Towards portability in analytical chemistry
- Autores: Adria Martinez Aviñó
- Directores de la Tesis: Pilar Campíns-Falcó (dir. tes.), Carmen Molins Legua (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Rosa Herráez-Hernández (presid.), María Luisa Marina Alegre (secret.), José González Rodríguez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química por la Universitat de València (Estudi General) y la Universitat Politècnica de València
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Desde principios de siglo los cambios en la sociedad, la investigación de nuevos (nano)materiales y la aparición de internet y de nuevas tecnologías han sido tres pilares fundamentales en los que se ha basado el desarrollo de la química analítica. Gracias a los recientes avances tecnológicos se ha generado un gran impulso hacia la creación de nuevas herramientas y dispositivos. Esto, junto con la evolución en la informática ha conllevado a la automatización y miniaturización de los sistemas analíticos, reduciendo los tiempos de análisis y mejorando los resultados obtenidos.
Una de las exigencias a tener en cuenta dentro de la química actual es aproximarla a los calificativos sostenible y verde. El concepto “sostenible” apareció por primera vez en los años 70, basándose en la unión del desarrollo económico y la preservación de los ecosistemas naturales. Se planteó con la intención de concienciar sobre las consecuencias negativas en el medio ambiente derivadas de la globalización, la industrialización y del crecimiento de la población. En concreto, la química sostenible, tiene en cuenta los posibles efectos producidos por el procesado de materiales, la obtención de recursos energéticos y el impacto social y económico. Al mismo tiempo, la química sostenible también se centra en el control del consumo de recursos y de energía, de manera que se puedan regenerar de forma natural y que la generación de residuos vaya a un ritmo más lento que la gestión de estos. Más tarde, debido a la preocupación por la contaminación ambiental producida por la industria química, apareció en la década de los 90 el termino química verde. Fueron Anastas y Warner quienes en 1998 plasmaron estas preocupaciones en una lista de 12 principios como guía para realizar buenas prácticas en química. Así, la química verde puede ser entendida como el diseño, el desarrollo y la puesta en práctica de procesos químicos o de productos para reducir o incluso eliminar el uso y la generación de sustancias tóxicas y peligrosas. En el campo de la química analítica, siguiendo los pasos de la química verde, apareció la necesidad de crear protocolos y dispositivos para evitar el uso de reactivos peligrosos y para facilitar el análisis in-situ, la miniaturización de procedimientos y de instrumentación y la reducción de costes, de residuos y de consumo de energía, entre otros. Así pues, Gałuszka propuso doce principios para ayudar a la creación de laboratorios analíticos más verdes. Teniendo en cuenta estos principios, es importante encontrar el equilibrio entre rendimiento, coste, complejidad, fiabilidad y sostenibilidad en el momento de elegir la mejor opción para abordar cualquier cuestión que se plantee.
Siguiendo las ideas expuestas anteriormente y en consonancia con los problemas de la sociedad actual, se ha observado la necesidad de desarrollar nuevos dispositivos que sean capaces de resolver problemas de la vida diaria en el mismo sitio donde aparecen. Estas necesidades, junto con las recientes evoluciones en las tecnologías de microsensores, ha conducido al desarrollo de instrumentación portátil como una posible alternativa para la solución de estos problemas.
Estas herramientas se caracterizan por tener un tamaño y peso reducido, bajo consumo de energía, relación calidad precio muy satisfactoria, trabajar con interfaces de usuario sencillas, ser capaces de trabajar en diferentes ambientes y tener la capacidad de procesar y comunicar los datos obtenidos con facilidad. Cabe destacar también su facilidad para ser utilizados por personal no especializado, además de presentar una gran versatilidad, lo que les permite ser utilizados en diferentes campos de aplicación.
En esta Tesis se ha descrito el concepto de instrumentación portátil tal como se entiende en la actualidad y se ha evaluado el posible uso de varios de estos dispositivos como instrumentos de medidas para realizar análisis in situ con diferentes técnicas y en diferentes campos. En los últimos 10 años, la mayoría de dispositivos portátiles desarrollados se han centrado en métodos de análisis espectroscópicos, seguidos de métodos cromatográficos, electroquímicos y de espectrometría de masas. Las principales características de las técnicas analíticas mencionadas han sido comparadas con instrumentación de laboratorio, estableciendo sus principales puntos fuertes y débiles. Concretamente, en esta tesis se ha evaluado la portabilidad en la química analítica desde tres estrategias distintas:
1- Sensores ópticos y medidas con instrumentación portátil.
