6H12O6 con un grupo aldehiacutedo en su estructura quiacutemica constituye el
monosacaacuterido de mayor abundancia dentro de la naturaleza (se encuentra
presente en poliacutemeros como el chitosaacuten) y es utilizado por las ceacutelulas del
organismo para obtener energiacutea [32] [33]
Su uso abusivo en la industria alimentaria en productos de consumo diario
(productos laacutecteos carne bebidas etc) estaacute asociado al padecimiento de
ciertas enfermedades como la diabetes ademaacutes se encuentra presente en la
leche formando parte de la lactosa Debido a la importancia que presenta la
glucosa en el sector de la alimentacioacuten cada vez son maacutes las investigaciones
centradas en el desarrollo de sensores que permitan la identificacioacuten de este
azuacutecar [40] [41]
La glucosa en solucioacuten presenta dos formas cristalinas α-Glucosa y β-Glucosa
cuando la α-glucosa se disuelve en agua la actividad oacuteptica variacutea debido al
fenoacutemeno de mutarrotacioacuten y una parte de las moleacuteculas se convierten en la
forma β Pasado un tiempo se alcanza el equilibrio donde la mayor parte de la
solucioacuten lo forma el anoacutemero beta y una pequentildea parte de la solucioacuten (13
aproximadamente) lo forma el anoacutemero alfa [32] [33]
La glucosa es un azuacutecar con un fuerte caraacutecter reductor (mayor que el de la
lactosa) debido a la presencia del grupo aldehiacutedo en su estructura abierta por
lo que tambieacuten es sensible a sufrir las reacciones de Maillard [33]
La glucosa a temperatura ambiente es un soacutelido inodoro en forma de polvo
cristalino de color blanco temperatura de fusioacuten de 146ordmC solubilidad en agua
alta (91g por 100 mL de agua) densidad 156 gcm3 tiene una masa
molecular de 18016 gmol y un poder endulzante (743) notablemente
superior al que presentan la galactosa y la lactosa [32] [42] [43]
Galactosa
La galactosa aldehiacutedo D-galactosa o D-(+)-galactosa es un monosacaacuterido de
foacutermula molecular C6H12O6 La galactosa es muy similar a la glucosa por lo que
son considerados epiacutemeros se diferencian en su estructura quiacutemica en la
posicioacuten que ocupa el grupo minusOH del carbono C4 [36]
Nutricionalmente su mayor importancia radica en que es uno de los azuacutecares
que forman parte de la lactosa de la leche Como se ha indicado anteriormente
22
debido al creciente nuacutemero de casos en personas con intolerancia a la lactosa
se han desarrollado sensores dirigidos a la evaluacioacuten del contenido en lactosa
por medio de la deteccioacuten de galactosa (obtenida de la hidroacutelisis de la lactosa
al antildeadir la enzima galactosa oxidasa) [14]
En solucioacuten su estructura abierta adquiere forma de anillo y puede dar lugar a
dos configuraciones diferentes α-D-galactosa y β-D-galactosa siendo la
segunda forma el isoacutemero predominante [44] [45] Como el resto de los
azuacutecares descritos es un azuacutecar reductor ya que presenta un grupo aldehiacutedo
libre en la forma de cadena abierta seguacuten la proyeccioacuten de Fischer [44] [45]
La galactosa es un soacutelido inodoro en forma de polvo de color blanco punto de
fusioacuten 168-170ordmC solubilidad en agua buena (4725 g por 100g de agua)
densidad de 15 gcm3 su peso molecular es de 18016 gmol y presenta un
grado de dulzura maacutes elevado que el de la lactosa y menor que la glucosa [46]
bull Materia grasa [22] [23] [47] [48]
La materia grasa es un importante componente de la leche ya que ademaacutes de
ser una rica fuente de energiacutea para las personas es el vehiacuteculo de vitaminas
liposolubles (A D E y K) El nivel de materia grasa que contiene la leche puede
variar desde el 3 hasta el 6
La materia grasa de la leche son liacutepidos en forma globular que se encuentran
dispersos en ella y se pueden clasificar en
Liacutepidos saponificables es la fraccioacuten lipiacutedica que se encuentra en mayor
proporcioacuten ya que forma entre el 99 y el 995 de los liacutepidos totales
que hay en la leche Dentro de los liacutepidos saponificables se encuentran
los liacutepidos apolares y polares
Liacutepidos apolares son liacutepidos insolubles en la fraccioacuten acuosa de
la leche dentro de los cuales caben destacar los trigliceacuteridos ya
que son los que se encuentran en mayor proporcioacuten (96 - 98)
Otros como los digliceacuteridos y monogliceacuteridos se encuentran en
cantidades muy pequentildeas
Liacutepidos polares son fosfoliacutepidos que representan entre el 020
y el 1 de los liacutepidos saponificables que contiene la leche se
encuentran formando parte de la membrana de los gloacutebulos
grasos En la leche su importancia radica en su poder
23
emulsionante y a su actuacioacuten como solventes de sustancias no
polares presentes en ella como el colesterol
Liacutepidos insaponificables es la fraccioacuten lipiacutedica de menor proporcioacuten
formada por carotenoides (son los responsables de aportar una
coloracioacuten amarilla en la grasa) y vitaminas liposolubles
La materia grasa estaacute presente en la leche formando gloacutebulos grasos alrededor
de ellos hay una estructura denominada membrana de los gloacutebulos grasos
Esta membrana tiene una gran importancia dado a su funcioacuten protectora que
protege a los liacutepidos de sufrir reacciones enzimaacuteticas A pesar de ello una de
las reacciones enzimaacuteticas que maacutes afecta a la materia grasa es la lipoacutelisis
La lipoacutelisis es una reaccioacuten quiacutemica llevada a cabo por la accioacuten de las enzimas
lipasas que catalizan la hidroacutelisis de los gliceacuteridos en la interfase aire-agua A
causa de la lipoacutelisis se forman aacutecidos grasos libres y glicerol los cuales son los
responsables de algunos de los sabores indeseables que se producen en la
leche Por ejemplo durante esta reaccioacuten se libera aacutecido butiacuterico que da lugar
a un sabor y aroma ldquoa ranciordquo otra de las reacciones enzimaacuteticas que causan
ademaacutes de olores desagradables una peacuterdida del valor nutricional es el
enranciamiento oxidativo llevado a cabo por la enzima xantino oxidasa Esta
enzima cataliza la reaccioacuten de oxidacioacuten de los aacutecidos grasos insaturados
presentes en la leche
Finalmente una caracteriacutestica importante de la materia grasa es la diferencia
de densidad que hay entre la materia grasa que se encuentra emulsionada en
el suero y el suero lo que permite una raacutepida separacioacuten entre ambos
componentes La separacioacuten se logra mediante la aplicacioacuten de meacutetodos
centriacutefugos que dan lugar a dos fases distintas por un lado se obtiene la leche
desnatada y por otro lado una crema rica en gloacutebulos grasos Esta
caracteriacutestica es interesante en la industria alimentaria ya que permite obtener
derivados laacutecteos como la nata
bull Proteiacutenas
Las proteiacutenas son compuestos quiacutemicos formados a partir de aminoaacutecidos de
hecho la mayor parte del nitroacutegeno que contiene la leche (alrededor del 95)
se encuentra formando parte de ellas Las proteiacutenas representan una fraccioacuten
compleja de la composicioacuten quiacutemica de la leche su intereacutes en ella radica en
24
que son esenciales para todos los seres vivos representando un importante
valor en la dieta nutricional de las personas La concentracioacuten de las proteiacutenas
en la leche comprende valores entre el 3 y el 4 [22] [47] [48]
Como se ha indicado anteriormente la leche es un producto faacutecilmente
alterable por lo que parte de sus cambios en sus caracteriacutesticas fiacutesico -
quiacutemicas se deben a cambios causados en las proteiacutenas Cuando se lleva a
cabo un proceso teacutermico severo (pasteurizacioacuten a altas temperaturas o
esterilizacioacuten) puede tener lugar la desnaturalizacioacuten de las mismas liberando
sabores indeseables Ademaacutes las proteiacutenas tambieacuten pueden ser atacadas por
enzimas dando lugar a su proteoacutelisis (degradacioacuten de las proteiacutenas) las
principales responsables de esta reaccioacuten son las enzimas proteasas
provenientes de la actividad bacteriana que puede desarrollarse en la leche
[22]
Las proteiacutenas que forman la leche se pueden clasificar en dos grupos caseiacutena
( ~80 ) y las proteiacutenas del suero (~20 ) [48]
La caseiacutena
La caseiacutena es la fraccioacuten maacutes caracteriacutestica de las proteiacutenas que forman la
leche es un producto uacutenico producido en las glaacutendulas mamarias [23] Se
encuentra en la leche formando agregados y micelas la micela de las caseiacutenas
se compone de un 94 de proteiacutenas y un 6 de minerales [23] [47] Son
bastante resistentes y estables por lo que soportan bien los procesos
industriales sin embargo cuando la leche es sometida a tratamientos teacutermicos
agresivos (temperaturas superiores a 120ordmC) precipitan [23] [47]
Una propiedad de intereacutes de la caseiacutena es que afecta a las caracteriacutesticas
organoleacutepticas de la leche disimulando el dulzor de la lactosa lo cual permite
el consumo diario de la leche sin que presente un efecto negativo para el
organismo por ser demasiado dulce [23]
Finalmente otra caracteriacutesticas importante de la caseiacutena en el sector laacutecteo
(entre otros sectores) es que puede determinarse faacutecilmente Cuando se aplica
un pH isoeleacutectrico en la leche las proteiacutenas del suero se mantienen solubles
mientras que la caseiacutena precipita la separacioacuten de las proteiacutenas a traveacutes del
pH isoeleacutectrico se conoce industrialmente como electroforesis (este meacutetodo
consiste en aplicar un campo eleacutectrico en una muestra de leche como las
proteiacutenas presentan grupos ionizables COO- y NH+3 se pueden cargar
positivamente negativamente o bien permanecer neutras La carga neta de
25
las proteiacutenas depende del pH del medio en el que se encuentre en el punto
isoeleacutectrico la carga neta es cero) [49]
En la figura 2 se muestra la composicioacuten quiacutemica de la caseiacutena
Figura 2 Estructura quiacutemica de la caseiacutena
Las proteiacutenas del suero
Las proteiacutenas que forman el suero laacutectico representan el 20 del total de
proteiacutenas que forman la leche y constituyen la parte de las proteiacutenas no
caseicas [47] Son grupos proteicos con una estructura globular organizados
en proteiacutenas con una estructura secundaria y terciaria Se pueden clasificar en
β-lactoglobulina α-lactoglobulina inmunoglobulina y seroalbuacutemina [47]
-La β-lactoglobulina es la proteiacutena maacutes abundante en la leche de la
mayoriacutea de los mamiacuteferos sin embargo no estaacute presente en la leche
humana [23]
-La α-lactoglobulina es la 2ordf maacutes abundante en este caso se encuentra
particularmente en la leche humana se trata de la moleacutecula con menor
peso molecular de las proteiacutenas que forman el suero e interviene en la
siacutentesis de la lactosa en las glaacutendulas mamarias [23] [47]
-Las inmunoglobulinas estaacuten presentes en todas las leches de cualquier
procedencia animal y son el grupo de estructuras proteicas maacutes largas
y heterogeacuteneas [23] [47]
26
-La seroalbuacutemina es la proteiacutena de mayor peso molecular de las
proteiacutenas que forman el suero laacutectico [47]
bull Vitaminas
La leche presenta importantes valores nutricionales ya que en ella se
encuentran todas las vitaminas necesarias para el organismo [22] [23] El
mayor inconveniente que presentan los grupos vitamiacutenicos es que son
compuestos faacuteciles de destruir ya sea por una exposicioacuten prolongada a la luz
por accioacuten enzimaacutetica o por tratamientos de calor demasiado agresivos [22]
Las vitaminas que se encuentran en la leche se pueden clasificar en dos
grupos las vitaminas liposolubles que se encuentran en forma de emulsioacuten
junto con la grasa y las vitaminas hidrosolubles que son solubles en el agua
Las vitaminas liposolubles
-Vitamina A En la leche de vaca se puede encontrar como retinol
eacutesteres del retinol y carotenoides en una concentracioacuten de 100-500
mgL esta vitamina se produce a partir de la hidroacutelisis de los β-
carotenos [26] [47]
-Vitamina D Tambieacuten es conocida con el nombre de calciferol se
encuentra en la leche en una concentracioacuten de 1 mgL [26] [47]
-Vitamina E Tambieacuten recibe el nombre de α-Tocoferol esta vitamina se
encuentran en la leche en una concentracioacuten de 500-1000 mgL [26]
Esta vitamina es un antioxidante natural por lo que protege de las
reacciones de oxidacioacuten a las grasas y a los carotenos que se
encuentran en la leche [23]
-Vitamina K Esta vitamina se encuentra en cantidades de trazas (35 y
18 μgL) en la leche por lo que no ejerce un valor importante a nivel
nutricional para el organismo [47]
Las vitaminas hidrosolubles
27
-Vitaminas C B1 B2 B12 Entre estas vitaminas cabe destacar la
vitamina C o aacutecido ascoacuterbico presente en la leche en una concentracioacuten
de 20 mgL por su poder reductor Es decir su bajo potencial redox
protege de la oxidacioacuten a la materia grasa de la leche impidiendo que
se oxide y se desarrolle el sabor a oacutexido [47] [50] El resto de vitaminas
del grupo B se encuentran en concentraciones inferiores y se
caracterizan por ser fuertemente inestables ante la exposicioacuten a la
radiacioacuten y al calor [47]
bull Enzimas
Las enzimas son complejos de naturaleza proteica que se encuentran en la
leche en cantidades iacutenfimas sin embargo su presencia es fundamental dado
que catalizan reacciones importantes determinando las propiedades y
composicioacuten quiacutemica de la leche
La importancia de las enzimas en la industria laacutectea radica en que se emplean
como indicadores de calidad ya que pueden proporcionar informacioacuten sobre el
grado de tratamiento teacutermico que se debe aplicar pureza y frescura de la leche
[51] Por ejemplo la presencia de la enzima catalasa es un indicador de que la
vaca tiene mastitis (la catalasa produce un aumento en el nuacutemero de leucocitos
cuando el animal padece esta enfermedad) La presencia de la enzima
fosfatasa alcalina se utiliza para determinar el grado de tratamiento teacutermico al
que debe someterse la leche puesto que la muerte de esta enzima tiene lugar
a una temperatura similar a la que mueren microrganismos patoacutegenos que
puedan encontrarse en la leche Otras enzimas se utilizan para controlar la
presencia de microorganismos contaminantes debido a su actividad
antimicrobiana [52]
Otra consecuencia de la alterabilidad de la leche ademaacutes de las explicadas
anteriormente son los cambios enzimaacuteticos que causan el deterioro de las
caracteriacutesticas organoleacutepticas de la leche [47] Por esta razoacuten es importante
llevar a cabo un buen control de su composicioacuten quiacutemica durante todo su
proceso de fabricacioacuten la actividad enzimaacutetica es un factor que se monitoriza
en la industria laacutectea mediante la estimacioacuten de enzimas presentes en la leche
[47]
El origen de las enzimas que se encuentran en la leche de origen animal puede
ser por motivos naturales habiendo sido sintetizadas por las ceacutelulas somaacuteticas
del organismo (ceacutelulas que forman tejidos u oacuterganos) estas enzimas se
encuentran asociadas a la membrana de los gloacutebulos grasos caseiacutena y
proteiacutenas del suero El segundo origen de las enzimas que pueden estar
28
presentes en la leche es debido a su liberacioacuten por microorganismos a causa
de la contaminacioacuten microbioloacutegica indeseada [47]
Las enzimas que hay en la leche se pueden clasificar en los siguientes grupos
[22]
Las enzimas hidrolasas son aquellas que catalizan reacciones de
hidroacutelisis en la leche catalizan la hidroacutelisis de la lactosa Dentro de este
grupo cabe destacar la enzima lipasa fosfatasa amilasa y lactasa Su
importancia en la leche se debe a que afectan a sus caracteriacutesticas
organoleacutepticas
Las enzimas oxidorreductasas son enzimas que catalizan las
reacciones de oxidacioacuten - reduccioacuten que se llevan a cabo en la leche
Entre ellas destacan las siguientes enzimas catalasa lactoperoxidasa
y xantino - oxidasa La importancia de estas enzimas se debe a que
influyen en el sabor (xantino-oxidasa) ademaacutes algunas de ellas
presentan actividad antimicrobiana La enzima lactoperoxidasa cataliza
la reaccioacuten del tiocianato en presencia de H2O2 liberando compuestos
con actividad antibacteriana y fungicida [47] [52]
Las enzimas transferasas son enzimas que transfieren grupos activos
que han sido liberados por la ruptura de alguna moleacutecula a otra
sustancia que actuacutea como receptor Por su abundancia en la leche de
vaca cabe destacar la enzima ribonucleasa que se encuentra en una
concentracioacuten de 25 mgL (en la leche materna se encuentra en menor
cantidad) Esta enzima produce la hidroacutelisis de aacutecidos ribonucleicos y
estaacute asociada a las proteiacutenas del suero de la leche [23] [53]
bull Minerales
Los minerales junto con las enzimas forman los constituyentes de la leche que
estaacuten en menor proporcioacuten Se pueden encontrar formando sales solubles o
como una dispersioacuten coloidal insoluble (son los minerales asociados a las
micelas de la caseiacutena) [22] [23]
El grupo de sales solubles lo forman minerales que se encuentran en forma de
cloruros citrato y bicarbonato de compuestos como son el calcio magnesio
potasio y sodio Los cloruros en forma de cloruro de sodio son los que se
encuentran en mayor cantidad en una proporcioacuten del 020 El anaacutelisis de
cloruros en la leche se utiliza para detectar posibles alteraciones si el
29
contenido en estas sales es superior al normal puede indicar que la leche
procede de una vaca con patologiacutea [22] [23]
Las sales coloidales representan el otro grupo en una proporcioacuten proacutexima al
033 [22] Principalmente se refieren al contenido en calcio y fosfato dado a
la presencia predominante de ambos componentes [47] El calcio es una de
las sales de mayor valor nutricional ya que contribuye al mantenimiento de los
huesos [48]
23 Sensores utilizados
231 Definicioacuten y Clasificacioacuten de los sensores
El constante crecimiento y desarrollo de la industria alimentaria hace necesario
la aplicacioacuten de teacutecnicas de anaacutelisis que sean capaces de adaptarse a los
cambios del proceso industrial permitiendo llevar a cabo controles raacutepidos y
precisos con el fin de satisfacer la demanda de los consumidores Ademaacutes el
estigma de la industria alimentaria debe ser garantizar la calidad e inocuidad
de los alimentos y bebidas suministrados a las personas En este contexto
surge el anaacutelisis por medio de sensores definido como la praacutectica fundamental
en el control de calidad para garantizar la seguridad e inocuidad de los
alimentos y bebidas
Un sensor es un dispositivo capaz de convertir un estiacutemulo externo en una
sentildeal generalmente eleacutectrica que se pueda medir para obtener informacioacuten
uacutetil tanto cuantitativa como cualitativa [54] La idealidad de un sensor se
evaluacutea mediante el anaacutelisis de paraacutemetros como la sensibilidad (habilidad de
detectar cantidades pequentildeas) selectividad (capacidad de detectar el analito
de intereacutes ante otros que actuacutean como interferencia) reproducibilidad
(concordancia entre resultados independientes obtenidos con el mismo
meacutetodo y a partir de la misma muestra en distintas condiciones
experimentales) y repetitividad (concordancia entre resultados independientes
obtenidos con el mismo meacutetodo y a partir de la misma muestra bajo las mismas
condiciones experimentales) [54] [55] Ademaacutes de estos paraacutemetros es
importante tener en cuenta que en la industria se valoran otros aspectos del
sensor como su coste de fabricacioacuten tiempo de vida tiempo de respuesta etc
[54] [55]
Los sensores presentan tres partes bien diferenciadas en su entructura la zona
de reconocimiento la zona de transducioacuten y el amplificador [55]
30
bull Zona de reconocimiento en esta zona se encuentra el receptor es el
dispositivo que interaciona directamente con la sustancia que se va a
detectar La interacioacuten entre el receptor y la sustancia genera una sentildeal
primaria (oacuteptica maacutesica teacutermica o eleacutectrica) que seraacute interpretada por
un transductor [55] [56] [57]
bull Zona de transduccioacuten en esta zona se encuentra integrado el
transductor Este dispositivo recibe la sentildeal primaria que le llega del
receptor de manera que es transformada en una sentildeal eleacutectrica
medible [58]
bull Amplificador la mayoriacutea de las sentildeales eleacutectricas generadas necesitan
ser amplificadas para poder interpretar la informacioacuten por lo que este
dispositivo incrementa la intensidad de la sentildeal eleacutectrica de salida que
recibe del transductor Finalmente esta sentildeal es enviada a un sistema
de procesamiento donde se registran los datos y se presenta la
informacioacuten obtenida [58] [59]
En la figura 3 se muestra el funcionamiento de un sensor
Figura 3 Estructura de un sensor
Los sensores se pueden clasificar en funcioacuten de la naturaleza de la sentildeal
primaria generada por la interaccioacuten entre el receptor y la sustancia a medir
[57]
Fiacutesicos la zona receptora recibe una informacioacuten de tipo fiacutesico
Dentro de este grupo se encuentran los sensores que miden
propiedades fiacutesicas como la absorbancia temperatura cambio
de masa presioacuten entre otras
31
Quiacutemicos La interaccioacuten del receptor con el analito da lugar a
una reaccioacuten quiacutemica
Dentro de los sensores nombrados los de mayor intereacutes son los sensores
quiacutemicos su importancia en el anaacutelisis sensorial radica en que se presentan
como una nueva herramienta para el control y monitoreo del proceso
productivo debiendo dar una respuesta raacutepida y selectiva [54] [55] Un sensor
quiacutemico es un dispositivo que transforma una sentildeal quiacutemica en una sentildeal
analiacuteticamente uacutetil siendo capaz de proporcionar informacioacuten acerca de la
concentracioacuten de uno o maacutes analitos presentes en la muestra [60]
Los sensores quiacutemicos se pueden clasificar en funcioacuten de las propiedades que
mida el transductor en
bull Electroquiacutemicos estos sensores miden una propiedad eleacutectrica
generada por un sistema de electrodos La sentildeal producida (potencial o
intensidad) es consecuencia de la interaccioacuten electroquiacutemica que tiene
lugar entre el analito y el sensor [55] [58]
bull Piezoeleacutectricos son dispositivos cuya respuesta se emite en forma de
un cambio en la frecuencia de resonancia de un cristal piezoeleacutectrico
El cambio en la frecuencia depende de la cantidad de analito en masa
depositado sobre la superficie del receptor [55] [58]
bull Oacutepticos son dispositivos que responden a la interaccioacuten de la radiacioacuten
electromagneacutetica de la luz (generalmente de la regioacuten del infrarrojo) con
el analito se basan en la medida del cambio en las propiedades oacutepticas
del analito [55]
bull Teacutermicos son dispositivos que registran el calor de reaccioacuten generado
por el analito a causa de su oxidacioacuten o por reaccioacuten con una sustancia
del medio [55]
bull Multiarreglo son dispositivos sensibles a distintos analitos cuyas
respuestas son analizadas de manera simultaacutenea para caracterizar a un
sistema en concreto [55]
Los sensores electroquiacutemicos son los sensores maacutes destacados entre los que
se han nombrado ya que son los sensores maacutes versaacutetiles y los que maacutes se han
investigado a lo largo de los antildeos [55] En funcioacuten de la propiedad eleacutectrica que
32
miden los sensores electroquiacutemicos se pueden clasificar en tres grupos Los
sensores potenciomeacutetricos son dispositivos que miden el voltaje debido a una
reaccioacuten quiacutemica generan una respuesta estableciendo una relacioacuten entre la
diferencia de potencial entre un sistema de dos electrodos (electrodo de
referencia y electrodo de trabajo) y la concentracioacuten del analito (liacutequido o vapor)
[55] [58] En los sensores voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos se aplica un
potencial variable con el tiempo de esta manera se obtiene informacioacuten del
cambio del potencial con la intensidad de la corriente eleacutectrica [58] [61] Los
sensores amperomeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
fijo obteniendo informacioacuten de la variacioacuten de la intensidad de la corriente con
el tiempo [58] [61] Finalmente los sensores electroquiacutemicos se clasifican en
sensores conductimeacutetricos son dispositivos en los que se aplica un potencial
de corriente alterna y se mide el aumento de la conductividad eleacutectrica
provocado por la presencia de iones en una solucioacuten [58] [62]
Dentro de los sensores electroquiacutemicos los sensores basados en meacutetodos de
transduccioacuten voltameacutetricos son los maacutes indicados para el estudio de los
procesos de oxidacioacuten - reduccioacuten de los compuestos mediante el anaacutelisis de
voltamogramas Debido a que presentan importantes ventajas como su
elevada sensibilidad y selectividad [63]
En el desarrollo de este trabajo de investigacioacuten se presenta un innovador
sensor electroquiacutemico de tipo voltameacutetrico basado en la tecnologiacutea de
impresioacuten molecular denominado MIP (ldquomolecular imprinted polymerrdquo) esta
nueva tecnologiacutea promete mejoras en la estabilidad y reproducibilidad de los
anaacutelisis quiacutemicos
232 La tecnologiacutea de poliacutemeros de impresioacuten molecular
(MIP)
Los MIP son materiales que han sido sintetizados para el reconocimiento de
moleacuteculas especiacuteficas Esta tecnologiacutea consiste fundamentalmente en la
formacioacuten de una peliacutecula polimeacuterica en la que una moleacutecula actuacutea como una
plantilla posteriormente la moleacutecula se extrae y deja cavidades de
reconocimiento especiacutefico sobre el poliacutemero [64]
Los paraacutemetros principales que intervienen en la formacioacuten de poliacutemeros de
impresioacuten molecular son el poliacutemero la moleacutecula plantilla y un agente
reticulante
bull Seleccioacuten del poliacutemero
33
Existen una gran variedad de poliacutemeros que se puedan utilizar en la impresioacuten
molecular pero deben cumplir unas caracteriacutesticas estrictas
-El poliacutemero tiene que ser quiacutemicamente compatible con la moleacutecula
plantilla ademaacutes debe ser capaz de unirse a eacutesta para crear las
cavidades de reconocimiento [65]
-El poliacutemero tiene que poder contener los sitios de reconocimiento
complementarios a la moleacutecula original
Entre los poliacutemeros empleados cabe destacar el chitosaacuten debido a sus
caracteriacutesticas de biocompatibilidad y afinidad por diferentes tipos de
moleacuteculas [65] Otros poliacutemeros de impresioacuten molecular estaacuten compuestos por
aacutecido metacriacutelico [66] o-fenilendiamina [67] pirrol [68] etc
bull Seleccioacuten de la moleacutecula plantilla
Una de las mayores ventajas de los MIPs es la utilizacioacuten de praacutecticamente
cualquier tipo de analito como azuacutecares aminoaacutecidos fenoles entre otras
sustancias Generalmente los compuestos empleados presentan grupos
polares (-COOH-OH) por lo que el complejo plantilla-poliacutemero que se forma es
bastante estable Otro tipo de compuestos utilizados son ioacutenes metaacutelicos
macromoleacuteculas etc [69]
bull Agente reticulante o cross-linker
Un agente reticulante (Cross-linker) es un compuesto que facilita la unioacuten entre
moleacuteculas para dar lugar a una red mucho maacutes estable y resistente Por ello la
reticulacioacuten (o el cross-linking) se puede emplear para mejorar la estabilidad
mecaacutenica de ciertas sustancias quiacutemicas como los poliacutemeros Consiste en una
reaccioacuten quiacutemica entre cadenas polimeacutericas que se mantienen unidas por
medio de enlaces covalentes u otro tipo de enlaces como las fuerzas de Van
der Waals [70]
El empleo de cross-linkers en los procesos de siacutentesis de poliacutemeros de
impresioacuten molecular es muy utilizado ya que estos influyen en tres aspectos
importantes intervienen en la morfologiacutea de los MIP fijan las cavidades de
34
reconocimiento especiacutefico e Intervienen en la estabilidad mecaacutenica del MIP
[69] Si el nuacutemero de entrecruzamientos es insuficiente se puede producir la
peacuterdida de las cavidades especiacuteficas formadas en el poliacutemero ya que estas no
se pueden mantener por no ser lo suficientemente estables Como resultado
de este fenoacutemeno el MIP pierde en cierto grado su capacidad de
reconocimiento [69]
El proceso de fabricacioacuten de un MIP se pueden clasificar en las siguientes
etapas [69]
bull 1ordm Interaccioacuten entre la moleacutecula y el poliacutemero
Los tipos de interaccioacuten que se pueden dar son [71] [72]
Impresioacuten covalente se establece un enlace covalente entre un
poliacutemero y la moleacutecula plantilla es un meacutetodo complejo ya que este
enlace se debe romper previamente para que la moleacutecula se pueda
eluir de la matriz polimeacuterica
Impresioacuten no covalante la interaccioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero se lleva a cabo mediante interacciones deacutebiles no
covalentes Se trata del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de
MIP debido a su simplicidad y facilidad de eliminar la moleacutecula
plantilla de la matriz del poliacutemero
Impresioacuten ioacutenica como plantilla se utilizan diferentes tipos de iones
metaacutelicos (Cu2+ Zn2+ Cd2+etc) se trata de una teacutecnica desarrollada
recientemente
En el presente trabajo de investigacioacuten se utilizoacute como matriz polimeacuterica
chitosaacuten y como moleacutecula plantilla un azuacutecar (lactosa glucosa o galactosa) La
unioacuten se llevoacute a cabo mediante el meacutetodo no-covalente como se ha explicado
en este meacutetodo el enlace entre el poliacutemero y la moleacutecula plantilla tiene lugar
mediante fuerzas de interaccioacuten deacutebiles de tipo fuerzas de Vaan der Waals o
puentes de hidroacutegeno [73] [74]
35
bull 2ordf Polimerizacioacuten
La polimerizacioacuten del poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla se realiza
