Innovaciones en metodologías analíticas dinámicas utilizando nanomateriales y sistemas microfluídicos
- Autores: Marina Sierra Rodero
- Directores de la Tesis: Juan Manuel Fernández Romero (dir. tes.), Agustina Gómez Hens (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alberto Escarpa Miguel (presid.), Maria de la Paz Aguilar Caballos (secret.), Axel Dükorp (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE D./Dª Marina Sierra Rodero 1. Introducción o motivación de la tesis La utilización de nanomateriales y de sistemas microfluídicos en metodologías analíticas ha abierto nuevas posibilidades para la mejora de las propiedades, tales como sensibilidad, selectividad, precisión y velocidad de muestreo.
La integración de la nanotecnología en metodologías analíticas está teniendo un gran impacto debido al desarrollo de nanomateriales de diversos tamaños, formas y composición. Las interesantes propiedades estructurales, ópticas, electrónicas y catalíticas que presentan estos nanomateriales justifican que estén siendo considerados como reactivos alternativos a los convencionales, tales como las moléculas orgánicas [1,2].
Las nanopartículas de oro (AuNPs) se encuentran entre los nanomateriales más utilizados en el desarrollo de nuevas metodologías de análisis debido a su elevada relación superficie-volumen, su buena capacidad para la transferencia de electrones y su reactividad superficial [3]. Una de las características más destacadas de las AuNPs es su banda plasmón, originada por la oscilación colectiva de los electrones conductores de las AuNPs cuando su frecuencia coincide con la de la radiación electromagnética incidente. Este proceso origina una intensa banda de absorción, así como un aumento en la intensidad de la radiación dispersada [4]. Además, las excelentes propiedades mecánicas y eléctricas de estas NPs justifican su amplio uso en técnicas electroquímicas, utilizándose para recubrir los electrodos y demostrando que mejora notablemente la sensibilidad analítica debido al aumento de la superficie de contacto de éstos [5]. Estas NPs se han utilizado además en varias metodologías de separación, tales como en cromatografía de líquidos y de gases, así como en separaciones electroforéticas [6].
Por otro lado, los sistemas microfluídicos constituyen un campo de investigación multidisciplinar basado en el comportamiento de los fluidos en una escala micrométrica [7]. Dentro de la Química Analítica, el desarrollo de sistemas microfluídicos miniaturizados que permitan la determinación de una manera rápida y automatizada con una alta frecuencia de muestreo y con el mínimo consumo de muestra y de reactivos, ha despertado gran interés en los últimos años. No obstante, una limitación frecuente en los métodos analíticos basados en estos sistemas es su escasa sensibilidad, especialmente en los que utilizan detectores ópticos. La tendencia más actual en el uso de dispositivos microfluídicos en Química Analítica es el diseño de sistemas en los que se integren las diferentes etapas del procedimiento analítico en un único dispositivo con el objetivo de hacerlo portátil. Estos sistemas son conocidos como ¿lab-on-a-chip¿ o ¿micro-total-analysis-systems¿ (¿-TAS) [8]. No obstante, la incorporación de estos sistemas en el análisis de rutina requiere superar aún algunos retos como son la miniaturización sistemática del equipamiento asociado, como fuentes de energía, unidades externas y conexiones.
Hasta ahora, la electroforesis en chip es la técnica de separación que más se ha desarrollado en sistemas microfluídicos, ya que consigue separaciones muy rápidas con buena eficiencia [9]. Esta modalidad se puede desarrollar eficientemente en dispositivos microfluídicos debido a que la disipación del calor es mejor en el formato en chip que en el capilar del mismo material, consiguiendo un mayor control debido al menor tamaño de muestra. Otra modalidad de análisis que se ha adaptado a los sistemas microfluídicos es el análisis por inyección en flujo, originando el µ-FIA [10]. Normalmente se emplea un chip que actúa como reactor en el cual confluyen dos canales, acoplándose externamente otros dispositivos e instrumentos como sistemas de impulsión, válvulas y sistemas de detección.
Por último, cabe indicar que el uso de nanomateriales como herramientas analíticas en sistemas microfluídicos para la mejora de las distintas etapas del proceso analítico es un campo de investigación muy novedoso y de gran utilidad.
La principal motivación de esta Tesis Doctoral es, por tanto, la de ampliar la aplicabilidad analítica de nanomateriales, principalmente AuNPs, y sistemas microfluídicos, para el desarrollo de nuevos métodos determinativos, así como la de realizar un exhaustivo estudio acerca de las últimas tendencias existentes en la integración de la nanotecnología y de sistemas microfluídicos en Química Analítica.