2- Cromatografía de capa fina de alto rendimiento miniaturizada y medidas con dispositivos portátiles.
3- Sensores electroquímicos y voltamperometría cíclica portátil.
Un (bio)sensor óptico consiste en un elemento de reconocimiento que interacciona con el compuesto de interés produciendo un cambio de color. Este color es proporcional a la concentración del analito objeto de estudio y puede ser fácilmente detectado por el ojo humano, aunque para obtener un análisis cuantitativo es necesario el uso de instrumentación. Diversos estudios se han realizado de manera satisfactoria utilizando estos tipos de sensores combinados con instrumentación portátil. Además, más recientemente también se ha visto como su combinación junto con el uso de teléfonos móviles puede dar lugar a aplicaciones sostenibles en diversos campos como la salud, la seguridad alimenticia y la protección medioambiental.
Existen diversos tipos de dispositivos sensores ópticos, como los sensores de liberación de reactivos, sensores sólidos, kits de pruebas, tiras reactivas, plataformas microfluídicas, tubos colorimétricos, matrices colorimétricas y sensores plasmónicos. Además, estos dispositivos pueden estar producidos con diferentes materiales, en consecuencia, la investigación de nuevos polímeros capaces de presentar alternativas más sostenibles y la investigación de nanomateriales es una de las principales corrientes de estudio en el desarrollo de (bio)sensores.
Los nanomateriales presentan una gran superficie específica que tiene un papel clave en la inmovilización de (bio)moléculas, además, muestran propiedades fisicoquímicas únicas difíciles de encontrar en las moléculas pequeñas. En consecuencia, una gran variedad de nanomateriales se ha utilizado para mejorar numerosas técnicas de desarrollo de (bio)sensores. Celulosa, zeína proteína que se extrae del maíz, polidimetilsiloxano (PDMS), nylon, vidrio o tetraetilortosilicato (TEOS) son algunos de los materiales utilizados en los últimos años. En esta Tesis se ha prestado especial atención al PDMS, Nylon y celulosa como soportes para diferentes sensores colorimétricos. Además, también se ha estudiado el TEOS como modificador hidrofílico y utilizado el vidrio para inmovilizar la enzima ureasa.
Tradicionalmente, los sensores ópticos se han medido con instrumentación convencional; sin embargo, las medidas espectroscópicas también pueden realizarse con instrumentación portátil y con teléfonos móviles. Existen espectrómetros miniaturizados que pueden acoplarse a la cámara del smartphone para realizar el análisis espectral. Además, el espectrómetro puede equiparse con sondas de fibra óptica con el fin de obtener mediciones más exactas y precisas. Así pues, debido a su pequeño tamaño, su versatilidad y su fácil portabilidad, los espectrómetros para teléfonos móviles son una buena alternativa que puede ser utilizada en diferentes aplicaciones.
Los teléfonos móviles también ofrecen la posibilidad de capturar imágenes con sus cámaras para su posterior análisis de imagen. Recientemente se han lanzado al mercado smartphones con mejores cámaras que presentan ajustes más complejos. Estas nuevas configuraciones permiten a los clientes ajustar parámetros de la cámara como la sensibilidad a la luz (ISO), el balance de blancos, el tiempo de exposición o la temperatura del color, reduciendo los errores sistemáticos al realizar el análisis del color. Para llevar a cabo el análisis del color, los colores de una imagen digitalizada se convierten en parámetros o valores numéricos, que dependen del modelo de color seleccionado, utilizando un software de edición de imágenes, los cuales permiten también procesar las imágenes para obtener mejores resultados. Los parámetros de color obtenidos dependen del modelo de color elegido, como las coordenadas rojo-verde-azul (RGB), cian-magenta-amarillo-negro (CMYK), tono-saturación-valor (HSV) o los parámetros CIELAB. Además, hoy en día, debido a su uso generalizado en todo el mundo, existe un amplio tipo de Apps comerciales para Android y para iOS que dan también la posibilidad de obtener parámetros de color al instante, así como aplicaciones diseñadas que analizan los datos obtenidos al instante para obtener resultados directos.