para obtener una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula de intereacutes En la
elaboracioacuten de MIPs existen una gran variedad de procesos de polimerizacioacuten
en concreto en la elaboracioacuten de sensores destacan los sensores de impresioacuten
superficial sobre el electrodo de trabajo cuyos principales meacutetodos de
polimerizacioacuten se describen a continuacioacuten [69]
Electropolimerizacioacuten Es un proceso de deposicioacuten realizado en
presencia de la moleacutecula plantillla en el que se forma una peliacutecula
poliacutemerica sobre un electrodo de trabajo Se puede llevar a cabo a
traveacutes de diferentes teacutecnicas electroquiacutemicas tales como meacutetodos
voltameacutetricos ( el proceso empleado suele ser mediante voltametriacutea
ciacuteclica aplicando un intervalo de potencial) meacutetodos potenciomeacutetricos
(se aplica un potencial constante) y meacutetodos galvanostaacuteticos (se aplica
una corriente constante) [68]
Fotopolimerizacioacuten in situ Es una teacutecnica de deposicioacuten in situ que al
igual que la anterior permite depositar la plantilla polimeacuterica
directamente sobre el electrodo de trabajo El proceso se lleva a cabo
por polimerizacioacuten radicalaria la mezcla de preparacioacuten MIP contiente
un iniciador sensible a la luz de manera que al incidir la radiacioacuten sobre
eacutel absorbe la enegiacutea lumiacutenica y proporciona radicales libres De esta
manera se inicia el proceso de polimerizacioacuten del poliacutemero [75]
Sandwich Esta teacutecnica consiste en depositar unas gotas de la solucioacuten
MIP sobre un electrodo para ello la solucioacuten se coloca en una superficie
metaacutelica o sobre dos laacuteminas metaacutelicas Despueacutes de llevarse a cabo la
polimerizacioacuten se separan las laacuteminas logrando obtener peliacuteculas muy
finas [76]
El principal problema de esta teacutecnica es la falta de reproducibilidad que
se produce al aplicar fuerzas de compresioacuten durante la polimerizacioacuten
por lo que se emplea con menor frecuencia que la anteriores descritas
[76]
bull 3ordm Elucioacuten de la moleacutecula plantilla
36
La moleacutecula plantilla se elimina de la matriz polimeacuterica utilizando un disolvente
adecuado de esta manera se forma una plantilla polimeacuterica de la moleacutecula
empleada Es por ello por lo que los MIP presentan la capacidad de reconocer
moleacuteculas con una alta selectividad dado que tras la elucioacuten las cavidades
creadas en el poliacutemero presentan muacuteltiples sitios de unioacuten con una
configuracioacuten espacial que es complementaria al analito [69]
2321 Origen e historia de la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
En 1949 Dickey fue el primero en investigar el concepto de impresioacuten
molecular el cual fue inspirado por los experimentos llevados a cabo por Linus
Pauling quien defendiacutea la formacioacuten de anticuerpos usando el antiacutegeno como
una moleacutecula plantilla [71] Dickey es el responsable de la creacioacuten de la
teacutecnica de impresioacuten molecular de gel de siacutelice (MISC) y basoacute sus
investigaciones en la precipitacioacuten de silicagel en presencia de tintes orgaacutenicos
descubriendo que la impresioacuten de siacutelice proporcionaba una gran selectividad
hacia el tinte [71] Desde entonces se han llevado a cabo varios estudios
basados en la impresioacuten molecular a base de siacutelice por ejemplo en 2013 se
estudioacute la deteccioacuten del aacutecido saliciacutelico mediante esta teacutecnica [77]
En 1972 Wulff y Klotz dos liacutederes de grupos de investigacioacuten independientes
llevaron a cabo los primeros mecanismos de impresioacuten molecular [78] El
primero desarrolloacute un complejo basado en la impresioacuten molecular de tipo
covalente que incluiacutea un monoacutemero y la moleacutecula plantilla para la deteccioacuten
de azuacutecares [79] Al mismo tiempo Klotz sintetizoacute poliacutemeros de impresioacuten
molecular utilizando poliacutemeros y uniones de tipo covalente entre la moleacutecula y
la plantilla Antildeos despueacutes Mosback llevoacute a cabo la siacutentesis de impresioacuten
molecular utilizando otros meacutetodos de unioacuten entre la moleacutecula plantilla y el
poliacutemero en concretoacute enlaces de tipo no covalentes [71]
Debido a sus excelentes propiedades los MIP han cobrado una mayor
importancia en estos uacuteltimos antildeos habiendo sido utilizados en multitud de
aplicaciones Se han elaborado MIP para la separacioacuten de compuestos quirales
y de proteiacutenas los cuales son muy utilizados en la industria farmaceacuteutica [80]
En el anaacutelisis ambiental para la purificacioacuten de aguas y eliminacioacuten de metales
pesados [80] En el desarrollo de sensores basados en diferentes meacutetodos de
transduccioacuten (electroquiacutemicos [64] oacutepticos [81] etc) En medicina para la
liberacioacuten de faacutermacos [80] y como catalizadores imitando las funciones de las
enzimas pero con una mayor estabilidad [82]
Los primeros sensores que emplearon la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
fueron elaborados entorno a los antildeos 2000 En 1996 se publicoacute el primer
37
artiacuteculo elaborado por Franz L Dicker referido a sensores MIP basados en
meacutetodos de transduccioacuten piezoeleacutectricos En el experimento se crearon
plantillas polimeacutericas con varios tipos de disolventes orgaacutenicos volaacutetiles una
vez creada la plantilla se calculoacute la masa de analito depositada midiendo el
cambio en la frecuencia de resonancia de una microbalanza de cuarzo Con los
resultados de la investigacioacuten se concluyoacute que estos sensores presentariacutean un
futuro prometedor puesto que fueron capaces de reconocer selectivamente
disolventes orgaacutenicos seguacuten su tamantildeo y forma [83]
Recientemente se han desarrollado sensores electroquiacutemicos basados en la
impresioacuten molecular para el reconocimiento de azuacutecares principalmente para
la glucosa por su impacto en enfermedades como la diabetes W Zhen et al
desarrollaron un sensor basado en poliacutemeros de impresioacuten molecular para el
reconocimiento de glucosa [84] A Diouf et al sintetizaron un sensor
electroquiacutemico para la cuantificacioacuten de glucosa presente en la saliva [41]
Tambieacuten se han desarrollado sensores MIP para el reconocimiento de
disacaacuteridos por ejemplo H Shekarchizadeh et al fabricaron un sensor MIP
electroquiacutemico para la deteccioacuten de sacarosa en el zumo de remolacha [83]
Tal y como se muestra en la figura 4 el desarrollo de sensores MIP ha ido
creciendo con el paso del tiempo siendo su empleo en el anaacutelisis
electroquiacutemico cada vez maacutes pronunciado Su aplicacioacuten para la identificacioacuten
de azuacutecares se encuentra todaviacutea en sus primeros indicios encontraacutendose las
mayores referencias entre los antildeos 2018 y 2019 Debido al intereacutes que
presentan los MIP es interesante llevar a cabo nuevas investigaciones que
contribuyan al estudio iniciado en estos uacuteltimos antildeos dirigido a la deteccioacuten de
azuacutecares
Figura 4 MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos (rojo) MIP basados en meacutetodos de transduccioacuten electroquiacutemicos empleados en la deteccioacuten de azuacutecares (rosa) Publicaciones correspondientes al periodo 1999-2019 obtenidas de la base de datos SCOPUS (Elsevier)
38
2322 Sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Los sensores MIP son una buena alternativa frente a los meacutetodos tradicionales
de anaacutelisis (cromatografiacutea de gases cromatografiacutea de liacutequidos de alta
resolucioacuten etc) debido a sus excelentes propiedades como estabilidad bajo
coste y especificidad [85] Estos sensores son capaces de detectar una gran
variedad de analitos como proteiacutenas [86] virus [87] azuacutecares [84] fenoles
[12] etc Por ello presentan un gran potencial en diferentes campos industria
alimentaria anaacutelisis ambiental anaacutelisis cliacutenico o anaacutelisis quiacutemico entre otros
[88]
Para un mayor entendimiento del presente trabajo es necesario especificar en
que consite un sensor NIP (ldquono molecularly imprinted polymerrdquo) Dicho sensor
es anaacutelogo al MIP sin embargo eacuteste se obtiene en aunsencia de la moleacutecula
plantilla por lo que no cuenta con las cavidades de reconocimiento especiacutefico
Para obtener un buen funcionamiento un sensor MIP debe tener las siguientes
propiedades [69]
bull Rigidez Las cavidades de reconocimiento deben mantener su forma y
tamantildeo despueacutes de que la moleacutecula sea eliminada de la matriz
polimeacuterica
bull Flexibilidad Se debe optimizar el proceso de reconocimiento
consiguiendo un equilibrio entre las cavidades creadas y la
concentracioacuten de analito
bull Estabilidad mecaacutenica El sensor debe mantenerse estable con cada
medida
Al igual que los sensores tradicionales los sensores basados en MIPs se
pueden clasificar en funcioacuten de su principio de funcionamiento en los
siguientes sensores
bull Sensores de afinidad (ldquoAffinity sensorsrdquo) son sensores capaces de
detectar moleacuteculas con caracteriacutesticas medibles Dentro de este tipo se
encuentran los sensores basados en meacutetodos de transduccioacuten
piezoeleacutectricos (se basan en el empleo de un cristal piezoeleacutectrico que
39
vibra al aplicarse un potencial la frecuencia de oscilacioacuten del cristal
variacutea en funcioacuten de la masa de analito depositada en el sensor MIP)
[76] [89] sensores MIP electroquiacutemicos [76] (se basan en diferentes
teacutecnicas electroquiacutemicas como la voltametriacutea amperometriacutea y
potenciometriacutea) y sensores MIP oacutepticos en los que el sensor detecta un
cambio en alguna propiedad oacuteptica durante el enlace entre los grupos
funcionales del poliacutemero y la moleacutecula plantilla [90]
bull Receptores Estos sensores se basan en la deteccioacuten directa del analito
aprovechan el momento de unioacuten entre la moleacutecula y la plantilla cuando
tiene lugar un cambio en alguna caracteriacutestica del MIP (conductividad
eleacutectrica potencial superficial o permeabilidad) Dentro de este grupo
hay sensores MIP electroquiacutemicos y oacutepticos [76] Por ejemplo se han
desarrollado sensores MIP electroquiacutemicos para la deteccioacuten de glucosa
basados en el efecto denominado ldquogate effectrdquo El enlace entre la
glucosa y los sitios de unioacuten de la plantilla produce un cambio en la
configuracioacuten del poliacutemero modificaacutendose la permeabilidad de la
peliacutecula polimeacuterica dificultando por tanto el proceso de difusioacuten de las
moleacuteculas a su traveacutes Asiacute la deteccioacuten en este experimento se llevoacute a
cabo registrando la disminucioacuten de la intensidad de la sentildeal en
presencia de glucosa [91]
bull Sensores MIP Cataliacuteticos Constituyen la uacuteltima generacioacuten de sensores
MIP en este grupo se fabrican sensores que imitan la actividad
cataliacutetica de las enzimas Actualmente son pocos los sensores
desarrrollados seguacuten este principio un ejemplo ha sido la fabricacioacuten
de un sensor MIP que imita el funcionamiento de la enzima tirosinasa
El sensor consiste en utilizar un complejo como moleacutecula plantilla
similar a la enzima para catalizar las reacciones de oxidacioacuten del
catecol (anaacutelito de intereacutes en el estudio de la calidad del vino) [79]
Entre los sensores que se han nombrado los sensores MIP electroquiacutemicos son
los que representan el mayor intereacutes en el anaacutelisis quiacutemico debido a su bajo
coste y facilidad de obtencioacuten [85]
La fabricacioacuten de sensores MIP electroquiacutemicos se puede clasificar en dos
etapas
bull Electrodo modificado mediante la teacutecnica de impresioacuten molecular
40
El meacutetodo de integracioacuten maacutes utilizado para la deposicioacuten del MIP en el
electrodo de trabajo es la electropolimerizacioacuten por ser raacutepido y eficaz [85] La
principal ventaja de esta teacutecnica es que los paraacutemetros controlables como el
tiempo de deposicioacuten y el potencial aplicado permiten controlar aspectos
importantes como el grosor de la peliacutecula polimeacuterica [79]
En el presente trabajo de investigacioacuten el sensor MIP fue elaborado mediante
teacutecnicas de electropolimerizacioacuten a traveacutes de cronoamperometriacutea El proceso
consistioacute en aplicar un potencial constante para producir la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla sobre la superficie del
electrodo A continuacioacuten se muestra una imagen esquemaacutetica de este
proceso
Figura 5 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-moleacutecula plantilla]BDD en una celda electroliacutetica con una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de trabajo contraelectrodo y electrodo de referencia) donde se representa la deposicioacuten de la solucioacuten a traveacutes de electropolimerizacioacuten por cronoamperometriacutea sobre un electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Elucioacuten y reconocimiento del analito
La elucioacuten consiste en eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz del poliacutemero
de esta manera se crean cavidades de reconocimiento con una estructura
tridimensional que coincide en tamantildeo y forma con el analito de intereacutes es
decir se forma un plantilla polimeacuterica Esta plantilla aporta especificidad al
sensor lo que le permite llevar a cabo la deteccioacuten selectiva de la moleacutecula
plantilla [69] Dado a la importancia que esto supone se deben tener en cuenta
las condiciones en la que se realice el anaacutelisis puesto que el uso de ciertos
41
disolventes orgaacutenicos las altas temperaturas o el empleo de solventes donde
el poliacutemero sea soluble podriacutean dantildear la plantilla sintetizada en el MIP [65] A
pesar de ello no se trata de una etapa costosa y en ella se pueden emplear
distintos tipos de eluyentes Por ejemplo se ha utilizado agua caliente
presurizada para la elucioacuten de moleacuteculas de clorofila de una matriz polimeacuterica
elaborada a partir de aacutecido metacriacutelico y metacrilato de etilenglicol [65]
Tambieacuten se ha empleado cloruro de potasio (KCl) para eliminar catecol de una
matriz polimeacuterica de chitosaacuten [12] Otros disolventes como el HCl se han
utilizado para la elucioacuten de glucosa de una matriz polimeacuterica compuesta por
aacutecido 3-aminobencenoboroacutenico (APBA) [84] En conclusioacuten la eleccioacuten del
eluyente dependeraacute principalmente de las caracteriacutesticas de la moleacutecula
plantilla y del poliacutemero debiendo seleccionar en todo momento un solvente
que no dantildee a la peliacutecula polimeacuterica y en el que la moleacutecula plantilla sea
soluble
Una vez eliminada la moleacutecula plantilla se lleva a cabo la deteccioacuten de eacutesta
durante este momento tiene lugar la selectividad entre la moleacutecula y la plantilla
polimeacuterica Este proceso se corresponde con la uacuteltima etapa del anaacutelisis
electroquiacutemico y puede verse afectado por distintos factores [69]
Presencia de compuestos inhibidores Puede haber grupos inhibidores
que impidan que la moleacutecula se adapte perfectamente en las cavidades
ocupando sus sitios de unioacuten
Cambios en la orientacioacuten espacial de los grupos funcionales del
poliacutemero Factores como los cambios de temperatura o los disolventes
empleados pueden causas cambios en la configuracioacuten espacial de los
grupos funcionales en consecuencia no se produce el enlazamiento
entre el analito y las cavidades del poliacutemero
Fenoacutemenos de repulsioacuten Puede haber grupos funcionales en las
cadenas del poliacutemero que impidan que la moleacutecula y los sitios de unioacuten
reaccionen
Seleccioacuten del disolvente Como se ha explicado anteriormente el
disolvente puede dantildear al poliacutemero debido a ello es importante utilizar
un solvente en el que el poliacutemero no sea soluble
A continuacioacuten se muestra un esquema del proceso de las etapas descritas
42
Figura 6 Esquema de fabricacioacuten de un sensor MIP donde se muestra el proceso de polimerizacioacuten y a continuacioacuten un sensor MIP donde se ha llevado a cabo el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
23221 Ventajas de la impresioacuten molecular
La elaboracioacuten de sensores electroquiacutemicos a partir de MIP es una tecnologiacutea
relativamente reciente desarrollada para reconocer bajas concentraciones del
analito La impresioacuten molecular es una de las pocas tecnologiacuteas que permite la
fabricacioacuten de receptores sinteacuteticos ademaacutes presenta importantes ventajas
sobre otros compuestos utilizados para el reconocimiento especiacutefico como las
enzimas Entre las ventajas maacutes destacadas de los sensores basados en esta
tecnologiacutea se encuentran [80]
bull Estabilidad los MIP son estables en un amplio rango de pH
temperaturas y presioacuten por estas razones son buenos sustitutos de
agentes bioloacutegicos [80]
bull Bajo coste Los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular
resultan maacutes baratos comparados con el empleo de receptores
bioloacutegicos como las enzimas [80]
bull Preparacioacuten del sensor MIP sencilla [80]
bull Los poliacutemeros pueden forman plantillas para una gran cantidad de
analitos [80]
bull Reconocimiento especiacutefico y selectivo en disolventes orgaacutenicos por lo
que no estaacuten limitados a detecciones en medios acuosos [80]
233 Agentes reticulantes Glutaraldehiacutedo
En la elaboracioacuten de MIP se suele utilizar un agente reticulante para obtener
una plantilla del poliacutemero maacutes estable y por ende un mejor comportamiento
43
del sensor [69] En este trabajo uno de los experimentos para fabrizar el MIP
se llevoacute a cabo en presencia de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
El glutaraldehiacutedo es un compuesto quiacutemico perteneciente a la familia de los
aldehiacutedos a temperatura ambiente es un liacutequido oleaginoso incoloro o con una
leve coloracioacuten amarilla su foacutermula molecular es OHC-(CH2)3-CHO [92]
El glutaraldehido se ha empleado porque es considerado un buen agente
reticulante para el desarrollado de MIPs basados en chitosaacuten dado a que este
poliacutemero presenta grupos amino reactivos (-NH2) que reaccionan con los
grupos aldehiacutedo (-CHO) del glutaraldehiacutedo [93] Esta reaccioacuten es selectiva por
lo que los grupos hidroxilo -OH del chitosaacuten no intervienen en la reaccioacuten con el
glutaraldehiacutedo [94]
El proceso simplificado de entrecruzamiento del chitosaacuten con el glutaraldehiacutedo
se puede ver en la figura 7
Figura 7 Reaccioacuten simplificada del proceso de entrecruzamiento del chitosaacuten con glutaraldehiacutedo
El producto de reaccioacuten entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo da lugar a una
base de Schiffrsquos [95] una base de schiffrsquos es un enlace imina constituido por
un cabono y un nitroacutegeno unidos atraveacutes de un doble enlace (N=C) su
estructura tiacutepica se muestra en la figura 8 tal y como se observa esta
compuesta por tres radicales R1R2 y R3 que pueden ser grupos alquilo o arilo
[96]
Figura 8 Estructura geneacutericas de una base de Shiffacutes con tres radicales R1 R2 y R3
44
24 Electrodos empleados en el anaacutelisis
electroquiacutemico
El tipo de electrodos de trabajo empleados en el anaacutelisis electroquiacutemico variacutea
en funcioacuten de las teacutecnicas electroquiacutemicas de anaacutelisis en voltametriacutea los
electrodos de metales nobles son los maacutes empleados entre ellos destacan los
electrodos de plata [97] los electrodos de oro [98] y los electrodos de platino
[99] Estos electrodos destacan por sus buenas caracteriacutesticas de
conductividad y por ser materiales inertes por lo que no intervienen en las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la celda electroliacutetica Sin
embargo presentan problemas de reproducibilidad por la formacioacuten de oacutexidos
en su superficie [99] [100]
Debido a ello los electrodos metaacutelicos se han ido remplazando en los uacuteltimos
antildeos por los electrodos de carbono cuya principal ventaja es su amplia ventana
de potencial y su facilidad de limpieza (las impurezas de la superficie de los
electrodos de carbono se eliminan faacutecilmente) [99]
Dentro de los electrodos de carbono existen varios tipos pues es un compuesto
con diferentes formas alotroacutepicas En concreto el diamante es la segunda
forma maacutes estable del carbono despueacutes del grafito ademaacutes tiene una de las
estructuras moleculares maacutes destacables por sus propiedades extraordinarias
como son su extremada dureza y alta conductividad teacutermica [101] A pesar de
estas caracteriacutesticas el diamante (sin dopar) no se emplea como electrodo
dado a su alta resistividad eleacutectrica (1020 Ωcm ) que le hace funcionar como
un soacutelido aislante lo que es debido a su ancho de banda prohibida (seguacuten el
modelo de la teoriacutea de bandas en un soacutelido aislante la banda de valencia (BV)
y la banda de conductividad (BC) se encuentran separadas por una banda
prohibida de una energiacutea muy alta por lo que no es posible el salto del electroacuten
de la BV a la BC [102]) Por esta razoacuten los electrodos de diamante se dopan
con otros elementos con el fin de mejorar su conductividad eleacutectrica
Los electrodos de diamante dopados con boro (BDD) constituyen un material
semiconductor de ldquotipo prdquo (un material deldquo tipo prdquo se obtiene al introducir
huecos libres en la estructura quiacutemica del elemento figura 9) ya que el boro
presenta tres electrones en su banda de valencia y el carbono 4 por lo que se
genera un hueco libre en su estructura quiacutemica de esta manera se consigue
reducir su resistividad a la deacutecima parte 102 Ωcm [102] [103]
Otros electrodos de carbono destacables son los electrodos de carboacuten viacutetreo
que son muy utilizados en electroquiacutemica por ser electrodos inertes duros y
por presentar una resistencia eleacutectrica muy baja [104] [105]
45
Figura 9 Diamante dopado con boro Se representan los huecos introducidos por el boro
Dentro de los electrodos que se han explicado los BDDs son los materiales
maacutes destacables en el anaacutelisis electroquiacutemico debido a que algunas de sus
propiedades como su baja resistividad eleacutectrica y amplia ventana de potencial
los convierten en materiales de especial intereacutes en este campo
Cuando se utilizan estos materiales como electrodos de trabajo para obtener
una buena reproducibilidad del anaacutelisis se deben tener en cuenta los aspectos
descritos a continuacioacuten [106]
Cuando se utilizan finas peliacuteculas de BDD depositados en sustratos
conductores la limpieza de su superficie se tiene que realizar mediante
meacutetodos quiacutemicos y no mediante meacutetodos fiacutesicos (pulido mecaacutenico)
para no dantildear a la misma [106]
Antes de usarles en el anaacutelisis quiacutemico se lleva a cabo un pretratamiento
o limpieza de su superficie que contribuye a la mejora de sus
caracteriacutesticas quiacutemicas y fiacutesicas Por ejemplo puede llevarse a cabo
mediante meacutetodos electroquiacutemicos aplicando un potencial o corriente
eleacutectrica [106]
Los tratamientos demasiado fuertes (ej aplicar potencial o una
corriente elevada) pueden dantildear el material del electrodo afectando
negativamente a la reproducibilidad o al rendimiento del mismo
(aumento de la corriente de fondo) [106]
241 Electrodos BDD
Los electrodos BDD se caracterizan por ser materiales semiconductores con
importantes ventajas respecto a otros electrodos semiconductores por su
amplia ventana de potencial baja corriente de fondo alta estabilidad
electroquiacutemica por ser quiacutemicamente inertes y no toacutexicos [107] [102]
46
A continuacioacuten se describen de una manera maacutes precisa las caracteriacutesticas
nombradas
bull Amplia ventana de potencial La ventana de potencial constituye el
intervalo donde se llevan a cabo las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten
de las especies quiacutemicas por lo que los analitos deben ser
electroactivos dentro de este intervalo [108]
La ventana de potencial que ofrece el diamante permite distinguir
reacciones a potenciales altos y bajos [109] Por ejemplo la reaccioacuten
del oxiacutegeno a 225 V y del hidroacutegeno a -11V se puede distinguir en los
electrodos BDD mientras que en otros electrodos como el grafito el
carboacuten viacutetreo el oro o el platino no se puede apreciar [110]
bull Estabilidad electroquiacutemica El diamante se forma por hibridacioacuten sp3
mediante un enlace sigma que une a los aacutetomos de carbono La
fortaleza de este enlace le confiere al diamante una gran estabilidad
electroquiacutemica [102]
bull Baja corriente de fondo En electroquiacutemica la corriente de fondo se
refiere a las reacciones de electroacutelisis debidas a las impurezas
presentes en la solucioacuten electroacutelisis del analito electroacutelisis del material
del electrodo y la corriente capacitiva Las tres primeras son corrientes
faraacutedicas debidas a la reacciones quiacutemicas que tienen lugar en el
electrodo mientras que la corriente capacitiva se debe al
comportamiento de la celda electroquiacutemica como un condensador
(interfaz entre el electrodo y la solucioacuten) [111] [112]
La corriente de fondo generalmente es indeseable excepto la referida a
la corriente generada por el analito Los electrodos BDD presentan una
corriente de fondo pequentildea esta propiedad es de gran intereacutes en
electroquiacutemica ya que permite llevar a cabo un anaacutelisis maacutes sensible
ademaacutes de conseguir liacutemites de deteccioacuten maacutes bajos [111] [112]
2411 Obtencioacuten de los electrodos BDD
Dado a la repercusioacuten que tiene el meacutetodo de fabricacioacuten de los electrodos BDD
en el anaacutelisis electroquiacutemico se han investigado varios meacutetodos para su
obtencioacuten
47
El meacutetodo maacutes empleados para la siacutentesis de BDDs es el proceso de deposicioacuten
quiacutemica de vapor (CVD) Este meacutetodo permite controlar la presencia de
impurezas de grafito que pudiese haber en el electrodo y que pudieran
repercutir negativamente en el anaacutelisis electroquiacutemico causando un aumento
de la corriente de fondo y una disminucioacuten de la ventana de potencial del
electrodo BDD Dentro de este meacutetodo se emplean distintos sustratos para la
deposicioacuten de los BDDs entre los maacutes empleados destacan los sustratos
metaacutelicos (Ti Mo y W) y los sustratos de materiales ceraacutemicos como el silicio
[106] [107] [110]
La deposicioacuten quiacutemica de vapor a altas temperaturas y presiones (HTHP)
constituye otra de las formas para obtener polvo de diamante dopado con boro
compacto A pesar de que este proceso permite obtener BDDs con
caracteriacutesticas similares a la deposicioacuten quiacutemica de vapor es un proceso que
se lleva a cabo en condiciones de presioacuten y temperatura maacutes restrictivas por lo
que es una teacutecnica menos utilizada para la obtencioacuten de este tipo de electrodos
[107]
25 Sensores basados en nanomateriales
Con el desarrollo de la nanotecnologiacutea en el campo del anaacutelisis sensorial se
han podido introducir nanomateriales que mejoran en gran medida el
comportamiento de los sensores electroquiacutemicos Debido a la importancia que
esto supone la modificacioacuten de sensores con superficies nanoestructuradas
ha representado el epicentro de estudio de un gran nuacutemero de grupos de
investigacioacuten
En los uacuteltimos antildeos se han modificado sensores electroquiacutemicos con
nanotubos de carbono por sus caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica y
propiedades fiacutesicas y quiacutemicas [64] Se han sintetizado sensores MIP
modificados con nanopartiacuteculas de oro con objeto de mejorar la intensidad de
corriente alcanzada por el sensor [85] Tambieacuten se han empleado nanohilos
metaacutelicos para mejorar el rendimiento del sensor incrementando su aacuterea
efectiva [98]
La plata por si sola representa uno de los metales con mejores caracteriacutesticas
de conductividad eleacutectrica y teacutermica [113] Por esta razoacuten los nanomateriales
basados en dicho metal son de gran intereacutes en la industria de la
nanotecnologiacutea En concreto los nanohilos de plata (AgNWs) constituyen uno
de los nanomateriales maacutes interesantes ya que presentan excelentes
propiedades que les convierten en materiales muy adecuados para el
desarrollo de los sensores electroquiacutemicos [114] [115] [116] [117]
48
Wagner se considera uno de los primeros desarrolladores de los electrodos
semiconductores basados en nanohilos de diferentes materiales En 1964
sintetizoacute microhilos de silicio utilizando el oro como catalizador del proceso
mediante meacutetodos de vapor-liacutequido-soacutelido (VLS) a traveacutes de los cuales
consiguioacute sintetizar nanoestructuras por deposicioacuten quiacutemica de vapor En 2001
se lograron sintetizar los primeros AgNWs a traveacutes del mismo proceso [118]
Desde este momento en la primera deacutecada de SXXI se han realizado nuacutemeros
estudios dedicados a la obtencioacuten de AgNWs teniendo en cuenta que su
tamantildeo forma y estructura son paraacutemetros que determinan sus propiedades
[113] [119] [120]
251 Los nanohilos de plata (AgNWs)
Los AgNWs son nanoestruras consideradas de una dimensioacuten (1D) que cuentan
con una largura mucho mayor a su diaacutemetro generalmente el diaacutemetro variacutea
entre 10 - 200 nm y su longitud puede variar entre 5 - 100 μm [113] [120]
Gracias a su configuracioacuten exhiben propiedades extraordinarias como son
[121]
bull Transparencia oacuteptica y conductividad eleacutectrica El empleo de AgNWs
como conductores transparentes representa un futuro prometedor su
importancia en este campo radica en su propiedades como son su
elevada conductividad sus propiedades oacutepticas y su sencillez de
obtencioacuten junto con el bajo coste de preparacioacuten [121] [122] [123]
bull Flexibilidad los AgNWs presentan una estructura cuacutebica centrada en las
caras (FCC) que les proporciona una alta flexibilidad y resistencia a la
