Nuevas metodologías electroanalíticas basadas en nanomateriales para la detección y control de compuestos de interés agroalimentario.

Resumen

La motivación de la presente Tesis doctoral consiste en el desarrollo de nuevos métodos electroanalíticos con el objeto de obtener una simplificación y miniaturización de los sistemas convencionales de análisis existentes, así como para conseguir una mejora de las características analíticas de dichos métodos. Los nuevos métodos introducidos se basan en el empleo de nanotubos de carbono [1-3] con el propósito de conseguir los fines indicados, mejorando las técnicas analíticas empleadas y satisfaciendo los requerimientos legislativos relativos a los compuestos de estudio [4]. Desde este punto de vista, las nuevas metodologías desarrolladas se engloban dentro del campo de la Nanotecnología y pertenecen, por tanto, a una de las tendencias actuales dentro del ámbito científico de la Química Analítica [5]. Los nuevos métodos analíticos desarrollados corresponden, de una parte, a métodos de ¿screening¿, ya sea por generar directamente una respuesta binaria de tipo cualitativo (clasificación de muestras), o porque proporcionan una información rápida y aproximada de determinados componentes de la muestra [6]. De otra parte, los nuevos métodos analíticos pertenecen a la modalidad de técnicas confirmativas, aportando información precisa y sensible para la identificación y cuantificación de los compuestos de estudio [7]. Los compuestos estudiados abarcan un amplio espectro, comprendiendo compuestos polifenólicos o antioxidantes naturales [8], agentes antibacterianos como las sulfonamidas [9] y compuestos mutagénicos como las aminas heterocíclicas aromáticas [10, 11]. 2. CONTENIDO DE LA INVESTIGACIÓN 2.1. Investigación bibliográfica Se ha desarrollado un artículo de revisión bibliográfica donde se realiza una revisión crítica del empleo de nanomateriales en la fabricación de electrodos y sensores con fines electroanalíticos. El estudio muestra que los derivados de carbono, principalmente nanotubos de carbono y grafeno, son los nanomateriales más ampliamente utilizados en electroquímica, mostrando su importancia en el contexto de la química analítica. La mayoría de los tipos de nanoestructuras estudiadas muestra un gran potencial para su empleo en el desarrollo de nuevos sensores y electrodos, pero en la actualidad estos nanomateriales presentan varias limitaciones que no han sido propiamente estudiadas, lo que muestra la necesidad de futuros trabajos en este contexto. 2.2. Rapid voltammetric screening test for dietary antioxidant compounds using screen-printed multiwalled-carbon nanotubes electrodes Se ha desarrollado un método rápido y simple de screening de muestras para la identificación y aproximación cuantitativa de antioxidantes naturales mediante el empleo de electrodos serigrafiados modificados con nanotubos de carbono. La metodología propuesta permite la caracterización previa de los compuestos de estudio con técnicas electroquímicas y el posterior screening voltamétrico de muestras de la dieta mediterránea, obteniéndose una correcta composición de los antioxidantes en cada muestra analizada de acuerdo a la bibliografía existente previa. El nuevo método presenta un consumo mínimo de reactivos y muestras (50 µL) empleando electrodos miniaturizados, desechables y bastante económicos. Debido a la portabilidad de la instrumentación utilizada y a la sencillez y rapidez de la metodología desarrollada, ésta puede ser utilizada para la diagnosis in situ. 2.3. Validation of a screening method for rapid control of sulfonamide residues based on electrochemical detection using multiwall carbon nanotubes-glassy carbon electrodes. Anal. Methods, 2013, 5, 6821. En este trabajo se ha desarrollado y validado un método de screening electroquímico de sulfonamidas en distintos tipos de muestras (aguas, fármacos y leche) mediante el empleo de electrodos de carbono vitrificado modificados con nanotubos de carbono de pared múltiple. La principal ventaja de la metodología propuesta es el aumento significativo de la sensibilidad obtenida con los electrodos modificados en comparación con los mismos electrodos sin modificar. El screening de muestras de leche se ha diseñado en función de la legislación vigente para este tipo de muestras [4], obteniéndose resultados satisfactorios para la clasificación de las muestras de acuerdo al límite máximo permitido para estos compuestos (100g/Kg). Adicionalmente la metodología propuesta se ha aplicado a la determinación cuantitativa de sulfonamidas en fármacos y muestras de agua, obteniéndose una buena concordancia entre el contenido de sulfonamidas en los fármacos y la información facilitada por las compañías farmacéuticas, y porcentajes de recuperación en las muestras de agua comprendidos entre el 96 y 103%. El nuevo método tiene como novedad el empleo de nanotubos de carbono en la detección y se caracteriza por la rapidez, sencillez y bajo coste, pudiéndose ser utilizado en el análisis de rutina. 