En las últimas décadas se ha producido un importante crecimiento en el interés y la popularidad de la cromatografía hasta convertirse en una técnica líder en la química analítica motivado por la necesidad de separar analitos para el estudio de matrices complejas. La cromatografía de capa fina de alto rendimiento (HPTLC) es una técnica que permite realizar mediciones in situ con una detección rápida y un análisis de bajo coste. Para obtener un análisis cualitativo y cuantitativo adecuado, el desarrollo del método es uno de los pasos más críticos y puede dividirse en los siguientes pasos: selección de la fase estacionaria, selección y optimización de la fase móvil, aplicación de la muestra, desarrollo cromatográfico y detección. La HPTLC puede combinarse con diferentes metodologías de detección proporcionando separaciones eficientes y buenas sensibilidades. Además, también ofrece la posibilidad de realizar análisis cuantitativos utilizando instrumentación más moderna como los smartphones, lo que ha llevado a un rápido crecimiento con importantes implicaciones en el marco de la química analítica. En esta Tesis se ha estudiado la combinación de HPTLC con smartphones, para la determinación de lactosa y gluten en diferentes matrices.
La electroquímica ofrece una perspectiva prometedora para la miniaturización de los sistemas analíticos, con características que incluyen una alta sensibilidad, bajo coste, bajos requisitos de energía y alta compatibilidad con tecnologías avanzadas. En consecuencia, las metodologías portátiles para el análisis electroquímico se han utilizado para la detección de analitos importantes (proteínas, ácidos nucleicos, proteínas, contaminantes, metabolitos o metales) en muchas áreas diferentes de la química analítica como, por ejemplo, la salud, el análisis clínico, la calidad de los alimentos y del agua, y la seguridad del medio ambiente.
En este sentido, el desarrollo de sensores electroquímicos ha sido un tema de gran interés dentro de la química analítica. Se basa en tres componentes esenciales: la muestra, donde se encuentra el analito de interés, el elemento de reconocimiento, donde se produce una interacción biológica o química con la especie objeto de estudio y el transductor, un elemento físico-químico que convierte esta interacción en una respuesta electroquímica. Existen diferentes tipos de transductores que pueden utilizarse para construir biosensores. Los más utilizados son el oro (Au), el platino (Pt), el mercurio (Hg) y los materiales basados en el carbono como los electrodos de carbono serigrafiados (SPCE), diamante dopado con boro (BDD) y carbono vítreo (GC). Además, Los sensores electroquímicos pueden mostrar una alta selectividad y sensibilidad debido a la posibilidad de adaptar la interacción específica de los compuestos mediante la inmovilización, en la superficie del transductor, de elementos de reconocimiento químico o biológico que tengan una afinidad de unión específica con la molécula objetivo. Este proceso se conoce como modificación de la superficie y puede realizarse mediante diferentes estrategias. En la actualidad, existen diferentes métodos conocidos para la modificación de superficies, como la salinización y la fosfatación de superficies oxidadas, el autoensamblaje de tioles en oro y otros metales y la reacción electroquímica conocida como electrografting. En esta tesis se ha estudiado la modificación superficial de electrodos GC y BDD, prestando especial atención al electrografting por reducción de sales de diazonio para su posterior funcionalización. La modificación de los electrodos y la medida de su respuesta se han realizado mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil.
El objetivo general de esta Tesis es la evaluación de la instrumentación portátil y el estudio de varias estrategias para su combinación con diferentes metodologías analíticas con el fin de demostrar que no sólo pueden ser una alternativa adecuada a la instrumentación convencional, sino que, además, pueden aportar soluciones óptimas para el análisis in situ. En concreto, los objetivos específicos son:
1- Evaluar y optimizar instrumentación portátil, incluyendo smartphones. Estudio de diferentes estrategias de control de las condiciones experimentales y de la influencia de la luz. Realización de análisis con la instrumentación portátil propuesta para las mediciones de sensores ópticos in situ.