traccioacuten [124] La fabricacioacuten de dispositivos electroacutenicos flexibles
constituye uno de los campos en los que maacutes se ha investigado en los
uacuteltimos antildeos siendo la flexibilidad de los AgNWs (entre otras
propiedades) lo que hace que puedan ser empleados en dispositivos
electroacutenicos que pueden ser curvados Por ello se han incorporado en
ceacutelulas solares y TCF (peliacuteculas teacutermicas conductoras transparentes)
[121]
bull Aacuterea efectiva los AgNWs presentan un relacioacuten LongitudDiaacutemetro
elevada lo que hace que tengan una gran superficie en comparacioacuten al
volumen que ocupan [125] Esta caracteriacutestica es importante porque
influye en las propiedades conductoras y oacutepticas de eacutestos Se ha
49
demostrado que en los AgNWs de diaacutemetros superiores a 50 nm
cuanto mayor es su diaacutemetro mayor es su conductividad Por el
contrario en AgNWs cuyos diaacutemetros son inferiores a 20 nm cuaacutento
menor es el diaacutemetro mejores son sus propiedades conductoras y
oacutepticas [126]
bull Confinamiento cuaacutentico el confinamiento cuaacutentico tiene lugar cuando
el tamantildeo del nanocristal es muy pequentildeo en comparacioacuten con la
longitud de onda de un electroacuten por lo que se dice que los electrones
se encuentran encerrados en un espacio cuaacutentico ocupando diferentes
niveles de energiacutea a los que ocupariacutean en el mismo material de tamantildeo
macromolecular Este fenoacutemeno hace que las propiedades oacutepticas y
eleacutectricas sean diferentes en comparacioacuten a las que tendriacutea el material
a una escala superior [127]
bull Efecto cataliacutetico se ha demostrado que el empleo de nanoestructuras
como AgNWs mejoran la transferencia electroacutenica de poliacutemeros de
mala conductividad eleacutectrica Tambieacuten actuacutean como mediadores
electroacutenicos mejorando la transferencia de electrones de la solucioacuten al
electrodo [64] [128]
bull Resonancia de plasmoacuten superficial es el fenoacutemeno que tiene lugar
cuando los electrones que estaacuten situados en la capa superficial de un
metal son excitados por los fotones de un haz de luz y despueacutes se
propagan paralelamente a lo largo de la superficie del metal [129] Los
AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso que se puede
apreciar en la banda de absorcioacuten UV- VIS lo que permite estudiar las
propiedades oacutepticas de dichos materiales [130]
252 Desarrollo de sensores basados en AgNWs
Los AgNWs constituyen nanomateriales de gran importancia en la siacutentesis de
sensores nanoestructurados En concreto su utilizacioacuten en sensores
electroquiacutemicos representa uno de sus principales campos de aplicacioacuten
debido a que ciertas de sus propiedades (conductividad aacuterea efectiva entre
otras) les convierten en materiales predilectos para el desarrollo de los mismos
[131] Por ello son varios los estudios dedicados a la integracioacuten de estas
nanoestructuras para la deteccioacuten de compuestos de intereacutes
50
El equipo de investigacioacuten de X Gao et al llevaron a cabo el desarrollo de un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) en la
leche de vaca La deteccioacuten de dicho producto es muy importante dentro de la
industria alimentaria y en concreto en el sector laacutecteo Su presencia se debe a
que es una sustancia muy empleada para el control del desarrollo bacteriano
en productos laacutecteos sin embargo a elevadas concentraciones puede causar
dantildeos en el organismo El sistema de medida desarrollado por el equipo de
investigacioacuten contaba con un electrodo de trabajo de carboacuten vitreo que se
modificoacute depositando AgNWs a traveacutes de ldquodrop coatingrdquo sobre la superficie del
electrodo finalmente mediante la misma teacutecnica depositaron una solucioacuten de
chitosaacuten utilizada como soporte para los AgNWs El comportamiento del sensor
frente a la deteccioacuten del H2O2 fue evaluado a traveacutes de teacutecnicas
electroquiacutemicas como la amperometriacutea en muestras de leche donde se
demostroacute una gran sensibilidad del sensor debido principalmente a la
capacidad electroliacutetica aacuterea efectiva y conductividad eleacutectrica que
proporcionaron los AgNWs [114]
J Turan et al llevaron a cabo el desarrollo de un biosensor modificado con
AgNWs para la deteccioacuten de plaguicidas como el paraoxoacuten que pueden estar
presente en la leche (muchos plaguicidas acaban en productos de consumo
diario debido a que forman parte de la cadena alimentaria de los animales) El
sistema de medida basado en meacutetodos de transduccioacuten amperomeacutetricos
contaba con un electrodo de trabajo de grafito modificado con AgNWs la
enzima que cataliza los procesos redox del compuesto de intereacutes
(butirilcolinesterasa) y un poliacutemero conductor que sirve de soporte para dicha
enzima El comportamiento del sensor fue evaluado mediante amperometriacutea a
traveacutes de la inmersioacuten del electrodo en muestras de leche con paraoxoacuten El
equipo concluyoacute que la presencia de los AgNWs a una concentracioacuten especiacutefica
junto con el poliacutemero conductor contribuiacutea a mejorar la sensibilidad
selectividad y estabilidad de la enzima en el electrodo [115]
Por su repercusioacuten en el presente trabajo tambieacuten es de intereacutes sentildealar el
desarrollo de electrodos que han sido modificados con AgNWs y que se han
empleado para la deteccioacuten de azuacutecares V H Luan et al desarrollaron un
sensor electroquiacutemico para la deteccioacuten de glucosa analito de gran intereacutes en
la industria alimentaria y en medicina El sistema sensor contaba con un
electrodo de trabajo de carboacuten viacutetreo modificado con AgNWs y grafeno La
sensibilidad del sensor fue evaluada a traveacutes de amperometriacutea en este estudio
se concluyoacute que los AgNWs combinados con el grafeno mejoraban
significativamente la sensibilidad del mismo debido a su actividad
electrocataliacutetica [116]
Finalmente un biosensor elaborado para la monitorizacioacuten de glucosa fue
fabricado por X Jang et al El equipo de investigacioacuten obtuvo un sensor para la
51
monitorizacioacuten de glucosa a traveacutes de la deteccioacuten de H2O2 (la enzima glucosa
oxidasa con oxiacutegeno genera peroacutexidos) cuyo funcionamiento se evaluoacute
mediante voltametriacutea ciacuteclica El sistema sensor contaba con un electrodo de
trabajo de carboacuten vitreo modificado con AgNWs los cuales funcionaron como
agentes electrocataliacuteticos de los procesos de reduccioacuten del H2O2 que teniacutean
lugar en la celda electroliacutetica Los AgNWs mejoraron la transferencia electroacutenica
de los electrones de la solucioacuten al electrodo y demostraron una mejora en la
intensidad de los picos catoacutedico mostrados en el voltamograma
correspondiente a los procesos de reduccioacuten del H2O2 [117]
2521 Siacutentesis de AgNWs
Existen una gran variedad de meacutetodos de obtencioacuten de AgNWs que se han ido
perfeccionando a lo largo de estos uacuteltimos antildeos ya que el meacutetodo de
fabricacioacuten influye en su organizacioacuten estructural y en su dimensioacuten Los
procesos de fabricacioacuten de AgNWs se pueden clasificar en meacutetodos fiacutesicos y
meacutetodos quiacutemicos
Los meacutetodos fiacutesicos se fundamentan en procesos de pulverizacioacuten mecaacutenica
los AgNWs obtenidos mediante este tipo de teacutecnicas no son uniformes y
presentan impurezas por lo que estos meacutetodos actualmente ya no se emplean
[121]
Los meacutetodos quiacutemicos se caracterizan por ser procesos relativamente sencillos
y aplicables a gran escala entre los maacutes destacados estaacuten el empleo de
plantillas el meacutetodo poliol o la fotorreduccioacuten por radiacioacuten ultravioleta entre
otros procesos [121]
Entre los meacutetodos descritos el meacutetodo poliol destaca por ser un meacutetodo
sencillo de bajo coste y muy eficiente Por estas razones esta teacutecnica
constituye uno de los procesos maacutes utilizados para la siacutentesis de AgNWs [121]
bull Meacutetodo poliol
Un poliol es un compuesto orgaacutenico que presenta varios grupos hidroxilo el
poliol empleado por excelencia en la siacutentesis de AgNWs es el etilenglicol (EG)
El meacutetodo poliol consiste en llevar a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten de una sal
metaacutelica mediante la aplicacioacuten de calor en presencia de un poliol [120]
52
En este proceso se utiliza un agente reductor un solvente un agente precursor
y una sal El EG presenta una funcioacuten doble por un lado actuacutea como reductor
y por otro lado actuacutea como disolvente La polivinilpirrolidona (PVP) se utiliza
como agente de recubrimiento para controlar el crecimiento anisoacutetropo de los
aacutetomos de plata y ademaacutes evita que se formen agregados de nanopartiacuteculas
(NPs) Por uacuteltimo el nitrato de plata (AgNO3) es el agente precursor encargado
de proporcionar los iones de plata (Ag+) para la siacutentesis de AgNWs [121] [120]
En mayor detalle el meacutetodo poliol comienza con la reaccioacuten de reduccioacuten de
una sal metaacutelica (CuCl2) en presencia de glicolaldehiacutedo (GA) este compuesto
es un agente reductor obtenido de la reaccioacuten de oxidacioacuten del EG cuando se
alcanza una temperatura de reaccioacuten proacutexima a 160ordmC [121] A continuacioacuten
se antildeaden simultaacuteneamente la sal de AgNO3 y el PVP durante este momento
manteniendo la temperatura de reaccioacuten constante la velocidad de agitacioacuten
y la relacioacuten molar [PVP AgNO3] antildeadida se puede controlar un mecanismo de
formacioacuten homogeacuteneo de los AgNWs [121]
El proceso de siacutentesis de AgNWs se puede seguir a simple vista debido a los
cambios de coloracioacuten que toma la disolucioacuten a medida que los AgNWs crecen
este fenoacutemeno es debido a que las nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) presentes
en la solucioacuten absorben la radiacioacuten electromagneacutetica de una longitud de onda
cercana a 400 nm haciendo que eacutesta adquiere un color amarillento [132]
El proceso de crecimiento de los AgNWs comienza a partir del mecanismo de
nucleacioacuten de los aacutetomos de plata (Ag0) presentes en la solucioacuten los cuales
proceden de la reaccioacuten de reduccioacuten de los iones Ag+ en presencia de EG
[113] Los Ag0 comienzan a nuclearse dando lugar a AgNPs de distintos
tamantildeos y morfologiacuteas Durante este momento la actuacioacuten del PVP es vital
para evitar que se formen agregados de las mismas [113] [120] [133]
A medida que evoluciona la reaccioacuten con los paraacutemetros de temperatura y
velocidad de agitacioacuten fijados como las AgNPs maacutes pequentildeas no son estables
(necesitan una energiacutea superficial mayor) comienzan a disolverse favoreciendo
el crecimiento de las AgNPs maacutes grandes siguiendo el proceso denominado
ldquomaduracioacuten de Ostwaldrdquo [113] Posteriormente gracias a la adsorcioacuten del PVP
sobre la superficie de los cristales que forman las AgNPs se promueve el
crecimiento anisotroacutepico de los mismos de manera que se produce la evolucioacuten
de las AgNPs maacutes grandes a nanobarras o ldquonanorodsrdquo (son otras estructuras
1D distintas de los AgNWs) Finalmente el crecimiento de las nanobarras da
lugar a la formacioacuten de los AgNWs durante esta etapa el PVP evita que los
AgNWs se agreguen [113] [120]
El resultado final es una disolucioacuten que contiene los AgNWs y una dispersioacuten
de las AgNPs maacutes grandes [97] Para la obtencioacuten pura de los AgNWs las NPs
53
se eliminan al finalizar el proceso de siacutentesis por medio de teacutecnicas de
centrifugacioacuten
Figura 10 Proceso de crecimiento de los AgNWs
En la figura 10 se muestran las 4 etapas que se corresponden con el
crecimiento de los cristales que forman los AgNWs En primer lugar la solucioacuten
estaacute formada por aacutetomos de plata Ag0 procedentes de la reaccioacuten de reduccioacuten
de los iones Ag+ en presencia de EG posteriormente se forman cristales de
geometriacutea pentagonal (nuacutecleos) que crecen en forma de nanobarras Este
fenoacutemeno es debido a que las moleacuteculas de PVP son adsorbidas y pasivan el
plano del cristal [100] de las AgNPs por lo que la fortaleza del enlace entre el
PVP y el plano cristalograacutefico [100] prioriza el crecimiento del cristal a lo largo
de la direccioacuten [111] formando nanobarras de una seccioacuten pentagonal
Finalmente tiene lugar el crecimiento de los AgNWs a lo largo de la direccioacuten
longitudinal [120] [134]
Figura 11 Representacioacuten de los planos cristalograacuteficos [111] y [100] de una ldquonanobarrardquo
El meacutetodo poliol puede presentar distintas variantes en funcioacuten de las
condiciones de siacutentesis empleadas es decir la utilizacioacuten de distintas sales
las concentraciones que se empleen la temperatura la velocidad de agitacioacuten
etc Dichas caracteriacutesticas afectan significativamente al proceso de obtencioacuten
54
de los AgNWs [120] [121] a continuacioacuten se describen los paraacutemetros maacutes
representativos que afectan a la formacioacuten y crecimiento de los AgNWs
Temperatura y tiempo de reaccioacuten
El poder de reduccioacuten del etilenglicol aumenta con la temperatura es decir la
reaccioacuten de oxidacioacuten del EG para dar lugar al GA se ve favorecida por las altas
temperaturas [113] [120] [121] Por esta razoacuten la temperatura del
mecanismo de reaccioacuten de la siacutentesis de los AgNWs generalmente se lleva a
cabo a 160ordmC durante 1h asiacute se consiguen obtener AgNWs de eleva longitud
[120] [121] Se ha comprobado que llevando a cabo el proceso de reaccioacuten a
temperaturas inferiores (100 ordmC) la longitud de los AgNWs disminuye y no llegan
a alcanzar el tamantildeo adecuado debido a que no se proporciona la energiacutea
suficiente para su crecimiento Por consiguiente sus propiedades se veriacutean
afectadas como por ejemplo se obtendriacutea un menor aacuterea efectiva o
disminuiriacutea la capacidad conductora de los AgNWs lo cual es indeseable [120]
Por otro lado cuando se alcanzan temperaturas maacutes elevadas (185ordmC) en la
reaccioacuten de oxidacioacuten para dar lugar a GA el producto de siacutentesis final del
meacutetodo polio seriacutean nanobarras en lugar de los AgNWs [121]
El tiempo de obtencioacuten de los AgNWs tambieacuten depende de la temperatura
Cuanto menor es la temperatura mayor es el tiempo requerido para que tenga
lugar la formacioacuten de los AgNWs ya que la reaccioacuten para dar lugar a GA no se
ve favorecida a temperaturas bajas [120] [121] Por esta razoacuten se ha
comprobado que trabajando a una temperatura de 160 ordmC los AgNWs alcanzan
su tamantildeo oacuteptimo en 1h [121]
Influencia de la Polivinilpirrolidona (PVP) y del nitrato de plata
(AgNO3)
La PVP es el poliacutemero empleado por excelencia como agente de recubrimiento
por sus buenos resultados [113] [120] [121] Su efectividad se asocia a la
presencia de determinados aacutetomos en su cadena polimeacuterica el nitroacutegeno y
oxiacutegeno que hacen que pueda ser adsorbido selectivamente sobre la superficie
de las AgNPs de esta manera ralentiza la tasa de crecimiento de las AgNPs y
favorece la formacioacuten de AgNWs [120][121] El AgNO3 es el agente que
proporciona los iones Ag+ por lo que la concentracioacuten que se antildeada tambieacuten
determinaraacute la forma de crecimiento de los AgNWs [121]
55
La concentracioacuten empleada de PVP es un factor vital que afecta directamente
a la morfologiacutea de los AgNWs ademaacutes no es un factor tratado de manera
independiente puesto que generalmente va ligado con la concentracioacuten del
AgNO3 empleada Es decir se busca un ratio molar [PVPAgNO3] que
proporcione los AgNWs con las caracteriacutesticas deseadas [121] Cuanto mayor
sea la concentracioacuten de PVP (mayor ratio manteniendo la concentracioacuten de
AgNO3 constante) se obtendraacuten AgNWs maacutes largos y de menor diaacutemetro [121]
Por otro lado cuanto mayor sea la concentracioacuten del AgNO3 se formaraacuten AgNWs
maacutes cortos y gruesos lo cual es indeseable por la obtencioacuten de AgNWs de
menor aacuterea efectiva [121]
El grado de polimerizacioacuten del PVP tambieacuten afecta significativamente a la
formacioacuten de AgNWs Largas cadenas del poliacutemero proporcionan AgNWs con
una relacioacuten LongitudDiaacutemetro mayor [120]
Influencia de la Sal metaacutelica empleada
La adiccioacuten de una sal metaacutelica es importante ya que su presencia afecta en la
morfologiacutea y al rendimiento de siacutentesis de los AgNWs En este paraacutemetro
difieren la mayoriacutea de los procesos de formacioacuten de AgNWs basados en el
meacutetodo poliol puesto que las sales que se pueden emplear son varias como el
NaCl KBr y CuCl CuCl2 [121]
Las sales que proporcionan los iones cloruro presentan importancia en la
morfologiacutea y formacioacuten de AgNWs Su intereacutes se debe a que son sustancias que
se coordinan con los nuacutecleos de plata evitando que se formen agregados de
Nps Dicho suceso es importante ya que constituye el mecanismo primario para
el crecimiento de las AgNPs [120]
El meacutetodo de adiccioacuten de los reactivos
El modo de adiccioacuten de los reactivos es un factor importante ya que afecta a la
formacioacuten de los AgNWs generalmente se puede llevar a cabo de dos maneras
diferentes La primera forma consiste en antildeadir los reactivos con una bomba
peristaacuteltica cuando se alcanza la temperatura de reaccioacuten deseada de esta
manera se controla el tamantildeo de los AgNWs mediante el ajuste de la velocidad
de la bomba La segunda forma consiste en mezclar todos los reactivos a
temperatura ambiente sin esperar a que el sistema alcance la temperatura de
reaccioacuten [120] Este uacuteltimo meacutetodo es el menos utilizado debido a que se
56
pueden formar agregados de los aacutetomos de plata lo cual es indeseable para la
formacioacuten de los AgNWs [120]
Agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten
La velocidad de agitacioacuten durante el proceso de reaccioacuten es un factor
importante ya que afecta a la morfologiacutea de los AgNWs Para comprobar su
efecto se han llevado a cabo estudios donde se variacutea la velocidad de agitacioacuten
para obtener un valor oacuteptimo Se ha comprobado que utilizando una velocidad
de agitacioacuten demasiado alta (500-700 rpm) el producto final obtenido son
nanobarras lo cual es indeseable ya que no se obtienen AgNWs Con
velocidades de agitacioacuten inferiores se obtienen AgNWs con una relacioacuten
LongitudDiaacutemetro elevada [133]
2522 Teacutecnicas de caracterizacioacuten de los AgNWs
El proceso de siacutentesis de los AgNWs afecta significativamente a su forma y
tamantildeo repercutiendo estos directamente en sus propiedades Debido a la
importancia que esto genera son varias las teacutecnicas empleadas para su
caracterizacioacuten entre ellas destacan la espectroscopiacutea de rayos-X de energiacutea
dispersiva o ldquoEnergy-Dispersive X-ray Spectroscopyrdquo (EDX) difraccioacuten de rayos-
X o ldquoX-ray Diffractionrdquo (DRX) microscopiacutea electroacutenica de barrido o ldquoScanning
Electron Microscopyrdquo (SEM) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten o ldquo
transmission electron miscroscoperdquo (TEM) microscopiacutea de fuerza atoacutemica o
ldquoAtomic force spectroscopyrdquo (AFM) y la espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta
visible o ldquo UV-VIS absorption spectrometryrdquo (UV-VIS) entre otras [135] [130]
En el presente trabajo de investigacioacuten se ha llevado a cabo un estudio de las
caracteriacutesticas morfoloacutegicas dimensionales y oacutepticas de los AgNWs
sintetizados Con el empleo del AFM se obtuvo informacioacuten de las
caracteriacutesticas dimensionales de los AgNWs por otro lado se emplearon
teacutecnicas oacutepticas de espectroscopiacutea UV-VIS para obtener informacioacuten sobre el
plasmoacuten de resonancia de los AgNWs Finalmente se utilizoacute la DRX para
realizar un anaacutelisis estructural de los AgNWs
En los apartados siguientes se lleva a cabo una descripcioacuten detallada de cada
una de las teacutecnicas empleadas
25221 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
57
El microscopio de fuerza atoacutemica es un instrumento donde se combina la
mecaacutenica y la oacuteptica estaacute formado por una punta muy fina que guarda una
estrecha distancia (nanomeacutetrica) con la superficie que va a recorrer La punta
se encuentra acoplada a un cantilever un soporte de un material
(generalmente) piezoeleacutectrico de una longitud del orden de microacutemetros Este
instrumento funciona como un muelle que se flexiona en funcioacuten de las fuerzas
de interaccioacuten entre la punta y la muestra [136] [137]
La imagen de la muestra se obtiene cuando la punta recorre su superficie de
manera que se establecen fuerzas de interaccioacuten entre la punta y eacutesta [136]
Estas fuerzas provocan la flexioacuten del cantilever que recorre la muestra
realizando un escaneo en un sistema de coordenadas tridimensional (x y z)
como se trata de un material piezoeleacutectrico presenta la capacidad de alargarse
o acortarse en funcioacuten del voltaje que reciba El movimiento del cantilever es
registrado por un haz laacuteser rojo que incide sobre eacuteste de manera que sus
desviaciones son refractadas sobre el cantilever hacia un fotodetector y la
informacioacuten es interpretada por un software proporcionando una imagen de la
muestra estudiada [136] [138]
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica presenta la gran ventaja de ser capaz de
obtener informacioacuten de la muestra sin la necesidad de que intervengan
meacutetodos eleacutectricos esto hace que se puedan utilizar una gran variedad de
muestras tanto conductoras como no conductoras Por ello la naturaleza de
la muestra es diversa pudiendo ser un soacutelido polvo muestras bioloacutegicas e
incluso se pueden emplear liacutequidos [138] Ademaacutes no requiere trabajar a vaciacuteo
como otras teacutecnicas de anaacutelisis instrumental y el tratamiento previo de la
muestra es miacutenimo o ninguno lo que hace que el AFM sea un instrumento muy
empleado en el anaacutelisis de nanomateriales [138]
A continuacioacuten en la figura 12 se muestra una imagen simplificada del
funcionamiento del AFM [138]
Figura 12 Esquema de funcionamiento de un Microscopio de fuerza atoacutemica
58
El modo de operar del AFM se basa en los siguientes modos de contacto entre
el cantilever y la muestra
bull Meacutetodo de contacto
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica por contacto directo es el mecanismo de
funcionamiento maacutes simple del microscopio En este meacutetodo la punta se
encuentra en contacto constante (muy suave) con la superficie de la muestra
de manera que las fuerzas que se dan por la interaccioacuten entre la punta y la
muestra son suficientes para alargar o comprimir el cantilever En este punto
pueden actuar tres tipos de fuerzas las fuerzas de Van der Waals son las
resultantes de la interaccioacuten entre la punta y la muestra Las fuerzas de
capilaridad (en el medio todos los materiales presentan una ligera peliacutecula de
agua) y por uacuteltimo las fuerza ejercida por el propio movimiento del cantilever
sobre la muestra [136] [139]
A pesar de que se trata de un meacutetodo sencillo presenta varias desventajas
como el ruido debido al contacto interferencias en los resultados por la
aparicioacuten de fuerzas no deseadas y el desgaste o posible destruccioacuten de la
punta [136]
bull Contacto intermitente (ldquotapping moderdquo)
La principal diferencia con respecto al anterior modo de funcionamiento es que
en este meacutetodo en lugar de arrastrar la punta se ejerce un contacto
intermitente que se puede controlar con tres paraacutemetros tiacutepicos de la oscilacioacuten
de una onda frecuencia amplitud y fase de la onda [136] El cantilever se hace
oscilar a una frecuencia fija y la amplitud se mantiene variable siendo el orden
de variacioacuten de decenas de nm Cuando la punta se acerca a la superficie se
ejercen fuerzas de interaccioacuten entre ambas cambiando los paraacutemetros de
oscilacioacuten del cantilever [136] La amplitud (relativamente amplia) que se le da
al sensor permite llevar a cabo este mecanismo de contacto intermitente por
este motivo recibe el nombre de AM-AFM (modulacioacuten de amplitud) [136]
Con este meacutetodo se reducen los efectos de friccioacuten en la punta se obtienen
medidas muy estables y ademaacutes permite obtener imaacutegenes de alta resolucioacuten
con una exactitud nanomeacutetrica [136] Por estas razones este modo de operar
constituye el meacutetodo maacutes utilizado y sobre el que se han implantado
59
importantes innovaciones tecnoloacutegicas En este contexto se ha incorporado al
microscopio un segundo laacuteser denominado ldquoblue driverdquo cuya actuacioacuten se
complementa con el laacuteser rojo inicial En este caso el movimiento del soporte
en el que se encuentra el cantilever no se debe a fenoacutemenos piezoeleacutectricos
sino que se produce por un calentamiento del cantilever a este fenoacutemeno se
le denomina excitacioacuten fototeacutermica El calentamiento provoca el movimiento
mecaacutenico del cantilever cuya frecuencia y amplitud de oscilacioacuten pueden ser
regulados con la potencia del laacuteser [140]
El blue drive proporciona imaacutegenes mucho maacutes raacutepidas precisas estables y
de mayor resolucioacuten de todo tipos de muestras tanto en medios soacutelidos como
en liacutequidos estas extraordinarias caracteriacutesticas le convierten en un
instrumento predilecto en el campo de la nanotecnologiacutea [140]
En el presente trabajo de investigacioacuten se contoacute con un AFM de estas
caracteriacutesticas gracias al cual se pudo llevar a cabo un estudio de la
morfologiacutea de los AgNWs
bull Meacutetodo de no contacto
En el meacutetodo de no contacto la punta no se arrastra sobre la muestra en
cambio se hace vibrar al cantilever en su frecuencia de resonancia fijaacutendole
una amplitud entre 1Aring hasta nanoacutemetros respecto de la muestra por ello
tambieacuten se denomina FM-AFM (modulacioacuten de frecuencia) [136] La distancia
nanomeacutetrica que mantiene separados la punta y la muestra es suficiente como
para que se establezcan fuerzas de repulsioacuten [136]
Otra de las ventajas que presenta la microscopiacutea de fuerza atoacutemica en el
anaacutelisis de materiales es que ademaacutes de obtener imaacutegenes proporciona
informacioacuten acerca de las caracteriacutesticas de fuerza de la muestra Las medidas
de fuerza se obtienen cuando la punta con la que se rastrea la muestra se
mantiene fija (meacutetodo de contacto) de manera que se puede extraer
informacioacuten uacutetil de las propiedades mecaacutenicas del material [141]
La informacioacuten se consigue mediante la representacioacuten graacutefica de la fuerza en
funcioacuten de la distancia a la muestra donde se tienen en cuenta las fuerzas de
repulsioacuten las cuales son debidas a una distancia muy proacutexima ente la punta y
la muestra y las fuerzas de atraccioacuten que tiene lugar cuando la punta se aleja
de la muestra [141] El resultado final es una graacutefica en forma de curva a partir
de la cual se obtiene informacioacuten de la dureza de un material [141]
60
25222 Teacutecnicas espectroscoacutepicas UV-VIS y DRX
La espectroscopiacutea es una teacutecnica de anaacutelisis instrumental que mide la
interaccioacuten de la materia con la radiacioacuten electromagneacutetica [142]
La radiacioacuten electromagneacutetica se puede explicar mediante dos teoriacuteas la teoriacutea
ondulatoria que establece que la luz se transmite describiendo ondas en el
espacio y la teoriacutea corpuscular la cual explica que la luz estaacute formada por
fotones La energiacutea de la radiacioacuten viene dada por la ecuacioacuten de Planck [143]
119864 = ℎ ∙ 119907 = ℎ ∙ 119888 ∙ 1120582
(5)
Ecuacioacuten 5 Ley de Planck
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull h es la constante de Planck (kg m2s)
bull v es la frecuencia (m-1)
bull 120582 es longitud de onda (m)
bull 119888 es la velocidad de la luz (ms)
La radiacioacuten comprende un espectro de diferentes longitudes de onda desde
frecuencias altas (ondas de radio) hasta frecuencias muy bajas (rayos gamma)
Cuando esta energiacutea incide sobre la materia la radiacioacuten sufre diferentes
procesos absorcioacuten transmisioacuten reflexioacuten refraccioacuten y dispersioacuten [144]
Existen diferentes teacutecnicas en funcioacuten de los procesos que sufre la luz como
son la espectroscopiacutea de absorcioacuten (radiacioacuten absorbida por la muestra) la
espectroscopiacutea de emisioacuten (radiacioacuten que emite una muestra al ser excitada) o
los meacutetodos de fluorescencia (radiacioacuten que emite la muestra cuando ha sido
excitada por radiacioacuten electromagneacutetica) [145]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten se basa en las leyes de la transmitancia y
absorbancia La transmitancia (T) es un paraacutemetro fiacutesico que indica la parte de
la energiacutea que ha sido transmitida y que es detectada por el detector una vez
61
la radiacioacuten haya atravesado la disolucioacuten La absorbancia (A) indica la
cantidad de luz absorbida por la muestra [146]
La transmitancia de una sustancia se obtiene a partir de la Ley de la
transmitancia expresada como [146]
119879 = 119868119879 119868119874
( 6)
Ecuacioacuten 6 Ley de la Transmitancia
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull IT es la cantidad de energiacutea transmitida al receptor una vez ha
atravesado la muestra
bull I0 es la cantidad de energiacutea que incide sobre la muestra
La absorbancia (A) de una sustancia se calcula a traveacutes de la transmitancia
mediante la siguiente expresioacuten [146]
119860 = 119897119900119892 (1
119879)
(7)
Ecuacioacuten 7 Caacutelculo de la absorbancia
-Espectroscopiacutea Ultravioleta-Visible (UV-VIS)
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS es una de las teacutecnicas de anaacutelisis maacutes
empleadas debido a que sus mediciones espectroscoacutepicas son muy sensibles