2. Contenido de la investigación En la investigación desarrollada existen tres bloques diferenciados. Cabe destacar que en todas las metodologías desarrolladas en esta Tesis se han empleado diversas técnicas ópticas de detección. En el primer bloque se ha investigado la utilidad de las AuNPs con objeto de ampliar su aplicabilidad como reactivos analíticos en sistemas automáticos de flujo para la determinación de compuestos tiólicos. Los dos métodos que se han desarrollado se basan en la realización de medidas dinámicas utilizando dos propiedades de las AuNPs: la capacidad para dispersar la radiación al producirse su agregación y la banda plasmón de resonancia originada al formarse las NPs.
En el primero de ellos se ha utilizado la técnica de mezcla de flujo detenido y se ha medido la velocidad inicial de la agregación de las AuNPs en presencia de compuestos tiólicos, usando la capacidad de estos compuestos para unirse covalentemente a la superficie de las NPs. La medida de la velocidad inicial del proceso se ha realizado monitorizando la variación de la dispersión de la radiación con el tiempo. El método se aplicó a la determinación de N-acetilcisteína en preparados farmacéuticos.
En el segundo método desarrollado se ha usado un sistema de inyección en flujo para determinar compuestos tiólicos utilizando su capacidad para reducir al ácido tetracloroáurico (HAuCl4), dando lugar a la formación de AuNPs. Para el seguimiento de la reacción se han realizado medidas de absorbancia de la banda plasmon de resonancia de estas NPs. El método se aplicó esta vez a la determinación de ácido tioglicólico en muestras de origen cosmético.
En el segundo bloque se han desarrollado tres metodologías para ampliar la aplicabilidad analítica de los sistemas microfluídicos, bien mediante detección directa de los analitos o mediante separación electroforética en microchip. El objetivo básico de estos estudios ha sido desarrollar nuevas metodologías miniaturizadas que permiten bajo consumo de muestras y reactivos con la consecuente reducción de costes, disminución de la duración del análisis, aumento de la frecuencia de muestreo y simplificación de la manipulación por parte del analista.
En el primer método se propone un sistema de microinyección en flujo (µFI), integrando la reacción y la medida de la señal en un dispositivo microfluídico. Para desarrollar el sistema se han utilizado diversos antibióticos aminoglucósidos como analitos, los cuales inhiben la reacción quimioluminiscente entre el luminol y el peróxido de hidrógeno catalizada por los iones Cu(II), debido a la formación de un complejo entre el ión metálico y el antibiótico. El método se aplicó a la determinación de neomicina como anallito modelo en muestras de agua de grifo y de río.
Los otros dos métodos, desarrollados para la determinación de fluoroquinolonas, incluyen la separación de estos compuestos mediante electroforesis en chip. En el primero de ellos se han utilizado norfloxacino y ciprofloxacino como analitos modelos para realizar su separación y su cuantificación, midiendo la fluorescencia nativa que presentan estos compuestos. En el segundo método se ha investigado la utilidad de la luminiscencia sensibilizada de terbio como sistema de detección en la separación electroforética en chip de ciprofloxacino, enrofloxacino y flumequina. Para desarrollar este método se ha diseñado un sistema modular en el que se ha utilizado radiación láser como fuente de excitación y se han derivatizado los analitos con terbio(III) en el capilar. La metodología desarrollada se aplicó a muestras de agua reales de grifo y de pozo.
En el tercer bloque se ha desarrollado un trabajo bibliográfico que estudia la utilidad de la nanotecnología en sistemas microfluídicos para el desarrollo de nuevas metodologías, con el fin de mejorar las características analíticas. El trabajo se ha estructurado atendiendo a la etapa del proceso analítico en la que los nanomateriales desarrollan su función: preconcentración, separación, reacción y detección.
3. Conclusión Las principales conclusiones del trabajo realizado son las siguientes: 1) Se ha demostrado la utilidad de las AuNPs como reactivos analíticos alternativos a otros reactivos convencionales para la determinación de compuestos tiólicos en sistemas automáticos de flujo.
2) Se ha investigado la utilidad de sistemas microfluídicos para el desarrollo de nuevas metodologías determinativas miniaturizadas para la determinación de antibióticos aminoglucósidos y fluoroquinolonas con el fin de mejorar la rapidez del análisis y disminuir el consumo de reactivos y muestras, con la consecuente reducción de costes.
3) Además del trabajo experimental desarrollado, se ha realizado una amplia revisión bibliográfica sobre la utilidad de la nanotecnología en sistemas microfluídicos. Puede deducirse de la investigación desarrollada que el uso de diversos nanomateriales mejora las distintas etapas del proceso analítico, incidiendo positivamente en los niveles de selectividad y sensibilidad de estos métodos miniaturizados.
4. Bibliografía [1] A. Gómez-Hens, J.M. Fernández-Romero, M.P. Aguilar-Caballos. Nanostructures as analytical tools in bioassays. Trends. Anal. Chem. 27 (2008) 394-406.
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