Autores
Villanueva, M.O. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA) ; Taipe, S.C. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA) ; Coria, A.J.B. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA) ; Picasso, G.I. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA)
Resumo
Se realizó un estudio comparativo para los sensores ópticos basados en ionóforos
selectivos a iones potasio. Para los bulk optodos se usó una misma concentración
de 2.4 μmol de valinomicina, tetrakis (4-clorofenil) borato de potasio y ETH 5294
y los nano optodos fueron miniaturizados por sonicación y estabilizados en una
micela con el surfactante pluronic F-127. La señal analítica fue el descenso en la
absorbancia a 660 nm para incrementos en la concentración de potasio. El bulk
optodo resultó más sensible alcanzando un valor de 10-6 M de potasio y el nano
optodo hasta 10-3 M de potasio. Sin embargo, los nano optodos mostraron una mayor
selectividad que el bulk optodo, frente a iones interferentes como iones sodio,
litio, calcio y magnesio, con coeficientes de selectividad mayores a 1.0.
Palavras chaves
Sensor óptico; Nano optodo; Potasio
Introdução
El potasio es un metal alcalino importante para los seres vivos (TENJIMBAYASHI
et al., 2016). Una adecuada concentración de potasio en los seres vivos asegura
el buen funcionamiento del hígado, sistema circulatorio, riñones, músculos y
células cerebrales (IVANOV, 2020). La función del potasio en el área agrícola es
de suma importancia, se estima que el 70 % de los problemas durante el
desarrollo de las plantas se debe a la deficiencia de nutrientes como el
nitrógeno, fósforo y potasio (RAGHAD MOUHAMAD, 2016). Por ello la química
analítica debe desarrollar métodos de cuantificación de fácil aplicación y bajo
costo que aseguren la calidad de los resultados analíticos. En este artículo se
presenta la comparación analítica en términos de sensibilidad, selectividad y
precisión de un bulk optodo y un nano optodo, ambos sensores están basados en la
interacción de iones potasio en solución y la fase sensora orgánica del optodo.
El mecanismo del optodo es descrito como un intercambio iónico entre un ion
potasio acomplejado con el ionóforo valinomicina en una interacción estérica
altamente específica (MAKRLÍK et al., 2009). Para mantener el equilibrio iónico
dentro del optodo, el cromoionóforo ETH 5294 libera un ion hidrógeno según la
tautomerización imina-amina (KUDREVATYKH et al., 2019). El proceso de
desprotonación del cromoionóforo produce una señal colorimétrica, basada en el
cambio de color de la fase sensora del optodo proporcional a la concentración de
potasio en solución (DU et al., 2017). Este mecanismo es útil en el desarrollo
de novedosos sensores con detección óptica, debido a su capacidad de medición de
forma simple, rápida, de bajo costo, con tiempos cortos de análisis y de fácil
manipulación (XIE et al., 2017).