y no destructivas ademaacutes requiere de pequentildeas cantidades de muestra para
llevar a cabo un anaacutelisis quiacutemico [142]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS se basa en la absorcioacuten de la radiacioacuten
ultravioleta visible cuando un haz de luz atraviesa la solucioacuten en la que se
encuentra el analito La regioacuten espectral de la radiacioacuten ultravioleta visible
comprende una pequentildea regioacuten de todo el espectro electromagneacutetico donde
la luz visible alcanza las longitudes de onda entre 400 nm y 780 nm y el
ultravioleta la regioacuten entre 195 nm - 400 nm [143] [144]
62
Figura 13 Espectro electromagneacutetico correspondiente a las longitudes de onda de la regioacuten UV-VIS
La regioacuten visible es aquella parte de la radiacioacuten electromagneacutetica que puede
ser percibida por el ojo humano y gracias a ella se puede apreciar el color que
presenta una disolucioacuten [146] [147]
La regioacuten ultravioleta es una regioacuten de energiacutea muy alta y se corresponde con
una parte del espectro muy importante en el estudio y cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos Debido a que los compuestos quiacutemicos con enlaces
dobles triples enlaces peptiacutedicos compuestos aromaacuteticos y heteroaacutetomos
(aacutetomos que no son ni carbono ni hidroacutegeno) presentan sus maacuteximos de
absorbancia en dicha regioacuten [147]
El espectro de la regioacuten ultravioleta comprende las siguientes regiones
ultravioleta cercano o UV-A (es la regioacuten maacutes proacutexima a la regioacuten del espectro
visible su energiacutea de radiacioacuten fluctuacutea entre 315 nm y 400 nm) UV lejano o
UV-B (presenta un rango de radiacioacuten entre 280 nm y 315 nm) UV extremo o
UV-C (presenta un rango de radiacioacuten entre 100 nm y 280 nm) y finalmente el
UV de vaciacuteo ( es la regioacuten del espectro UV que presenta un intervalo de longitud
de onda menor comprendido entre 200 nm y 10 119899119898) [148]
El meacutetodo de absorcioacuten UV-VIS se basa en la incidencia de la radiacioacuten
electromagneacutetica con una determinada longitud de onda sobre la muestra
parte de la energiacutea es absorbida lo que provoca transiciones electroacutenicas entre
diferentes niveles energeacuteticos Debido a ello el aacutetomo que absorbe la radiacioacuten
pasa de su estado fundamental a un estado excitado de mayor energiacutea y
transcurrido un tiempo retorna a su estado energeacutetico basal (estado de menor
energiacutea) emitiendo radiacioacuten [144]
En la figura 14 se muestran las transiciones electroacutenicas que tienen lugar en la
regioacuten del espectro UV-VIS Estas transiciones se producen desde la banda de
valencia donde se encuentran los electrones hasta una nivel de energiacutea
superior [149]
63
Figura 14 Orbital molecular de la banda de valencia y transiciones electroacutenicas
Las transiciones electroacutenicas que pueden tener lugar son
bull σ rarr σ la transicioacuten del orbital sigma al orbital sigma antienlazante la
presentan la gran mayoriacutea de compuestos orgaacutenicos e implica una gran
cantidad de energiacutea e intensidad Estas transiciones se producen en la
regioacuten del UV de vaciacuteo y la regioacuten del UV lejano [149]
bull n rarrσ la transicioacuten electroacutenica del orbital molecular n al orbital σ se
da en compuestos que tienen heteroaacutetomos (los maacutes comunes son O
N S y haloacutegenos) a una longitud de onda de 200 nm Los compuestos
con azufre y yodo dan maacuteximos de absorbancia en la regioacuten UV-cercano
[149]
bull 120645 rarr 120645 lowast estos orbitales moleculares se encuentran en moleacuteculas que
presentan enlaces muacuteltiples como alquenos alquinos o compuestos
aromaacuteticos La transicioacuten electroacutenica del orbital 120645 al orbital 120645 lowast se puede
apreciar en la regioacuten del UV-lejano Tambieacuten hay compuestos que
pueden dar bandas de absorcioacuten en el UV-cercano si el compuesto
orgaacutenico presenta una insaturacioacuten conjugada (compuestos como el
fenol o furano) [149]
bull 119951 rarr 120645 lowast las transiciones electroacutenicas del orbital n al orbital 120645 lowast tienen
lugar en compuestos insaturados con heteroaacutetomos y se producen en
sustancias que dan bandas de absorcioacuten en la regioacuten del UV cercano
[149]
64
Cuando se lleva a cabo el anaacutelisis de la muestra por espectroscopiacutea de
absorcioacuten UV-VIS hay que tener en cuenta el tipo de celda en la que se introduce
la muestra Generalmente se utilizan cubetas de base cuadrada siendo dos de
sus paredes transparentes a la radiacioacuten en el rango de longitudes de onda en
el que se trabaje (ya que la luz atravesaraacute estas paredes) por ello el material
empleado en espectroscopiacutea UV suele ser el cuarzo [150]
La espectroscopiacutea de absorcioacuten UV-VIS generalmente se lleva a cabo con la
especie quiacutemica disuelta en un disolvente Calculando la cantidad de energiacutea
absorbida o transmitida por la muestra se puede obtener la concentracioacuten de
analito presente en la solucioacuten a traveacutes de la ley de Lambert-Beer (ecuacioacuten 8)
Dicha ley relaciona la cantidad de energiacutea que ha sido absorbida con la
concentracioacuten de analito que hay en la muestra [146]
119860 = 휀 ∙ 119888 ∙ 119897
(8)
Ecuacioacuten 8 Ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [145]
bull A es la absorbancia y es un paraacutemetro adimensional
bull 휀 es el coeficiente de extincioacuten molar o absortividad Es caracteriacutestico
de cada sustancia y se corresponde con la cantidad de energiacutea que
absorbe una sustancia a una longitud de onda determinada por unidad
de concentracioacuten (119872minus1 ∙ 119888119898minus1)
bull 119888 es la concentracioacuten molar del analito en la muestra (M)
bull l es el camino oacuteptico anchura de la ceacutelula que contiene a la disolucioacuten
(cm)
A traveacutes de la ecuacioacuten de la ley de Lambert-Beer se deduce que la absorbancia
depende del nuacutemero de moleacuteculas que hay en la muestra por lo que cuanto
mayor es su concentracioacuten mayor es la interaccioacuten de la luz con eacutestas Del
camino oacuteptico cuanto mayor es la distancia que recorre la luz a traveacutes de la
muestra mayor es la interaccioacuten con eacutesta De la naturaleza quiacutemica de la
muestra y finalmente tambieacuten depende de la intensidad y de la longitud de
onda de la radiacioacuten electromagneacutetica que incida sobre la muestra [143]
[146]
65
La ley de Lambert-Beer se cumple uacutenicamente para disoluciones diluidas a
concentraciones elevadas la disolucioacuten deja de comportarse de manera ideal
Esto supone que el coeficiente de extincioacuten molar (ε) variacutee con la concentracioacuten
debido a fenoacutemenos asociados con la dispersioacuten de la luz agregaciones de
sustancia etc En consecuencia la relacioacuten entre la absorbancia y la
concentracioacuten deja de tener un comportamiento lineal tal y como se muestra
en la figura 15 [146] [151]
Figura 15 A Recta de la ecuacioacuten de la Ley de Lambert-Beer y B representacioacuten de las desviaciones de la ley de Lambert- Bee
La espectroscopiacutea UV-VIS ha sido muy utilizada en el anaacutelisis cualitativo y
cuantitativo por su sencillez y utilidad En el anaacutelisis cualitativo se usa para la
determinacioacuten y caracterizacioacuten de biomoleacuteculas ya que la longitud de onda a
la que una sustancia puede absorber es una propiedad caracteriacutestica de cada
grupo funcional En el anaacutelisis cuantitativo se usa en la cuantificacioacuten de
compuestos orgaacutenicos e inorgaacutenicos ya que proporciona una alta sensibilidad
y buena precisioacuten [152]
En el campo de la nanotecnologiacutea dicha teacutecnica constituye una herramienta
muy valiosa para identificar caracterizar y estudiar nanomateriales debido a
que las nanopartiacuteculas o nanohilos de ciertos metales presentan propiedades
oacutepticas sensibles a su tamantildeo y forma [153] Cuando un haz de luz incide sobre
ellos interactuacutean con la radiacioacuten emitiendo a una determinada longitud de
onda dando lugar a fenoacutemenos oacutepticos de intereacutes [153] Por ejemplo las
resonancias de plasmoacuten superficial son fenoacutemenos dependientes de la
geometriacutea de los nanomateriales y se producen en respuesta a una excitacioacuten
electromagneacutetica que incide sobre ellos [154]
Los AgNWs presentan un plasmoacuten de resonancia muy intenso en la regioacuten UV-
VIS y debido a la repercusioacuten que tienen sus caracteriacutesticas morfoloacutegicas en
sus propiedades se han realizado estudios donde se ha comprobado que en
66
funcioacuten de la morfologiacutea de los AgNWs el plasmoacuten de resonancia variacutea [154]
Se ha demostrado que en AgNWs con una seccioacuten pentagonal se obtiene un
plasmoacuten de resonancia formado por dos bandas de absorcioacuten bien
diferenciadas en longitudes de onda proacuteximas a 361 nm (maacutes intenso) y 345
nm (menos intenso) En cambio en AgNWs con una seccioacuten circular el espectro
tiene una sola banda de absorcioacuten Finalmente en el anaacutelisis del espectro de
los AgNWs con una seccioacuten triangular se obtienen 3 bandas de absorcioacuten [154]
Por consiguiente el plasmoacuten de resonancia obtenido a partir de espectroscopiacutea
UV-VIS resulta de gran intereacutes en el estudio de ciertos nanomateriales como
los AgNWs ya que se puede relacionar con las caracteriacutesticas morfoloacutegicas de
los mismos
-Difraccioacuten de rayos-X (DRX)
La difraccioacuten de rayos-X es una de las teacutecnicas de anaacutelisis instrumental maacutes
empleadas para la caracterizacioacuten de materiales pues aporta informacioacuten
sobre sus caracteriacutesticas estructurales (estructura orientacioacuten de los cristales
grado de cristalinidad defectos en la estructura cristalina etc) y de su
composicioacuten quiacutemica Su mayor importancia en la nanotecnologiacutea radica en
que permite caracterizar de manera no destructiva los nanomateriales a
traveacutes de un estudio de la cristalinidad de su estructura [155] [156]
La teacutecnica DRX consiste en la emisioacuten de una radiacioacuten electromagneacutetica
filtrada de esta manera se consigue un haz de luz monocromaacutetico dirigido
hacia la muestra Los picos del espectro obtenidos son consecuencia de la
interaccioacuten producida entre los rayos-X que inciden y la muestra lo que da lugar
a la refraccioacuten de un haz de luz que uacutenicamente tiene lugar cuando se cumple
la ley de Bragg [155] [156]
La ley de Bragg (ecuacioacuten 9) relaciona la longitud de onda de los rayos-X con el
aacutengulo del haz refractado y el espacio interplanar de la muestra [155]
119899 ∙ 120582 = 2 ∙ 119889 ∙ 119904119890119899(120579)
(9)
Ecuacioacuten 9 Ley de Bragg
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son [155]
67
bull n es un nuacutemero entero
bull 120582 es la longitud de onda de los rayos-X que inciden sobre la muestra
bull 119889 es el espacio comprendido entre las filas de aacutetomos
bull 120579 es el aacutengulo que los rayos-X forman con el plano de las filas de aacutetomos
El espectro de difraccioacuten que se obtiene es caracteriacutestico de cada compuesto
lo que permite el anaacutelisis cualitativo de sustancias quiacutemicas En este proceso
se compara el patroacuten obtenido del espectro con patrones conocidos de esta
manera se puede lograr la determinacioacuten estructural de muestras cuya
composicioacuten es desconocida [155] Por esta razoacuten la teacutecnica DRX es de gran
utilidad en el campo de la nanotecnologiacutea ya que puede ser empleada para
caracterizar la estructura de nanomateriales mediante su excitacioacuten por rayos-
X
Los AgNWs presentan un patroacuten de difraccioacuten de rayos-X muy caracteriacutestico que
es utilizado para estudiar su estructura y cristalinidad ya que a traveacutes de eacutel se
obtiene informacioacuten de la orientacioacuten cristalograacutefica de los cristales que
componen dichos nanomateriales Generalmente los AgNWs presentan
espectros de difraccioacuten en los planos cristalograacuteficos [111] [200] [220] [311]
y [222] donde la intensidad de cada uno de ellos dependeraacute de la orientacioacuten
de los cristales que los compongan [157]
26 Teacutecnicas electroquiacutemicas
La electroquiacutemica es la rama de la quiacutemica y la fiacutesica que estudia la relacioacuten
entre las caracteriacutesticas eleacutectricas y los cambios quiacutemicos que se producen en
una solucioacuten Esta teacutecnica es empleada en una gran variedad de campos
dentro de los cuales destacan el diagnoacutestico cliacutenico el anaacutelisis ambiental y el
control de calidad en la industria alimentaria [158] Actualmente y por su
implicacioacuten en el presente trabajo cabe destacar la vinculacioacuten que se ha
establecido entre el campo de la electroquiacutemica y la nanotecnologiacutea estaacute
combinacioacuten ha contribuido al desarrollo de nuevos sensores electroquiacutemicos
como son los MIPs con propiedades conductoras [159]
Un proceso electroquiacutemico implica un intercambio de electrones entre el
electrodo y la especie que se encuentra en la solucioacuten consecuencia de los
procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda electroquiacutemica
68
(en una reaccioacuten de oxidacioacuten la especie pierde electrones mientras que en un
proceso de reduccioacuten gana electrones)
La celda electroquiacutemica se puede clasificar en dos tipos de celda en funcioacuten de
coacutemo tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten Si se produce una
reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea que genera un flujo de corriente eleacutectrica se
denomina celda galvaacutenica Por el contrario si se emplea una fuente externa
(por ejemplo un potenciostato) que proporciona electricidad para provocar la
reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten de una especie se denomina celda
electroliacutetica En ambas celdas la oxidacioacuten tiene lugar en el aacutenodo y la
reduccioacuten tiene lugar en el caacutetodo por lo que la reaccioacuten de oxidacioacuten-
reduccioacuten da lugar a una diferencia de potencial entre el sistema de electrodos
que puede ser medida obtenieacutendose asiacute informacioacuten uacutetil sobre los procesos
electroquiacutemicos [100] [160]
La ecuacioacuten de Nernst (ecuacioacuten 10) es la ecuacioacuten por excelencia para
estudiar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en una celda
electroquiacutemica Relaciona el potencial (tambieacuten llamado fuerza electromotriz)
producido en la celda con el potencial normal tabulado y la actividad de las
especies quiacutemicas en la solucioacuten [100]
119864 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865∙ 119871119899 119896
(10)
Ecuacioacuten 10 Ecuacioacuten de Nerst
Donde los teacuterminos de la ecuacioacuten son [100]
bull E es el potencial que tiene lugar en la celda electroquiacutemica y es el
resultado de la suma de los potenciales entre el caacutetodo por la reaccioacuten
de reduccioacuten y el aacutenodo por la reaccioacuten de oxidacioacuten de las especies
quiacutemicas que participan en la actividad redox
119864 = 119864119888aacute119905119900119889119900 + 119864aacute119899119900119889119900
(11)
Ecuacioacuten 11 Ecuacioacuten del potencial resultante de una celda electroquiacutemica
bull E0 potencial estaacutendar de una reaccioacuten quiacutemica
bull R constante universal de los gases ideales (831 Jmol ordm K)
69
bull T temperatura (ordmK)
bull n moles de electrones que se transfieren en el proceso de oxidacioacuten-
reduccioacuten
bull F constante de Faraday (96500 Cmol de electrones)
bull K constante de equilibrio termodinaacutemica Se define como el cociente
de los productos de las sustancias que participan en la actividad de
oxidacioacuten-reduccioacuten elevados a sus coeficientes estequiomeacutetricos
Para una reaccioacuten quiacutemica geneacuterica
119886119860 + 119887119861 + harr 119888119862 + 119889119863+
(12)
Ecuacioacuten 12 Reaccioacuten quiacutemica general de un proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten
La constante K se calcula como
119870 = [119862]119888 ∙ [119863]119889
[119860]119886 ∙ [119861]119887
(13)
Ecuacioacuten 13 Ecuacioacuten de la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde los paraacutemetros de la reaccioacuten [A] [B] [C] y [D] son las
concentraciones molares de los reactivos y productos que intervienen
en el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten Los paraacutemetros a y b son los
coeficientes estequiomeacutetricos de los reactivos [A] y [B] respectivamente
c y d son los coeficientes estequiomeacutetricos de los productos [C] y [D]
respectivamente
El potencial de la celda se puede relacionar con la energiacutea libre de Gibbs
mediante la siguiente expresioacuten [100]
∆119866 = minus 119882 = minus119899 ∙ 119865 ∙ 119864
(14)
Ecuacioacuten 14 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs
70
La energiacutea libre de Gibbs (∆119866) indica la espontaneidad del proceso de
oxidacioacuten-reduccioacuten y se define como la maacutexima cantidad de trabajo (W) que
puede extraerse de un sistema Un proceso electroquiacutemico seraacute reversible si
∆119866 lt 0 por el contrario un proceso electroquiacutemico seraacute irreversible si ∆119866 gt 0
[100]
Ademaacutes la constante K se relaciona con el cambio de la energiacutea libre de Gibbs
mediante la expresioacuten de la ecuacioacuten 15
∆119866 = ∆1198660 + 119877 ∙ 119879 ∙ 119897119899 119870
(15)
Ecuacioacuten 15 Ecuacioacuten de la energiacutea libre de Gibbs relacionada con la constante de equilibrio termodinaacutemica
Donde ∆119866ordm se corresponde con el incremento de la energiacutea libre de
Gibbs medida en condiciones normales
Las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten que se producen como consecuencia de
aplicar un potencial eleacutectrico o una corriente a traveacutes de un potenciostato en
una celda electroliacutetica tienen lugar entre un sistema de electrodos que puede
presentar diferentes configuraciones
Las celdas electroliacuteticas que presentan un sistema de dos electrodos (electrodo
de referencia y electrodo de trabajo) pueden medir la diferencia de potencial
existente entre ambos Sin embargo las celdas electroliacuteticas maacutes empleadas
utilizan una configuracioacuten de tres electrodos (electrodo de referencia electrodo
de trabajo y electrodo auxiliar) ya que por medio de esta configuracioacuten se puede
controlar la peacuterdida de carga que sufre el sistema El dispositivo que mide la
diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia
presenta una elevada impedancia por lo que la corriente que circula entre ellos
es muy baja [161] [162]
Los electrodos se encuentran sumergidos en la solucioacuten de la celda
electroliacutetica para que tenga lugar una circulacioacuten de corriente eleacutectrica desde
el electrodo de trabajo al electrodo auxiliar deben estar conectados por un hilo
conductor (por ejemplo un metal) a un potenciostato (figura 16) [162]
71
Figura 16 Esquema de una celda electroliacutetica conectada a un potenciostato que presenta un sistema de tres electrodos electrodo auxiliar electrodo de referencia y electrodo de trabajo
En la figura 16 se puede distinguir el electrodo de trabajo un contraelectrodo
y el electrodo de referencia cuyas funciones son
bull Electro de trabajo Electrodo donde se impone un potencial fijo o
variable que sirve para caracterizar las reacciones electroquiacutemicas Si
se impone un potencial positivo tendraacute lugar una reaccioacuten de oxidacioacuten
sobre el electrodo de trabajo si se impone un potencial negativo tendraacute
lugar una reaccioacuten de reduccioacuten sobre eacuteste [163]
bull Electrodo auxiliar o contraelectrodo Con este electrodo se cierra el
circuito ya que permite circular la corriente eleacutectrica a su traveacutes (de esta
manera la corriente no pasa por el electrodo de referencia) Este
electrodo puede ser de varios materiales (ej oro carbono etc) pero el
maacutes comuacuten es una placa de platino ya que es un material resistente a
la corrosioacuten y no afecta negativamente a los procesos que tienen lugar
en el electrodo de trabajo [164]
bull Electrodo de referencia Este electrodo debe tener un potencial
constante y conocido ya que se utiliza como potencial de referencia
para obtener los valores de los potenciales individuales Por esta razoacuten
el material empleado en su construccioacuten debe tener un potencial
estable ante las condiciones de anaacutelisis
A lo largo de los antildeos se han empleado una gran variedad de electrodos
de referencia siendo el electrodo de referencia universal el electrodo de
hidroacutegeno Sin embargo eacuteste no se utiliza por su difiacutecil preparacioacuten y la
72
necesidad de introducir hidroacutegeno [164] [165] En su lugar
actualmente se utiliza el electrodo de calomelanos saturado (SCE) y el
electrodo de plata (Ag) cloruro de plata (AgCl)
El electrodo SCE consiste en un tubo lleno de mercurio (Hg) en cuyo
interior hay un alambre de platino conectado a la salida del mismo y una
solucioacuten saturada de cloruro de mercurio (I) o calomelano Esta solucioacuten
estaacute en contacto con una solucioacuten de cloruro de potasio (KCl) que se
encuentra en el tubo exterior el final de este tubo presenta una
membrana porosa que permite el paso de iones a su traveacutes cerrando el
circuito eleacutectrico [166] La reaccioacuten quiacutemica que tiene lugar en este
electrodo es [166]
11986711989221198621198972(119904oacute119897119894119889119900) + 2119890minus harr 11986711989222+(119897iacute119902119906119894119889119900) + 2119862119897
minus
(16)
Ecuacioacuten 16 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo SCE
El electrodo Ag AgCl es el maacutes utilizado debido a su eficacia y facilidad
de siacutentesis Consta de un alambre de plata en contacto con una
disolucioacuten electroliacutetica de KCl que estaacute saturada con AgCl el final del
electrodo acaba con un diafragma de un material poroso que permite el
paso de iones a traveacutes de eacutel [164] [165] La reaccioacuten quiacutemica que tiene
lugar se muestra a continuacioacuten [167]
119860119892119862119897(119904oacute119897119894119889119900) + 119890minus harr 119860119892(119904oacute119897119894119889119900) + 119862119897minus
(17)
Ecuacioacuten 17 Reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten en un electrodo AgAgCl
Fundamentadas en los procesos electroquiacutemicos surgen las teacutecnicas
electroanaliacuteticas un conjunto de teacutecnicas utilizadas para el anaacutelisis tanto
cualitativo como cuantitativo de un analito a traveacutes de la medicioacuten de sus
caracteriacutesticas eleacutectricas y electroquiacutemicas como la corriente y el potencial
[158] Estas teacutecnicas destacan por su sensibilidad precisioacuten y selectividad
[100]
Las teacutecnicas electroanaliacuteticas se clasifican en funcioacuten de la respuesta eleacutectrica
que se genera al aplicar una perturbacioacuten eleacutectrica al sistema La perturbacioacuten
puede ser por la imposicioacuten de un potencial o una corriente eleacutectrica en funcioacuten
de ello la informacioacuten obtenida seraacute diferente [100] [168]
73
Entre las teacutecnicas electroanaliacuteticas maacutes empleadas se encuentran la
potenciometriacutea (obtiene informacioacuten del sistema mediante la medida del
potencial de la celda electroquiacutemica relacionando la actividad electroquiacutemica
con el potencial mediante la aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Nernst) [169]
conductimetriacutea (se basa en medir la conductividad de la disolucioacuten que es
funcioacuten de la concentracioacuten ioacutenica por lo que la produccioacuten de corriente
eleacutectrica depende de la circulacioacuten de iones) [169] electrogravimetriacutea (se basa
en el caacutelculo de la cantidad de analito que se ha transformado en producto
como consecuencia de una reaccioacuten quiacutemica) [169] culombimetriacutea (se basa
en determinar la cantidad de corriente que es necesaria aplicar a la celda para
que todo el analito se transforme en producto) [169] voltametriacutea (se basa en
relacionar el potencial aplicado en el electrodo de trabajo con la corriente
eleacutectrica generada mediante un voltamograma) [169]
En el siguiente apartado se describen en profundidad las teacutecnicas empleadas
en el desarrollo de este trabajo
261 Meacutetodos voltameacutetricos o voltamperomeacutetricos
La voltametriacutea se basa en la obtencioacuten de informacioacuten del analito por medio de
la medida de la intensidad de corriente que fluye a traveacutes de la celda
electroliacutetica al aplicar un potencial eleacutectrico (sobre el electrodo de trabajo) que
variacutea con el tiempo El potencial eleacutectrico aplicado debe ser el suficiente para
que tengan lugar los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del compuesto quiacutemico
estudiado [170]
Existen una gran variedad de teacutecnicas de voltametriacutea en funcioacuten del tipo de
sentildeal aplicada sobre el electrodo de trabajo El barrido lineal consiste en llevar
a cabo un barrido de potencial de corriente continua esta sentildeal aumenta
linealmente con el tiempo Las sentildeales de excitacioacuten de impulsos consisten en
aplicar impulsos de manera que se mide la intensidad de corriente en los
diferentes lapsos de tiempo en que dure el impulso La onda de forma
triangular consiste en aplicar una diferencia de potencial sobre el electrodo de
trabajo En primer lugar el potencial aumenta linealmente con el tiempo hasta
que se alcanza un punto maacuteximo en este momento el valor del potencial
disminuye con la misma pendiente hasta alcanzar un miacutenimo (la amplitud de
la onda no se mantiene constante sino que forma un aacutengulo) Finalmente la
sentildeal de excitacioacuten de onda cuadrada consiste en aplicar un impulso al
comenzar un escaloacuten y durante la mitad de tiempo de su duracioacuten la amplitud
de cada escaloacuten se mantiene constante [170]
74
A continuacioacuten se explica la voltametriacutea ciacuteclica ya que es el meacutetodo utilizado
en el presente trabajo de investigacioacuten
2611 Voltametriacutea ciacuteclica
La voltametriacutea ciacuteclica es una de las teacutecnicas electroquiacutemicas maacutes utilizadas ya
que permite llevar a cabo un anaacutelisis de las muestras en un amplio rango de
potenciales en el que el analito debe ser electroactivo [171] Dicha teacutecnica
proporciona informacioacuten tanto cualitativa como cuantitativa sobre las
reacciones electroquiacutemicas actividad cataliacutetica de las especies quiacutemicas
reversibilidad del proceso etc [172]
La voltametriacutea ciacuteclica se lleva a cabo en una celda electroliacutetica generalmente
con una configuracioacuten de tres electrodos Durante el anaacutelisis se mide el
potencial del electrodo de trabajo respecto del potencial del electrodo de
referencia que se mantiene constante [173] [174] El proceso de medida del
potencial comienza aplicando una diferencia de potencial a un electrodo de
trabajo Primero se aplica un potencial inicial (Eo) que aumenta de forma lineal
hasta alcanzar un valor de potencial (E1) en este potencial se produce una
inversioacuten del sentido de barrido completando asiacute el ciclo [173] [174] La sentildeal
de excitacioacuten adquiere una forma triangular tal y como se observa en la figura
17
Figura 17 Voltametriacutea Ciacuteclica Sentildeal de excitacioacuten triangular
Al mismo tiempo que se aplica el potencial se produce la circulacioacuten de la
corriente eleacutectrica del electrodo de trabajo al electrodo auxiliar La variacioacuten de
75
la intensidad de corriente con el potencial se puede estudiar a traveacutes de la
representacioacuten de un voltamograma [174]
El voltamograma (figura 18) se obtiene de aplicar un barrido de potencial al
electrodo de trabajo en dos direcciones Generalmente se comienza en el
sentido anoacutedico es decir aplicando un potencial (Eλ1) se produce la reaccioacuten
de oxidacioacuten del analito En consecuencia la corriente generada (ipa) aumenta
hasta alcanzar un punto maacuteximo (Epa) a partir del cual la intensidad disminuye
debido al consumo del analito en la superficie del electrodo El barrido de
potencial en sentido inverso se basa en el mismo fundamento pero en este
caso se produce la reaccioacuten de reduccioacuten del analito [175]
Figura 18 Voltamograma ciacuteclico Intensidad frente a potencial del analito de intereacutes
En la figura 18 ipc es la intensidad de corriente catoacutedica Eλ2 es el valor de
potencial de corte anoacutedico donde el sentido del barrido de potencial se invierte
y Epc es el corte de pico catoacutedico a partir del cual la intensidad disminuye
Los paraacutemetros de un voltamperograma dan informacioacuten acerca del grado de
reversibilidad del proceso de la reaccioacuten de oxidacioacuten-reduccioacuten Para que
tenga lugar un proceso reversible las concentraciones de las especies en el
seno de la disolucioacuten se tienen que mantener constantes [173]
En voltametriacutea afectan en gran medida los procesos de difusioacuten y de
transferencia electroacutenica de las especies electroactivas de la solucioacuten hasta la
superficie del electrodo En un proceso reversible se considera que la etapa
predominante del proceso electroquiacutemico (proceso maacutes lento) es la difusioacuten del
analito hasta la superficie del electrodo [100]
76
En el caso de un proceso reversible el potencial de pico anoacutedico y catoacutedico
dependen de igual forma del potencial formal y se calculan con la ecuacioacuten 19
y 18 respectivamente [176]
119864119901119888 = 1198640 minus 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(18)
Ecuacioacuten 18 Caacutelculo del potencial de pico catoacutedico para un proceso reversible
119864119901119886 = 1198640 + 119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865 119897119899 (
119863119877
119863119874)
12
minus 1109 ∙ (119877 ∙ 119879
119899 ∙ 119865)
(19)
Ecuacioacuten 19 Caacutelculo del potencial de pico anoacutedico para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de ambas ecuaciones son
bull 1198640 es el potencial formal (V)
bull 119864119901119888 es el potencial de pico catoacutedico (V)