2.4. Determination of sulfonamides in milk samples by high pressure liquid chromatography with amperometric detection using a multiwall carbon nanotubes-glassy carbon electrode. J. Sep. Sci. DOI 10.1002/jssc.201301011. Se ha desarrollado un método conjunto de screening con posterior confirmación de residuos de sulfonamidas en leche basado en el acoplamiento de la cromatografía líquida de alta resolución con la detección electroquímica, mediante la utilización de electrodos modificados con nanotubos de carbono. Los límites de detección y cuantificación obtenidos con dicho electrodo para todos los compuestos de estudio son inferiores al valor permitido por la legislación vigente para este tipo de muestras [4]. Los estudios de recuperación llevados a cabo muestran valores satisfactorios comprendidos entre el 96 y 104%. La metodología propuesta permite, de una parte, la clasificación rápida y simple de muestras de leche de acuerdo a la legislación, y de otra parte, la confirmación en línea de las muestras inconclusas. Este método supone una valiosa alternativa frente a los métodos convencionales de análisis existentes. 2.5. Determination of mutagenic amines in water and food samples by high pressure liquid chromatography with amperometric detection using a multiwall carbon nanotubes-glassy carbon electrode En este trabajo se ha desarrollado y validado un nuevo método de determinación de agentes mutagénicos (aminas heterocíclicas aromáticas) en distintos tipos de muestras agroalimentarias (caldos comerciales, aguas y extractos de ternera), basado en el empleo de electrodos modificados con nanotubos de carbono acoplados a un sistema de cromatografía líquida de alta resolución. Esta metodología ha mejorado la sensibilidad obtenida para estos compuestos en comparación con los métodos oficiales de análisis, obteniéndose porcentajes de recuperación comprendidos entre el 92 y 105%. La simplicidad del proceso de preparación de los electrodos y la mejora de las características analíticas del método obtenidas posibilita el empleo de esta metodología en el análisis de rutina de control y seguridad alimentaria. 3. CONCLUSIONES En términos generales, los trabajos desarrollados implican la resolución de problemas analíticos relativos a la legislación vigente para determinados alimentos. Los métodos propuestos presentan la ventaja de que son transferibles al análisis de rutina debido a su simplicidad y rapidez. En todos los casos se consigue un aumento claro de la sensibilidad de los compuestos de estudio mediante el empleo de electrodos modificados con nanotubos de carbono de pared múltiple, mejorándose por tanto las características analíticas de los métodos previos. Además, la simplicidad y bajo coste de los screening de muestras propuestos están de acuerdo con la tendencia actual que publica la Comisión Europea en los documentos relativos al control de productos agroalimentarios. 4. BIBLIOGRAFÍA [1] S. Iijima, Nature 354 (1991) 56. [2] L. Dai, ¿Carbon Nanotechnology: Recent Developments in Chemistry, Physics, Material Science and Device applications¿. Elsevier, Amsterdam. 2006. [3]M. Valcárcel, ¿Las nanoestructuras de carbono en la Nanociencia y la Nanotecnología analíticas¿. Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Madrid, 2010. [4] Commission of the European Community, ¿The rules governing medical products in the European Community IV¿. Brussels, 1991. [5] ¿Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties¿. Royal Society and Royal Academy of Engineering. July, 2004. [6] A. Ríos, H. Tellez, M. R. Plata, ¿Metrología del análisis cualitativo¿, Materiales de referencia y comparaciones interlaboratorios. CENMA. Chile, 2006. [7] G. Patonay, HPLC Detection: Newer methods. VCH, 1992. [8] The Flavonoids: Advances in Research since 1986, Ed. J.B. Harborne. Chapman & Hall. Londres, 1994. [9] E. Perez-Trallero, L. Iglesias, Enferm. Infecc. Microbiol. Clin. 21 (2003) 520. [10] M. Nagao, M. Honda, Y. Seino, T. Yahagi, T. Sugimura, Cancer Lett. 2 (1977) 221. [11] International Agency for Research on Cancer, IARC Monographs of the Evaluation of the Carcinogenic Risk of Chemicals to Humans, vol. 56. Lyon, 1993.