Material e métodos
La síntesis de la fase sensora del bulk optodo se realizó con 2.7 mg del
ionóforo de potasio, valinomicina (2.4 μmol), 1.2 mg del intercambiador de
iones, la sal lipofílica tetrakis (4-clorofenil) borato de potasio (2.4 μmol) y
1.4 mg de cromoionóforo, ETH 5294 (2.4 μmol). Todos los componentes se
disolvieron en 1,0 mL del solvente tetrahidrofurano (THF), estos reactivos
forman la fase sensora del optodo y se definen como mix para potasio. El bulk
optodo se soportó en una membrana polimérica conformada de 80 mg de policloruro
de vinilo (PVC) y 160 mg del plastificante dioctil sebacato (DOS) (SEILER et
al., 1992). La síntesis del nano optodo se llevó a cabo por un proceso de
miniaturización del bulk optodo a partir de una alícuota de 20 μL del mix en 2,0
mL de agua ultrapura y 20 mg del surfactante pluronic F-127. Luego se sónico a
30 °C en un baño maría a una potencia de 70 % de 40 kHz por 30 minutos o hasta
una completa disolución de la fase sensor (XIE et al., 2013). El proceso de
calibración del bulk optodo abarcó concentraciones de potasio entre 1.0 y 10-6 M
en solución tampón de tris (hidroximetil) amino metano (TRIS) de 20 mM a pH
7.00. El proceso de calibración del nano optodo abarcó concentraciones de
potasio entre 1.0 y 10-3 M. La cuantificación se realizó con 2,0 mL del nano
optodo y con 0.5 mL de la solución de calibración preparada en buffer TRIS de 20
mM a pH 7.00. Para la obtención de datos se usó un equipo de espectroscopia de
UV-VIS modelo GENESYS 10S (Universidad Nacional de Ingeniería, Perú), en una
celda de lectura de cuarzo de 10 mm en el rango desde 400 a 800 nm, donde la
calibración se efectuó utilizando la longitud de onda de 660 nm. La
caracterización del nano-optodo se procedió por Microscopio electrónico de
barrido (SEM) modelo JEOL a 7500 F (Universidad Estatal Paulista, Brasil). En el
estudio de selectividad se evaluó el sesgo en la respuesta del optodo para iones
interferentes de metales alcalinos y alcalinotérreos. La estimación de la
sensibilidad analítica se hizo a partir de la cuantificación a bajas
concentraciones de potasio. La precisión analítica se estudió por la
repetibilidad de los resultados, a partir de la estimación de la desviación
estándar relativa (RSD) a varios niveles de concentración de potasio.
Resultado e discussão
La figura 1a muestra el mecanismo del optodos, este es descrito como un
intercambio de iones entre un ion analito selectivo al ionóforo (I) y un ion de
referencia, generalmente un ion hidrógeno. La liberación del ion de referencia
produce una señal óptica de un indicador sensible a la variación del pH como el
cromoionóforo (C) (ERENAS et al., 2016). Las figuras 1b y 1c muestran el perfil
de absorción de la luz del optodo en el rango del espectro visible entre 400 y
800 nm. Se observaron picos de absorción a longitudes de onda de 540 nm
correspondiente a la forma desprotonada del cromoionóforo y a longitudes de onda
de 610 y 660 nm para la forma protonada del cromoionóforo. Estos resultados se
correlacionan con el comportamiento ácido - base del cromoionóforo ETH 5294
(FIROOZ et al., 2012). La figura 1d muestra el cambio de color del optodo desde
azul a rojo directamente proporcional al aumento de la concentración de potasio
en la solución. Adicionalmente, se muestra la respuesta del optodo en
condiciones de completa protonación del cromoionóforo en buffer TRIS 20 mM a pH
7.0 y completa desprotonación del cromoionóforo en hidróxido de sodio al 10 mM
(NaOH). La figura 1e muestra los resultados del SEM de los nano optodos, donde
las imágenes se obtuvieron con un rayo de electrones de 20 kV y con un aumento
en el lente de x 30000, debido a la naturaleza no conductora del nano optodo, se
necesitó recubrir con una capa de carbono, esto explica las zonas oscuras en las
imágenes mostradas. El resultado del nano optodo con surfactante pluronic F-127
de 1.0 % p/p mostró micelas esféricas de un tamaño cercano a 100 nm. La figura
2a muestran las curvas sigmoidales de calibración del optodo, donde el eje X es
el logaritmo de la actividad de iones potasio y el eje Y es 1 – α, definido por
el grado de protonación del cromoionóforo inversamente proporcional a la