bull 119864119901119886 es el potencial de pico anoacutedico (V)
bull 119877 119879 119899 119865 son paraacutemetros que se han descrito en la ecuacioacuten de Nerst
bull 119863119877 y 119863119874 son los coeficientes de difusioacuten correspondientes a la especie
reducida y a la especie oxidada respectivamente (cm2s)
En un proceso reversible el potencial formal se calcula a partir de los
potenciales de pico anoacutedico y catoacutedico con la ecuacioacuten 20 [177]
1198640 = 119864119901119888 + 119864119901119886
2
(20)
Ecuacioacuten 20 Caacutelculo del potencial de media onda para un proceso reversible
77
La corriente de pico se calcula a partir de la ecuacioacuten de Randles-SevciK Esta
ecuacioacuten relaciona la corriente de pico con la concentracioacuten del analito y la
velocidad de barrido A 25ordmC la corriente de pico se calcula con la ecuacioacuten 21
[173]
119894119901 = 269 ∙ 105 ∙ 11989932 ∙ 119860 ∙ 11986312 ∙ 119862lowast ∙ 11990712
(21)
Ecuacioacuten 21 Ley de Randles Seycik para un proceso reversible
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull ip es la corriente de pico (A)
bull n es el nuacutemero de electrones intercambiados
bull A es el aacuterea del electrodo (cm2)
bull D es el coeficiente de difusioacuten (cm2s)
bull C concentracioacuten en el seno de la disolucioacuten del analito (molcm3)
bull v es la velocidad de barrido (Vs)
La corriente de pico catoacutedico (119894119901119888) y anoacutedico (119894119901119886) coinciden por lo que su
relacioacuten es igual a la unidad
(119894119901119888
119894119901119886) = 1
(22)
Ecuacioacuten 22 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso reversible
A traveacutes de las ecuaciones se concluye que la corriente de pico es proporcional
a la velocidad de barrido mientras que el potencial de pico es independiente
de la velocidad de barrido con la que se realice la voltametriacutea ciacuteclica
Realmente es difiacutecil que el proceso de oxidacioacuten-reduccioacuten sea completamente
reversible por lo que a continuacioacuten se describiraacute un proceso irreversible
78
En un proceso totalmente irreversible la velocidad de transporte electroacutenica
presenta un valor muy bajo debido a ello la etapa limitante de la reaccioacuten es
la transferencia electroacutenica (en lugar de la difusioacuten) La ecuacioacuten de Randles-
Seycik para un proceso irreversible se corresponde con la ecuacioacuten 23 donde
la intensidad de pico a 25ordmC se calcula con la siguiente ecuacioacuten [178]
119894119901 = (299105) 119899 120572
12 119863
12 119907
12 119860 119862lowast
(23)
Ecuacioacuten 23 Ley de Randles-Sevcik para un proceso totalmente irreversible
119894119901119888 ne 119894119901119886 ne 1
(24)
Ecuacioacuten 24 Relacioacuten de la corriente de pico anoacutedico y catoacutedico para un proceso irreversible
Donde la uacutenica variable nueva es 120572 que representa el coeficiente de
transferencia electroacutenica
El potencial de pico se puede relacionar con el potencial formal a partir de la
ecuacioacuten 25
119864119875 = 1198640 minus (119877119879
120572119899119865) [0780 + 119897119899 (
11986312
1198960) + 119897119899 (
120572119865 ∙ 119907
119877 ∙ 119879)12 ]
(25)
Ecuacioacuten 25 Potencial para un proceso totalmente irreversible
Donde k0 es la conste estaacutendar cineacutetica de la reaccioacuten electroquiacutemica
Con las ecuaciones que describen un proceso irreversible se puede concluir
que la velocidad de barrido siacute afecta al valor del potencial de pico Por otro lado
al igual que en el proceso reversible la corriente de pico tambieacuten estaacute afectada
por la raiacutez cuadrada de la velocidad de barrido con la que se lleve a cabo la
voltametriacutea ciacuteclica [173]
En el caso de que el proceso electroquiacutemico sea cuasi-reversible dependeraacute
tanto de la transferencia electroacutenica como de los procesos de difusioacuten Para
79
obtener una idea de la irreversibilidad se calcula la separacioacuten del pico anoacutedico
y catoacutedico a partir de la ecuacioacuten 20 [176]
2612 Cronoamperometriacutea
La cronoamperometriacutea es un meacutetodo electroquiacutemico en el que se aplica un
potencial fijo sobre el electro de trabajo [179] Dicha teacutecnica normalmente se
realiza en una celda electroliacutetica que presenta una configuracioacuten de tres
electrodos El proceso de medida del potencial en la celda parte de un potencial
en el que no se producen reacciones electroquiacutemicas Posteriormente
aplicando un potencial constante en el que el compuesto de intereacutes es
electroactivo tienen lugar las reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten del mismo
[180]
Como consecuencia de los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten del analito que
tienen lugar en la celda se produce una circulacioacuten de corriente eleacutectrica
representada en un cronoamperograma El valor de la corriente alcanzada
dependeraacute de las capas difusivas del analito en el electrodo de trabajo (una
capa difusiva (δ) se corresponde con la regioacuten de un electrodo en la que la
concentracioacuten del analito difiere con la concentracioacuten del mismo en la
disolucioacuten electroliacutetica) [181] El proceso electroquiacutemico genera una diferencia
de concentraciones entre la solucioacuten y la concentracioacuten de la especie en la zona
cercana a la superficie del electrodo (δ) lo que da lugar a un transporte de
especies (difusioacuten) que tiende a compensar la diferencia de concentraciones
entre ambas regiones [182]
El fenoacutemeno de difusioacuten viene descrito por la ley de Fick [183]
119869 = minusD ∙120597119862
120597119883
(26)
Ecuacioacuten 26 Ley de difusioacuten de Fick
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull J es el flujo de difusioacuten (molcm ∙ 119904)
bull D es el coeficiente de difusioacuten
80
bull 120597119862120597119883 es el gradiente de concentracioacuten
El transporte de las especies de la solucioacuten hasta la superficie del electrodo
puede tener lugar de distintas formas por su intereacutes con el presente trabajo
caben mencionar
La difusioacuten de reacutegimen transitorio es el fenoacutemeno de transporte resultante de
un gradiente de concentraciones que tiene lugar al aplicar un potencial
(catoacutedico o anoacutedico) en consecuencia el analito se consume debido a las
reacciones de oxidacioacuten-reduccioacuten La difusioacuten del analito desde la solucioacuten
(donde la concentracioacuten es mayor) hasta la superficie del electrodo (donde la
concentracioacuten es menor) se produce uacutenicamente por la difusioacuten natural donde
el perfil de concentraciones obtenido (figura 19) es funcioacuten del tiempo y de la
distancia al electrodo [181] [182] Inicialmente la concentracioacuten de la especie
electroactiva en la superficie del electrodo es 0 mientras que en la solucioacuten se
mantiene la concentracioacuten original Por ello las especies maacutes cercanas al
electrodo comienzan a difundirse hasta eacutel con el paso del tiempo el espesor
de la capa liacutemite aumenta (la pendiente del perfil de concentraciones
disminuye) Debido a ello la difusioacuten de las especies hasta la superficie del
electrodo tendraacute lugar con una mayor dificultad con el paso del tiempo [184]
Figura 19 Difusioacuten de reacutegimen transitorio
La densidad de corriente en reacutegimen transitorio viene definida por la ecuacioacuten
de Cottrel la cual muestra la caiacuteda de corriente faraacutedica debido a la
transferencia electroacutenica entre la solucioacuten y el electrodo en cada pulso de
potencial [180]
81
119894(119905) = 11989911986511986011986312119862119878119900119897119906119888119894oacute119899
12058712 11990512
(27)
Ecuacioacuten 27 Ecuacioacuten de Cottrell
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son
bull n es el nuacutemero de electrones transferidos en los procesos de
oxidacioacuten-reduccioacuten
bull F constante de Faraday (Cmol)
bull A aacuterea del electrodo (cm2)
bull CSolucioacuten es la concentracioacuten del analito en la disolucioacuten (molcm3)
bull t tiempo transcurrido desde la aplicacioacuten del pulso de potencial (s)
La difusioacuten de reacutegimen estacionario en el transporte de las especies desde la
solucioacuten hasta la superficie del electrodo interviene el fenoacutemeno de
conveccioacuten dicho suceso es la causa de que se lleve a cabo agitacioacuten mecaacutenica
(generalmente) de la solucioacuten que contiene al analito [182] Como resultado de
la agitacioacuten la concentracioacuten de las moleacuteculas en la cercaniacutea del electrodo se
mantiene uniforme en todo momento por lo que δ presenta un espesor
constante independientemente del tiempo [182] Tal y como se muestra en la
figura 20 lejos del electrodo el perfil de concentraciones se mantiene
horizontal gracias a la conveccioacuten que es capaz de mantener constante la
concentracioacuten del analito en el seno de la solucioacuten
La densidad de corriente en reacutegimen estacionario viene dada por la ecuacioacuten
de Levich [182]
119894 = 119899 ∙ 119865 ∙ 119863
120575 (119862119878119900119897119906119888119894oacute119899 minus 119862119864119897119890119888119905119903119900119889119900)
(28)
Ecuacioacuten 28 Ecuacioacuten de Levich
Donde el uacutenico paraacutemetro nuevo es la concentracioacuten del analito en el
electrodo (CElectrodo)
82
Figura 20 Difusioacuten de reacutegimen estacionario
La cronoamperometriacutea se utiliza generalmente para el estudio de mecanismos
de reaccioacuten la obtencioacuten de paraacutemetros cineacuteticos coeficientes de difusioacuten del
analito procesos de electropolimerizacioacuten etc [179] [185]
La electropolimerizacioacuten llevada a cabo por cronoamperometriacutea es uno de los
meacutetodos maacutes empleados en la modificacioacuten de electrodos de trabajo se trata
del meacutetodo maacutes utilizado para la elaboracioacuten de sensores basados en MIPs
[85] En este proceso la solucioacuten contiene un poliacutemero donde al aplicar un
potencial fijo (catoacutedico o anoacutedico) se consigue la polimerizacioacuten electroquiacutemica
sobre el electrodo de trabajo [185] Este fenoacutemeno se puede ver afectado por
los procesos de difusioacuten de las especies electroactivas de manera que la
corriente alcanzada en el proceso de electropolimerizacioacuten es menor cuanto
maacutes se dificulte el paso de difusioacuten de las especies a traveacutes del poliacutemero [186]
La difusioacuten es un paraacutemetro de gran importancia en los procesos de
electropolimerizacioacuten sobre el electrodo de trabajo y determina la forma del
codo de curvatura que se muestre en el cronoamperograma obtenido de la
representacioacuten de la corriente frente al tiempo (figura 21) [183] En las curvas
cronoamperomeacutetricas que se obtienen por polimerizacioacuten generalmente se
distinguen tres zonas en las que se pueden observar la nucleacioacuten la
formacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica y su crecimiento con el tiempo [187]
bull Zona I la corriente aumenta raacutepidamente debido a los procesos
electroquiacutemicos que tienen lugar en la celda electroliacutetica al aplicar un
potencial (se produce la oxidacioacuten-reduccioacuten de las sustancias que se
encuentran en la disolucioacuten)
bull Zona II la intensidad de la corriente aumenta en esta parte de la curva
se puede distinguir la nucleacioacuten proceso por el cual se depositan los
primeros nuacutecleos cristalinos sobre la superficie del electrodo de trabajo
83
y depende principalmente del potencial aplicado Por tanto durante
esta etapa el poliacutemero se adhiere sobre la superficie del electrodo de
trabajo [188]
bull Zona III se observa la estabilizacioacuten y crecimiento de la peliacutecula sobre
el electrodo a un valor constante de potencial
Figura 21 Cronoamperograma obtenido de la electropolimerizacioacuten de un poliacutemero
El espesor de la peliacutecula que se ha formado sobre el electrodo de trabajo se
puede calcular a partir de la derivada de la primera ley de Faraday [187]
119889 = 119876 ∙ 119872
2 ∙ 119865 ∙ 120588
(29)
Ecuacioacuten 29 Caacutelculo del espesor de una peliacutecula polimeacuterica a partir de la 1ordf Ley de Faraday
Donde
bull Q es la carga especiacutefica por unidad de aacuterea polimerizada
bull M es la masa molecular del poliacutemero
84
bull F es la constante de Faraday
bull 120588 es la densidad del poliacutemero
El espesor de la peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo depende del
tiempo de electropolimerizacioacuten durante el cual se lleve a cabo la
cronoamperometriacutea cuanto mayor es el tiempo mayor es el grosor de la
peliacutecula depositada sobre el electrodo de trabajo [189]
La importancia de la cronoamperometriacutea en el presente trabajo radica en que
ha sido utilizada para la obtencioacuten de sensores MIP tal y como se ha indicado
en anteriores apartados Esta teacutecnica puede estar afectada por factores como
el tiempo de electropolimerizacioacuten el voltaje aplicado la presencia de agitacioacuten
o no de la solucioacuten que contiene al poliacutemero entre otros paraacutemetros
El tiempo de electropolimerizacioacuten es un paraacutemetro importante en la
fabricacioacuten de los sensores basados en MIP ya que trabajando con espesores
de peliacutecula elevados la transferencia electroacutenica a traveacutes del poliacutemero se
dificulta con el aumento del espesor Debido a la importancia que esto supone
se debe trabajar con espesores de poliacutemeros conductores sintetizados con el
tiempo oacuteptimo para que no afecten negativamente al rendimiento
electroquiacutemico del sensor [189] El potencial aplicado durante la
cronoamperometriacutea tambieacuten es un paraacutemetro de gran importancia ya que se
debe aplicar el potencial suficiente para que tenga lugar la polimerizacioacuten del
poliacutemero en presencia de la moleacutecula plantilla [179] Finalmente el proceso de
agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea es una caracteriacutestica de gran intereacutes
ya que da lugar a un transporte de las especies en el que interviene la
conveccioacuten fenoacutemeno que da lugar a un proceso de difusioacuten en reacutegimen
estacionario [182]
27 Chitosaacuten o quitosano
El chitosaacuten o quitosano (figura 22) es un amino-polisacaacuterido que se obtiene por
desacetilacioacuten de la quitina poliacutemero natural muy abundante en la naturaleza
La quitina se encuentra formando parte del exoesqueleto de artroacutepodos y
tambieacuten de la pared celular de algunos vegetales como los hongos en su
estructura quiacutemica presenta unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-β-D-
glucopiranosa [190] El chitosaacuten presenta una estructura lineal no ramificada
compuesta principalmente por unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi- β-D-
85
glucopiranosa y en menor proporcioacuten por moleacuteculas de 2-acetilamina-2-desoxi-
β-D-glucopiranosa que se encuentran unidas por enlaces β (14) [191] [192]
Figura 22 Estructura quiacutemica del chitosaacuten ldquoxrdquo Unidades repetidas de 2-amino-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa y Unidades repetidas de 2-acetilamina-2-desoxi-beta-D-glucopiranosa
El chitosaacuten se caracteriza fundamentalmente mediante la definicioacuten de los
siguientes paraacutemetros
-Masa molecular (MW) Caracteriacutestica que depende fundamentalmente de la
procedencia de la quitina (animal o vegetal) [193]
-Grado de desacetilacioacuten (DDA) Indica el grado en que los grupos acetilo han
sido sustituidos por grupos amino El DDA del chitosaacuten comercial oscila entre
un 70 y un 90 este paraacutemetro depende de las condiciones en las que se
haya llevado a cabo la obtencioacuten del chitosaacuten [191] Cuanto mayor es el grado
de DDA del chitosaacuten maacutes cristalino es el biopoliacutemero lo cual se debe a la
disminucioacuten de los grupos acetilo presentes es su estructura quiacutemica [190]
El chitosaacuten presenta propiedades que le convierten en un biopoliacutemero
interesante en la industria alimentaria biomedicina biotecnologiacutea y en el
desarrollo de sensores las cuales se describen a continuacioacuten
bull Biocompatible El chitosaacuten es un poliacutemero no toacutexico compatible con el
organismo [191]
bull Biodegradable Su degradacioacuten se lleva a cabo por las reacciones
quiacutemicas resultantes de la actuacioacuten de microorganismos dando lugar
a productos no toacutexicos [191]
86
bull Bioactivo El chitosaacuten es considerado bioactivo por presentar poder
antimicrobiano (actuacutea sobre microorganismos inhibiendo su
crecimiento o incluso provocando su muerte [191][194]) propiedades
antioxidantes (el chitosaacuten actuacutea como eliminador de radicales libres
impidiendo la reacciones de oxidacioacuten) [191] [195] y es un compuesto
antitumoral (ayuda a la formacioacuten de ceacutelulas contra el caacutencer) [194]
bull Estructura quiacutemica faacutecilmente modificable Su estructura quiacutemica
presenta varios grupos reactivos por lo que se obtienen faacutecilmente
compuestos derivados [190]
bull Agente quelante El chitosaacuten forma faacutecilmente enlaces con iones de
metales pesados Esta propiedad es fundamental ya que le permite
formar enlaces estables con la plata [128] [196]
La solubilidad del chitosaacuten depende del pH del medio por debajo de un valor
de pH 63 el chitosaacuten se vuelve insoluble y precipita En estado soacutelido tal y
como se muestra en la figura 23 se forman puentes de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilo y amino de su estructura quiacutemica Cuando se introduce en un
aacutecido este enlace se disocia convirtieacutendolo en un polielectrolito catioacutenico
soluble para su disolucioacuten se pueden utilizar diferentes aacutecidos diluidos entre
los maacutes empleados se encuentran el aacutecido aceacutetico el aacutecido foacutermico y el aacutecido
niacutetrico [191] En ciertas aplicaciones o anaacutelisis electroquiacutemicos su baja
solubilidad a pH baacutesico puede ser un inconveniente que se puede solucionar
modificando su estructura quiacutemica ya que es un poliacutemero faacutecilmente alterable
por la presencia de distintos grupos reactivos En su estructura quiacutemica hay
grupos amino (-NH2) hidroxilo (-OH) primario y secundario y finalmente el grupo
n-acetilo (NH-CO-CH3) por lo que se pueden obtener derivados que mejoren su
solubilidad [193]
Figura 23 Estructura quiacutemica del chitosaacuten donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno entre los grupos acetilo e hidroxilo y el grupo amino e hidroxilo
87
En los uacuteltimos antildeos este poliacutemero se ha utilizado en el desarrollo de sensores
electroquiacutemicos debido a sus buenas caracteriacutesticas siendo de especial
intereacutes su biocompatibilidad facilidad de formar peliacuteculas (debido a sus
condiciones de solubilidad) y reactividad [36] Estas cualidades le convierten
en un biopoliacutemero muy adecuado para el desarrollo de sensores basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular [67]
El procedimiento empleado para su electrodeposicioacuten sobre un electrodo de
trabajo se conoce como mecanismo de neutralizacioacuten Al circular una corriente
eleacutectrica debido a los procesos de oxidacioacuten-reduccioacuten que tienen lugar en la
celda electroliacutetica se produce la liberacioacuten de los grupos OH de la solucioacuten de
manera que pueden desprotonar las aminas catioacutenicas (NH3+) responsables de
la solubilidad del chitosaacuten [198] Como consecuencia de la neutralizacioacuten en
la interfaz de la superficie del electrodo se produce un cambio en la constante
de acidez del grupo amino (pKagt63) Debido a ello el chitosaacuten se convierte en
un poliacutemero insoluble depositaacutendose asiacute sobre el electrodo [198] [199]
271 Chitosaacuten combinado con materiales nanoestructurados
El mayor inconveniente del chitosaacuten en el anaacutelisis electroquiacutemico es su alto
grado de cristalinidad lo que le hace ser un mal conductor de la corriente
eleacutectrica este hecho dificulta la transferencia electroacutenica a su traveacutes Este
problema se puede solucionar mediante la incorporacioacuten de nanoestructuras
basadas en metales conductores [64] [120]
La combinacioacuten de poliacutemeros con nanoestructuras de propiedades
electroactivas como nanopartiacuteculas de oro o nanohilos metaacutelicos es una de las
teacutecnicas maacutes interesantes para el desarrollo de sensores electroquiacutemicos [64]
[120] Entre los nanomateriales nombrados los AgNWs son de las sustancias
de mayor intereacutes debido a que son capaces de incrementar la conductividad
del poliacutemero recubrieacutendolo y transformaacutendolo en un poliacutemero conductor [64]
[120]
La capacidad quelante del chitosaacuten le confiere facilidad para enlazarse
covalentemente con los aacutetomos de plata [128] [196] [200] Sin embargo
como la adhesioacuten de los AgNWs en el chitosaacuten es poco resistente [122] [201]
es necesario llevar a cabo diferentes procesos de unioacuten para solventarlo
Actualmente destacan el empleo de agentes reticulantes o las modificaciones
sobre la superficie del chitosaacuten
88
Chitosaacuten reticulado Se ha comprobado que la utilizacioacuten de agentes
reticulantes mejoran la estabilidad de la plata en la peliacutecula polimeacuterica
del chitosaacuten [93] El glutaraldehiacutedo es el agente de reticulacioacuten
empleado por excelencia debido a su efectividad la reaccioacuten con el
chitosaacuten provoca cambios en su morfologiacutea y estructura lo que modifica
algunas de sus propiedades como su capacidad de adsorber los iones
metaacutelicos [202] Por ejemplo se han utilizado iones metaacutelicos (Au Ag)
que se encuentran en su forma anioacutenica en medios aacutecidos (ej HCl )
dando lugar a una fuerte atraccioacuten electroestaacutetica entre dichos iones de
carga negativa y los grupos imina con carga positiva resultantes del
entrecruzamiento entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo Este fenoacutemeno
favorece la adsorcioacuten de los ioacutenes metaacutelicos en el chitosan reticulado
[202]
Obtencioacuten de derivados del chitosaacuten Se ha demostrado que la
modificacioacuten de la estructura quiacutemica del chitosaacuten con grupos reactivos
da lugar a enlaces de mayor fortaleza entre los AgNWs y el chitosaacuten Por
ejemplo el chitosaacuten tiolado (derivado del chitosaacuten obtenido de incluir
un grupo tiol en el grupo amino del 2ordm carbono del chitosaacuten) permite que
se forme un enlace covalente de gran resistencia y estabilidad entre la
plata y los grupos tiol [201]
Modificaciones sobre la superficie del chitosaacuten Se ha demostrado que
la modificacioacuten de la de la superficie del chitosaacuten con compuestos
orgaacutenicos proporciona una unioacuten maacutes resistente entre los AgNWs y este
poliacutemero Por ejemplo se ha empleado el aacutecido 11-aminodecanoiacuteco
para formar un enlace covalente entre los grupos carboxilo de un
extremo del aacutecido y el grupo amino del chitosaacuten y puentes de hidroacutegeno
entre el grupo amino del aacutecido y el PVP que recubre los AgNWs De esta
manera se consigue fortalecer la adhesioacuten de los AgNWs a la peliacutecula
de chitosaacuten [122] [203]
89
Capiacutetulo III
Reactivos materiales y equipos
90
91
3 Reactivos materiales y equipos
31 Reactivos
Los reactivos empleados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Aacutecido sulfuacuterico (H2SO4 pureza 95-97 CAS Number 7664-93-9)
bull Aacutecido aceacutetico glaciar (CH3COOH pureza miacutenima 997 Panreac CAS
Number 613-90-4)
bull Acetona (C3H6O pureza miacutenima 99 Quality Chemicals CAS
Number67-64-1)
bull Agua desionizada Milli-Q de conductividad 182 MΩcm
bull Alpha-D (+)-Glucosa (C6H12O6 pureza gt99 Sigma-Aldrich)
bull Chitosaacuten o Quitosano CHI (C56H12O6 purezagt99 Amresco)
bull Cloruro de cobre (II) (CuCl2 2 H2O Panreac Coacutedigo 141264)
bull D (+) Galactosa (C6H12O6 purezagt99 Sigma-Aldrich)
bull Dihidrogenofosfato soacutedico (Na2H2PO4 pureza miacutenima 99 Sigma-
Aldrich CAS Number 7558-79-4)
bull Etanol (C2H6O pureza miacutenimagt 998 Sigma-Aldrich CAS Number 64-
15-5)
bull Etilenglicol (C2H6O2 anhidro al 998 Sigma-Aldrich CAS Number 107-
21-1)
bull Glutaraldehiacutedo (C5H8O2 solucioacuten acuosa al 50 Alta Aesar CAS
Number 111-30-8)
bull Hidrogenofosfato soacutedico (Na2HPO4 pureza miacutenima 99 Sigma-Aldrich
CAS number 7558-80-7)
92
bull Lactosa (C12 H22 O11 Sigma - Aldrich)
bull Nitrato de plata (AgNO3 Sigma- Aldrich CAS Number 7761-88-8)
bull Peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2 33 pv Nordm CE 231-765-0)
bull Polivinipirrolidona PVP (C6H9NO)n Sigma-Aldrich CAS Number 9003-39-8)
32 Materiales
Todos los materiales empleados en el presente trabajo se nombran a
continuacioacuten
bull Bomba peristaacuteltica (Perimax)
bull Celda electroquiacutemica de 5 mL
bull Placa de platino (2 cm times 1 cm)
bull Cubeta de cuarzo (10 mm times 10 mm)
bull Electrodo de diamante dopado con boro (BDD)
bull Electrodo de referencia (AgAgCl 3M Nesslab)
bull Matraz de fondo redondo con dos bocas
bull Placa calefactora (RSLAb-11C)
bull Placa calefactora (Arex Digital)
bull Sistema de reflujo
33 Equipos
Todos los equipos utilizados en el presente trabajo se describen a continuacioacuten
bull Microscopio de Fuerza Atoacutemica Molecular (Cypher asylum Research
AFM)
93
bull Centrifuga modelo Sorvall Centrifuge ST 8 (Thermo Scientific USA)
bull Espectrofotoacutemetro Ultravioleta-Visible modelo UV-2600 (Shimadzu
Corporation Japoacuten)
bull Equipo de Difraccioacuten de Rayos X (DRX Bruker Discover D8)
bull Potenciostato Galvanostato modelo PARSTAT 2273 (Princeton Applied
Research)
bull Ultrasonidos Vortex 3 (IKA USA)
94
Capiacutetulo IV
Metodologiacutea y Desarrollo
experimental
95
96
4 Metodologiacutea y Desarrollo experimental
41 Desarrollo de sensores nanoestructurados
La elaboracioacuten de sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
dedicados a la deteccioacuten de azuacutecares actualmente representa una liacutenea de
investigacioacuten relativamente nueva por lo que el estudio experimental del
presente trabajo se ha modificado conforme se han ido obteniendo resultados
El desarrollo de trabajo de fin de grado aquiacute presentado se puede dividir en dos
etapas la primera etapa consiste en la preparacioacuten de las disoluciones para
sintetizar los sensores basados en poliacutemeros de impresioacuten molecular MIP y NIP
asiacute como la siacutentesis y la caracterizacioacuten de los AgNWs que forman parte de la
peliacutecula polimeacuterica La segunda etapa de la fabricacioacuten del sensor consiste en
depositar las disoluciones sobre la superficie de los electrodos BDD mediante
la aplicacioacuten de teacutecnicas electroquiacutemicas
411 Preparacioacuten de las disoluciones
- Limpieza de los electrodos BDD
bull Disolucioacuten pirantildea
En un vaso de precipitados se antildeaden 3 mL de aacutecido sulfuacuterico de pureza
miacutenima del 95 y 1 mL de peroacutexido de hidroacutegeno
-Fabricacioacuten de los sensores MIP y NIP
bull Aacutecido Aceacutetico 3 VV (CH3COOH)
Se preparoacute una disolucioacuten de aacutecido aceacutetico con una concentracioacuten de
porcentaje en volumen al 3 Para obtener la concentracioacuten deseada en una
matraz aforado de 50 mL se antildeadieron 15 mL de aacutecido aceacutetico puro y se
enrasoacute con agua desionizada Milli-Q
bull Chitosaacuten o Quitosano
97
Se preparoacute una disolucioacuten de chitosaacuten con una concentracioacuten de 15 mgmL
en un matraz aforado de 25 mL Para ello se antildeadieron 00375 g de chitosaacuten
al matraz y se enrasoacute con la disolucioacuten de aacutecido aceacutetico al 3 VV
bull Disolucioacuten de AgNWs
Se preparoacute una disolucioacuten madre de AgNWs con una concentracioacuten de 10
mgmL en etanol A partir de esta disolucioacuten se prepararon las disoluciones hija
de una concentracioacuten de un 1 mgmL y 5 mgmL
bull Glutaraldehiacutedo
Se han empleado vapores de glutaraldehiacutedo al 25 ww en buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M
-Deteccioacuten de los analitos por voltametriacutea ciacuteclica
bull Disolucioacuten buffer fosfato de pH 74
Se preparoacute una disolucioacuten de pH 74 y concentracioacuten 001 M de buffer fosfato
(PBP) en un matraz aforado de 500 mL Para ello se pesaron 02697 g de
fosfato disoacutedico (Na2HPO4) y 03659 g de fosfato monosoacutedico (NaH2PO4)
Finalmente se llevaron a un matraz aforado de 500 mL enrasando con agua
desionizada Milli-Q
Con la ecuacioacuten de Henderson-Hasselbalch se calcula el pH conocido el pKa de
la solucioacuten
119901119867 = 119901119870119886 + [1198731198862HP1198744]
[Na1198672P1198744]
(30)
Ecuacioacuten 30 Ecuacioacuten de Henderson-Hasselbach
bull Lactosa
98
Para obtener una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10-4 M en buffer
fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M se preparoacute previamente una
disolucioacuten madre de concentracioacuten 10-3 M Para ello se pesaron 85575 mg de
lactosa y se llevaron a un matraz aforado de 25 mL el cual se enrasoacute con la
solucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La solucioacuten de lactosa 10-4 M se obtuvo tomando 25 mL de la solucioacuten madre
preparada finalmente se enrasoacute con la misma disolucioacuten buffer en un matraz
aforado de 25 mL
bull Glucosa
Se preparoacute previamente una disolucioacuten madre de glucosa con una
concentracioacuten 10minus3 119872 Para obtener la concentracioacuten deseada se pesaron
45 mg de glucosa y se antildeadieron a un matraz aforado de 25 mL el cual se
enrasoacute con la disolucioacuten buffer fosfato de pH 74 y concentracioacuten 001 M
La disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M se preparoacute tomando 25 mL
de la disolucioacuten madre preparada finalmente se enrasoacute con la misma
disolucioacuten buffer en un matraz aforado de 25 mL
bull Galactosa
Se preparoacute una disolucioacuten madre de galactosa 10-3 M en buffer fosfato de pH
74 y concentracioacuten 001 M para obtener una disolucioacuten hija de concentracioacuten
10-4 M Para ello se siguieron los mismos pasos que en la preparacioacuten de la
disolucioacuten de glucosa
bull Disolucioacuten de cloruro de potasio (KCl)
Se preparoacute una disolucioacuten de cloruro de potasio de 25 mL con una
