APLICACIONES ANALÍTICAS DE LAS NANOPARTÍCULAS METÁLICAS

 

Determinación de plaguicidas mediante SPME-CG-ECD con nuevos recubrimientos de AgNPs

Por Miriam Carolina Pérez Cova

Tutores: Dra. ANA ISABEL JIMÉNEZ ABIZANDA y Dr. FRANCISCO JIMÉNEZ MORENO

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1. Introducción

   En los últimos años se han publicado numerosos estudios en los que se aborda la síntesis, caracterización y aplicaciones de las nanopartículas metálicas, debido a sus potenciales aplicaciones en diversos campos y a sus interesantes propiedades. Más específicamente, las nanopartículas de plata, AgNPs, presentan unas propiedades fisicoquímicas únicas, como su estabilidad química, gran área superficial y propiedades ópticas asociadas a la presencia de plasmones superficiales.

   Por otra parte, la Microextracción en Fase Sólida o SPME se considera una técnica muy adecuada en procesos de pretratamiento de muestras, como separación y preconcentración previos a una detección instrumental. Las tendencias actuales se centran en la búsqueda de nuevos materiales que sean adecuados para recubrir las fibras en SPME. Entre ellos, destacan especialmente las nanopartículas de diversos tipos, y más concretamente, las nanopartículas metálicas. En este trabajo, se lleva a cabo la síntesis de AgNPs por reducción de una sal metálica como precursor. En concreto, el AgNO3 se hace reaccionar con glucosa, que actúa como agente reductor, en presencia de almidón, que actúa como estabilizante, en medio alcalino. Se estudia la influencia de una serie de variables sobre el sistema, tales como pH, temperatura, orden de adición de los reactivos y concentraciones de los mismos, tiempo de síntesis y de estabilización1, con el fin de encontrar las condiciones más favorables para la obtención de AgNPs adecuadas para ser utilizadas como recubrimiento en SPME.

   A continuación, mediante la técnica layer-by-layer, y aprovechando la afinidad de las AgNPs por los compuestos orgánicos que presentan grupos tioles en su estructura2, se depositan las nanopartículas sintetizadas sobre un hilo de acero con el fin de generar nuevos recubrimientos aplicables en SPME. Para comprobar la capacidad de las fibras preparadas con las nanopartículas sintetizadas, se utilizan estas en la determinación de plaguicidas organoclorados, combinando SPME convencional con cromatografía de gases (GC), utilizando un detector de captura electrónica (ECD). Los plaguicidas organoclorados son un grupo de sustancias heterogéneas de gran importancia medioambiental con estructuras mono o policíclicas con distintos átomos de cloro como sustituyentes.

   Finalmente, se desarrolla un método para la determinación de estos plaguicidas organoclorados mediante la combinación de SPME en extracción directa, empleando fibras con nuevos recubrimientos de AgNPs, con cromatografía gaseosa acoplada a un detector de captura electrónica, GC-ECD, y se comparan los resultados obtenidos con una fibra comercial de poliacrilato utilizada como referencia.

2. Técnicas de trabajo

2.1 Síntesis de AgNPs

El esquema general de síntesis de AgNPs utilizado en este estudio es el que se muestra a continuación:

Almidón + AgNO3 + Glucosa + Base → AgNPs

   En un vaso de precipitado de 25 mL se pesan 2,5·10-2 g de almidón, se añaden 5 mL de agua ultrapura Milli-Q, 3 mL de AgNO3 1,0 mM, 2 mL de glucosa 1,0·10-1 M y 400 μL de NH3 6,0 M. El vaso de precipitado que contiene los reactivos, una vez tapado con un vidrio de reloj, se coloca sobre una placa calefactora, que está equipada con un controlador de temperatura y posee un sistema de agitación, y que ha sido previamente calentada a 90ºC. Se mantiene la temperatura a 90 oC y se activa el sistema de agitación. La mezcla se deja en agitación y calentamiento observándose un cambio paulatino en la coloración de la disolución pasando de amarillo pálido a un tono amarillo más intenso y finalmente a un color naranja. Transcurrido 15 minutos de la aparición de la tonalidad amarillo-naranja característica de las AgNPs, se retira el vaso de la placa calefactora y se efectúa una dilución 1:5 con agua desionizada Milli-Q. Para confirma la formación de la AgNPs una vez que la disolución ha alcanzado la temperatura ambiente, se registra el espectro de absorción UV-Visible, en intervalo de longitudes de onda comprendido entre 190 a 1100 nm, frente a un blanco de aguultrapura Milli-Q.