concentración de potasio. La sensibilidad del bulk optodo alcanza niveles de
concentración de hasta 10 -6 M de potasio, a diferencia del nano optodo que solo
abarca hasta 10 -3 M de potasio. Esto es explicado por la limitada capacidad de
carga de las micelas de los nano optodos. La figura 2b y 2c muestran el estudio
de selectividad, donde la constante de selectividad fue determinada con las
curvas sigmoidales de los iones sodio, litio, calcio y magnesio. Los resultados
fueron determinados por el sesgo de las curvas sigmoidales a “1 - α = 0.5”, con
valores de coeficiente de selectividad para el bulk optodo para los
interferentes de iones sodio (1.79), calcio (2.09) y magnesio (2.20) y para el
nano optodo de sodio (2.66), litio (3.07), calcio (2.96) y magnesio (2.32),
donde a coeficientes de selectividad mayores se obtuvo mejores selectividades o
menores interferencias en la cuantificación de potasio. Estos resultados fueron
coherentes para iones de valencia 1, debido a su radio iónico similar al potasio
y para iones de valencia 2, estos no formaron complejos estables, entonces los
coeficientes de selectividad son más altos (BAMSEY et al., 2012), excepto para
el interferente Mg2+, en el cual ocurre un efecto de apantallamiento
disminuyendo el coeficiente de selectividad. La figura 2d y 2e muestran la
precisión analítica por repetibilidad durante el testeo del optodo, manteniendo
las mismas condiciones de operación (COMITÉ CONJUNTO PARA LAS GUÍAS EN
METROLOGÍA, 2012). El criterio de aceptación se verificó con la desviación
estándar relativa (RSD) a varios niveles de concentración de potasio de 10-6,
10-3 y 1.0 M estos fueron comparados con los valores de RSD Horwitz teóricos de
16.00, 5.66 y 2.00 respectivamente (HORWITZ et al., 2006). Para el bulk optodo
los RSD experimentales fueron 2.51 (10-6 M), 3.15 (10-3 M) y 3.41 (1.0 M) y para
el nano optodo los RSD experimentales fueron 2.24 (10-3 M) y 1.76 (1.0 M). Se
observo que para el bulk optodo a 1 M de potasio, el valor de RSD experimental
fue mayor al RSD Horwitz, esto se explica por un proceso no controlado de
lixiviación del plastificante en contacto con la fase acuosa. Para el nano
optodo los valores de RSD experimental fueron menores a los RSD Horwitz a todos
los niveles de concentración estudiados.
1a) Mecanismo del optodo 1b y 1c) Espectro del bulk optodo y nano optodo 1d) Cambio de color del bulk optodo y nano 1e) Caracterización por SEM
2a) Curvas sigmoidales del bulk y nano optodo 2b y 2c) Selectividad del bulk y nano optodo 2d) y 2e) Precisión del bulk y nano optodo
Conclusões
La caracterización del perfil de absorción de la luz del optodo se realizó en el
rango del espectro visible entre 400 y 800 nm. Los resultados revelaron un
descenso en la absorbancia a una longitud de onda de 660 nm para incrementos de
concentraciones de potasio. La calibración sigmoidal del bulk optodo alcanzó un
amplio rango de concentraciones de potasio desde 10-6 hasta 1.0 M y el nano-optodo
obtuvo un menor rango de concentraciones de potasio desde 10-3 hasta 1.0 M, debido
a una limitada capacidad de carga de las micelas. Sin embargo, los valores de
selectividad correspondiente al nano optodo fueron mayores que su contraparte bulk
optodo. Los valores de coeficiente de selectividad del bulk optodo y nano optodo
frente a los iones interferentes sodio, litio, calcio y magnesio fueron mayores al
mínimo requerido de 1.0, lo que indicó, una buena selectividad del ionóforo
valinomicina hacia el ion potasio frente a los iones interferentes. El estudio de
precisión para el bulk optodo y nano optodo obtuvo valores de RSD menores al 5.0
%. Todos los resultados de RSD experimental fueron menores al RSD Horwitz, excepto
el valor de RSD del bulk optodo para 1.0 M de potasio, que fue de 3.41 % para
condiciones de repetibilidad. Este valor fue mayor al RSD Horwitz (2.00 %),
indicando demasiada variabilidad a elevadas concentraciones de potasio.
Agradecimentos
Al Programa de Doctorado Contrato 237-2015-FONDECYT. Al Vicerrectorado de
investigación de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) de Lima-Perú por el
Proyecto de Investigación Formativa, proyecto OGI 2022 (FC-PF-32-2022).
Referências
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