concentracioacuten 01 M Para ello se pesaron 01863 g de KCl y se antildeadieron a
un matraz de 25 mL enrasando con agua desionizada Milli-Q
-Disoluciones empleadas para la siacutentesis de AgNWs
bull Cloruro de cobre (CuCl2)
99
Se preparoacute una disolucioacuten de CuCl2 de una concentracioacuten 1510-4 M para ello
se pesaron 00001 g de CuCl2 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con etilenglicol puro (EG)
bull Nitrato de plata (AgNO3)
Se preparoacute una disolucioacuten de AgNO3 de una concentracioacuten 012 M Para ello
se pesaron 0102 g de AgNO3 y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL
enrasando con EG
bull Polivinilpirrolidona (PVP)
Se preparoacute una disolucioacuten de concentracioacuten 3610-4 M para ello se pesaron
0099 g de PVP y se antildeadieron a un matraz aforado de 5 mL enrasando con
EG
412 Procedimiento experimental
4121 preparacioacuten de los AgNWs
La preparacioacuten de AgNWs se ha llevado a cabo seguacuten el meacutetodo poliol descrito
en el fundamento teoacuterico (capiacutetulo II)
Se comienza calentando 5 mL de EG en un matraz redondo de dos bocas
situado sobre un bantildeo de aceite a 160 ordmC tal y como se muestra en la figura
24 Este proceso se lleva a cabo bajo reflujo conectando una de las boquillas
del matraz a la red de bombeo y cerrando la otra boquilla del matraz con un
tapoacuten Posteriormente se antildeade con una micropipeta 05 mL de la disolucioacuten
de CuCl2 directamente al matraz y se deja calentando durante 5 min
Pasado el tiempo con ayuda de una bomba peristaacuteltica de jeringas se antildeaden
simultaacuteneamente y gota a gota 25 mL de la disolucioacuten de AgNO3 y 5 mL de la
disolucioacuten de PVP Durante todo este proceso se aplica una velocidad de
agitacioacuten de 400 rpm una vez ha finalizado se tapa el matraz con el tapoacuten y se
dejan reaccionar durante 1 h bajo agitacioacuten
La disolucioacuten obtenida se deja enfriar a temperatura ambiente en ella hay una
mezcla de nanopartiacuteculas de plata (AgNPs) y AgNWs por lo que para purificar
los AgNWs se lavan con etanol y se centrifuga a 2000 rpm durante 20 min
100
utilizando la centriacutefuga que se muestra en la figura 24 Posteriormente se
elimina el sobrenadante y el producto de reaccioacuten se lava una segunda vez con
etanol la mezcla se vuelve a centrifugar durante 10 min a 5000 rpm Para el
tercer lavado el precipitado se antildeade a un eppendorf al que se le antildeade etanol
y se centrifuga durante 10 min a 5000 rpm Finalmente se elimina el
sobrenadante del eppendorf y se deja evaporar el etanol
Figura 24 Equipo empleado en la siacutentesis de AgNWs
En la figura 25 se muestra la obtencioacuten y las etapas de centrifugacioacuten para la
siacutentesis de AgNWs
101
Figura 25 En la parte superior de la figura y leyendo de izquierda a derecha se muestran las etapas del proceso final de obtencioacuten de AgNWs 1) y 2) Disolucioacuten obtenida tras un tiempo de reaccioacuten de 1h en la que hay una mezcla de AgNPs y AgNWs 3) Disolucioacuten obtenida diluida con etanol 4) primera centrifugacioacuten donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 5) 2ordf centrifugacioacuten de AgNWs diluidos en etanol donde se aprecia la separacioacuten entre el sobrenadante y los AgNWs 6) AgNWs diluidos en etanol antes de llevar a cabo la uacuteltima etapa de la centrifugacioacuten 7) AgNWs obtenidos de la uacuteltima etapa de centrifugacioacuten donde el sobrenadante ha sido eliminado
4122 Limpieza de electrodos de diamante dopado con boro
(BDD)
Para la elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP en primer lugar se deben
acondicionar los electrodos BDD (figura 26) Para ello se comienza limpiando
la superficie de los electrodos introducieacutendolos en acetona pura y
sometieacutendolos a ultrasonidos durante 10 min finalizado este tiempo se
introducen en agua desionizada Milli Q Posteriormente se lleva a cabo su
inmersioacuten en una solucioacuten pirantildea durante un tiempo de 3 min Transcurrido el
tiempo se llevan a cabo lavados sucesivos en agua desionizada Milli Q y en
etanol dejaacutendolos reposar en ambos disolventes durante 1 min Una vez
102
finalizado el proceso de lavado de su superficie los electrodos se dejan secar
al aire
El proceso descrito se ha llevado a cabo con cada uno de los electrodos que se
han empleado para la deteccioacuten de los azuacutecares Lo que permite su
reutilizacioacuten para cada experimento realizado
Figura 26 Electrodos de diamante dopado con boro (BDD)
4123 Preparacioacuten de los sensores MIP
Para la denominacioacuten de las configuraciones correspondientes a los sensores
se ha utilizado la simbologiacutea entre corchetes ldquo[]rdquo donde se encuentra la
secuencia de materiales divididos por un ldquo-ldquo que han sido utilizados para la
fabricacioacuten de los sensores MIP o NIP Finalmente al final de cada
configuracioacuten hay una ldquordquo tras la que se encuentra el nombre BDD lo que indica
que los sensores han sido fabricados en un electrodo BDD (ej [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD)
Las abreviaturas empleadas para cada material son las siguientes
CHI para el chitosaacuten
AgNWs para los nanohilos de plata
Para desarrollar los sensores MIP y NIP frente la deteccioacuten de lactosa se
emplearon diferentes configuraciones y paraacutemetros de medida con el objetivo
103
de seleccionar la que presentase la mejor respuesta frente a la deteccioacuten de
este analito
Los sensores NIP se obtuvieron siguiendo el mismo protocolo que el aplicado
para la obtencioacuten del MIP de la configuracioacuten deseada sin la presencia de la
moleacutecula plantilla durante la polimerizacioacuten
Las configuraciones empleadas son
-MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con 3 concentraciones de AgNWs distintas 1
mgmL 5 mgmL y 10 mgmL
-MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD
Este sensor se ha elaborado con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo para llevar a cabo un cross-linking
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo
Los paraacutemetros de medida que se han modificado para la configuracioacuten del
sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD son
- Electropolimerizacioacuten mediante voltametriacutea ciacuteclica y cronoamperometriacutea
- Concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (1 mgmL 5 mgmL y 10
mgmL)
- Electropolimerizacioacuten sobre el electrodo BDD con agitacioacuten y sin agitacioacuten
- Seleccioacuten del eluyente
bull MIP [CHI-AgNWsndashLactosa] BDD
Sensores con una concentracioacuten de 1 mgmL en AgNWs
104
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo mediante la
polimerizacioacuten sobre el electrodo BDD de una solucioacuten con una mezcla de
chitosaacuten de concentracioacuten 15 mgmL y AgNWs con una concentracioacuten de 1
mgmL que conteniacutea la moleacutecula plantilla de lactosa en una concentracioacuten
001 M
La polimerizacioacuten de la mezcla sobre el electrodo BDD se llevoacute a cabo sin
agitacioacuten por medio de cronoamperometriacutea Posteriormente los electrodos se
extrajeron de la celda electroliacutetica y se dejaron secar a temperatura ambiente
durante toda la noche
La moleacutecula plantilla de lactosa fue eliminada de la matriz polimeacuterica de
chitosaacuten empleando como eluyente una solucioacuten de KCl de concentracioacuten 01
M Para llevar a cabo la elucioacuten los electrodos se sumergieron en esta solucioacuten
durante un periodo de 20 min con agitacioacuten Finalizado el tiempo los
electrodos se lavaron con agua desionizada Milli Q para eliminar los residuos
de la solucioacuten de KCl
Sensores con una concentracioacuten de 5 mgmL en AgNWs
Con esta concentracioacuten (5 mgmL) se obtuvieron dos sensores llevando a cabo
polimerizacioacuten con agitacioacuten y sin agitacioacuten en la fabricacioacuten del sensor
obtenido sin agitacioacuten se siguioacute el mismo procedimiento que el descrito para la
misma configuracioacuten del sensor de lactosa con una concentracioacuten de AgNWs
de 1 mgmL
El procedimiento de siacutentesis seguido para la obtencioacuten del sensor a traveacutes de
polimerizacioacuten con agitacioacuten fue el mismo que en el anterior sensor pero en
este caso se introdujo agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea y el proceso de
elucioacuten se realizoacute utilizando de manera independiente dos eluyentes distintos
el KCl de concentracioacuten 01 M y el agua desionizada Milli Q
Sensores con una concentracioacuten de 10 mgmL en AgNWs
Estos sensores se han obtenido siguiendo el mismo procedimiento que el
descrito en los anteriores sensores en concentracioacuten 5 mgmL (obtenidos por
cronoamperometriacutea con agitacioacuten) y llevando a cabo la elucioacuten con agua
desionizada Milli Q en lugar de con KCl
105
bull MIP [CHI-AgNWs-Glutaraldehiacutedo-Lactosa] BDD
La peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se obtuvo siguiendo el protocolo
anteriormente descrito en concentracioacuten 10 mgmL Finalizada la
polimerizacioacuten los electrodos se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
durante 10 min sin secar
El proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla es exactamente el mismo que se
ha seguido para la anterior configuracioacuten en ausencia de reaccioacuten con
glutaraldehiacutedo a una concentracioacuten de 10 mgmL de AgNWs
bull MIP [CHI-AgNWsndashGlucosa] BDD y MIP [CHI-AgNWsndashGalactosa] BDD
Se obtuvieron sensores MIP para la deteccioacuten de glucosa y galactosa La
elaboracioacuten del sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD se realizoacute bajo el mismo
protocolo de siacutentesis que se siguioacute para el sensor de lactosa con una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten empleando en
este caso glucosa como moleacutecula plantilla (001 M) La elaboracioacuten del sensor
MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento
utilizando como moleacutecula plantilla galactosa (01 M)
4111 Caracterizacioacuten de AgNWs
La caracterizacioacuten de los AgNWs se ha realizado mediante tres teacutecnicas
espectroscopiacutea UV-VIS AFM y DRX
bull Espectroscopiacutea ultravioleta ndash visible (UVndashVIS)
Las propiedades oacutepticas de los AgNWs se estudiaron mediante la teacutecnica
espectroscoacutepica ultravioleta-visible (UV-VIS)
El proceso se llevoacute a cabo con el software UV-Probe introduciendo la solucioacuten
de estudio en un porta-muestras de cuarzo (10 mm times 10 mm)
Para llevar a cabo la caracterizacioacuten en primer lugar se programoacute el rango de
longitudes de onda entre 200 nm y 800 nm Posteriormente se realizoacute una
liacutenea base la cual constituye el blanco del espectro ultravioleta y despueacutes se
106
llevoacute a cabo la medida con un espectrofotoacutemetro como el mostrado en la figura
27
El estudio se comenzoacute con la obtencioacuten del espectro de la solucioacuten inicial de
AgNWs sin purificar posteriormente tras el proceso de centrifugacioacuten se obtuvo
el espectro de absorcioacuten correspondiente tanto de los AgNWs como del
sobrenadante
Figura 27 Espectrofotoacutemetro empleado para caracterizar los AgNWs
bull Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica se llevoacute a cabo para estudiar la morfologiacutea y
dimensioacuten de los AgNWs para ello se utilizoacute el equipo AFM mostrado en la
figura 28
Para obtener la muestra se depositaron 25 μL de la solucioacuten de AgNWs en
etanol sobre el electrodo BDD y se dejoacute secar al aire para evaporar el etanol
107
Figura 28 Equipo de Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular
412 Estudio del comportamiento electroquiacutemico
La elaboracioacuten de los sensores MIP y NIP y el estudio de su comportamiento
electroquiacutemico se ha llevado a cabo mediante teacutecnicas electroquiacutemicas de
anaacutelisis
La deposicioacuten de la peliacutecula polimeacuterica sobre la superficie del electrodo se ha
realizado a traveacutes de dos teacutecnicas electroquiacutemicas cronoamperometriacutea y
voltametriacutea ciacuteclica La respuesta del sensor frente a los analitos de intereacutes se
ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica Los analitos estudiados han sido
lactosa glucosa y galactosa cuyo comportamiento electroquiacutemico se ha
determinado a traveacutes de los procesos de oxidacioacuten de los AgNWs que se
encuentran depositados en la peliacutecula de chitosaacuten
El equipo empleado para llevar a cabo ambos procesos fue un
potenciostatogalvanostato como el que se muestra en la figura 29
Figura 29 Potenciostato utilizado para el estudio electroquiacutemico de los sensores MIP y NIP
4121 Elaboracioacuten del sensor nanoestructurado MIP y NIP
108
La deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten modificada con AgNWs se realizoacute en
una celda electroliacutetica que presentaba una configuracioacuten de tres electrodos
como electrodo de trabajo se empleoacute un electrodo BDD como electrodo de
referencia Ag AgCl en KCl y un contraelectrodo de platino
El proceso de deposicioacuten se comenzoacute vertiendo la disolucioacuten preparada en
ausencia de la moleacutecula plantilla (NIP) o en presencia de la misma (MIP) en una
celda electroliacutetica de 5 mL de capacidad La polimerizacioacuten se llevoacute a cabo en
un primer momento sin agitacioacuten pero finalmente se comproboacute que se
obteniacutean mejores resultados depositando las soluciones con agitacioacuten
estableciendo una velocidad de agitacioacuten de 190 rpm
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por
cronoamperometriacutea son
bull Tiempo de electrodeposicioacuten 90 s
bull Potencial aplicado -11 v
Los paraacutemetros definidos para realizar la polimerizacioacuten por voltametriacutea ciacuteclica
son
bull Nordm de ciclos 15
bull Potencial maacuteximo (V) 04
bull Potencial miacutenimo (V) -11
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
A continuacioacuten se muestra el montaje de la celda para llevar a cabo la
electropolimerizacioacuten
109
Figura 30 Esquema de trabajo para llevar a cabo cronoamperometriacutea incluyendo el sistema de agitacioacuten
4122 voltametriacutea ciacuteclica
El funcionamiento de los sensores MIP y NIP se estudioacute mediante voltametriacutea
ciacuteclica y la medicioacuten se realizoacute en las mismas condiciones que la deposicioacuten
Los paraacutemetros de trabajo para llevar a cabo las mediciones mediante
voltametriacutea ciacuteclica son
bull Nordm de ciclos 5
bull Potencial maacuteximo (V) 1
bull Potencial miacutenimo (V) -1
bull Potencial inicial (V) 0
bull Velocidad de barrido (mVs) 100
Establecidos los paraacutemetros de operacioacuten se continuoacute con el montaje de la
celda cuyo esquema se muestra en las figuras 31 y 32 seguacuten el analito
empleado
110
Para la deteccioacuten de glucosa y lactosa la celda electroquiacutemica empleada
presenta 5 mL de capacidad y es la que se muestra en la figura 31 Cuyo
protocolo de medicioacuten se explica a continuacioacuten
Como se ha mencionado anteriormente las medidas electroquiacutemicas
empleadas para el anaacutelisis electroquiacutemico de los sensores desarrollados
durante este trabajo se han determinado mediante voltametriacutea ciacuteclica Para
ello los sensores MIP se sumergen en una solucioacuten de buffer fosfato de
concentracioacuten 001 M y de pH 74 con objeto de conseguir una respuesta
voltameacutetrica que sirva como sentildeal de referencia para el resto de las
mediciones Seguidamente el electrodo de trabajo se deja en un vaso de
precipitados con el eluyente correspondiente y en presencia de agitacioacuten para
disolver la moleacutecula plantilla (azuacutecar correspondiente en cada caso) de la
peliacutecula de chitosaacuten Finalizado el proceso de elucioacuten de la moleacutecula plantilla
el electrodo de trabajo se lava con agua destilada Posteriormente se introduce
en la celda la disolucioacuten de intereacutes (glucosa o lactosa) y en la concentracioacuten
deseada A continuacioacuten se conecta el potenciostato y se comprueba que la
celda presenta el correcto montaje En este momento para mantener una
buena reproducibilidad es de gran importancia que la superficie sumergida del
contraelectrodo y electrodo de trabajo sea la misma
Figura 31 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de lactosa y glucosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
La deteccioacuten del monosacaacuterido galactosa se ha llevado a cabo en la celda que
se muestra en la figura 32 de una capacidad de 5 mL Los pasos que se han
seguido para la deteccioacuten de galactosa son los mismos que se han descrito
111
anteriormente pero en este caso durante el proceso de elucioacuten el electrodo de
trabajo se mantiene en la celda no siendo necesaria su extraccioacuten
Figura 32 Equipo de trabajo empleado para llevar a cabo la deteccioacuten de galactosa mediante voltametriacutea ciacuteclica
A continuacioacuten se muestra un esquema de funcionamiento de un sensor MIP
[CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD en el proceso de deteccioacuten del azuacutecar deseado
Figura 33 Esquema de funcionamiento de un MIP [CHI-AgNWs-Azuacutecar]BDD frente a la deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
112
El procedimiento de trabajo que se llevoacute a cabo para el sensor NIP es el mismo
que el seguido para el sensor MIP sin embargo en este caso en el sensor no
se llevoacute a cabo la etapa de elucioacuten ya que el chitosaacuten no contiene a la moleacutecula
plantilla
113
Capiacutetulo V
Resultados experimentales y
discusioacuten de resultados
114
115
5 Resultados experimentales y discusioacuten de
resultados
Los resultados experimentales se dividen en dos bloques En el primer bloque
se realizoacute la siacutentesis de los sensores MIP y NIP para ello se llevoacute a cabo la
preparacioacuten de las disoluciones deseadas las cuales se depositaron a traveacutes
de teacutecnicas electroquiacutemicas sobre la superficie de los electrodos BDD En los
sensores la presencia de AgNWs es de gran importancia ya que la deteccioacuten
es posible al uso de los mismos por ello se ha comenzado el trabajo
optimizando su siacutentesis y caracterizacioacuten
A lo largo de la investigacioacuten se han sintetizado dos reacuteplicas de MIP para cada
azuacutecar de intereacutes lactosa glucosa y galactosa En primer lugar se optimizoacute la
configuracioacuten del sensor MIP frente a lactosa en el que se probaron distintos
paraacutemetros de fabricacioacuten y de medida meacutetodo de electrodeposicioacuten agitacioacuten
durante la cronoamperometriacutea uso de glutaraldehiacutedo como agente reticulante
y empleo de distintos eluyentes de la moleacutecula plantilla En segundo lugar se
obtuvo un sensor MIP para el azuacutecar de glucosa sin agitacioacuten En tercer lugar
se desarrolloacute el sensor MIP de galactosa fabricado sin agitacioacuten en este sensor
se comproboacute el efecto de un aumento en la concentracioacuten de la moleacutecula
plantilla presente en el mismo
En el segundo bloque se estudiaron por voltametriacutea ciacuteclica los sensores MIP y
NIP en los tres tipos de analitos lactosa glucosa y galactosa Su
comportamiento electroquiacutemico fue evaluado mediante el empleo de AgNWs y
chitosaacuten en diferentes concentraciones
51 Caracterizacioacuten de AgNWs
Debido a la importancia de la presencia de AgNWs en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor es necesario la caracterizacioacuten previa de los mismos
mediante el uso de distintas teacutecnicas espectroscoacutepicas espectroscopiacutea UV-VIS
AFM y DRX
511 Espectroscopiacutea de absorcioacuten ultravioleta visible (UV-
VIS)
116
La espectroscopiacutea UV-VIS se ha empleado para estudiar las propiedades
oacutepticas de los AgNWs Se comenzoacute obteniendo el espectro ultravioleta de los
AgNWs sintetizados con el meacutetodo poliol descrito en el apartado teoacuterico
(capitulo 2521) Posteriormente se lavaron con etanol y tras centrifugar y
eliminar el sobrenadante (residuo que se obtiene con cada lavado) se volvioacute a
realizar el espectro En la figura 34 se muestran los espectros
correspondientes
En el espectro de absorcioacuten obtenido de los AgNWs sin purificar se pueden
observar las bandas correspondientes a la presencia de nanopartiacuteculas de
plata (AgNPs) y AgNWs Las dos primeras bandas se atribuyen a la presencia
del plasmoacuten de resonancia caracteriacutestico de los AgNWs que tienen lugar a una
longitud de onda de 355 nm y 385 nm [120] En el espectro obtenido tras la
purificacioacuten uacutenicamente se aprecia el plasmoacuten de resonancia de los AgNWs
por lo que la ausencia de la banda correspondiente a las AgNPs a 434 nm es
un indicador de la pureza de eacutestos [120] La primera banda de absorcioacuten de
este espectro representa la absorcioacuten longitudinal de los AgNWs (355 nm) y la
segunda a una longitud de onda de 402 nm se atribuye a la absorcioacuten
transversal de los mismos [113] [130]
Finalmente en el espectro correspondiente al sobrenadante se aprecia una
banda de absorcioacuten a 438 nm que se atribuye a la presencia exclusiva de las
AgNPs lo que indica que el meacutetodo empleado para lavar los AgNWs es
adecuado [120]
Figura 34 Espectroscopiacutea UV-VIS del producto obtenido de la siacutentesis de AgNWs sin lavar (rojo) AgNWs purificados (azul) y sobrenadante (negro)
512 Espectroscopiacutea de Fuerza Atoacutemica Molecular (AFM)
117
Existen una gran variedad de factores durante el proceso de fabricacioacuten de los
AgNWs que pueden afectar a su morfologiacutea como son la temperatura el tiempo
de reaccioacuten la adiccioacuten de reactivos etc [120] [121] Por ello la microscopiacutea
de fuerza atoacutemica se ha utilizado para controlar la homogeneidad de los AgNWs
obtenidos ya que proporciona imaacutegenes de tamantildeo nanomeacutetrico (figura 35)
Las imaacutegenes de la muestra que se obtuvieron demuestran que los AgNWs
presentaban un tamantildeo homogeacuteneo con un diaacutemetro cercano a 350 nm y
longitudes entorno a los 10 μm
Figura 35 Fotografiacutea obtenida mediante microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) de una muestra de AgNWs depositada sobre un electrodo BDD
513 Difraccioacuten de rayos-X
La difraccioacuten de rayos-X se ha utilizado para caracterizar la estructura de los
AgNWs el patroacuten de difraccioacuten obtenido muestra que los AgNWs son
nanomateriales compuestos por nanocristales orientados en diferentes planos
cristalograacuteficos [204]
De acuerdo con el patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs se muestran 5 picos de
difraccioacuten (figura 36) correspondientes a los planos [111] [200] [220] [311]
y [222] respectivamente [205] Donde se puede apreciar una gran diferencia
en la intensidad alcanzada entre ellos El pico correspondiente al plano
cristalograacutefico [111] que tiene lugar a 2120579= 382ordm es el pico de mayor intensidad
lo que indica que los cristales que forman los AgNWs estaacuten orientados
preferentemente en esta direccioacuten cristalograacutefica [205] [206] El pico de
difraccioacuten que tiene lugar a 2120579= 443ordm se corresponde con el plano [200] [206]
En cuanto al pico que se encuentra en 2120579= 645ordm se corresponde con el plano
[220] [207] Finalmente los picos de difraccioacuten que tienen lugar a 2120579=768 ordm y
2120579= 815ordm representan los planos [311] y [222] respectivamente [207]
118
El patroacuten de difraccioacuten de los AgNWs que se ha descrito se corresponde con
una estructura cuacutebica centrada en las caras (FCC) [207] La ausencia de picos
adicionales es debida a la pureza de los AgNWs obtenidos [206]
Figura 36 Patroacuten de difraccioacuten de rayos-X de los AgNWs
52 Optimizacioacuten de un sensor MIP [CHI-AgNWs-
Lactosa]BDD
Se ha llevado a cabo la fabricacioacuten de sensores electroquiacutemicos basados en la
tecnologiacutea de impresioacuten molecular (MIP) para la deteccioacuten de lactosa Dicho
sensor se ha preparado mediante la electropolimerizacioacuten de chitosaacuten
modificado con AgNWs en presencia de una moleacutecula plantilla de lactosa Las
funciones de cada uno de los constituyente que forman el sensor MIP son
Chitosaacuten biopoliacutemero que se deposita sobre el electrodo BDD su
funcioacuten es contener a los huecos de la moleacutecula que se quiera
detectar ademaacutes sirve de soporte de unioacuten para los AgNWs
AgNWs son nanoestructuras metaacutelicas que actuacutean recubriendo la
matriz de chitosaacuten sus reacciones de oxidacioacuten sirven para
determinar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a la
deteccioacuten del azuacutecar de intereacutes
119
Lactosa es la moleacutecula plantilla su funcioacuten es imprimir en la matriz
de chitosaacuten las cavidades de reconocimiento con el propoacutesito de
proporcionar al sensor MIP una mayor especificidad hacia la
deteccioacuten de la misma
En todos los sensores (MIP) se ha trabajado con una concentracioacuten de lactosa
en la solucioacuten [CHI-AgNWs] de 001 M y una concentracioacuten de la solucioacuten de
chitosaacuten de 15 mgmL Fijados estos paraacutemetros con el propoacutesito de obtener
el sensor MIP que proporcione las mejores prestaciones frente a la deteccioacuten
de lactosa se emplearon distintas variables de trabajo y de medida el meacutetodo
de electrodeposicioacuten la presencia de agitacioacuten o no durante la
cronoamperometriacutea la concentracioacuten de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
empleo de un agente reticulante y el uso de distintos eluyentes
A lo largo del desarrollo de la investigacioacuten es de gran importancia comprobar
el funcionamiento del MIP por ello este sensor se ha comparado con un sensor
obtenido bajo las mismas condiciones pero en ausencia de la moleacutecula de
lactosa NIP
bull Meacutetodo de electrodeposicioacuten de las disoluciones para elaborar los
sensores MIP o NIP
El primer experimento se llevoacute a cabo depositando la solucioacuten que contiene la
mezcla para la obtencioacuten del sensor MIP y NIP sobre la superficie del electrodo
BDD a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica paraacutemetros de trabajo citados en el
capiacutetulo 4
En los voltamogramas obtenidos de los sensores MIP (figura 37 a) y NIP (figura
37 b) no se aprecia ninguacuten indicio que indique la electrodeposicioacuten de la
solucioacuten sobre la superficie del electrodo BDD Por ejemplo en un estudio
llevado a cabo por Zhang Q et al se llevoacute a cabo la electrodeposicioacuten de un MIP
por medio de voltametriacutea ciacuteclica en cada ciclo se obtuvo una disminucioacuten en la
intensidad de corriente de los picos de oxidacioacuten de los AgNWs a medida que
el poliacutemero de impresioacuten molecular se depositaba sobre el electrodo BDD
[208] Este fenoacutemeno no se puede apreciar en ninguna de los voltamogramas
ante este resultado en el resto del trabajo se optoacute por llevar a cabo la
electrodeposicioacuten mediante cronoamperometriacutea en lugar de por voltametriacutea
ciacuteclica para los sucesivos experimentos
120
Figura 37 Electrodeposicioacuten por voltametriacutea ciacuteclica a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD
bull Cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
El estudio se ha continuado con la siacutentesis de sensores MIP y NIP cuyas
configuraciones son MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD
Ambos tienen una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL en la peliacutecula de
chitosaacuten los paraacutemetros de fabricacioacuten de ambos sensores se han indicado en
el capiacutetulo 4
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se
sintetizaron dos sensores de cada tipo Para obtener la reproducibilidad de los
cronoamperogramas del MIP y NIP se calculoacute el coeficiente de variacioacuten (CV)
tomando el valor maacuteximo de la corriente alcanzada por cada sensor
El CV o tambieacuten llamado desviacioacuten estaacutendar relativa (RSD) proporciona
informacioacuten sobre la dispersioacuten de las series de datos obtenidas y se calcula a
partir de la siguiente expresioacuten
119862119881 = 120590
∙ 100
120590 = radicsum (119909119894 minus 119909 119873
119894 )2
119873
(31)
Ecuacioacuten 31 Caacutelculo del coeficiente de variacioacuten (CV) o (RSD)
Donde 120590 es desviacioacuten estaacutendar x es la variable N es el nuacutemero de resultados
xi es el valor nuacutemero i de la variable x es la media de los datos obtenidos
121
Figura 38 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
El CV obtenido para los cronoamperogramas del sensor MIP y NIP es del
2577 y del 1687 respectivamente Ambos coeficientes indican falta de
homogeneidad durante la fabricacioacuten de los sensores lo que supone que las
condiciones de trabajo durante la fabricacioacuten de los mismos no fueron buenas
Entre los motivos principales se encuentran inmersioacuten de los electrodos de
trabajo y contraelectrodo de manera inadecuada asiacute como la ausencia de
agitacioacuten durante el desarrollo de los sensores
En el cronoamperograma del MIP (figura 38 a) y NIP (figura 38 b) se pueden
distinguir cada una de las fases correspondientes a la formacioacuten de la peliacutecula
de chitosaacuten con el tiempo sobre el electrodo BDD En un primer momento tiene
lugar un aumento de la intensidad de corriente debido a los procesos
electroquiacutemicos que se producen en la celda (fase I) El codo de curvatura
representa la fase II cuando se produce la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre la
superficie del electrodo BDD para ello se aplica un potencial de -11 V A este
potencial el chitosaacuten se vuelve insoluble debido a los cambios de pH que
tienen lugar en la proximidad de la superficie del electrodo estos cambios son
provocados por la desprotonacioacuten de los grupos NH3+ de la estructura quiacutemica
del chitosaacuten por los grupos OH- que hay en la solucioacuten [198] [209] En la
cronoamperometriacutea de ambos sensores se puede apreciar un proceso de
nucleacioacuten costoso debido posiblemente a la falta de agitacioacuten durante la
electrodeposicioacuten que da lugar a un proceso de difusioacuten en estado transitorio
Debido a la ausencia de agitacioacuten la concentracioacuten de las especies no se
mantiene constante en la solucioacuten por lo que la capa difusiva (δ) va adquiriendo