2.2 Preparación de nuevos recubrimientos para fibras

Acondionamiento: Se secciona cada fibra unos milímetros por encima del recubrimiento original, y se introduce en un holder. Seguidamente, se realizan sucesivos lavados con acetona, etanol y agua Milli-Q en un baño de ultrasonidos.

Para la fibra 7, el acondicionamiento es diferente. Se lava una disolución de NaOH, y en una mezcla 3:1 de H2SO4 y HNO3 a 80 oC.

Recubrimiento: Posteriormente se sumerge, durante 3 horas, en una disolución de AgNO3 (fibras 3, 4, 5, 6, 7) o de HAuCl4 (fibras 1, 2), en un baño de ultrasonidos. A la fibra 7 se le agrega seguidamente una etapa de inmersión en una disolución de 1,8-octanoditiol y luego se repite el paso previo.

Se llevaron a cabo dos tratamientos diferentes.

Metodología 1 (fibras 1 – 4): Se sumerge la fibra 12 horas en una disolución 1,8 octanoditiol, se lava con etanol, se sumerge de nuevo 12 horas en una disolución de AgNPs recién preparada, y se lava con agua. Este proceso se repite 8 veces.

Metodología 2 (fibras 5, 6, 7): Cada fibra se sumerge en un vial con las cantidades adecuadas de AgNO3, NH3 y glucosa, y se mantiene en agitación suave y constante durante 3 horas (6 horas en el caso de la fibra 7).

Activación: Las fibras se activan inicialmente, y durante 5 minutos antes de cada extracción a 260 °C.

En la siguiente tabla se incluyen las condiciones cromatográficas seleccionadas para llevar a cabo la determinación. El tiempo de extracción y desorción óptimos se establecen en 1 hora y 5 minutos respectivamente.

Tabla 1. Condiciones cromatográficas empleadas

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3. Discusión de resultados

3.1 Síntesis de AgNPs

La formación de las nanopartículas la podemos expresar de forma global de acuerdo al siguiente esquema:

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El almidón resulta indispensable para la formación de AgNPs en estas condiciones, puesto que actúa como agente estabilizante, facilitando la formación de AgNPs, al hacer las veces de soporte.

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Imagen 1. Esquema de la síntesis de AgNPs a partir de AgNO3, glucosa y almidón.3

   Con objeto de establecer las mejores condiciones experimentales para llevar a cabo la síntesis de las nanopartículas de plata, se plantearon una serie experiencias cuyos resultados se obtienen por espectrofotometría UV-Vis. En ellas se estudiaron la influencia del pH, tiempo de estabilización, orden de adición de los reactivos y concentración de los mismos, y temperatura. Finalmente se escogieron como condiciones óptimas las anteriormente mencionadas.

Asimismo, la estabilidad de las nanopartículas de plata condiciona su aplicabilidad; de ahí, que sea importante su control. Por consiguiente, se estudió la estabilidad de la disolución en los ocho primeros días tras su síntesis. Se observó como la intensidad de la señal en el máximo de absorción, situado a 403 nm, característico de las nanopartículas de plata, sufre una lenta y progresiva disminución a medida que transcurre el tiempo desde su preparación.

3.2 Validación de la metodología analítica

Una vez establecidas las mejores condiciones para la síntesis de nanopartículas de plata, optimizado el proceso de SPME y establecidas las condiciones óptimas de separación, se establecieron las características analíticas para la determinación por cromatografía gaseosa de los plaguicidas organoclorados estudiados con SPME como etapa de preconcentración. Se establecieron las curvas de calibrado, intervalos de linealidad de la señal con la concentración, la precisión del procedimiento propuesto, y el límite de detección para cada analito.

En primer lugar se muestra un cromatograma obtenido para una extracción de una disolución de 1 ppb de todos los analitos empleando una fibra comercial de poliacrilato.