2- Desarrollar métodos analíticos basados en la combinación de HPTLC con medidas utilizando instrumentación portátil para la detección y cuantificación in situ de alérgenos alimenticios en diferentes muestras reales.
3- Modificar la superficie de electrodos de GC y BDD mediante electrografting de sales de diazonio para la fabricación de biosensores, y su posterior medida con voltametría cíclica utilizando instrumentación portátil.
Se ha establecido la información proporcionada por varios instrumentos desde un punto de vista analítico, verde y sostenible, para evaluar la instrumentación portátil. Uno de los aspectos más importantes relacionados con la medida con smartphones es el control de las condiciones experimentales y de medida. Para ello, se estudió la influencia de condiciones, como el modelo de teléfono móvil y el tamaño y la posición de la muestra, y se han establecido reglas utilizando una paleta de 45 colores como conjunto de validación. Se obtuvieron buenos resultados en términos de intensidades de absorbancia, forma del espectro y en términos de precisión (RSD < 2.5%) en comparación con la instrumentación de laboratorio y otros equipos portátiles. Además, mediante la huella de carbono se observó que los teléfonos inteligentes son una alternativa adecuada y más sostenible para el análisis in situ.
Otro aspecto clave a la hora de trabajar con smartphones es controlar la influencia de la luz. Es por esto, que se estudió su influencia, evaluando varias fuentes de luz, como la halógena, la LED y la luz diurna, con el fin de estudiar su influencia en los resultados analíticos. El análisis espectral y del color de la imagen se llevó a cabo utilizando una caja portátil de luz, para controlar la luz incidente, y un conjunto de 45 colores y una paleta de corrección del color como conjunto de validación. La paleta de corrección del color también se utilizó para el diseño de una metodología de procesado de imagen para la aproximación a colores reales. Los resultados obtenidos para el análisis espectral fueron mejores cuando se utilizó una lámpara halógena, sin embargo, para el análisis de las coordenadas RGB se obtuvieron mejores resultados con luz LED. También se estudió la elección de una determinada coordenada de color RGB observando que los mejores resultados se obtenían cuando el parámetro RGB seleccionado era el más cercano al color complementario del tono de color del sensor analizado.
Otro de los enfoques estudiados en esta Tesis es el desarrollo de dispositivos colorimétricos para el análisis in situ y su posterior medición mediante las estrategias validadas. En este sentido, se ha propuesto un sensor colorimétrico basado en la inmovilización de NQS como reactivo derivatizante en un composite de PDMS/TEOS/SiO2NPs como sensor de amoníaco para cuantificar NH4+ y urea en muestras de agua y orina humana. El sensor mostró una buena precisión (RSD < 8%), una estabilidad satisfactoria y una versatilidad prometedora al analizar diferentes muestras de aguas residuales y diferentes orinas humanas. La respuesta colorimétrica obtenida se registró mediante reflectancia difusa con un instrumento de laboratorio como referencia y medidas con smartphone para el análisis cuantitativo. En ambos casos, se obtuvieron resultados satisfactorios y mostraron una buena concordancia. También se analizó su respuesta a urea sin y con la hidrólisis de la urea en presencia de la enzima ureasa en solución e inmovilizada en un soporte de vidrio. Los resultados obtenidos indican que el sensor propuesto también puede aplicarse para analizar grupos amino presentes en matrices biológicas, como la orina, además de matrices acuosas, demostrando también la idoneidad de los dispositivos móviles para realizar análisis colorimétrico de sensores sólidos.
Las estrategias desarrolladas también se ensayaron analizando sensores de múltiples colores, cubriendo diferentes rangos espectrales. En este sentido, se han propuesto como casos de estudio un sensor plasmónico soportado en nylon para la evaluación de sulfuro de hidrógeno en muestras de aliento, un sensor basado en papel para determinar sulfuro de hidrógeno en matrices de agua y un sensor de PDMS que dispensa el reactivo de Griess para medir la presencia de nitritos en disolución. Se estableció el uso de la fibra óptica como la mejor opción cuando se trabaja con el espectrómetro portátil unido al teléfono móvil utilizando una fuente de luz halógena. Por otro lado, para el análisis de imágenes, se demostró que el uso de luz LED seguido del procesamiento de imágenes proporcionaba los mejores resultados. Los resultados obtenidos han demostrado que los teléfonos inteligentes son una herramienta satisfactoria para el análisis in situ.