un mayor grosor Este hecho dificulta la difusioacuten de las especies hasta la
superficie del electrodo con el transcurso del tiempo [182] En la fase III se
muestra el crecimiento de la peliacutecula polimeacuterica sobre el electrodo BDD al
finalizar este proceso se distingue una caiacuteda en la intensidad de corriente
122
desde un valor de 65 μA en el NIP hasta un valor de 54 μA en el MIP La
disminucioacuten de la intensidad se debe a la presencia del azuacutecar durante la
polimerizacioacuten del chitosaacuten el cual dificulta la difusioacuten de las especies a su
traveacutes [186]
Para estudiar el efecto selectivo de la plantilla polimeacuterica en el MIP y el
comportamiento de los AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten se obtuvieron las
respuestas voltameacutetricas correspondientes a un electrodo BDD en blanco y a
los sensores MIP y NIP El blanco se elaboroacute mediante voltametriacutea ciacuteclica a
traveacutes de su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa 10-4 M en buffer fosfato
(PBP) de concentracioacuten 001 M y pH 74 aplicando un potencial de -1 V a 1 V
con una velocidad de barrido de 100 mVs El resultado obtenido se muestra
en la figura 39 a donde no se observa ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten
debido a que la lactosa no presenta actividad electroliacutetica La respuesta
electroquiacutemica de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvo mediante su inmersioacuten en una solucioacuten de lactosa
10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros
de medida y siguiendo el proceso de deteccioacuten explicados en el capiacutetulo 4
En el resultado obtenido de la voltametriacutea ciacuteclica figura 39 b se puede apreciar
como el MIP proporciona una mayor intensidad de sentildeal respecto del NIP y el
electrodo BDD blanco Este hecho se atribuye a la creacioacuten de cavidades
especiacuteficas en la matriz de chitosaacuten con una forma y tamantildeo que son
complementarios a las moleacuteculas de lactosa gracias a esta plantilla se
consigue una gran especificidad durante la deteccioacuten ya que las moleacuteculas se
enlazan faacutecilmente a los huecos creados [64] Como resultado de la siacutentesis de
la plantilla polimeacuterica se consigue un sensor que ofrece un mejor
comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de lactosa y por ende es
capaz de proporcionar una mayor intensidad de sentildeal en comparacioacuten al
sensor NIP
Por otro lado en este experimento no se pudieron distinguir los picos anoacutedicos
de las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs el resultado desfavorable puede
deberse a las siguientes razones
La ausencia de agitacioacuten durante la electropolimerizacioacuten sobre el
electrodo BDD podriacutea suponer que la cantidad de AgNWs depositados
en el sensor es inferior a la deseada
123
La concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten es
insuficiente
Figura 39 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH
74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El estudio de la reproducibilidad se llevoacute a cabo mediante la fabricacioacuten de dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs mediante la
inmersioacuten de los sensores en una disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten
10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M El criterio empleado para su
obtencioacuten fue el caacutelculo del CV
La reproducibilidad obtenida tanto para el MIP como para el NIP es muy baja
siendo eacutesta de un 1873 y de un 3782 respectivamente La razoacuten de la
mala reproducibilidad en el MIP podriacutea atribuirse a la falta de homogeneidad
durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el electrodo BDD puesto
que es un fenoacutemeno que puede afectar a los sensores basados en la tecnologiacutea
de impresioacuten molecular [210] Sin embargo la baja reproducibilidad del NIP
indica que las condiciones en las que se llevaron a cabo la fabricacioacuten o la
medicioacuten de los sensores no fueron las adecuadas siendo una posible razoacuten
la falta de agitacioacuten durante el proceso de fabricacioacuten de ambos
A pesar del buen funcionamiento del MIP no se pudieron apreciar los picos
correspondientes a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs presentes en la
peliacutecula de chitosaacuten por lo que la investigacioacuten se continuoacute incrementando la
concentracioacuten de eacutestos en un valor de 5 mgmL
124
La fabricacioacuten de sensores MIP y NIP con una concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten de 5 mgmL se realizoacute por cronoamperometriacutea
estableciendo los paraacutemetros de trabajo indicados en el capiacutetulo 4 Tal y como
se muestra en la figura 40 a y b donde se representan los cronoamperogramas
de los sensores MIP y NIP respectivamente En ellos se pueden distinguir las 3
fases correspondientes al proceso de electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo De nuevo en el MIP se observa un proceso de nucleacioacuten maacutes
costoso en comparacioacuten al NIP asiacute como una caiacuteda de la corriente desde un
valor de 150 μA alcanzado por el NIP hasta una intensidad de 80 μA en el MIP
La razoacuten de ambos fenoacutemenos se atribuye a una mayor dificultad en el proceso
de difusioacuten tal y como se explicaba para la misma configuracioacuten del sensor
pero con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
Figura 40 Cronoamperograma obtenido sin agitacioacuten a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-
AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgml
Como en el anterior sensor para estudiar la reproducibilidad del MIP y NIP se
han sintetizado dos sensores de cada tipo el CV obtenido para ambos
cronoamperogramas es del 26 y del 956 respectivamente Los CV
obtenidos son bajos las razones por las que esto podiacutea ocurrir se indicaron en
la anterior configuracioacuten del sensor de una concentracioacuten de AgNWs de 1
mgmL
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado a traveacutes de
voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10minus4 119872 en PBP de concentracioacuten
001 M y pH 74 Su respuesta voltameacutetrica se ha comparado con la obtenida
por un sensor NIP y un electrodo BDD blanco siguiendo el mismo
procedimiento que el descrito para la anterior configuracioacuten del sensor en
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL En el voltamograma figura 41 a se
puede comprobar que el MIP presenta una mayor intensidad que el NIP en la
deteccioacuten frente a lactosa lo cual indica la formacioacuten de las cavidades de
125
reconocimiento en la matriz de chitosaacuten que aportan especificidad al sensor
MIP frente a la deteccioacuten de este azuacutecar [211] tal y como se ha explicado
anteriormente
Por otro lado los resultados obtenidos demuestran que a una concentracioacuten
de AgNWs de 5 mgmL es posible distinguir los procesos correspondientes a
las reacciones de oxidacioacuten de los mismos El primer pico anoacutedico (51528 mV)
se corresponde con el proceso de oxidacioacuten de la plata (Ag) al estado de
oxidacioacuten +1 (Ag+1) y el segundo pico anoacutedico (67886 mV) se corresponde con
la oxidacioacuten de la plata de su estado elemental (Ag0) al estado de oxidacioacuten +2
(Ag2+) El estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ es menos comuacuten sin embargo
cuando se alcanzan potenciales superiores a 040 V se puede apreciar [212]
Figura 41 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para calcular la reproducibilidad se siguieron los mismos pasos que se han
empleado para el sensor que presenta la misma configuracioacuten a una
concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL De la misma forma el criterio empleado
fue el caacutelculo del CV tomando como referencia el pico anoacutedico de mayor
intensidad (1198601198922+) en estas condiciones se obtuvieron valores de
reproducibilidad del 2861 y del 1665 para el MIP y NIP respectivamente
126
A pesar del buen funcionamiento del MIP en las configuraciones descritas se
aprecia una falta de reproducibilidad importante cuyo valor se encuentra por
encima del 5 Con el propoacutesito de mejorar la reproducibilidad de ambos
sensores se modificoacute un nuevo paraacutemetro durante el proceso de fabricacioacuten
del sensor Por lo que en los experimentos siguientes se sintetizaron sensores
MIP y NIP en presencia de agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
bull Cronoamperometriacutea con agitacioacuten
Los experimentos relativos al desarrollo de sensores frente a la deteccioacuten
oacuteptima de lactosa se continuaron mediante la elaboracioacuten de sensores MIP y
NIP con la siguiente configuracioacuten MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD ambos con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL en la
peliacutecula de chitosaacuten Su siacutentesis se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten fijando los paraacutemetros de trabajo indicados en el
capiacutetulo 4
Tal y como sucediacutea en los anteriores sensores en el MIP (figura 42 a) se aprecia
un proceso de nucleacioacuten maacutes costoso en comparacioacuten al NIP (figura 42 b) asiacute
como una caiacuteda en la intensidad de corriente hasta a un valor de 80 μA
respecto a la intensidad de 150 μA alcanzada por el NIP
A pesar de ello se encuentran importantes diferencias entre los
cronoamperogramas de los sensores MIP (figura 40 a) y NIP (figura 40 b)
obtenidos por cronoamperometriacutea sin agitacioacuten a la misma concentracioacuten de
AgNWs que se han descrito en el anterior punto
En la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten la nucleacioacuten del chitosaacuten se produciacutea
con una mayor dificultad siendo el proceso maacutes lento en este caso lo cual es
un indicador de que el factor de agitacioacuten facilita la electrodeposicioacuten del
chitosaacuten modificado con AgNWs sobre la superficie del electrodo BDD Como
se ha indicado anteriormente (capiacutetulo 2612) la cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten da lugar a un fenoacutemeno de conveccioacuten de las moleacuteculas
que se encuentran en la solucioacuten lo que hace que el espesor de la capa
difusiva se mantenga constante en todo el tiempo en que dura el pulso de
potencial aplicado sobre el electrodo de trabajo Al contrario de lo que sucede
en la cronoamperometriacutea sin agitacioacuten donde el espesor de la capa difusiva
aumenta con el paso del tiempo [182]
127
Figura 42 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y un b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se obtuvieron
dos sensores MIP y NIP de cada tipo cuyos cronoamperogramas presentaron
un CV (calculado con el mismo criterio que en los anteriores sensores descritos)
del 111 y del 687 respectivamente En este caso los valores del CV
indican que las condiciones de trabajo con las que se fabricaron ambos
sensores contribuyeron a mejorar la reproducibilidad de los
cronoamperogramas
El estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP frente a la
deteccioacuten de lactosa se ha realizado mediante voltametriacutea ciacuteclica
estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el mecanismo de deteccioacuten
indicados en el capiacutetulo 4 Para ello se ha comparado la respuesta voltameacutetrica
del MIP con la del NIP y un electrodo BDD blanco cuya voltametriacutea se ha
realizado siguiendo el mismo procedimiento que se ha explicado para las
anteriores configuraciones del sensor de lactosa En el voltamograma obtenido
figura 43 a se puede observar que el sensor MIP proporciona una intensidad
de corriente superior al NIP lo que es un indicador de la correcta formacioacuten de
la plantilla polimeacuterica de lactosa en la matriz de chitosaacuten siendo eacutesta la
responsable de que el MIP tenga una mayor especificidad frente a la deteccioacuten
de dicho analito Por otro lado se pueden distinguir los picos de las reacciones
de oxidacioacuten de los AgNWs el primer pico se corresponde con el estado de
oxidacioacuten de la plata Ag+1 producido a un potencial de 39899 mV y el segundo
pico que tiene lugar a un potencial de 51015 mV se corresponde con el estado
de oxidacioacuten de la plata Ag2+ [212]
128
Figura 43 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes obtenidos en presencia de agitacioacuten
Para comprobar el efecto de la agitacioacuten en la respuesta voltameacutetrica se ha
comparado el sensor MIP descrito en este apartado con el sensor MIP que
presenta la misma concentracioacuten de AgNWs (5 mgmL) fabricado sin agitacioacuten
cuyo funcionamiento se explicoacute en el apartado cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten En la tabla 1 donde se comparan los valores de los potenciales
obtenidos entre ambos sensores se puede observar que el potencial necesario
para que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs son inferiores
en el sensor sintetizado bajo cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten
Esta disminucioacuten en el potencial indica una mejora en el comportamiento
electroquiacutemico del sensor MIP ya que es necesario un menor potencial para
que tengan lugar las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs En la tabla 2 se
muestran los valores de la intensidad de corriente alcanzados por ambos
sensores donde se distingue un aumento en la intensidad de corriente en el
sensor MIP obtenido por cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten lo que
indica una mejora en la actividad electroquiacutemica del mismo Con estos
resultados se puede concluir que la introduccioacuten de agitacioacuten afecta
positivamente al funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP
129
Tabla 1 Potencial (mV) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico Paraacutemetros fabricacioacuten
Potencial con agitacioacuten
Potencial sin agitacioacuten
(Ag+) 39899 51528
(Ag2+) 51015 67886
Tabla 2 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD con 5 mgmL de AgNWs 0btenido con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Pico anoacutedico
Paraacutemetros de obtencioacuten
Intensidad de corriente con agitacioacuten
Intensidad de corriente sin agitacioacuten
(Ag+) 34 2110
(Ag2+) 3327 307
Finalmente se realizoacute un estudio de la reproducibilidad sintetizando dos
sensores MIP y NIP de cada tipo a traveacutes de voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten
de lactosa 10minus4119872 siguiendo el mismo procedimiento que se ha indicado en las
anteriores configuraciones Para ello se utilizoacute el caacutelculo del CV tomando como
referencia la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico 1198601198922+ Se
obtuvo una reproducibilidad de un 141 para el NIP y un 1275 para el MIP
como se aprecia el NIP presentoacute una reproducibilidad significativamente
superior El motivo de esta diferencia puede estar asociado a la falta de
homogeneidad durante la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica sobre el
electrodo BDD como se ha indicado anteriormente dicho fenoacutemeno es posible
que afecte a los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
[210]
En la tabla 3 se han comparado los valores de reproducibilidad de los sensores
obtenidos con y sin agitacioacuten donde se aprecia una reproducibilidad
notablemente superior en los sensores MIP y NIP sintetizados por
cronoamperometriacutea en presencia de agitacioacuten En vista a estos resultados se
puede concluir que la presencia de agitacioacuten durante la obtencioacuten de los
sensores contribuye a obtener una respuesta maacutes reproducible
130
Tabla 3 CV () de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs] con 5 mgmL de AgNWs 0btenidos con agitacioacuten y sin agitacioacuten durante la cronoamperometriacutea
Electrodeposicioacuten Sensores
CV con agitacioacuten CV sin agitacioacuten
MIP 1275 2861
NIP 141 1665
Con el propoacutesito de conseguir un aumento en el valor de la intensidad de
corriente alcanzado por el sensor MIP frente a la deteccioacuten de lactosa la
investigacioacuten se continuoacute incrementando la concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten a una concentracioacuten de 10 mgmL La fabricacioacuten de este
sensor se llevoacute a cabo mediante cronoamperometriacutea fijando los paraacutemetros de
trabajo indicados en el capiacutetulo 4
Figura 44 Cronoamperograma obtenido en presencia de agitacioacuten de un a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Como en el resto de las configuraciones se han sintetizado dos sensores de
cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV del 1178 y del 455
para el MIP (figura 44 a) y NIP (figura 44 b) respectivamente Estos valores
indican una menor homogeneidad en la fabricacioacuten del sensor MIP atribuible a
una mayor dificultad durante el proceso de fabricacioacuten del mismo
Tal y como se observa la polimerizacioacuten del chitosaacuten en presencia de los
AgNWs y de la moleacutecula plantilla de lactosa (figura 44 a) tiene lugar con una
mayor dificultad en comparacioacuten al NIP (figura 44 b) Ademaacutes en el MIP se
alcanza una intensidad de corriente de 50 μA y en el NIP un valor igual a 75
μA Ambos fenoacutemenos se han producido y explicado en el resto de las
configuraciones desarrolladas en el presente trabajo
131
El comportamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha evaluado comparando
su respuesta voltameacutetrica con la obtenida por el NIP y un electrodo BDD blanco
(figura 45 a) El protocolo seguido para la obtencioacuten de los voltamogramas del
MIP NIP y el blanco es el mismo que el que se ha descrito para el resto de las
configuraciones
La respuesta voltameacutetrica proporcionada por el MIP no fue la adecuada e indicoacute
un mal funcionamiento por parte de este sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
(figura 45 b) Es decir la intensidad de corriente de este sensor es inferior a la
proporcionada por el NIP lo cual no deberiacutea suceder ya que el MIP debe ofrecer
una mayor intensidad de sentildeal Este resultado indicoacute que la plantilla de lactosa
no se sintetizoacute correctamente en la matriz de chitosaacuten La razoacuten del mal
funcionamiento del sensor MIP puede estar asociada a la elevada
concentracioacuten de AgNWs que se utilizoacute durante la electrodeposicioacuten lo que
provocoacute que el chitosaacuten no polimerizase bien sobre la superficie del electrodo
en consecuencia la plantilla de lactosa no se formoacute adecuadamente en la
matriz polimeacuterica
Por otro lado ademaacutes de apreciar los picos anoacutedicos correspondientes a los
estados de oxidacioacuten de los AgNWs a esta concentracioacuten tambieacuten es posible
apreciar los picos catoacutedicos que se corresponden con la reacciones de
reduccioacuten reversibles de la plata (del estado de oxidacioacuten Ag2+ al estado
elemental Ag0) producidas a un potencial de 4047 mV y 1813 mV [212] (figura
45 a)
132
Figura 45 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
Para estudiar el efecto en el aumento de concentracioacuten de los AgNWs en la
matriz de chitosaacuten en la tabla 4 se muestra una comparativa con el sensor
que tiene la misma configuracioacuten en una concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL
y que se ha descrito en este mismo punto Los valores indican un aumento en
la intensidad de corriente del pico anoacutedico Ag2+ en el MIP y NIP de un valor del
131 y del 211 respectivamente Estos resultados demuestran que la
intensidad proporcionada por los AgNWs aumenta con su concentracioacuten en la
peliacutecula de chitosaacuten tal y como se observa en la figura 46
Cabe mencionar que la comparacioacuten entre concentraciones (1mgmL y 5
mgmL) en el anterior punto no se realizoacute puesto que careciacutea de intereacutes al no
poderse apreciar los picos anoacutedicos de los AgNWs en el sensor que presentaba
una concentracioacuten de eacutestos en 1mgmL en la peliacutecula de chitosaacuten
133
Tabla 4 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos con una concentracioacuten de AgNWs 5 y 10 mgmL
MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
NIP [CHI-AgNWs]BDD
Pico anoacutedico Concentracioacuten
de AgNWs
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad de
corriente
(10 mgmL)
Intensidad de
corriente
(5 mgmL)
Intensidad
de corriente
(10 mgmL)
(Ag2+) 3327 4361 2898 6128
Figura 46 Intensidad del pico anoacutedico Ag2+ de los sensores MIP (negro) NIP (rojo) inmersos en una solucioacuten de lactosa en PBP de concentracioacuten 001 M y pH 74 Se representa un aumento de la concentracioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten (0 5 10 mgmL)
En cuanto al estudio de la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de
cada tipo MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD NIP [CHI-AgNWs]BDD el criterio
empleado para su caacutelculo se realizoacute bajo las mismas condiciones que se han
descrito para el resto de los sensores El CV obtenido para el MIP y NIP fue del
23 y del 184 respectivamente El empeoramiento de la reproducibilidad
(respecto de la anterior configuracioacuten que presentaba una concentracioacuten de
AgNWs de 5 mgmL) indica que las condiciones en las que se fabricaron los
sensores no fueron las adecuadas siendo una posible causa la elevada
concentracioacuten de AgNWs (10 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten que se empleoacute
para la construccioacuten del sensor
134
bull Agente reticulante glutaraldehiacutedo
La utilizacioacuten de agentes reticulantes en la siacutentesis de poliacutemeros de impresioacuten
molecular es muy frecuente ya que estos influyen directamente en la
morfologiacutea de los MIP en su estabilidad y en la fijacioacuten de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico [69] Por estas razones en el presente trabajo se ha
comprobado su efecto en los sensores MIP y NIP sometieacutendolos a vapores de
glutaraldehiacutedo a traveacutes del anaacutelisis de su respuesta voltameacutetrica y de un
estudio de la reproducibilidad de los mismos
Se ha utilizado la siguiente denotacioacuten para los sensores desarrollados MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-lactosa]BDD y NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs]BDD
Los sensores fueron fabricados con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
mediante cronoamperometriacutea seguacuten los paraacutemetros de medida que se
establecieron en el capiacutetulo 4 los cronoamperogramas obtenidos no se
muestran en el presente trabajo dado que coinciden con los
cronoamperogramas del sensor que presenta la misma concentracioacuten de
AgNWs en ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo (figura 44 a y b) Tras la
cronoamperometriacutea los sensores MIP y NIP se introdujeron en vapores de
glutaraldehiacutedo seguacuten el procedimiento indicado en el mismo capiacutetulo
El efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP frente
a la deteccioacuten de lactosa se ha estudiado mediante voltametriacutea ciacuteclica
mediante la inmersioacuten del sensor en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP
de concentracioacuten 001 M y pH 74 estableciendo los paraacutemetros de trabajo y el
protocolo de medida indicados en el capiacutetulo 4 En el voltamograma obtenido
figura 47 a se compara la respuesta voltameacutetrica del sensor MIP con el NIP y
un electrodo BDD blanco
Tal y como se observa la intensidad de corriente alcanzada por el pico anoacutedico
de mayor intensidad (Ag 2+) es de 11327 μA para el NIP mientras que para el
MIP es inferior e igual a 5031 μA Los valores de corriente indican un mal
funcionamiento del MIP al proporcionar el otro sensor una mayor intensidad de
sentildeal (este fenoacutemeno se ha repetido para el sensor que presentaba la misma
concentracioacuten de AgNWs sin agente reticulante glutaraldehiacutedo) Como se ha
explicado anteriormente el mal funcionamiento del MIP se asocia a una posible
saturacioacuten del sensor debido a la elevada concentracioacuten de AgNWs en la
peliacutecula de chitosaacuten que impide la correcta formacioacuten de la plantilla polimeacuterica
No obstante a pesar del mal funcionamiento del sensor frente a la deteccioacuten
de lactosa se consiguioacute incrementar notablemente la intensidad de la sentildeal
135
Figura 47 a) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL y de un electrodo BDD blanco (azul) a1) detalle de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP correspondientes
En la tabla 5 se muestran los valores de corriente alcanzados por los sensores
MIP y NIP en presencia y ausencia de vapores de glutaraldehiacutedo en los que se
puede apreciar un incremento de la intensidad de corriente en un coeficiente
del 115 y del 185 respectivamente Estos resultados indican que la
fabricacioacuten del sensor en presencia de vapores de glutaraldehiacutedo mejora la
respuesta cataliacutetica del mismo lo cual puede estar asociado a diversas
razones
El chitosaacuten reticulado ayuda a mantener la rigidez de las cavidades de
reconocimiento especiacutefico contribuyendo a mantener su forma y
tamantildeo [69]
Aumento de la estabilidad mecaacutenica el nuacutemero de entrecruzamientos
entre el chitosaacuten y el glutaraldehiacutedo evitan la peacuterdida de las cavidades
de reconocimiento especiacutefico [69]
Por estas razones el chitosaacuten se convierte en un soporte maacutes estable para los
AgNWs lo cual se produce gracias a la unioacuten entre los grupos -COOH de los
extremos de la moleacutecula del glutaraldehiacutedo con los grupos -NH2 del chitosaacuten
dando lugar a un enlace imina muy resistente (minusC=NH-) [93]
136
Tabla 5 Intensidad de corriente (μA) correspondiente a las reacciones de oxidacioacuten de los AgNWs de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 10 mgmL
Configuracioacuten
Pico anoacutedico
MIP
[CHI-AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de corriente
MIP
[CHI-Glutaraldehiacutedo-
AgNWs-Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]
BDD
Intensidad de corriente
NIP
[CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD
Intensidad de
corriente
(Ag2+) 4361 5031 6128 11327
Finalmente se ha llevado a cabo un estudio del sometimiento de los sensores
a vapores de glutaraldehiacutedo Para ello se sintetizaron dos sensores MIP [CHI-
Glutaraldehiacutedo-AgNws-lactosa]BDD NIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs]BDD de
cada tipo siguiendo el mismo procedimiento que en los anteriores sensores
descritos El CV se ha calculado bajo el mismo criterio obteniendo un valor para
el MIP del 837 y del NIP de 1364 respectivamente Mientras que las
mismas configuraciones del sensor pero sin sometimiento a vapores de
glutaraldehiacutedo muestran una reproducibilidad muy mala con un CV del 23 y
del 184 respectivamente
Los resultados indican que bajo los paraacutemetros en los que fueron fabricados
ambos sensores los vapores de glutaraldehiacutedo mejoran significativamente su
reproducibilidad lo cual estaacute asociado a una mayor estabilidad mecaacutenica de la
plantilla polimeacuterica de chitosaacuten asiacute como de los AgNWs que lo recubren [69]
bull Seleccioacuten del agente eluyente
El eluyente empleado para eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten no debe afectar a su rigidez y estabilidad [69] Por ello con objeto de
seleccionar el disolvente que proporcionase los mejores resultados se ha
estudio la respuesta voltameacutetrica del MIP frente a dos eluyentes distintos KCl
01 M y agua desionizada Milli Q Para la seleccioacuten de ambos se ha tenido en
cuenta la solubilidad del chitosaacuten y de la lactosa en ambos eluyentes
El chitosaacuten es un poliacutemero catioacutenico soluble en aacutecidos diluidos (aacutecido aceacutetico
aacutecido niacutetrico aacutecido clorhiacutedrico entre otros) sin embargo es insoluble en medios
con pH superiores a 65 (agua disoluciones baacutesicas o en disolventes
137
orgaacutenicos) por lo que el empleo de agua desionizada Milli Q o KCl no deberiacutea
de afectar a la solubilidad de la peliacutecula de chitosaacuten en ambos eluyentes [191]
La lactosa es un azuacutecar soluble en disolucioacuten acuosa debido a la formacioacuten de
puentes de hidroacutegeno entre los grupos hidroxilo del azuacutecar y el hidroacutegeno del
agua por lo que es soluble en ambos tipos de disolventes [213]
El protocolo de medicioacuten empleado para la deteccioacuten de lactosa es el descrito
en el capiacutetulo 4 Tras el proceso de elucioacuten llevado a cabo con KCl (figura 48 a)
y agua desionizada Milli Q (figura 48 b) se observa que ambos sensores MIP
proporcionan una disminucioacuten en la intensidad de corriente en el mismo grado
Tras estos resultados se concluye que no hay cambios al utilizar un eluyente u
otro puesto que ambos afectan de la misma manera a la respuesta
voltameacutetrica del sensor
Figura 48 a) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con KCl (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP (001M pH 74) b) Respuesta voltameacutetrica MIP CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP (001 M y pH 74) (negro) en PBP despueacutes de eliminar la moleacutecula plantilla con agua desionizada Milli Q (rojo) y en una disolucioacuten de lactosa 10-4M en PBP (001M pH 74)
521 Seleccioacuten del sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
El sensor seleccionado para estudiar su comportamiento electroquiacutemico frente
a la deteccioacuten de lactosa fue el MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD con una
concentracioacuten de AgNWs de 5 mgmL Las siguientes razones fueron
determinantes para elegir este sensor desarrollado por cronoamperometriacutea en
presencia de agitacioacuten
138
En el estudio llevado a cabo por voltametriacutea ciacuteclica el MIP demostroacute un
mejor comportamiento con respecto al NIP (figura 43 a) Este resultado
fue de gran importancia ya que indicoacute la formacioacuten de una plantilla
polimeacuterica en la matriz de chitosaacuten que aportaba una mayor
especificidad al sensor MIP frente a la deteccioacuten lactosa
Con esta configuracioacuten se apreciaron los picos anoacutedicos de los AgNWs
lo que permitiraacute determinar el comportamiento electroquiacutemico del
sensor frente a la deteccioacuten de lactosa
Representa el sensor MIP que cumpliendo con las dos condiciones
descritas tiene una mayor reproducibilidad