El compuesto organoclorado que presenta una mayor sensibilidad al método analíticoempleado es el 2,4′-DDT, con una pendiente de 9,53·105

(Área/ppb); mientras que el menos sensible es el Dieldrin, con una pendiente de 3,28·105

(Área/ppb). De la representación de las sensibilidades relativas de los diferentes compuestos estudiados se observa que exceptuando el α-endosulfan y el Dieldrin, las sensibilidades para el resto resultan bastante próximas entre sí.

Por otra parte, los límites de detección y cuantificación oscilan entre 6,60·10-2y 2,70·10-1 ppb, y entre 2,04·10-1 y 9,90·10-1 ppb, respectivamente. También se observa que excepto para el methoxychlor y el 4,4’-DDT son bastante similares entre el resto de analitos.

3.3 Determinación de compuestos organoclorados con nuevos recubrimientos para fibras de SPME

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Figura 8. Cromatograma de los compuestos organoclorados en las condiciones seleccionadas con sus respectivos tiempos de retención.

En primer lugar se utiliza la metodología 1 para las fibras 1 a 4. Al someter las fibras al proceso cromatográfico, se aprecia que se obtienen mejores resultados para aquellas que presentan agregados de tamaño considerable (fibras 1 y 3), aunque en todos los casos la reproducibilidad es baja y las señales disminuyen a partir de la segunda extracción. También se puede afirmar que no se encuentran diferencias significativas llevando a cabo una primera etapa de recubrimiento con HAuCl4 (fibras 1 y 2) o con AgNO3 (fibras 3 y 4).

Con objeto de mejorar la uniformidad del recubrimiento, se probó la metodología 2, que implicaba la formación de capas de espejo de plata superpuestas sobre las fibras 5 y 6. Las señales resultantes son sorprendentemente menores, y se comprueba que en este caso, el recubrimiento sufre una degradación importante como consecuencia de las altas temperaturas.

Sin embargo, al emplear la fibra 7, también preparada a partir de espejo de plata aunque con otro acondicionamiento previo y combinando las dos metodologías anteriores (1 y 2), las señales resultan considerablemente superiores para todos los analitos desde la primera extracción. Tanto la eficacia de la extracción como la reproducibilidad aumentan para esta última fibra.

A continuación, se comparan los resultados obtenidos para una concentración de 3 ppb con la fibra comercial de poliacrilato, que se toma como referencia, y los de las fibras con nuevos recubrimientos con las que se consiguen mejores resultados. Las señales que muestran mayor similitud entre sí se obtienen para los isómeros 2,4’-DDT y 4,4’-DDT, seguidos del Dieldrin. En el caso del β-endosulfan y el Methoxychlor, ladiferencia es especialmente significativa.

4. Conclusiones

 La síntesis de AgNPs se lleva a cabo por vía húmeda, empleando como agente precursor AgNO3, como agente reductor glucosa, como estabilizante almidón y amoniaco para ajustar el pH del medio. Estas son estables durante, al menos, 8 días.

 Se utilizan dos metodologías diferentes para recubrir las fibras. Por un lado alternancia de capas de 1,8-octanoditiol y AgNPs (fibras 1 – 4), y por otro capas de espejo de plata (fibras 5 – 7).

 Se realiza una validación del método de determinación de los compuestos organoclorados empleando una fibra comercial de poliacrilato.

 Los recubrimientos de las fibras 1 – 6 se deterioran fácilmente al ser sometidos a altas temperaturas durante el proceso cromatográfico. El mayor grosor del recubrimiento para la fibra 7 lo hace más resistente a altas temperaturas e incrementa la eficacia de la extracción, además de la reproducibilidad de la determinación.

 Tanto el acondicionamiento previo de las fibras como el número de horas de deposición en el caso del espejo de plata, son factores clave en la formación del recubrimiento.

Referencias básicas

[1] P. V. Fraeyenhoven et al. J. Chem. Educ. 2016, 93, 787-789.

[2] Feng et al. Anal. Chem. Acta. 2011, 701,174-180.

[3] M.Monge. An.Quim. 2009, 33-41.

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