Se ha propuesto la combinación de la cromatografía en capa fina de alto rendimiento con una reacción de derivatización y detección colorimétrica basada en las medidas con un smartphone. Se han realizado dos estudios diferentes. Por un lado, se llevó a cabo una separación de carbohidratos para la detección de lactosa y por otro lado, también se realizó una separación cromatográfica de proteínas para el aislamiento del gluten. El objetivo de este estudio era la detección selectiva de ambos alérgenos en muestras reales. Se obtuvieron resultados satisfactorios alcanzando LOD a nivel de trazas y se demostró la potencial aplicación del método determinando lactosa en muestras de leche y en muestras de leche sin lactosa. Se obtuvieron buenos resultados en términos de precisión y exactitud con valores de RSD inferiores al 9% y una recuperación media del 102 %. También se ensayaron muestras de superficies de puntos críticos de industrias alimentarias y muestras de aguas efluentes de industrias lácteas obteniendo buenos resultados.
También se ha desarrollado un método de separación de proteínas que combina la HPTLC con la detección colorimétrica con un smartphone para el análisis in situ del gluten. Se obtuvieron parámetros analíticos satisfactorios como la linealidad, LODs, LOQs y RSD. Además, se propuso un método de cribado que proporciona una respuesta sí/no utilizando el LOD como valor de corte para determinar gluten en las industrias alimentarias. Se analizaron muestras de superficies de puntos críticos de industrias alimenticias utilizando el método propuesto obteniendo resultados prometedores.
También se ha evaluado el uso de instrumentación portátil en electroquímica. Se ha demostrado que la modificación de la superficie de los electrodos de trabajo puede ser una herramienta importante para obtener una mayor selectividad y sensibilidad. En este sentido, se ha estudiado el desarrollo de dos sensores electroquímicos y el uso de diferentes estrategias para su fabricación. En primer lugar, se evaluó un sensor electroquímico basado en la inmovilización de un compuesto redox activo como molécula sonda como la antraquinona en dos electrodos de trabajo diferentes con el fin de elaborar mejores biosensores. Por otro lado, también se estudió la determinación de 2,6-DNT por voltamperometría cíclica modificando un electrodo de carbono vitrificado mediante la reducción de una sal de diazonio y su posterior funcionalización con 2,6-DNT.
Así pues, se ha propuesto una ruta fiable y consistente para la modificación superficial de electrodos de GC y BDD a través de la reducción de una sal de diazonio seguido de una inmovilización cruzada de antraquinona. La modificación de la superficie y la inmovilización de la antraquinona en los sensores electroquímicos se confirmó mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil. Además, se demostró que la antraquinona inmovilizada en interfaces de GC y BDD mediante procedimientos idénticos tiene diferentes densidades superficiales, valores aparentes de pKa1 y cinética de transferencia de electrones. Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto que las propiedades químicas y electroquímicas fundamentales de las moléculas adheridas dependen en gran medida del sustrato, lo que proporciona pautas para un mejor desarrollo de biosensores.
También se ha estudiado la inmovilización de 2,6-DNT en la superficie de un electrodo de GC, tanto para superficies no modificadas como para superficies modificadas. Ambos electrodos mostraron buenas linealidades, sin embargo, se logró una mayor sensibilidad cuando se utilizaron electrodos modificados. Además, se han estudiado dos comportamientos diferentes que tienen lugar en función de la concentración de 2,6-DNT mediante el estudio de la densidad superficial, los eventos de transferencia de electrones acoplados y la cinética de transferencia. Todos los procesos de preparación del sensor y el análisis cuantitativo se realizaron mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil. Se ha desarrollado un dispositivo novedoso, portátil, rápido, ultrasensible y de coste efectivo para la determinación in situ de 2,6-DNT a nivel de trazas.