La fabricacioacuten del sensor se llevoacute a cabo por cronoamperometriacutea tal y como se
explicoacute en el capiacutetulo 4 el cronoamperograma de ambos sensores MIP (figura
42 a) y NIP (figura 42 b) ya se indicoacute dentro de este mismo capiacutetulo en la
fabricacioacuten de sensores por cronoamperometriacutea con agitacioacuten
El proceso de deteccioacuten llevado a cabo frente a lactosa ha sido descrito en el
capiacutetulo 4 figura 49 a Tras eliminar la moleacutecula plantilla de la matriz de
chitosaacuten con KCl (01 M) se forman las cavidades de reconocimiento especiacutefico
cuya estructura es complementaria a las moleacuteculas de lactosa Una vez
obtenido el sensor se lleva a cabo la deteccioacuten en la disolucioacuten de lactosa
(10 minus4 119872) durante este proceso tiene lugar la especificidad entre la plantilla
polimeacuterica y las moleacuteculas de lactosa presentes en la solucioacuten Con la
disminucioacuten de la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs es posible
estudiar el comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a lactosa dado
que es un fenoacutemeno que se puede utilizar como un indicador de la presencia
del azuacutecar en la solucioacuten
La disminucioacuten en la intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs puede
estar asociado a dos razones en primer lugar la lactosa presente en la
solucioacuten dificulta la transferencia de electrones hasta la superficie del
electrodo [84] En segundo lugar la disminucioacuten de la corriente puede ser
provocada por el efecto denominado ldquogate effectrdquo Este fenoacutemeno es tiacutepico en
los sensores MIP y contribuye a un decremento en la intensidad de la sentildeal
causado por un cambio en la morfologiacutea de la peliacutecula de chitosaacuten al enlazarse
la moleacutecula plantilla a los sitios de unioacuten de eacuteste A causa de este suceso la
capacidad de difusioacuten de los electrones a traveacutes de la peliacutecula polimeacuterica se
produce con una mayor dificultad [91]
139
Figura 49 a) respuesta voltameacutetrica de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M despueacutes de la elucioacuten (rojo) en una solucioacuten de lactosa 10minus4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M (azul) Respuesta voltameacutetrica de un electrodo BDD blanco en lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (rosa) a1) Detalle de los picos anoacutedicos
5211 Estudio de la sensibilidad del sensor frente a
lactosa
Para estudiar la sensibilidad del sensor frente a las moleacuteculas de lactosa se
llevaron a cabo detecciones en una solucioacuten de lactosa con una concentracioacuten
10-4 M y 10-3 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M Aplicando un
potencial de -1 V a 1 V con una velocidad de barrido de 100 mVs
En la figura 50 a y b se muestran los voltamogramas obtenidos con los
sensores MIP y NIP respectivamente donde se puede observar que la
intensidad de los picos anoacutedicos de los AgNWs disminuye al aumentar la
concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten Como ya se ha indicado dicho
fenoacutemeno tiene lugar en los sensores MIP que utilizan sustancias
electroactivas para el reconocimiento de azuacutecares La presencia del azuacutecar en
la solucioacuten provoca el empeoramiento de la transferencia electroacutenica a traveacutes
de la matriz de chitosaacuten por lo que la intensidad de la sentildeal proporcionada por
el sensor disminuye [41] [84] [212]
140
Figura 50 Estudio de la sensibilidad de un sensor a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M (negro) posteriormente en un disolucioacuten de lactosa de concentracioacuten 10minus4 119872 (rojo) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M y finalmente en una disolucioacuten de lactosa de
concentracioacuten 10minus3M (azul) en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
De la representacioacuten de la intensidad del pico anoacutedico (figura 51)
correspondiente al estado de oxidacioacuten de la plata Ag2+ se obtienen dos rectas
para cada uno de los sensores MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD La ecuacioacuten correspondiente al sensor MIP para el tramo de (0
mM - 01 mM) es 119910 = 2456119909 + 4175 y para el 2ordm tramo (01 mM ndash 1mM)
119910 = minus116119909 + 1835 Donde ldquoxrdquo es la concentracioacuten de lactosa (mM) e ldquoyrdquo es
la intensidad de sentildeal del pico anoacutedico (μA)
De la misma forma para el sensor NIP la ecuacioacuten para el tramo de (0 mM-
01Mm) es 119910 = minus1043119909 + 2218 y para el segundo tramo (01 ndash 1mM) es la
siguiente 119910 = minus58556119909 + 12336
En esta representacioacuten se demuestra que a mayor concentracioacuten del azuacutecar
menor es la intensidad de la sentildeal proporcionada por ambos sensores (MIP y
NIP) Ademaacutes la intensidad de corriente alcanzada por el sensor MIP y NIP ante
la deteccioacuten de lactosa entre las concentraciones 0 mM ndash 01 mM presenta un
gran salto de deteccioacuten Por otro lado cuando la deteccioacuten se lleva a cabo con
una concentracioacuten de lactosa entre los valores de 01 mM - 1 mM el salto de
deteccioacuten es menos brusco es decir la caiacuteda de corriente tanto del MIP como
del NIP es maacutes baja Por otro lado se aprecia que a una concentracioacuten de
10minus3 119872 de lactosa en la solucioacuten el sensor MIP parece que se llega a saturar
puesto que la diferencia en la intensidad de corriente alcanzada entre los
sensores MIP y NIP es praacutecticamente despreciable Por estas razones se
deberiacutea comprobar el funcionamiento de los sensores llevando a cabo
detecciones frente a concentraciones inferiores de lactosa en la solucioacuten
(10minus5 119872 10minus6 119872 etc)
141
Figura 51 Rectas de la intensidad del pico anoacutedico (Ag2+) de los sensores MIP [CHI-AgNWs-lactosa]BDD (negro) y NIP [ CHI-AgNWs]BDD (rojo) en PBP (001 M y pH 74) para un incremento de la concentracioacuten de lactosa en la solucioacuten (0 01 y 1 mM)
5212 Estudio de la reproducibilidad del sensor de lactosa
La reproducibilidad del MIP (1275) figura 52 a es inferior a la del NIP
(141) figura 52 b la diferencia de reproducibilidad entre el MIP y el NIP se
debe a que los sensores basados en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
pueden estar afectados por una mala reproducibilidad asociada al proceso de
fabricacioacuten del MIP durante la electrodeposicioacuten electroquiacutemica [210] Aunque
como ya se ha indicado en el anterior apartado el empleo de agentes
reticulantes como el glutaraldehiacutedo contribuyen a la mejora de la
reproducibilidad
142
Figura 52 Reproducibilidad mediante voltametriacutea ciacuteclica en lactosa 10-4M en PBP 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
5213 Estudio de la repetitividad del sensor de lactosa
El estudio de la repetitividad del sensor (tabla 6) se ha llevado a cabo utilizando
voltametriacutea ciacuteclica en una disolucioacuten de lactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001 M mediante 5 ciclos consecutivos potencial de -1 V a 1 V
y una velocidad de barrido de 100 mVs El criterio empleado para calcular la
repetitividad del sensor es el CV obtenido del valor de intensidad del pico
anoacutedico Ag2+ de los 4 uacuteltimos ciclos
La repetitividad del MIP (figura 53 a) calculada es del 1251 y la del NIP (figura
53 b) es del 1878 estos resultados demuestran una mala repetitividad que
puede estar asociada a dos factores la peacuterdida de AgNWs en la superficie del
chitosaacuten con cada ciclo y al deterioramiento de la peliacutecula de chitosaacuten lo que
implicariacutea la peacuterdida en la intensidad de la sentildeal
Figura 53 Repetitividad mediante voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de lactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M a) MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD b) NIP [CHI-AgNWs]BDD a1) y b1) detalles de los picos anoacutedicos de los sensores MIP NIP respectivamente
143
Tabla 6 Estudio de la repetitividad a traveacutes de la intensidad de corriente (μA) de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD con una concentracioacuten de AgNWs de 5mgmL
Ciclo Configuracioacuten
MIP
[CHI-AgNWs- Lactosa]BDD
Intensidad de
corriente
NIP
[CHI-AgNWs]BDD
Intensidad de corriente
2 5038 4457
3 4257 3733
4 37 33
5 3327 2898
CV () 1251 1878
53 Sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-
Glucosa]BDD
Se ha sintetizado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD utilizando la
glucosa como moleacutecula plantilla en una concentracioacuten 001 M El
funcionamiento de dicho sensor se ha comparado con un NIP [CHI-
AgNWs]BDD
El sensor se ha sintetizado con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL
llevando a cabo la polimerizacioacuten del chitosaacuten por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten cuyos paraacutemetros de medida fueron establecidos en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se muestra el cronoamperograma de la electrodeposicioacuten
llevada a cabo para la fabricacioacuten de los sensores MIP (figura 54 a) y NIP (figura
54 b) Tal y como se ha explicado en el sensor de lactosa en ambos
cronoamperogramas se distinguen cada una de las fases que se corresponden
con la deposicioacuten de la peliacutecula de chitosaacuten sobre el electrodo BDD con el
tiempo Primero se produce un aumento en la intensidad de corriente debido
a los procesos electroquiacutemicos que ocurren en la celda En la segunda fase
tiene lugar la nucleacioacuten del chitosaacuten en ambos sensores el codo de curvatura
es muy pronunciado lo cual indica que la polimerizacioacuten del chitosaacuten sobre el
electrodo se produce con dificultad Este resultado se podriacutea asociar a la falta
de agitacioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla para la siacutentesis de los
sensores tal y como se ha indicado en los sensores de lactosa fabricados en
las mismas condiciones Finalmente la peliacutecula de chitosaacuten crece sobre el
electrodo BDD
144
Como en los sensores de lactosa la presencia de glucosa en la disolucioacuten
dificulta la difusioacuten de las especies a traveacutes de la peliacutecula de chitosaacuten Este
resultado se refleja en la intensidad de la corriente final alcanzada en los
cronoamperogramas respectivos donde el MIP alcanza una intensidad 45 μA
y el NIP de 60 μA
Figura 54 Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Se fabricaron dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas
presentaron un CV (calculado siguiendo el mismo criterio que para el sensor de
lactosa) para el MIP del 20 y para el NIP del 1795 La razoacuten de la baja
reproducibilidad se asocia a que las condiciones en las que se realizoacute la
fabricacioacuten o medicioacuten de ambos sensores no fueron las adecuadas siendo un
posible motivo la ausencia de agitacioacuten o una inmersioacuten inadecuada del
electrodo de trabajo y contraelectrodo
El funcionamiento electroquiacutemico del sensor MIP se ha estudiado comparando
la respuesta obtenida por voltametriacutea ciacuteclica de un electrodo BDD blanco con
la respuesta electroquiacutemica proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 55
b) en una disolucioacuten de glucosa de concentracioacuten 10-4 M en PBP de pH 74 y
concentracioacuten 001M La voltametriacutea ciacuteclica se ha realizado siguiendo el mismo
procedimiento y estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que se han
explicado para el sensor de lactosa
En la figura 55 a se muestra la respuesta voltameacutetrica del blanco donde no es
posible apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten dado que la glucosa no es
un compuesto con actividad electroliacutetica
145
Figura 55 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de glucosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de glucosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL sensor NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo ) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
La respuesta voltameacutetrica obtenida de los sensores (MIP y NIP) asiacute como la del
blanco indica que los resultados no son buenos por varias razones En el MIP
no hay nada que sugiera que se haya formado una plantilla polimeacuterica puesto
que la intensidad de corriente alcanzada es muy baja e inferior a la lograda por
el blanco En segundo lugar en el sensor no se aprecia un buen funcionamiento
de los AgNWs puesto que la intensidad de corriente proporcionada por eacutestos
es inferior a la respuesta voltameacutetrica del blanco En adiccioacuten tampoco es
posible apreciar los picos de oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el
estudio del comportamiento electroquiacutemico del sensor frente a glucosa
Teniendo en cuenta estos resultados se puede concluir que los paraacutemetros de
fabricacioacuten utilizados para la elaboracioacuten del sensor MIP no fueron los
adecuados las posibles razones son
En la electrodeposicioacuten del MIP no se llevoacute a cabo agitacioacuten lo que
implica que la cantidad de AgNWs depositados en el electrodo es
insuficiente para apreciar los picos de oxidacioacuten de los mismos
La concentracioacuten de AgNWs en el sensor (1mgmL) es demasiado
pequentildea lo que afectoacute directamente a la respuesta electroquiacutemica del
mismo
Con objeto de estudiar la reproducibilidad se sintetizaron dos sensores de cada
tipo MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute
146
a cabo por medio de voltametriacutea ciacuteclica siguiendo el mismo procedimiento que
en los sensores de lactosa
Para ello se calculoacute el CV del MIP y NIP obteniendo valores de reproducibilidad
del 30 (MIP) y del 12 (NIP) La mala reproducibilidad de los sensores se
puede deber a que las condiciones en las que se llevaron a cabo los
experimentos no fueron las adecuadas siendo una posible causa la falta de
agitacioacuten durante la electrodeposicioacuten de la solucioacuten que contiene la mezcla
para la siacutentesis del MIP o NIP
Finalmente es necesario aclarar que el procedimiento seguido para la
optimizacioacuten del sensor de lactosa con los distintos paraacutemetros de fabricacioacuten
y de medida indicados a lo largo de este trabajo (fabricacioacuten del sensor con
agitacioacuten concentracioacuten de AgNWs uso de agente reticulante glutaraldehiacutedo
etc) se deberiacutean de repetir para el sensor de glucosa descrito en este mismo
punto
54 Sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-
Galactosa]BDD
Se ha elaborado un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD para la deteccioacuten
de galactosa para ello se utiliza dicho analito como moleacutecula plantilla El
funcionamiento del MIP se ha comparado con un sensor NIP fabricado de la
misma forma pero en ausencia de la moleacutecula de galactosa
A diferencia del resto de las configuraciones explicadas en el presente trabajo
en este caso el sensor se obtuvo por cronoamperometriacutea en presencia de una
moleacutecula plantilla que se encontraba en la solucioacuten en una concentracioacuten 01 M
(el resto de los sensores MIP de glucosa y galactosa se sintetizaron con una
concentracioacuten 001 M de las moleacuteculas plantilla respectivas) Este cambio se
realizoacute con objeto de comprobar coacutemo afectariacutea al sensor un aumento de la
concentracioacuten del azuacutecar en la formacioacuten de la plantilla de chitosaacuten La
polimerizacioacuten se llevoacute a cabo sin agitacioacuten bajo las condiciones indicadas en
el capiacutetulo 4
En la figura 56 a y b se muestra el cronoamperograma obtenido para el MIP y
NIP respectivamente donde se pueden observar las tres fases
correspondientes a la electrodeposicioacuten del chitosaacuten sobre el electrodo BDD y
que ya se han explicado en apartados anteriores En ambos sensores se puede
apreciar un proceso de nucleacioacuten muy costoso asiacute como una caiacuteda en la
intensidad de corriente del NIP (60 μA) en comparacioacuten al MIP (50 μA) Tal y
147
como ocurriacutea en el resto de las configuraciones obtenidas mediante
cronoamperometriacutea sin agitacioacuten
Figura 56 a) Cronoamperograma de a) MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y b) NIP [CHI-AgNWs]BDD Ambos sensores con una concentracioacuten de AgNWs de 1mgmL
Con el propoacutesito de llevar a cabo un estudio de la reproducibilidad se fabricaron
dos sensores de cada tipo cuyos cronoamperogramas mostraron un CV
(calculado siguiendo los mismos pasos que para el sensor de lactosa) para el
MIP del 18 y para el NIP del 1725 De nuevo la reproducibilidad es baja las
posibles causas de ello se han indicado para los sensores de lactosa y glucosa
obtenidos bajo las mismas condiciones de fabricacioacuten
Para llevar a cabo un estudio del funcionamiento del MIP se ha comparado la
respuesta de un electrodo BDD blanco con la respuesta electroquiacutemica
proporcionada por el sensor MIP y NIP (figura 57 b) en una solucioacuten de
galactosa 10-4 en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M La respuesta
voltameacutetrica de los sensores MIP y NIP frente a galactosa se obtuvo seguacuten los
paraacutemetros de medida y el protocolo de deteccioacuten establecidos en el capiacutetulo
4 En este caso para llevar a cabo la medicioacuten frente a galactosa se empleoacute
una celda electroquiacutemica distinta con el fin de comprobar el funcionamiento
electroquiacutemico de los sensores en la misma Esta celda presentaba la ventaja
de mantener siempre el mismo aacuterea de contacto de los sensores MIP en el
proceso de deteccioacuten frente al azuacutecar de intereacutes
La respuesta voltameacutetrica del electrodo BDD blanco figura 57 a se obtuvo
estableciendo los mismos paraacutemetros de trabajo que fueron indicados en los
sensores de lactosa y glucosa En el voltamograma obtenido no es posible
148
apreciar ninguacuten pico de oxidacioacuten-reduccioacuten ya que la galactosa no presenta
actividad electroliacutetica
Figura 57 a) Voltamograma de un electrodo BDD en blanco en una disolucioacuten de galactosa 10-4M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001M b) Respuesta voltameacutetrica en una disolucioacuten de galactosa 10-4 M en PBP de pH 74 y concentracioacuten 001 M de un sensor MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD (negro) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL NIP [CHI-AgNWs]BDD (rojo) con una concentracioacuten de AgNWs de 1 mgmL y un electrodo BDD blanco (azul)
El resultado de la voltametriacutea ciacuteclica figura 57 b demuestra un mal
funcionamiento del sensor MIP ya que la intensidad obtenida por el NIP es
mayor a la intensidad proporcionada por el sensor MIP frente a galactosa
Ademaacutes no es posible apreciar los picos correspondientes a las reacciones de
oxidacioacuten de los AgNWs lo que impide realizar el estudio del comportamiento
electroquiacutemico del sensor frente a galactosa
El mal funcionamiento del MIP se puede asociar a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Ademaacutes en este caso se debe tener en
cuenta que con una concentracioacuten de galactosa 01 M en la solucioacuten que
contiene la mezcla para sintetizar el sensor seguramente se produzca la
saturacioacuten de la misma lo cual impide la formacioacuten de la plantilla polimeacuterica en
la matriz de chitosaacuten
Finalmente en la figura 57 b se puede observar que la intensidad de corriente
alcanzada por los sensores es muy inferior (lt 5 μA) a la que se obtuvo con el
resto de las configuraciones descritas que presentaban la misma
concentracioacuten de AgNWs (1 mgmL) en la peliacutecula de chitosaacuten La razoacuten de la
baja intensidad de la sentildeal se podriacutea atribuir a un menor aacuterea de contacto entre
el electrodo de trabajo y la solucioacuten en la celda empleada en este experimento
en comparacioacuten al aacuterea de contacto que se conseguiacutea con la celda electroliacutetica
utilizada en el resto de los experimentos descritos en este trabajo
149
Para obtener la reproducibilidad se fabricaron dos sensores de cada tipo
MIP[CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP[CHI-AgNWs]BDD El estudio se llevoacute a
cabo con voltametriacutea ciacuteclica en una solucioacuten de galactosa 10-4 M siguiendo el
mismo procedimiento que para el sensor de glucosa y lactosa De la misma
forma el criterio empleado para su obtencioacuten fue el caacutelculo del CV obteniendo
un valor para el sensor MIP del 1095 y para el NIP del 756 Ambos
sensores tienen falta de reproducibilidad lo que sugiere que las condiciones
en las que se obtuvieron los sensores no fueron las adecuadas A pesar de ello
el MIP presenta una mayor reproducibilidad que el resto de los sensores
obtenidos a la misma concentracioacuten de AgNWs por cronoamperometriacutea sin
agitacioacuten Lo cual se puede deber al empleo de la celda descrita en el capiacutetulo
4 que mantuvo el mismo aacuterea de contacto del electrodo de trabajo en todo el
proceso de deteccioacuten frente a galactosa
Como se ha indicado en el sensor de glucosa el protocolo de optimizacioacuten
mediante el empleo de diferentes concentraciones de AgNWs fabricacioacuten por
cronoamperometriacutea bajo agitacioacuten concentracioacuten de la moleacutecula plantilla etc
Se deberiacutea realizar para llevar a cabo la optimizacioacuten de un sensor MIP frente
a galactosa que proporcione las mejores prestaciones frente a dicho analito
150
Capiacutetulo VI
Conclusiones y trabajo futuro
151
152
6 Conclusiones y trabajo futuro
61 Conclusiones
En el presente trabajo de fin de grado se han elaborado sensores
nanoestructurados con AgNWs basados en la tecnologiacutea de impresioacuten
molecular
Sensor nanoestructurado de lactosa
De los experimentos realizados para la configuracioacuten de este sensor se pueden
extraer las siguientes conclusiones
bull La voltametriacutea ciacuteclica para llevar a cabo la polimerizacioacuten de chitosaacuten no
es un meacutetodo adecuado puesto que no se consigue la polimerizacioacuten
del MIP sobre el electrodo BDD
bull Se ha demostrado que fabricando los sensores sin agitacioacuten MIP [CHI-
AgNWs-Lactosa]BDD y NIP [CHI-AgNWs]BDD y con una concentracioacuten
de AgNWs de 1 mgmL no es posible apreciar los picos de oxidacioacuten de
los AgNWs
bull Se ha comprobado que en la electrodeposicioacuten llevada a cabo con el
MIP frente al NIP se alcanzan valores en la intensidad de corriente
inferiores lo que supone que la presencia del azuacutecar dificulta la
polimerizacioacuten de la peliacutecula polimeacuterica
bull Se ha demostrado que el paraacutemetro de agitacioacuten durante el proceso de
electrodeposicioacuten facilita el mecanismo de nucleacioacuten del chitosaacuten por
medio de un proceso de difusioacuten de las especies en estado estacionario
Por otro lado la agitacioacuten tiene una gran influencia en el
comportamiento electroquiacutemico del sensor ya que con eacutel se consigue
una mejora del rendimiento y de la reproducibilidad
bull Se ha demostrado la importancia de los AgNWs en el sensor ya que a
traveacutes de ellos se puede llevar a cabo la deteccioacuten de azuacutecares lo que
resulta de gran intereacutes para la deteccioacuten de una gran cantidad de
analitos
bull Se han desarrollado sensores con concentraciones crecientes de
AgNWs comprobaacutendose que la intensidad de corriente es directamente
proporcional a la concentracioacuten de eacutestos Con ello tambieacuten se ha
153
comprobado que a una concentracioacuten de AgNWs en el sensor de 10
mgmL el MIP no funciona bien lo que podriacutea suponer que a
concentraciones tan elevadas se produce la saturacioacuten del sensor
bull Se obtuvieron sensores que se sometieron a vapores de glutaraldehiacutedo
MIP [CHI-Glutaraldehiacutedo-AgNWs-Lactosa]BDD en los que se demostroacute
que su uso favoreciacutea la respuesta voltameacutetrica del sensor En los
sensores con ausencia de glutaraldehiacutedo se obtuvo una
reproducibilidad del 23 y 184 para el MIP y NIP respectivamente
Mientras que para el sensor sometido a glutaraldehiacutedo se obtuvo para
el MIP y NIP una reproducibilidad del 837 y 1364 respectivamente
Estos resultados demuestran que la obtencioacuten de sensores en
presencia de un agente reticulante contribuye a obtener una respuesta
maacutes reproducible
bull Para el sensor seleccionado que presenta la configuracioacuten oacuteptima frente
a lactosa se ha llevado a cabo un estudio de la reproducibilidad
repetitividad y sensibilidad Se ha comprobado que la reproducibilidad
de los MIP (1275) es inferior a la de los NIP (141) este resultado
negativo se atribuye a la falta de homogeneidad durante la fabricacioacuten
del sensor Por otro lado tampoco se obtuvieron buenos resultados en
la repetitividad pudiendo ser debido a la peacuterdida de AgNWs o al
deterioramiento de la peliacutecula polimeacuterica de chitosaacuten Finalmente en el
estudio de sensibilidad se comproboacute que el aumento del azuacutecar a una
concentracioacuten de 10-3M en la solucioacuten puede causar la saturacioacuten del
sensor MIP
Sensores de glucosa y galactosa
bull En el sensor de glucosa MIP [CHI-AgNWs-Glucosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD se obtuvieron malos resultados dado que la intensidad
de la sentildeal obtenida entre ambos sensores era inferior a la intensidad
proporcionada por el blanco Lo que demostroacute que las condiciones en
las que se fabricaron los dos tipos de sensores no fueron las adecuadas
El mal funcionamiento se atribuye a la polimerizacioacuten del chitosaacuten en
presencia de AgNWs en ausencia de agitacioacuten y a una concentracioacuten de
AgNWs de 1 mgmL insuficiente
bull En el sensor de galactosa MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y NIP [CHI-
AgNWs]BDD tambieacuten se obtuvieron malos resultados obteniendo una
peor intensidad en el sensor MIP en comparacioacuten al NIP El mal
funcionamiento del sensor se asocia a las mismas razones que se
indicaban para el sensor de glucosa Adicionalmente se comproboacute que
el azuacutecar en una concentracioacuten 01 M en la solucioacuten causoacute la saturacioacuten
del mismo
154
A pesar de que los experimentos realizados son insuficientes como para
predecir su comportamiento electroquiacutemico frente a la deteccioacuten de glucosa y
galactosa a priori y en comparacioacuten con los resultados obtenidos en el sensor
frente a lactosa ambos sensores funcionan peor Debido a ello todaviacutea es
necesario llevar a cabo la optimizacioacuten de los mismos para poder predecir su
comportamiento electroquiacutemico frente a los azuacutecares de intereacutes
Trabajo pendiente
Finalmente es necesario aclarar que el trabajo concerniente al desarrollo
experimental no pudo ser concluido debido a la covid-19 los resultados
presentados en esta investigacioacuten se corresponden con un trabajo de
permanencia en el laboratorio de 1 mes y medio
En lo referente al sensor MIP de lactosa se deberiacutea de continuar con la siguiente
investigacioacuten en el laboratorio
bull Terminar de optimizar el sensor con una concentracioacuten de 5 mgmL de
AgNWs dado que es con esta concentracioacuten donde el MIP demostroacute un
mejor comportamiento frente a la deteccioacuten de lactosa Para ello se
propone comprobar el efecto del glutaraldehiacutedo en la respuesta
voltameacutetrica de este sensor y llevar a cabo un estudio de la sensibilidad
a traveacutes de la voltametriacutea ciacuteclica con concentraciones inferiores de
lactosa
bull Una vez optimizado por completo se deberiacutea de estudiar mediante
voltametriacutea ciacuteclica el comportamiento del sensor frente la deteccioacuten de
lactosa variando la proporcioacuten de AgNWs en la peliacutecula de chitosaacuten
(50 60 70 etc)
bull Se debe calcular el liacutemite de deteccioacuten del sensor definido este como
ldquola concentracioacuten maacutes baja a la que se puede detectar el analitordquo El
liacutemite de deteccioacuten generalmente se calcula mediante
cronoamperometriacutea a traveacutes de la siguiente expresioacuten
119871119863 = 3120590
119898
(32)
Ecuacioacuten 32 Caacutelculo del liacutemite de deteccioacuten
155
Donde los paraacutemetros de la ecuacioacuten son 120590 es la desviacioacuten estaacutendar
de las medidas del blanco entendido este como una muestra sin el
analito y m es la pendiente de la curva de calibracioacuten obtenida de
representar la concentracioacuten de analito con la intensidad de corriente
alcanzada con cada concentracioacuten de analito antildeadida [214] [215]
bull Caracterizar la estructura del sensor MIP y NIP a traveacutes de teacutecnicas
como la espectroscopiacutea UV-VIS difraccioacuten de rayos-X y AFM
En lo referente a los sensores MIP [CHI-AgNWs-Galactosa]BDD y MIP [CHI-
AgNWs-Glucosa]BDD se deberiacutea de completar la investigacioacuten llevando a cabo
el mismo estudio que el que se ha efectuado para el sensor de lactosa
62 Trabajo futuro
En relacioacuten con el trabajo futuro relativo al desarrollo de sensores basados en
la tecnologiacutea de impresioacuten molecular se podriacutean llevar a cabo las siguientes
investigaciones
bull En lo referente al estudio de la morfologiacutea de los sensores se propone
llevar a cabo un estudio basado en AFM con el fin de caracterizar la
plantilla polimeacuterica formada
bull Mejorar el proceso de elaboracioacuten de la moleacutecula plantilla depositada
sobre la superficie del electrodo con el fin de mejorar la reproducibilidad
del sensor MIP
bull Llevar a cabo nuevas teacutecnicas de inmovilizacioacuten de los nanohilos de
plata en la peliacutecula de chitosaacuten para conseguir una mejor
reproducibilidad y repetitividad de los sensores nanoestructurados
bull Realizar un estudio del comportamiento electroquiacutemico de los sensores
frente a otras moleacuteculas interferentes para comprobar la selectividad de
los sensores basados en la impresioacuten molecular
bull Llevar a cabo la construccioacuten de una lengua electroacutenica que consista en
un sistema multisensor basado en la tecnologiacutea de impresioacuten molecular
para la identificacioacuten simultanea de diferentes tipos de azuacutecares Con
156
la lengua electroacutenica se pueden llevar a cabo anaacutelisis en medios
complejos como en la leche zumos yogures batidos etc Lo que resulta
de especial intereacutes en la industria laacutectea
157
Capiacutetulo VII
Bibliografiacutea
158
159
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